信号发生器的架构——从模拟输出到高级特性

NI信号发生器利用同步与存储核心（SMC）架构，在一台设备的板上存储、外部硬件和数模转换器（DAC）之间提供了一个共用的接口。本白皮书比较了两种类型的信号发生器——任意函数发生器和任意波形发生器。此外，本文也探究了信号发生器的各个方面，其中包括存储器架构、DAC考虑因素、数字增益、滤波与插值、信号发生引擎和各种事件。一个典型的信号发生器的模块框图如图1所示。

图1。信号发生器模块框图

下列章节考察了每个组件在信号发生过程中的作用。此外，您将了解利用一个信号发生器尽可能地生成最佳信号所必需的技术细节。注意，信号发生器因类型和功能的不同而不同。例如，任意函数发生器通常使用少于1 MB的板上存储。在另一方面，任意波形发生器使用高达512 MB的板上存储和高级排序功能。此外，一些任意波形发生器实现了板上信号处理（OSP）功能，以生成基带I/Q信号与IF信号。由于OSP并不属于本白皮书的讨论范围，敬请查看OSP介绍以获取更多信息。

1. 信号发生器的类型

绝大多数信号发生器包含共同的组件，例如一个DAC、板上存储和模拟或数字滤波电路。然而，信号发生器可以根据其存储选项和时钟特性分为两类。这两类信号发生器是函数发生器和任意波形发生器（AWG）。

函数发生器

函数发生器是专为生成位于精确频率点的周期性波形而设计的。事实上，它们通常采用一个称为直接数字合成（DDS）的时钟机理，以生成精度高于1 µHz的精确频率。此外，DDS赋予了函数发生器在运行中以相位连续的方式改变频率的能力。而且，由于函数发生器输出的是重复波形，所以它们仅需要有限的存储以存储该波形的单个周期。NI任意函数发生器能够通过一个标准库（其中包括正弦波、方波、斜面波和三角波等波形）或者用户定义的16 kS波形生成许多种周期性波形。函数发生器的一些常见应用包括滤波器表征、激励-响应测试和产生时钟信号源。

任意波形发生器

另一方面，AWG是专为生成大且常常复杂的波形而设计的。因此，它们采用深度板上存储和复杂的时钟机制。事实上，该SMC架构处理高达512 MB的存储器。此外，AWG甚至能够针对更为复杂的序列进行高级的波形连接、环接和脚本编写处理。该SMC还提供了许多高级的标记符号和触发信号，以实现与其它仪器的同步。我们将在本白皮书中更为深入地讨论这些特性。

2. 深度板上存储

现代信号发生器（特别是AWG）实现了深度板上存储器以存储大波形。基于PCI或PXI的仪器能够有效使用这一存储，因为PCI总线使高吞吐量成为可能。

信号发生器利用板上存储同时存储波形和序列指令。一个复杂序列的指令可能会占用存储器中的相当的空间。事实上，利用NI信号发生器的架构，您可以将多个波形和多个序列指令加载到同一台仪器的存储器中。图2展示了一个典型的NI信号发生器的存储器分配。

图2。信号发生器的存储器分配

注意， NI信号发生器具有高达512 MB的板上存储，其工作时间较长。而且，利用NI-FGEN驱动程序，您可以在该信号发生器正在生成一个波形的同时，编写和替换存储器中的这些波形。因而，利用PXI总线上可用的高吞吐量，您可以连续改写波形段以生成波形流。

3. 数模转换器（DAC）

现代信号发生器利用先进的DAC将存储器中的数字波形转换为模拟信号。NI采用的所有DAC具有一种采样及保持的工作特性，即该DAC在给定时长内保持在一个离散电压水平。

4. 数字增益与衰减

由于信号发生器是专为生成大范围电压信号而设计的，模拟增益放大器和数字增益处理均用于最大化该信号发生器的幅值精度和灵活性。

典型地，NI信号发生器提供三个不同的增益通路，以将DAC模拟输出放大至不同的模拟电压范围。其中，每一个通路的范例输出如图3所示。

图3。信号发生器的增益放大器

此外，信号发生器使用数字增益以放大或衰减信号，从而利用了DAC的全范围。利用这一特性，采样信号在被生成模拟信号前，通过增益因子数字化调整大小。因此，您可以在运行中调整一个给定信号的幅值，而不必将一个不同的波形再次加载到存储器中。对于一个给定的信号通路，您可以将波形放大至其最大范围。

5. 插值与滤波

正如前面所提及的，DAC仅仅能够近似真正的理想信号。事实上，由于一个DAC的步进输出导致了高频镜像，所以现代信号发生器同时实现了模拟滤波器和数字滤波器，以提供一个理想模拟信号的最佳近似。作为一个范例，一个未滤波处理的信号的时域信号如图4所示。

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图4。DAC的采样及保持输出

高频镜像是该采样及保持输出的结果。这些镜像的频率为每个采样频率的倍数加上或减去基频。因而，