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发表于:2017-05-18 11:32
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 背景:

信号发生器生成波形的方式可以大致分为两种DDS模式和Arb模式。两种方式的工作机理和硬件架构是不一样的,但是在两者的硬件架构中,放大器和滤波器都发挥着非常重要的作用。在信号发生器中数模转换器是数字量转换为模拟量的器件,转化的效率和质量直接决定了波形的质量。转换完成之后的波形一般需要经过滤波器和放大器对波形进行平滑处理以及滤波操作。完成之后的波形可以使得输出的波形不发生波形的混叠也能够使波形的频谱更加干净。本文将介绍和分析放大器以及滤波器在两种波形生成方式中的作用并介绍一款70ps@±5Vpp的脉冲发生器。

关键词:信号发生器、70ps的边沿转换时间,±5Vpp峰峰值输出电压

一、DDS和Arb的原理简介

1、DDS模式

在DDS模式下,信号发生器使用一个特别的缓存访问机制和时钟机制来实现DDS模式。使用DDS模式可以输出一个高精度频率的波形。传统的模式是输出储存器中波形的每个样点,与传统的模式不同DDS模式在缓存中储存着单个周期的大量采样点,使用DDS技术可以让函数发生器或者是任意波形发生器从缓存中选择输出哪个样本点。

DDS的实现需要包括三个主要硬件部分:(a)采样时钟,(b)相位累积器以及(C)查询表,查询表是一个可编程但只读的缓存。下面的图片显示的就是DDS模式的一个硬件架构。

 

 

图:DDS架构的硬件框图

工作机理:首先,相位累积器使用频率调制字(Tuning Word)来判断出信号的频率。频率调制字是一个24-48bit的数字字节,这个数字字节说明在波形缓存区中需要跳转几个样点。第二个器件是寻址器(Adder),寻址器将频率调制字加到相位寄存器(phase register)上。新的值又输出到相位寄存器上。相位寄存器采纳新的数字字节并且使用新的数字来指定下一个从循环表里面输出的采样点。相位寄存器将保留下来的大部分没有用在循环表里面的地址剩余部分返回到寻址器来反复的确保频率的准确性。每次计算得到的相位寄存器的值就会写入到查询表中,根据相位寄存器的值选择查询表里面的值输出给DAC(模数转换器)就可以实现波形的输出。

2、Arb模式

Arb模式可以以一个可变的采样时钟从波形存储器中读出量化数据,经过DAC和滤波器之后输出,如果需要改变输出信号的频率,就需要调节采样时钟的频率。Arb模式更接近一个数字储存示波器的逆过程:

数字存储示波器的采样率可以变化,Arb模式下的信号发生器的时钟频率也可以变化。

Arb模式下信号发生器的约束条件:存储容量=采样率X信号重复周期。可以看出在Arb模式下,可以通过改变采样时钟来改变信号的输出频率,并且能够保证存储器中的数据都被输出,相比DDS方法,信号保真度更好。

 

 

图:Arb模式的工作原理

二、放大器和滤波器在信号发生器中的作用

无论是DDS还是Arb模式,样本点最终都需要经过滤波器以及放大器进行信号的处理。滤波器又可以分为数字滤波和模拟滤波两种。一般情况下两种方式会结合在一起使用。信号发生器中DAC数模转换器一般都会使用采样保持技术,使用这项技术有可能会使得输出的信号出现高频的信号混叠以及波形的不平滑。为了消除这一影响信号发生器会使用一个数字有限脉冲响应滤波器(FIR)来实现在输出的样点之间进行插值。这样也就等效于提高了信号的采样率,高频的信号也就被移至频率更高的位置。之后通过模拟滤波的方式来消除这些高频的部分,使得输出的信号频率更加纯净。

而放大器是在信号发生器需要实现更高电压输出的时必不可少的部分。但使用了放大器往往又会使得信号发生器的带宽降低。这在信号发生器领域是一个常见的矛盾问题,电压输出范围和带宽往往是一个此消彼长的关系。但是性能好的放大器却能够在提高电压输出的情况下仍然保持高的带宽。

三、总结

无论是对于信号发生器还是示波器来说,放大器电路都是一个非常重要的部分。对于信号发生器领域来说数模转换器的发展速度要比滤波器放大器要快得多。高速高质量的DAC可以实现高质量信号的快速输出,但是当我们把信号发生器理解为一个水杯的时候,杯身容积在大如果出水口太小那么我们那个获得水的速度和质量也就有限。放大器和滤波器对于信号发生器来说也就相当于瓶口,所以放大器和滤波器的作用对于信号发生器来说也是尤为重要的。

但是Active的骑士系列脉冲发生器,却能够实现在±5Vpp输出范围下达到70ps(20%-80%)的边沿转换时间(带宽计算值为3.5GHz)。并且还能够对外部信号进行放大输出,可以将一路信号放大不同倍数从输出通道输出。放大之后的信号可以达到70ps的边沿转换时间。



 
       
     
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