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測試與測量  

為不同應用測試選擇合適的訊號源

上網時間: 2007年07月31日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:訊號源  任意波形產生器  AWG 

在各類測試應用中,訊號源扮演著極重要的角色。但訊號源具有許多不同的類型,不同類型的訊號源在功能和特性上各不相同,分別適用於許多不同應用,詳見表1。如何為應用選擇適當的訊號源,將為測試工程師提出挑戰。目前,最常見的訊號源類型包括任意波形產生器(AWG)、函數產生器、RF訊號源,以及基本的類比輸出模組。

任意波形產生器

任意波形產生器通常提供較深的記憶體,較大的動態範圍以及較寬的頻寬,來滿足各式各樣的應用,包括通訊、半導體和系統測試。AWG接收來自PC的用戶自定義數據,並利用這些數據來產生任意波形。AWG用戶可以將想要產生的一系列波形下載到儀器所帶的記憶體中。通常,可以儲存實際的波形和形成這些波形所需的波形序列指令。

現在請看一下AWG的基本架構。要從AWG上產生一種波形,必須先製作任意波形本身。像類比波形編輯器,調變工具,以及美商國家儀器公司(NI)的LabVIEW軟體等工具都能夠簡化這些波形的製作。這些波形和其波形序列指令都存放在儀器所附加的RAM中。

波形產生序列通常從TTL硬體觸發器開始。各種波形由許多單一樣本構成,而產生採樣率由儀器的採樣時脈確定。從內部採樣時脈時基(100MHz VCXO)中導出採樣時脈有幾種不同模式,包括DDS定時Div/N時脈,以及幾種提供不同外部時脈的模式。另外,對於用於儀器的鎖相環的頻率基準,也有幾種不同的選擇。

波形透過記憶體傳送到數位類比轉換器(DAC),數位類比轉換器將數位採樣樣本轉換成所需的類比輸出波形。在DAC之前,樣本被數位濾波,而經過DAC之後,類比輸出又通過一個類比濾波器。這些數位和類比濾波器透過插值來增加採樣率,並透過諧波低通濾波器濾除寄生訊號,大幅改進了訊號品質。通常,這些濾波器都能夠用軟體編程。

AWG允許用戶規定波形片斷並建構複雜波形。由於AWG將波形儲存在自身記憶體中,故波形長度受限。波形循環可協助產生具有多次重複的子段的訊號。對波形段進行循環可改善記憶體效率,並增加了波形的持續時間。

AWG還可規定波形中不同的級別,每級都可包含不同的波形段和不同的循環次數。AWG依次產生每一個定義的波形段。透過組合先後順序和循環次數,就能夠利用很小的記憶體容量來建構非常複雜的波形。AWG可以為每個波形段指定不同的波形片段,不過不同波形段之間,其過渡點上的相位不一定是連續的。

最後,許多AWG都具有一個仿函數產生器功能。此時,當要求輸出一個標準函數波形時,可以先用軟體來產生,並下載到AWG上,然後再由AWG輸出。這與以下要介紹的全DDS技術不同。

美商國家儀器的PXI-5422是一台200MS/s的任意波形產生器,它具有16位元的解析度,記憶體容量高達512MB,儀器結構為一個緊密的單槽3U PXI模組。由於NI PXI-5422採用基於PCI的PXI平台,波形的下載速率可高達84MB/s,遠高於傳統基於GPIB的儀器。

圖1:任意波形產生器的基本架構。
圖1:任意波形產生器的基本架構。

函數產生器

函數產生器可產生固定波形,如正弦波、方波或三角波,而頻率可調節。函數產生器無需來自電腦或大容量記憶體緩衝器的連續輸入,因為設備本身就能產生這些波形。

函數產生器可以基於類比技術,也可以基於數位技術。類比函數產生器利用類比硬體來產生簡單的函數,並在需要指定頻率的靜態正弦波或方波時使用。而數位函數產生器採用直接數位合成(DDS)、DAC、數位訊號處理,以及一個單週期記憶體緩衝器來產生訊號。DDS技術依賴數位控制方法,利用單基準時脈頻率來實現一個類比頻率源。DDS能夠實現高精密度和高解析度,高溫度穩定度,高頻寬,以及隨機的和相位連續的頻率切換。

許多訊號源透過對一個內部時基進行整數分頻來產生時脈訊號,這被稱為除N方法。但是,用除N方法來產生時脈,只能產生有限的時脈頻率。AWG甚至是幾個時脈頻率產生器,都可以採用DDS技術來產生具有非常精細的更新頻率時脈訊號,而這是除N方法無法實現的。

DDS函數產生器

圖2:典型DDS函數產生器的架構圖。
圖2:典型DDS函數產生器的架構圖。

一個完整週期的函數波形被儲存在記憶體查找表中。相位累加器追蹤輸出函數的電流相位。為了輸出一個非常低的頻率,採樣樣本之間的相位差(Δ)將非常小。例如,一個很慢的正弦波可能將有1度的Δ相位。則波形的0號採樣樣本採得0度時刻的正弦波振幅,而波形的1號採樣將採得1度時刻的正弦波的振幅,依此類推。經過360次採樣後,將輸出正弦曲線的全部360度,或確切地說是一個週期。一個較快的正弦波可能會有10度的Δ相位。於是,36次採樣就會輸出正弦波的一個週期。如果採樣率保持?定,上述較慢的正弦波頻率將比較快的正弦波慢10倍。

進一步說,一個?定的Δ相位必將導致一個?定正弦波頻率輸出。但是,DDS技術允許透過一個頻率表迅速地改變訊號的Δ相位。函數產生器能夠指定一個頻率表,該表包括由波形頻率和持續時間資訊組成的各個段。函數產生器按順序產生每個定義的頻率段。透過產生一個頻率表,可以建構複雜的頻率掃描訊號和頻率跳變訊號。DDS允許函數產生器的相位從一級到另一級連續變化。

美商國家儀器已開始提供寬頻率範圍、利用PCI和PXI兩種平台的函數產生器和頻率產生器。其頻寬範圍為40MHz~105MHz,而DAC解析度為12~16位元。

向量訊號產生器提供了高靈活度和強大的解決方案,適用於科學研究,通訊,消費電子,航太/國防,半導體測試及其他新興領域,如軟體無線電、RFID及無線感應網路等。

美商國家儀器公司還提供許多其他利用DAC來產生類比訊號的類比輸出產品。類比輸出板的基本架構是,將一個小型的FIFO記憶體連接到一個DAC上。絕大部份的類比輸出板被用來產生靜態電壓,且許多可用來產生低頻波形。

表1:各類訊號源的特性和功能比較一覽表。
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表1:各類訊號源的特性和功能比較一覽表。

作者:Cindy Ong

南亞地區行銷工程師

cindy.ong@ni.com

美商國家儀器公司




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