信号发生器的架构——从模拟输出到高级特性

当生成一个被以100 MHz频率采样的20 MHz正弦曲线时，您会看到80 MHz、120 MHz、180 MHz和220 MHz等频率的图样。图5显示了该20 MHz正弦波的频域特性。

图5。一个20 MHz正弦波的频谱图样

正如该图所示，高频频谱镜像会使您正在生成的信号的频域产生失真。

NI信号发生器利用一个模拟滤波器和/或一个数字滤波器移除高频镜像。首先，一个数字有限冲激响应（FIR）滤波器对该信号进行插值处理以提高有效采样率。例如，一个20 MHz正弦波被以100 MS/s的采样率采样，然后四倍插值以达到400 MS/s的有效采样率。通过提高有效采样率，距离新的有效采样率最接近的频谱镜像如图6所示：

图6。一个经4倍插值的20 MHz正弦波的频谱图样

如图6所示，数字滤波处理（插值）无法完全消除频谱镜像。实际上，它仅仅将它们迁移至更高的频率。然而，许多信号发生器还使用了一个模拟滤波器。该模拟滤波器能够将这些频谱镜像衰减至噪声水平以下。该情形如图7所示，它显示了您应用了一个低通模拟滤波器之后的相同频域图形。

图7。一个经插值和模拟滤波器处理的20 MHz正弦波

如图7所示，这些频谱镜像已经下降到该设备的噪声水平以下。在此具体范例中，该模拟低通滤波器使得高频镜像衰减达60 dB之多。因此，该信号发生器能够生成一个更为精确逼近理想模拟信号的模拟信号。进而，您可以观测到经插值核滤波处理的信号的时域波形，如图8所示：

图8。一个20 MHz正弦波的时域图形

图8表明原先在时域内非常明显的各个阶梯信号都消失了。实际上，该输出看似一个纯净的正弦曲线。因而，插值与模拟滤波处理均有助于提升一个信号发生器的精确逼近一个模拟信号的能力。

6. 时钟

正如一个DAC的精度对于所生成信号的幅值精确度有重大影响一样，应用于该DAC的时钟也对所生成信号的频率精确度有重要影响。因此，一个精确的时钟机制的影响在一个信号的频域内是可测量的。现代信号发生器提供了多种时钟作用方式，使得DAC输出位于精确的频率并具有最小的时钟抖动。下列章节描述了各个时钟机制及其技术优势。

N倍分频

下分频（或N倍分频）时钟机制对一个信号发生器的时基分频以提供特定的频率。该组件利用一个压控晶体振荡器（VCXO）为该信号发生器生成一个基础高频时基。依靠该时基，N倍分频电路能够派生出符合该信号发生器时基的整除数的频率。例如，您可以将一个200 MHz的时基分割得到200 MS/s、100 MS/s、66.6 MS/s和50 MS/s等频率。

该N倍分频时钟机制由于提供了与采样时钟的最小抖动，故更为可取。然而，它也是最不灵活的时钟机制，因为有效采样率必须是该时基的严格的整除数。

高精度时钟

信号发生器的另一个可选的时钟机制是高精度时钟，它支持最精确的频率精度。利用该机制，派生一个高达最大采样率的采样时钟成为可能，即使它并不是基础时基的一个整除数。NI信号发生器利用该时钟机制派生出精度优于1 µHz的时钟。该时钟模式对于那些需要一个精确时钟频率的应用非常有用，而这在采用下分频时钟策略中是无法实现的。然而，高精度时钟机制将导致比N倍分频机制更多的时钟抖动。

直接数字合成（DDS）

NI函数发生器采用了一个称为直接数字合成的时钟机制。DDS通过首先将大量重复波形存储在一个有限的存储空间内进行工作。对于NI产品，一个波形（正弦波、三角波、方波和任意波形）的单个周期可以通过准确的16384个点表示并存储在存储器中。一旦该波形被存入存储器中，它可以在非常精确的频率点被生成。

注意，利用DDS的波形发生在根本上不同于任意波形发生，这一点非常重要。利用任意波形发生，波形的每一个采样被存储在存储器中并按顺序生成。利用DDS生成的信号的工作方式略有不同。使用这种工作方式，一个波形的单个周期被存储在存储器中。然而，在生成该信号时，DAC并没有生成该波形的每一个点。实际上，当生成一个精确的频率时，DAC忽略了信号生成过程中的采样，以得到期望的采样率，如图9所示：

图9。利用直接数字合成生成一个21 MHz的信号

DSS的实现需要一个查询表以确定在任何频率点准时生成的信号的相位。图10展示了基于直接数字合成的波形发生的模块。

图10。直接数字合成的功能模块

如图10所示，一个相位累加器比较采样时钟和期望频率，以使一个相位寄存器递增。其基本原理便是，DDS根据期望信号的瞬时相位选择合适的采样，使得在精确的频率点生成周期信号。通过利用214（16384）个点表示您的波形，您可以利用您的查询表来表示准确的16384个相位增量。凭借DDS，函数发生器能够在精确的频率点生成信号。事实上，利用48-位DDS，NI-540