在產品調試的過程中，大多數的電路需要輸入某種幅度隨時間變化的信號，在這樣的應用場景中，一個完整的測試測量系統一般會包含激勵源，被測件和采集儀器三個部分。采集儀器通常使用的是示波器和邏輯分析儀，而信號源在系統中則扮演了激勵源的角色，波形發生器就是種類眾多的信號源的一種，在電子測試測量領域應用廣泛。

信號源何時誕生？經歷了怎樣的發展歷程？

信號源是一種古老的測試測量儀器，伴隨著整個儀器的發展周期，世界上第一臺信號源誕生于20世紀20年代。隨著通信和雷達技術的發展，20世紀40年代出現了主要用于測試各種接收機的標準信號發生器，使信號源的應用范疇從定性分析演進到了定量分析的范疇，同一時期還出現了可用作脈沖調制器的脈沖信號發生器。

早期的信號發生器機械結構復雜，功率較大，電路比較簡單，發展速度非常慢。這種窘境直到1964年世界上出現了第一臺全晶體管的信號源之后才得到改觀。此后出現了函數發生器，掃頻信號發生器，合成信號發生器，程控信號發生器等新種類，信號源的各項指標都得到了大幅提高。但是采用模擬電子技術的信號源由分立器件或模擬集成電路構成，不僅電路結構復雜，而且只能產生種類非常有限的簡單波形。更令人頭疼的是，模擬電路的漂移較大，使得信號源輸出波形的幅度穩定性很差。

自從70年代微處理器出現以后，利用微處理器和DAC可以使得信號源的功能進一步擴大，能夠產生比較復雜的波形。但是，這種方案有一個很嚴重的缺陷：輸出波形的頻率低主要是由CPU的工作頻率決定的，這就意味著只能通過縮短軟件執行時間或提高CPU的時鐘頻率來提高信號源輸出波形的頻率，具有很大的局限性。

發展到今天，市面上的信號源大多基于數字技術，許多信號源既可以輸出模擬信號又可以輸出數字信號，但是在真正高效的方案中，往往都是選擇根據具體的應用環境優化過的信號源，因此也派生出了多種不同類型的信號源。

時下的信號源有哪些類型？

廣義上，根據信號源的應用范疇可以分為兩類，數字應用信號源和模擬應用信號源。

其中專門為數字應用而誕生的信號源，我們稱之為邏輯源。邏輯源大體上可以分為兩類，一種是可以輸出方波和脈沖流的脈沖發生器，脈沖發生器的輸出頻率一般非常高，經常用于測試數字器件。此外，還有一種邏輯源，我們稱之為碼型發生器，或者數據發生器，這種儀器一般有生成8個，16個或者更多輸出通道，可以產生各種類型的同步數字脈沖流，碼型發生器常常作為計算機總線、數字電信單元等的激勵信號。

雖然各廠家的命名方式各不相同，但是在需要提供模擬信號或者混合信號的應用場景中使用的信號源大體上有波形發生器、射頻信號發生器、微波信號發生器和基帶信號發生器幾種類型。其中，本系列文章將要給大家全面展開介紹的波形發生器是一種比較主流的信號源，它可以將離散的數據點存放在存儲器中，通過系統時鐘產生讀取數據的觸發信號，經過DAC芯片的轉換和低通濾波器最終生成模擬波形，使用這種“采樣原理”理論上可以生成和編輯幾乎任意類型和參數的波形。函數/任意波形發生器一般有1-4路輸出，某些功能更加豐富的型號還支持觸發信號和系統時鐘信號的輸出，用于觸發外部的儀器，比如作為示波器的外部觸發信號，如圖1所示的就是鼎陽科技出品的SDG2000X系列函數/任意波形發生器。

?圖1 SDG2000X函數/任意波形發生器

信號源拿來干嘛用的？

波形發生器具備了函數發生器的所有功能，可以產生正弦波、方波、三角波等基本函數。除此之外，波形發生器還可以產生模擬和數字調制信號，支持線性/對數掃頻信號和脈沖串的輸出，這是波形發生器區別于函數發生器的特征。鼎陽科技的全系列函數/任意波形發生器都能支持AM、FM、PM、FSK、ASK、DSB-AM等模擬和數字調制功能。都支持掃頻功能和脈沖串輸出功能，在這兩種模式中，觸發源可以在內部、外部和手動三種中進行選擇，當選擇內部和手動觸發源的時候，支持觸發信號輸出，便于實現多款不同的儀器之間的觸發同步。

波形發生器有上百種應用方式，但是在電子測試測量領域，其應用范圍基本可以可以分為三種：檢驗、檢定以及極限/余量測試。在產品的調試階段，工程師需要測試產品的各項參數，以檢驗產品是否滿足相關的出廠標準，在這個過程中，波形發生器需要發出標準規定的信號作為待測網絡的激勵源，通過測量并記錄被測網絡的響應，然后將記錄的結果與標準規定的指標進行對照并且得出檢驗的結論。另外，新開發的工控模塊，數據調理模塊等都需要使用波形發生器通過窮盡測試來確定其線性度和單調性等指標。在很多場合中，波形源需要在其提供的信號中增加已知的，數量和類型可重復的失真或損傷，通過控制失真或損傷相關的參數可以對被測件進行極限/余量測試。

波形發生器有哪些主要的指標？這些指標分別有什么含義？

如果您使用過示波器，那么您一定聽說過示波器的三大指標：帶寬，存儲深度，采樣率，我們在挑選一款合適的示波器的時候，這三大指標往往是我們首要考慮的因素。實際上，從原理的角度來看，波形發生器是示波器的逆過程，那么波形發生器是否也有所謂的三大指標呢？答案是肯定的，在波形發生器的范疇中，同樣有帶寬，采樣率和存儲深度的概念。

1、帶寬

波形發生器的帶寬可以定義為Max可輸出的正弦波的頻率。但是，對于不同的輸出波形，波形發生器能夠支持的Max輸出頻率是有區別的，比如在鼎陽科技的SDG2122X函數/任意波形發生器中，當輸出正弦波時，可以輸出的Max頻率為120MHz，然而當它源輸出方波時，Max輸出頻率就變為了25MHz。之所以會有這樣的區別，是因為方波邊沿變化很快，包含了許多高頻成分，為了避免輸出的方波上升沿產生嚴重失真，當波形發生器輸出方波時，其帶寬必須能夠覆蓋更多的高次諧波成分。

2、采樣率

波形發生器的采樣率通常用每秒兆樣點或者千兆樣點表示，比如SDG2000X系列函數/任意波形發生器標稱的采樣率為1.2GSa/s，這項指標表明了信號源將數字信號轉換為模擬信號的速率，采樣率影響著主要輸出信號的頻率和保真度。偉大的奈奎斯特取樣定理規定，采樣率或時鐘速率必須至少是生成的信號中Max頻譜成分的兩倍，在這樣的前提下才能保證準確的復現原始信號。但是在實際應用中，兩倍是往往還是不夠的，具體還是要看信號的類型和上升時間。

3、存儲深度

存儲深度是指用來記錄波形的數據點數，它決定著波形數據的Max樣點數量。波形發生器的帶寬是由取樣速率和存儲深度決定的。SDG2000X系列函數/任意波形發生器支持時下非常流行的“逐點輸出”，能夠在保證不丟失波形細節的前提下，以1uSa/s~75MSa/s的可變采樣率輸出8pts~8Mpts范圍內的任意長度地抖動波形。

除了以上三個指標之外，頻率分辨率和垂直分辨率也是波形發生器的重要指標。垂直分辨率指的是在波形發生器中可以編程的最小電壓增量，跟硬件電路中使用的DAC的位數有關，一般用單位“位”來表示，它決定了輸出波形的幅度精度。頻率分辨率，即最小可調頻率分辨率，也就是創建波形時可以使用的最小時間增量，跟時鐘的Max速率以及DAC的轉換速率有關。

當我們把不同廠家的波形發生器擺在一起的時候，就會發現，實際上大家都已經能夠做到相似的功能，但是從輸出信號的周期抖動范圍，可調整的最小脈寬，上升沿下降沿可調整的最小步進距離等方面可以看出不同廠家優化功力的高低。鼎陽科技的SDG2000X系列函數/任意波形發生器使用了申請了發明專利的EadyPulse技術和TrueArb技術，有效提高了波形發生器的性能。

總之，波形發生器是應用廣泛的基礎通用儀器之一，是電子工程師信號仿真實驗的必備工具。本文介紹了波形發生器相關的一些知識，意在為您的選型和對概念的了解提供方便。但是如果要對波形發生器有更進一步的了解，僅僅靠上述的內容是不夠的，接下來我會延續這個系列的文章，為您剖析DDS技術，EasyPulse技術，TrueArb技術等相關描述，讓您對波形發生器的原理有更多的了解。

文章出處：“鼎陽硬件設計與測試智庫”

審核編輯 黃宇