任意波形发生器的原理与应用.ppt

1、任意波形发生器的原理与应用,福禄克精密测试仪器部,何时，何地，什么情况以及为什么需要任意波形发生器,结构设计,子系统N，调试,软件子系统 调试1,集中联调,子系统1，调试,软件子系统1 设计编码,硬件子系统N 样机设计,硬件子系统1， 样机设计,软件子系统N 设计编码,软件子系统N 调试,生产,定义系统功能,软件事项,硬件事项,软件/硬件公共项,安装服务,生产测试,开发产品的过程,最初检查,优化和加载,功能检查,参数和裕度分析,集成,软件调试,一般仅在设计阶段,所有项目,测试/调试过程,激励响应模型,如何激励仪器,经常由“缺少”的电路来激励系统输入 来自外部信号源 来自其他子系统 来自遥远的其

2、他设计组 来自项目协作人 来自某仪器供应商,如何激励仪器,需要特别降低或增强信号以建立和验证仪器性能的极限 添加错误信号 增加噪声 制造特殊事件 颠倒时序 改变幅度 限制带宽 增加谐波失真 其他等等,常用的信号发生器,函数发生器 脉冲发生器 特殊信号发生器 视频信号，电讯信号 调制发生器 AM, FM, FSK, I/Q 等等 定制式发生器 系统元件 以上各项的组合,任意波形发生器可以代替所有这些仪器,往往价格更低 ！,任意波形发生器基础,Arb = 任意波形发生器或任意函数发生器 什么是任意波形发生器？ 它是一种数字合成函数发生器. 任意波形发生器能为用户做什么? 以操作简便, 快速, 经济

3、的方式来模拟 用户所需的各种复杂信号,任意波形发生器基础,任意波形发生器是一种强有力的工具 可仿真复杂的实际信号 可产生任意一种波形 产生的波形可以修改 用软件可产生各种函数，噪声，脉冲串，调制信号等等 为各种应用提供方案 生产任意波形发生器比生产同等性能的模拟波形发生器一般要便宜,产生用户设定的复杂波形,任意波形发生器用于,产生各种基本波形 (正弦波,方波, 三角波等等),任意波形发生器用于,脉冲/脉冲序列发生器,任意波形发生器用于,调制信号源,任意波形发生器用于,噪声发生器,模拟噪声,数字噪声,信号噪声,任意波形发生器用于,扫频信号发生器,任意波形发生器用于,触发信号发生器,任意波形发生器

4、用于,任意波形发生器功能,任意波形发生器称得起多才多艺 任意波形发生器可以仿真任何波形 比同等性能的模拟波形发生器一般要便宜 任意波形发生器是设计工程师，测试工程师和维修工程师强有力的工具,任意波形发生器工作原理,采样 时钟 信号,外部参考输入,触发输入,地址 发生器,波形 存储器,DAC,信号 修整,IEEE-488/RS-232 接口,微处理器系统,任意波形发生器工作原理,采样时钟信号,波形存储器,计数器,简单的计数器式地址发生器,0000 0001 0010 0011 0100 .,时钟,波形存储器,计数器,任意波形发生器工作原理,D/A,地址,任意波形发生器工作原理,具有开始，停止和重

5、复能力的地址发生器,重复数为4,开始计数,停止计数,重复计数,触发输入,触发输入,开始计数 停止计数,D/A,地址,任意波形发生器工作原理,波形连接,将存储器分段,波形存储器,分为能独立存取和控制的独立段落,波形连接,把多个波形连接在一起 适于产生非常长，非常复杂的波形 可以减少对大波形存储器的需要,波形连接,波形2,波形1,波形3,波形4,采用相位累加器的任意波形发生器,有时也叫任意函数发生器,相位累加器,低通滤波器,时钟,相位累加器,输出,时钟,相位累加寄存器,相位输出寄存器,DDS技术和相位累加器,旋转矢量,正弦波表,时钟,信号周期为采样信号周期的四分之一,旋转矢量,正弦波表,时钟,信号

6、周期为采样信号周期的三分之一,DDS技术和相位累加器,旋转矢量,正弦波表,时钟,信号周期为采样信号周期的十二分之五,DDS技术和相位累加器,旋转矢量,正弦波表,时钟,信号周期为采样信号周期的十二分之五,DDS技术和相位累加器,工作原理,用相位累加器的优点 优良的标准波形性能 优良的频率准确度，稳定性，正弦信号时相位噪声 小 正弦频率高，接近奈奎斯特频率 适合产生扫频信号 低价结构 用相位累加器的缺点 产生低占空比脉冲串困难 阶跃响应差（信号越变时有振铃） 信号细微处失真 相位性能不好,考察信号的抖动,真任意波形发生器,DDS信号发生器,“真任意波形发生器”的优点 波形可连接 优良的低占空比的波

7、形 优良的阶跃响应 优良的相位特性 “真任意波形发生器”的缺点 成本高,较昂贵 正弦波形频率不高,工作原理,关键指标,最高采样率 MS/s 确定信号组成的最高频率 1/2 采样频率为奈奎斯特频率,波形存储器 存储波形点数的存储器， 点数多可以产生长波形 波形短时分辨率高 波形段的容量和数目 产生复杂的波形 存储许多波形 不同波形不同名字 用户可自己确定波形容量,关键指标,关键指标,信号重复频率 Fw = fs wsize 信号重复频率采样频率 波形容量 采样频率 fs(MS/s)=每秒产生的波形点 波形容量 wsize确定波形的点数 加大点数可优化波形质量 举例： 需要1000点的波形 任意波

8、形发生器最高采样率50MS/s 最高信号重复频率 Fw ： 50,000,000 MS/s 1,000 = 50kHz,关键指标,垂直分辨率（模数转换分辨率） 大多为12位，即有04096个台阶 也有8位，10位和16位的 位数越高，每个波形点的分辨率也越高，因而失真和噪声更低 信噪比 位数6 般高采样率的任意波形发生器, 垂直分辨率都较低,关键指标,通道数 通道间的功能 触发 调制 相位调整 连接能力 放大能力 最大幅度，偏置,关键指标,产生所需波形的方法 从文件(如Excel文件)输入用前面板的编辑功能 用示波器采集的波形 用波形发生软件 DSP2,关键指标,总结 采购 任意波形发生器之前

9、，明白需要的性能 波形和信号频率 波形存储器 幅度和幅度分辨率 波形连接 多通道的需要 怎样产生或获得所需波形,电力质量测试,用多通道任意波形发生器可以方便地测试三相电力监视设备和其他交流监视设备 测试设备在过渡过程或掉电时的响应是典型要求 任意波形发生器仿真电力线的变化非常容易， 在这类应用中功能强大,电力质量测试,设置任意波形发生器 用 WaveForm DSP2 波形发生软件产生带有各种变化的正弦波,纯正弦波,带噪声的正弦波,带掉电的正弦波,带过渡过程的正弦波,电力质量测试,将波形下载至Arb,电力质量测试,任意波形发生器的3个通道同步产生3相电源信号 3相电源精确设置在0, 120 a

10、nd 240 电力线的各种各样的问题都可以仿真出来 图 3显示了电力瞬态过程和 掉电过程的仿真信号,电力质量测试,应用总结 用功率放大器将信号放大至电力线水平，用于测试设备在各种电网情况下的响应 任意波形发生器可以仿真电网的各种情况，是一个理想的测试工具 波形和相位都可以方便地改变，以适应各种详细测试 任意波形发生器让你在设计和测试阶段就使用真正的信号,CDMA 信号仿真,概况 CDMA是数字移动通信的一种先进调制技术 手机的声音信号数字化后与一个伪随机信号卷积乘，将 信号散布在一个指定频带 每个呼叫用一个单独的伪随机信号。因此多个呼叫可在 同一个频带内同时使用， 必须测试手机的发射电路以确定

11、其交调指标和噪声指标 可用某一带宽噪声来模仿所需信号的特性 将信号输入到发射电路，然后测量输入输出之间的交调失真,CDMA信号仿真,仿真基带CDMA信号是一个2kHz至500kHz的噪声信号。 并有很低的本底噪声和陡峭的边带 任意波形发生器可以容易地用数学方法模仿这种CDMA噪声信号。,CDMA 信号仿真,395有一个自备的窄带模拟噪声发生器 图 1 是一个频谱仪显示的395的输出 这是一个仿真的基带噪声信号。它有很低的本底噪声和陡峭的边带 将此信号输入至发射电路，可以测量 输入和输出之间的交调失真,CDMA 信号仿真,CDMA测试要求有一个中频信号（IF）与基带信号混合 将4.5MHz至5.

12、5MHz的信号调制基带信号，就产生了中频信号,用395内部的调制信号发生器调制前述的窄带信号， 图 2 显示了395的仿真输出。,CDMA 信号仿真,用任意波形发生器产生CDMA这样的限带噪声有许多优点 100MS/s 的任意波形发生器可以容易地产生窄带至中带 （几mHz至几十MHz)的噪声信号 任意波形发生器可以提供可重复的噪声 任意波形发生器可产生高斯调制和幅值调制噪声 可以产生许多种噪声并存入非易失性存储器中,195型的应用,用户 : Medtronic 购买了4通道的195 应用于一组神经痛治疗仪，195用来仿真遥测信号，输出到一个可植入的集成电路，控制对神经痛的治疗。 为什么用195

13、 每一相都既可单独运行，也可锁相运行 仿真信号能力强 非常便宜的4通道信号发生器,195型的应用,用户:Smiths Industries 购买了 4通道的195 测试猎兔狗式垂直起落飞机的计算机系统，195用来仿真飞机上各种传感器信号（发动机，发射机，轮子上的重量，吸入空气等），用195仿真信号，计算机不必连接飞机，就可以测试。需要各种标准波形（正弦，方波，脉冲等等） 为什么用195 多通道工作在各自独立的频率 使用方便 非常便宜的4通道信号发生器,195型的应用,用户 : VEECO 购买了2通道的195 VEECO生产数据存储设备的测试系统。测试数据存储系统的DCL编码，195驱动两个双

14、极性电源，控制定位光束引导数据到指定位置 为什么用 195 ？ 准确的相位控制 纯正，准确的标准波形 价格好,195型的应用,用户 : 飞利浦研究所 购买了2通道的195 用195的脉冲驱动绝缘栅场效应晶体管 为什么用195 ？ 价格好 可编程的脉冲 相位控制好 使用方便,195型的应用,用户 :Cummins Engine 购买了4通道195及软件DSP2 仿真各种发动机信号，曲柄和凸轮轴位置，仿真4个喷油嘴按时点火 为什么用195 ？ 用DSP2可以方便的产生复杂波形 通道间锁相 优异的价格,汽车工业应用 (Verachem) 仿真点火系统 (Mano-Tronics) 汽车电子器件 功能

15、测试 (Chrysler) 环境测试系统的信号源 (General Motors)为控制器提供仿真信号 (Packard Electric)电子测试 (Daimler-Benz, BMW, Jaguar, Robert Bosch, Kelsey-Hays) 防抱死系统(ABS)测试,任意波形发生器应用,需要4个独立的通道 从任意波形发生器各通道发出 模仿4个轮子的速度 的波形 发出的波形接至每个车轮的ABS传感器 必须能输出任意波形发生器 波形任意, 幅值任意,频率任意,防抱死(ABS)功能测试,机械/材料 (BMW)发动机零件震动测试 (Marshall Space Center) 突发振

16、动台的输入信号 (Applied Materials, Rexham Graphics) 材料测试 (Johns Hopkins Univ.) 驱动AMF悬臂梁的输入信号,任意波形发生器应用,数据通讯/电信领域 无线通讯中的调制解调测试 (Gigatek) 磁带机测试 (Control Print) 喷墨打印机头测试 (Qualcomm) CDMA接收测试 (Martin Marietta) 信号互联的设计/测试 (DSC) 模拟双音多频信号测试电话通讯 (Network Comm Corp) 校准/测试数据通讯系统,任意波形发生器应用,国防/航空/电子工业 (Sikorsky) 为 IFF测

17、试设备提供脉冲编码信号 (PCA)为 EW测试提供微波 调制信号 (Autonomous) 为光学雷达信号处理模拟噪声 (Dranetz) 测试校准功率监控设备 (IGT) 为滤波器测试模拟带噪声的信号,任意波形发生器应用,医学/生物医学 (Diametrics, Space Labs) 医学仪器设计 (Smith-Kline Beecham) 核磁共振测试 (Medtronic, Micro-Rel/Medtronic) 起搏器设计 (DMLT, Medtronic) 起搏器测试 (U of Bonn) 神经网络仿真 (Esoate) 磁共振图象信号仿真,任意波形发生器应用,视频应用 驱动

18、EL平板显示器的源 驱动 CCD摄像机的源 测试 LCD显示器的源 平板发射显示器（FED）测试 仿真全电视信号测试显示器,任意波形发生器应用,半导体器件工业应用 (Intel) 双极性信号用来在基片上压金属线 (Xerox) 测试微电子基片，芯片和晶块 (Ford) 大功率器件测试 (MX-COM) 标定音频，GMSK(移频键控),调制解调型集成电路 (Projects Unlimited) 音频传感器集成电路的开发 (Chalmers Univ.) 标定场效应晶体管的接口,任意波形发生器应用,福禄克任意波形发生器产品,低成本Arb/函数发生器 频率范围 0.1mHz至10MHz 8种标准波

19、形和其他复杂波形 sinx/x频谱函数, 衰减正弦波等等 扫频，触发，门控，猝发等运行方式 16个波形顺序跳跃 AM和FSK调制 多单元锁相 RS-232和 IEEE488接口,29型任意波形发生器,100MS/s 任意波形发生器 应用非常灵活 优异的性价比 集七个仪器于一机 12位64kb波形点任意波形发生器 合成函数发生器（40MHz正弦，50MHz方波） 脉冲/脉冲序列发生器 噪声发生器（模拟，数字，梳状，信号加噪声） 调制信号源 扫频源 触发发生器（外部，内部，交互方式）,395型任意波形发生器,395 型的小弟弟，低成本型 应用非常灵活 优异的性价比 12位 30MS/s任意波形发生

20、器 65536点波形 10MHz正弦的标准功能 多达10个独立脉冲的脉冲序列 连接 4个波形 扫频，外部调幅和相加 可多单元锁相 RS-232和 IEEE488接口,39型任意波形发生器,39 的升级型号， 优秀的性能价格比 40MS/s 任意波形发生器,12位垂直分辨力, 65,536 位波形存储器 各种标准函数 (方波至16MHz,正弦波至16MHz) 多达10个独立脉冲的脉冲序列 顺序联接16种波形,每个波形可重复32,768次 扫频,外部调幅和总加功能 多单元锁相 RS-232和 IEEE488接口,39A 型任意波形发生器,2/4通道 40MS/s 12Bit 垂直分辨率，64K点波

21、形存储器 12种标准功能，正弦/方波至 16MHz 多达10个独立脉冲的脉冲序列 幅度，宽度，延迟都可独立编程 内部和外部调制 复杂的通道间功能 相位控制分辨率0.1度 AM，SCM，模拟相加，触发 触发，门控，猝发，扫频方式 各通道灵活的同步输出 参考输入/输出 RS232和 GPIB接口,195 型任意波形发生器,301/302型任意波形发生器,高性能单/双通道 300MS/s任意波形发生器 垂直分辨率 12位，每通道 4M或 16M波形存储器 合成信号发生器 正弦/方波频率至150MHz 三角波，脉冲，斜波，sinx/x频谱函数, 高斯函数信号 波形连接，循环， 4096段连接，1M 段

22、长，连接段再连接 严格的相位控制 触发，门控，猝发方式 幅度调制 附加的 I/Q 调制功能 GPIB接口,Waveform DSP2波形产生软件,用于所有原Wavetek任意波形发生器 （不含301/302) 的波形产生，编辑和装入仪器的软件 用数学，数字输入，描绘，文件产生波形 RS232和 GPIB 接口均可 在时域或频域产生信号和编辑 已有众多的各种波形,Waveform DSP2波形产生软件,WaveWiz -用于 301/302 型的软件,软件面板控制 产生各种波形,总结,任意波形发生器是非常灵活的仪器 它们可在非常广阔的范围解决应用问题 要想产生正确的波形，重要的是全面理解应用原理

23、。不同结构和指标会影响任意波形发生器的能力 用户界面和软件成为高效解决实际问题的关键,19型 函数信号发生器 25型 函数发生器和计数器 80/81 函数/脉冲发生器 VXI 1361/1362型 单6.5位数字多用表,81型 脉冲发生器,25型 函数发生器 和计数器,福禄克公司其他信号发生器 -最优良的性价比,19型 函数信号发生器,1361/1362 VXI 数字多用表,低价位$569 0.0002Hz 2MHz 函数发生器 正弦，方波，三角波： 3mV10Vpp 至 50 ， 20Vpp 至高阻 内控或外控 线性/对数扫频 内控或外控调幅 数字显示,19型 函数信号发生器,19型 函数发

24、生器,低价位$852 5MHz 函数发生器和 20MHz 七位计数器 同时显示频率和幅值 正弦，方波，三角波： 5mMz - 5MHz 1mV10Vpp 至 50 2mV 20Vpp 至高阻 内控或外控扫频 内控或外控调幅 5Hz 至 20MHz 七位数字计数器，分辨力：1mHz,25型函数发生器和计数器,高输出幅度 40V/20V 高稳定度频率 2ppm 0.1mHz10MHz/20MHz 通用波形发生器 正弦/方波频率至 10MHz/20MHz 三角波，锯齿波，斜波，偏移正弦 内/外调幅，内/外调频，扫频 门控，猝发，PSK 20.48MS/s任意波形发生器 垂直分辨率 10Bit， 24

25、个 1K 波形存储器 RS-232 或 GPIB 接口,PM5138A/PM5139 型 合成信号发生器发生器,高稳定度频率 2ppm/1ppm 0.1mHz10MHz/20MHz 通用波形发生器 正弦/方波频率至 10MHz/20MHz 三角波，锯齿波，斜波，偏移正弦 内/外调幅，内/外调频，扫频 门控，猝发，PSK,PM5138A/PM5139 型 合成信号发生器发生器,正弦波, 方波, 三角波, 脉冲, 互补脉冲 (81),直流 (80) 0.01Hz - 50MHz 16Vp-p 输出至 50, 32Vp-p输出至600 脉冲过渡时间 6ns, 8ns99.99ms可调 (81) 连续

26、, 触发, 门控, 猝发, 扫频 (80) 多单元锁相 完全兼容 HP8116 GPIB接口,80/81 多功能函数/脉冲发生器,81型 脉冲发生器,VXI 仪器,6 1/2位数字多用表 1362S型 全功能 VXI数字多用表(300V) 1361型 全功能 VXI数字多用表(1000V) 任意波形发生器和函数发生器 1375型 VXI 20MS/s任意波形发生器 1396型 VXI 50MS/s任意波形发生器 1370型 VXI 12MHz扫频信号发生器 1391型 VXI 50MHz脉冲发生器,专为内部销售人员的资料,任意波形发生器的市场,很大的数量 ($80M - $100M) 分为几部

27、分 无真正领导者 ( Tektronix 10 - 20%) Tektronix, Agilent 两家较大 任意波形发生器 不是该公司的重点 小厂家SRS, Pragmatic 市场知名度低,任意波形发生器厂家和 ARB 的采样率,我们产品的位置,我们有什么,市场需求 + 强有力的产品范围 + 开放的市场 + 韦夫特克信号源的声誉 + 福禄克公司的信誉 + 良好的市场渠道 = 机会,关键的竞争产品,Agilent 33120A 40MS/s DDS函数发生器/任意波形发生器 大多用户的缺省选择 33250A 新产品到市场 10个月 Tektronix AWG2005 &AFG320 低性能产

28、品 AWG2021 高性能，但是又旧又贵的产品,195 与相关产品比较,特点 195Tek AFG320Tek AWG2005 最多通道 424 报价 2通道 $3,743 $2980 $8,495-US 报价 4通道 $6,132无$12,990-US 性能 最高采样率 40 MS/s16 MS/s20 MS/s 每通道波形存储器 64K4 - 16K blocks64K 最大存储波形数 994无限制 (FDD) 波形连接能力 yesnoyes 函数发生器功能 正弦/方波 16 MHz16 MHz200 kHz 脉冲/脉冲序列 yesnono 调制 AM, Tones, FSKAM, FM,

29、 FSKAM 最大幅度至 50 10 Vpp10 Vpp10 Vpp 参考输入/出 yesnono 接口 RS-232, GPIBGPIBRS-232, GPIB,195与相关产品比较要点,同样产品水平，我们的价格低；同样价格的产品，我们的性能高 许多用户不喜欢其用户界面,AFG320,AWG2005,195,MHz,16,20,40,2,2/4,2/4,4/16K,64K,64K,12,12,12,(MHz),16,0.2,16,( MHz),16,0.2,16,No,Yes,Yes,8495/12990 - US 价,3743/6132,Tektronix,采样率 标准通道 波形存储器 垂

30、直分辨率 正弦频率 方波频率 波形连接 价格 2/4 通道,Fluke,性 能,$2980/无,301/302与相关产品比较,特点 301/302Tek AWG2021 最多通道数22 报价单通道$9175 $13k-US 报价双通道$17335 $20k-US 任意波性能 最大采样率 300 MS/s250 MS/s 每通道波形存储器4M/16M256K 波形连接能力YesYes 函数发生器功能 正弦/方波频率150MHz2.5MHz 标准波形87 脉冲序列nono 调制方式AMAM 最大幅值 至 50 5 Vpp5 Vpp 程控接口RS-232, GPIBRS-232, GPIB,195

31、与 AWG2021比较要点,301/302型的函数发生器性能较好 301/302型的任意波形发生器性能更好 总体上，我们的产品性能价格比 好得多 许多用户不喜欢泰克的用户界面,39A 与 HP33120 比较,特点 39A 29HP33120AStanford DS340 正弦16MHz10MHz15MHz15MHz 方波16MHz10MHz15MHz15MHz 频率准确度10ppm10ppm20ppm25ppm 最大幅度至 50 10Vpp10Vpp10Vpp10Vpp 脉冲序列YESNONONO 波形存储器64k5k16k16k 波形连接能力YESNONONO 面板编辑YESNONONO 调制AM AM, FSKAM, FM, FSKAM, FSK 双音频YESYESNONO 模拟相加YESNONONO 多机锁相YESYESOption ($395)NO 触发/门控/扫频YESYESYESNO 程控接口YESYESYESOption 报价$2,211$1,709$1840$ $ w/GPIB & RS-232,与 HP