電子測試和測量設備可分為兩大類；測量儀器和信號源。數字萬用表、數字化儀、示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀等儀器測量輸入信號的電氣特性，最典型的是電位差或電壓。需要信號源提供用作測試激勵的信號。在許多測試情況下，被測設備不會自行生成信號。以放大器為例。如果沒有信號源來提供適當的輸入信號，則無法進行重要的電氣測量。正是測量儀器和信號源的組合使電氣測試成為可能。在本筆記中，我們將討論任意波形發生器(AWG) 的使用，

信號發生器分類總結

信號發生器有多種類型，每一種都對應特定的測試需求。表1 總結了常用的生成器。

任意波形發生器盡可能接近通用信號源。可以使用方程以高精度分析創建波形，或者使用數字化儀或數字示波器捕獲並重放。此外，模塊化AWG 提供緊湊的尺寸和與其主機計算機的高度集成兼容性，使其成為自動化測試系統的理想選擇。

任意波形發生器

任意波形發生器(AWG) 是數字信號源，其操作非常類似於數字化儀的反向操作。在數字化儀對模擬波形進行採樣、數字化然後將其存儲在其採集存儲器中的情況下，AWG 具有存儲在波形存儲器中的波形的數字描述。選定的波形樣本被發送到數模轉換器(DAC)，然後經過適當的濾波和信號調節，作為模擬波形輸出。圖1 包含AWG 的概念框圖。

波形以數字形式加載到波形存儲器中。與數字化儀中的採集存儲器一樣，該存儲器必須能夠以AWG 支持的最高采樣率進行計時。當收到指令時，波形存儲器的內容被發送到DAC，在那里數字值被轉換為模擬電壓。一些DAC 允許額外的內插以達到比波形存儲器提供的更高的輸出更新率。

存儲器控制器跟踪波形存儲器中每個波形組件的元素以及任何關聯的鏈接，並以正確的順序輸出它們。此外，為了節省內存空間，它可以在重複元素上循環，這樣這些元素在波形內存中只需要列出一次。
DAC 輸出諧波豐富，需要濾波。這是在輸出級完成的，它通過調整增益和偏移來過濾和調節信號以滿足用戶的波形規範。

波形的時序由時鐘控制，該時鐘可以使用內部或外部時鐘源。

同步由觸發發生器維持，觸發發生器根據用戶指定的事件輸出或推進波形。觸發事件可以是內部的、外部的或鏈接到另一個模塊化AWG 或數字化儀。

上述元素的實際實現因具體型號而異，但所有AWG 都有相似的元素。

任意波形發生器規格

由於輸出波形選擇的極大靈活性和AWG 的數字特性，任意波形發生器的規格與標准信號發生器有很大不同。

帶寬、採樣率和最大輸出頻率

關鍵參數，如數字化儀，是帶寬和採樣率。帶寬決定了AWG 可以以小於3dB 的損耗輸出的最高正弦波頻率。由於AWG 可以創建的許多波形富含諧波，因此帶寬限制將決定可以生成的最高頻率波形。例如，方波通常必須能夠通過五次諧波才能被識別。對於給定的帶寬，最高頻率方波是AWG 帶寬的五分之一。

採樣率與帶寬有關。根據採樣理論，採樣率必須至少是帶寬的兩倍。在固定最大帶寬的情況下，增加採樣率並不會提高最大帶寬。採樣率還決定了AWG 的水平分辨率。這定義了可以在波形內設置的最小時間增量。

存儲深度

波形存儲器的大小決定了無需重複（循環）任何波形分量即可輸出的最長波形。沒有循環的信號持續時間的限制是內存長度乘以採樣週期。使用循環來重複冗餘波形組件而不佔用任何額外的存儲空間可以大大增加最大波形長度。

具有先進先出(FIFO) 流模式的模塊化AWG 可以通過利用其主機的內存來進一步擴展波形。例如，虹科Spectrum的M4i.66xx 系列產品可以使用AWG 的內部存儲器作為高速緩衝器，以高達2.8 GBytes/s 的速度將數據從主機PC 傳輸到AWG。這將AWG 從內部存儲器的存儲限制中解放出來。將FIFO 流與循環和鏈接功能相結合，可以生成前所未有的各種長波形。

幅度分辨率

幅度分辨率指定AWG 可以生成的最小輸出信號電平以及相鄰樣本之間的最小幅度步長。AWG 的幅度分辨率由DAC 和存儲器的分辨率位數決定。通常，在DAC 分辨率和採樣率之間存在權衡。也就是說，DAC 中的位數越多，最大採樣率就越低。

操作模式

AWG 可能包含多種操作模式，這些模式決定瞭如何重放存儲的波形。重複（循環）所選波形段和基於觸發器或選通信號在段之間前進的能力提供了最大的靈活性，並減少了複雜波形所需的內存量。以下是常見操作模式的摘要：

單發

每個外部或軟件觸發都會播放一次編程波形。第一次觸發後，後續觸發將被忽略。

重複輸出

編程的波形會連續播放預編程的次數或直到執行停止命令。觸發源可以是外部觸發輸入或軟件觸發。第一次觸發後，其他觸發事件將被忽略。

單次輸出

該模式在每次觸發事件後輸出一次板載存儲器的波形數據。觸發源可以是外部觸發，也可以是內部軟件觸發。

先進先出FIFO模式

FIFO 模式是Spectrum 的模塊化AWG 獨有的操作模式。它設計用於主機內存或硬盤與AWG 之間的連續數據傳輸。數據流的控制由驅動程序在中斷請求的基礎上自動完成。完整安裝的板載內存用於緩衝數據，使連續流傳輸極其可靠。

多次重放模式

多次重放模式可在多個觸發事件上快速輸出波形，而無需重新啟動硬件。板載內存被分成幾個大小相等的段。每個段可以包含不同的波形數據，每個數據隨著每個觸發事件的發生而輸出。這種模式允許非常快的重複率。

門控重放

門控重放採樣模式輸出由外部門控信號控制的波形數據。僅當門信號處於預編程電平時才重放數據。

序列模式

序列模式將內部卡存儲器拆分為多個不同長度的數據段。這些數據段使用附加的序列存儲器以用戶設置的順序鏈接。序列存儲器決定了段的輸出順序以及每個段的循環次數。可以定義觸發條件以在段之間前進。在序列模式下，可以通過簡單的軟件命令在回放波形之間切換，或者在回放其他段的同時重新定義段的波形數據。

輸出幅度範圍

AWG 可以產生的最大輸出幅度由輸出放大器級決定。通常，在AWG 採樣率和輸出幅度之間也存在折衷，更快的AWG 具有較低的最大輸出幅度。最小滿量程輸出範圍取決於輸出級中的內部衰減器。在任何給定的滿量程範圍內，理論最小值是滿輸出除以幅度分辨率（例如，具有10 Vp-p 範圍和16 位分辨率的AWG 的最小輸出步長為10/65,536 = 152.5 µV）。內部噪聲和非線性限制了實際的最小信號輸出。

輸出通道數

虹科Spectrum AWG 的每張卡的輸出通道數可以是1、2 或4 個通道。使用多張卡和Star-Hub功能，最多可以鏈接8 張卡，提供最多32 個完全同步的頻道。

輸出濾波功能

輸出濾波提高了AWG 輸出的信噪比。通常可以指定濾波器的類型和截止頻率。

調製

所有AWG 都可以通過在軟件中使用製造商的操作軟件（如SBench 6 或其他第三方數學軟件）以分析方式創建調製波形，並將它們下載到AWG 波形存儲器中來創建調製波形。

觸發

另一個有用的功能是具有觸發輸入以啟動輸出或將波形推進多個段。

AWG 還可以產生與波形輸出同步的輸出觸發或標記輸出。然後，這些信號可用於在波形期間的適當時間觸發數字化儀、示波器或其他儀器。

數字輸出

除了模擬輸出之外，一些AWG 還可以產生並行數字邏輯輸出。這些數字輸出通常通過降低模擬分辨率或將它們放置在數據字的未使用位中（如在16 位數據字中有兩個備用位的14 位AWG）添加到波形數據中。. 輸出電平通常是常見邏輯系列的輸出電平。

如何選擇任意波形發生器？

選擇AWG 需要將前面討論的AWG 基本參數與測試需求相匹配。

帶寬：AWG的帶寬決定了可以輸出的最高頻率。這必須大於或等於測試所需的最大頻率。請記住，諧波豐富的波形需要的帶寬是所需頻率的三到五倍。

採樣率：按照奈奎斯特定律，AWG 的最大採樣率必須至少是所需帶寬的兩倍。在實際應用中，通常最好以三或四倍的係數進行採樣。採樣率決定了可設置的最小時間增量。請注意，AWG 通常會限制創建波形所需的最小樣本數。通常，它們要求波形包含偶數個樣本或固定樣本數的倍數（例如4、8、16 等）。

內存長度：波形內存長度決定了AWG 可以支持非重複信號的最長持續時間。支持波形中“循環”或重複冗餘元素的操作模式減少了所需的波形存儲量。

另外使用FIFO 操作模式提供了一種增加可用內存的方法。

輸出幅度：AWG 的最大輸出電平必須符合測試要求。如果不是，則可能需要帶寬等於或超過AWG帶寬的外部放大器。

動態範圍/幅度分辨率：同時要輸出的測試信號最大幅度與最小幅度之比決定了測試的動態範圍要求。這由以位表示的AWG 的幅度分辨率決定。請注意，AWG 中的噪聲和非線性將動態範圍限制為小於理論值。實際性能通常以有效位數(ENOB) 為特徵。

軟件支持

AWG 需要有可用於波形生成和控制的軟件。幾乎所有AWG 產品都附帶了用於Windows 和Linux 的驅動程序。驅動程序允許您使用C/C++、IVI、.NET、Delphi、Visual Basic 和Python 等常見編程語言編寫自己的軟件。驅動程序還支持第三方軟件，如LabVIEW (Windows)、MATLAB（Windows 和Linux）和LabWindows/CVI。

另外虹科Spectrum還包括一個名為SBench 6 的全功能軟件包。SBench 6 是一款功能強大且直觀的交互式測量軟件，用於採集、處理和創建信號。它可以與所有虹科Spectrum 的數字化儀、AWG 和基於LAN 的數字化儀NETBOX 系統配合使用。

Easy Generator 組件

SBench 6 提供Easy Generator組件，可用於於選擇六種函數發生器波形中的任何一種，包括正弦、矩形、三角形、鋸齒、SINC 和DC 波形。每個波形的頻率、相位和幅度都是用戶可調的，矩形、三角形和鋸齒波形的佔空比也是如此。可以為每個可用的輸出通道選擇單獨的波形設置，只需按下“開始”按鈕即可將所有啟用的波形傳輸到AWG 輸出，如圖5 所示。

使用SBench 6 中的方程創建波形

創建波形的最準確方法是基於數學方程。它們精確且可重複，並提供範圍廣泛的測試信號。SBench 6 包括一個函數發生器編輯器，它支持使用基於文本的方程生成波形，如圖6 所示。

函數發生器編輯器接受文本格式的方程，並允許選擇波形的採樣率、幅度和持續時間。

圖7 顯示了使用SBench 6 中可用的運算符和函數創建正弦掃描波形的更詳細示例。

導入波形

正如我們所見，可以在虹科提供的SBench 6 軟件中本地創建波形。還可以從其他來源創建或獲取波形，包括數字化儀和數字示波器等儀器以及電子表格、數學程序和系統集成軟件等軟件工具。這些來源的波形可以導入SBench 6 並使用表3 中列出的任何格式發送到AWG。

對波形進行信號處理

SBench 6 提供了許多可以應用的信號處理和測量工具。可以使用支持和、差積和比率的波形運算來組合多個波形。移動平均和濾波可用於降低噪聲和提高信噪比。快速傅立葉變換(FFT) 和直方圖等分析工具可用於在輸出之前研究波形。幅度、時間和頻率的測量可用於確認波形精度。這是AWG 支持軟件包中提供的一項非常獨特的功能。