作者：Chris Armstrong產品營銷和軟件應用總監Rigol Technologies www.rigolna.com

多年來，函數和任意波形發生器——通常被測試工程師稱為 ARB 發生器——傳統上建立在一種通用技術之上：直接數字合成 (DDS)。DDS 以合理的價格為幾代函數發生器提供了高質量的性能。然而，新技術使儀器能夠在提高信號保真度的同時利用 DDS 方法，使這些儀器比以往更適用于更多應用。

Rigol 為其 DG1000Z 系列開發的 SiFi 和是德科技的 TrueForm 等 ARB 技術專為提高波形發生器的信號保真度而設計。基于這些技術的儀器將任意信號的真正點對點波形生成與重新設計的輸出硬件相結合，以創建具有前所未有的靈活性和準確性的任意波形。此外，深存儲器的可用性可以在更長時間內模擬精確的任意信號，而不會失去保真度。

了解 DDS

為了創建波形，DDS 方法使用參考時鐘的相位來確定一段時間內的正確輸出;也就是說，它跟蹤相位并在每個輸出采樣時間輸出一組預定采樣點中的一個，該采樣點是與相位最近的對應點。

例如，假設我們想要創建一個由 400 個周期的正弦波組成的波形，并且我們想要以 6.25 kHz 的頻率播放該波形，從而創建一個基頻為 2.5 MHz 的正弦波信號。

為了描述這個信號，我們有 8,192 個樣本點代表給定時間的輸出電平。DDS 發生器為波形中的每個點分配一個相位值：第一個點為 0°，之后的每個點以 360°/8,192 或大約 0.044° 度遞增。這允許在一個周期內播放所有 8,149 個點，當它返回 0° 時，第一個點再次上升。

然而，DDS 儀器具有 200 Mpoint/s 或 Msample/s 的固定更新速率;也就是說，它必須每 5 ns 輸出一個點/樣本。在時鐘源(通常是 PLL)的驅動下，儀器基本上每 5 ns 從開始測量其相位，并從 ARB 表中選擇最接近的相位值。在本例中，每 5 ns 代表 360° / (200 Msample/s ÷ 6.25 kHz) = 0.01125°。因此，UltraStation 軟件中的任意波形如圖 1 所示。

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圖 1：DDS ARB 發生器產生 400 個周期的正弦波，使用 Rigol 的 UltraStation 軟件顯示。

但是，如果我們嘗試以不同的基頻播放波形，失真就會成為一個嚴重的問題，例如檢查濾波器性能時經常這樣做。圖 2 顯示了回放基頻為 2.3 和 3.7 MHz 的波形時選擇的實際輸出值。 即使我們比要求更頻繁地發布樣本，我們也會造成失真。即，在 3.7-MHz 任意波形的情況下，一些點(意味著在時間上均勻間隔)重復 10 ns，一些點重復 15 ns。文件對正弦波的量化缺乏平滑、連續的變化會導致這種失真。當播放周期略微調整時，失真會顯著增加，因為 DDS 算法被迫對輸出哪個點做出更艱難的決定，因為理想輸出現在遠離為初始播放周期選擇的可用點。

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圖 2：此任意波數據表顯示了 DDS 發生器每 5 ns 輸出一次，用于在 2.3-MHz(左)和 3.7-MHz(右)的信號回放。 這一點很關鍵，因為選擇樣本來生成正確的高保真任意信號是一項耗時且困難的任務。使用 DDS，想要高保真信號的工程師必須在想要調整回放周期時返回并重新采樣、重新創建和重新加載任意波形。DDS 迫使工程師在播放過程中在方便高效的信號生成或高保真度和準確性之間做出選擇。

較低的采樣率、較高的完整性

ARB 技術(如 SiFi)通過一種新的架構方法克服了這種對信號完整性的基本影響。從本質上講，它可以將參考時鐘/采樣率設置為最佳值，以生成準確的波形。讓我們以同樣的信號和例子，看看它是如何在 SiFi 模式下生成的。

我們加載相同的 8,192 點任意波并將輸出采樣率設置為 51.2 MSa/s(8192 點 * 6.125 kHz)。現在，我們使用頻譜分析儀將 SiFi 輸出與 DDS 模式輸出進行比較;在每條跡線上使用 Max Hold，我們在 1 到 2.5 MHz 之間改變播放頻率，改變 DDS 的基頻和 SiFi 的輸出采樣率(圖 3)。當我們實時調整播放參數時，DDS 模式會在黃色顯示的 2-10 MHz 頻段內的各種頻率上產生信號失真。使用相同的任意波形，只需簡單地切換到 SiFi 模式即可創建更均勻的波形，并且信號保真度顯著提高，以紫色顯示。

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圖 3：使用 DDS(黃色)和 SiFi(紫色)技術生成的 1 至 2.5 MHz 正弦任意波的頻譜比較。

ARB 發生器的選擇完全取決于信號保真度對當前應用的重要性。這個兩種架構之間差異的簡單示例用于指出使用傳統信號發生器做出的權衡，即使是高級用戶也可能不知道這些權衡。大多數用戶認為 30 或 60 MHz 任意發生器能夠產生近乎完美的 1 MHz 正弦波。

雖然許多工程師將輸出采樣率視為一項關鍵指標，但這并不能說明全部情況。在前面的示例中，DDS 波以 200 MSa/s 的速度輸出，而 SiFi 波的輸出速度約為 50 MSa/s。然而，SiFi 波產生了更清晰的信號。

任意波形越復雜，就越難以理解采樣技術的影響。這種重新采樣產生的偽影會對真正任意波的頻率內容產生深遠影響，并且無法輕松地將真實波與采樣偽影區分開來。這也意味著購買具有更高輸出采樣率的 DDS 波形發生器總是會改變信號的頻率分量，即使在播放相同的任意文件時也是如此。對于像 SiFi 這樣的技術，情況并非如此。

審核編輯：湯梓紅