虹科Spectrum

任意波形发生器/DA卡

任意波形发生器 (AWG) 从其内部存储器或通过 PC 系统的 FIFO 模式重放加载的波形。数字信号被转换为具有定义偏移和幅度的模拟输出信号。

虹科Spectrum 所有的任意波形发生器都可用作多通道波形发生器,每张卡最多 4 个通道。多通道 AWG 可以与星型集线器进行内部同步,从而可以构建具有多达 64 个同步通道的系统。

generatorNETBOX系列的单个独立单元从两个通道开始,在单个以太网/LXI 设备中最多可提供 24 个通道。这些多通道波形发生器经常用于物理实验,非常适合量子研究。

PXIe总线PCIe总线
  • 信号发生器分类
  • AWG基本参数
  • 如何选择AWG?
  • 产品快速选型

电子测试和测量设备可分为两大类;测量仪器和信号源。数字万用表、数字化仪、示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪等仪器测量输入信号的电气特性,最典型的是电位差或电压。需要信号源提供用作测试激励的信号。在许多测试情况下,被测设备不会自行生成信号。以放大器为例。如果没有信号源来提供适当的输入信号,则无法进行重要的电气测量。正是测量仪器和信号源的组合使电气测试成为可能。在本笔记中,我们将讨论任意波形发生器 (AWG) 的使用,

信号发生器分类总结

信号发生器有多种类型,每一种都对应特定的测试需求。表 1 总结了常用的生成器。

表 1:常用信号发生器汇总
信号源特征波形
射频信号发生器

能够在很宽的频率范围内产生 CW(连续波)正弦信号。
许多产品提供各种类型的模拟调制。包括幅度、频率、相位和脉冲调制。
一些特殊的产品具有可以在用户设置的频率响应测试范围内扫描输出频率的能力。

正弦
调制正弦
扫频正弦
矢量信号发生器能够生成数字调制的 RF 信号,这些信号可以使用数字调制格式中的任何一种,例如
QAM、QPSK、FSK、BPSK 和 OFDM。
正弦
调制正弦
脉冲发生器产生脉冲波形或方波。用于测试数字和脉冲系统。矩形脉冲
数据或数据
模式生成器
产生多个逻辑信号(即逻辑 1 和 0),用作数字电路和系统功能验证和测试的激励源矩形脉冲
函数发生器生成简单的重复波形,如正弦波、锯齿波、阶跃(脉冲)、方波和三角波。可能包括
某种调制功能,例如幅度调制 (AM)、频率调制 (FM) 或相位调制 (PM)
正弦
矩形脉冲
方波
三角形
斜波/锯齿
调制波形
噪声
任意波形
发生器
基于数字的信号源能够在标示的带宽、频率范围、精度和输出电平限制内生成任何波形。以上全部

任意波形发生器尽可能接近通用信号源。可以使用方程以高精度分析创建波形,或者使用数字化仪或数字示波器捕获并重放。此外,模块化 AWG 提供紧凑的尺寸和与其主机计算机的高度集成兼容性,使其成为自动化测试系统的理想选择。

任意波形发生器

AWG 框图任意波形发生器 (AWG) 是数字信号源,其操作非常类似于数字化仪的反向操作。在数字化仪对模拟波形进行采样、数字化然后将其存储在其采集存储器中的情况下,AWG 具有存储在波形存储器中的波形的数字描述。选定的波形样本被发送到数模转换器 (DAC),然后经过适当的滤波和信号调节,作为模拟波形输出。图 1 包含 AWG 的概念框图。

波形以数字形式加载到波形存储器中。与数字化仪中的采集存储器一样,该存储器必须能够以 AWG 支持的最高采样率进行计时。当收到指令时,波形存储器的内容被发送到 DAC,在那里数字值被转换为模拟电压。一些 DAC 允许额外的内插以达到比波形存储器提供的更高的输出更新率。

存储器控制器跟踪波形存储器中每个波形组件的元素以及任何关联的链接,并以正确的顺序输出它们。此外,为了节省内存空间,它可以在重复元素上循环,这样这些元素在波形内存中只需要列出一次。
DAC 输出谐波丰富,需要滤波。这是在输出级完成的,它通过调整增益和偏移来过滤和调节信号以满足用户的波形规范。

波形的时序由时钟控制,该时钟可以使用内部或外部时钟源。

同步由触发发生器维持,触发发生器根据用户指定的事件输出或推进波形。触发事件可以是内部的、外部的或链接到另一个模块化 AWG 或数字化仪。

上述元素的实际实现因具体型号而异,但所有 AWG 都有相似的元素。

任意波形发生器规格

由于输出波形选择的极大灵活性和 AWG 的数字特性,任意波形发生器的规格与标准信号发生器有很大不同。

带宽、采样率和最大输出频率

关键参数,如数字化仪,是带宽和采样率。带宽决定了 AWG 可以以小于 3dB 的损耗输出的最高正弦波频率。由于 AWG 可以创建的许多波形富含谐波,因此带宽限制将决定可以生成的最高频率波形。例如,方波通常必须能够通过五次谐波才能被识别。对于给定的带宽,最高频率方波是 AWG 带宽的五分之一。

采样率与带宽有关。根据采样理论,采样率必须至少是带宽的两倍。在固定最大带宽的情况下,增加采样率并不会提高最大带宽。采样率还决定了 AWG 的水平分辨率。这定义了可以在波形内设置的最小时间增量。

存储深度

波形存储器的大小决定了无需重复(循环)任何波形分量即可输出的最长波形。没有循环的信号持续时间的限制是内存长度乘以采样周期。使用循环来重复冗余波形组件而不占用任何额外的存储空间可以大大增加最大波形长度。

具有先进先出 (FIFO) 流模式的模块化 AWG 可以通过利用其主机的内存来进一步扩展波形。例如,虹科Spectrum的 M4i.66xx 系列产品可以使用 AWG 的内部存储器作为高速缓冲器,以高达 2.8 GBytes/s 的速度将数据从主机 PC 传输到 AWG。这将 AWG 从内部存储器的存储限制中解放出来。将 FIFO 流与循环和链接功能相结合,可以生成前所未有的各种长波形。

幅度分辨率

幅度分辨率指定 AWG 可以生成的最小输出信号电平以及相邻样本之间的最小幅度步长。AWG 的幅度分辨率由 DAC 和存储器的分辨率位数决定。通常,在 DAC 分辨率和采样率之间存在权衡。也就是说,DAC 中的位数越多,最大采样率就越低。

操作模式

AWG 可能包含多种操作模式,这些模式决定了如何重放存储的波形。重复(循环)所选波形段和基于触发器或选通信号在段之间前进的能力提供了最大的灵活性,并减少了复杂波形所需的内存量。以下是常见操作模式的摘要:

单发

每个外部或软件触发都会播放一次编程波形。第一次触发后,后续触发将被忽略。

重复输出

编程的波形会连续播放预编程的次数或直到执行停止命令。触发源可以是外部触发输入或软件触发。第一次触发后,其他触发事件将被忽略。

单次输出

该模式在每次触发事件后输出一次板载存储器的波形数据。触发源可以是外部触发,也可以是内部软件触发。

先进先出FIFO模式

FIFO 模式是 Spectrum 的模块化 AWG 独有的操作模式。它设计用于主机内存或硬盘与 AWG 之间的连续数据传输。数据流的控制由驱动程序在中断请求的基础上自动完成。完整安装的板载内存用于缓冲数据,使连续流传输极其可靠。

多次重放模式

多次重播多次重放模式可在多个触发事件上快速输出波形,而无需重新启动硬件。板载内存被分成几个大小相等的段。每个段可以包含不同的波形数据,每个数据随着每个触发事件的发生而输出。这种模式允许非常快的重复率。

门控重放

门控重播门控重放采样模式输出由外部门控信号控制的波形数据。仅当门信号处于预编程电平时才重放数据。

序列模式

序列模式序列模式将内部卡存储器拆分为多个不同长度的数据段。这些数据段使用附加的序列存储器以用户设置的顺序链接。序列存储器决定了段的输出顺序以及每个段的循环次数。可以定义触发条件以在段之间前进。在序列模式下,可以通过简单的软件命令在回放波形之间切换,或者在回放其他段的同时重新定义段的波形数据。

输出幅度范围

AWG 可以产生的最大输出幅度由输出放大器级决定。通常,在 AWG 采样率和输出幅度之间也存在折衷,更快的 AWG 具有较低的最大输出幅度。最小满量程输出范围取决于输出级中的内部衰减器。在任何给定的满量程范围内,理论最小值是满输出除以幅度分辨率(例如,具有 10 Vp-p 范围和 16 位分辨率的 AWG 的最小输出步长为 10/65,536 = 152.5 µV)。内部噪声和非线性限制了实际的最小信号输出。

输出通道数

虹科Spectrum AWG 的每张卡的输出通道数可以是 1、2 或 4 个通道。使用多张卡和 Star-Hub功能,最多可以链接 8 张卡,提供最多 32 个完全同步的频道。

输出滤波功能

输出滤波提高了 AWG 输出的信噪比。通常可以指定滤波器的类型和截止频率。

调制

所有 AWG 都可以通过在软件中使用制造商的操作软件(如SBench 6 或其他第三方数学软件)以分析方式创建调制波形,并将它们下载到 AWG 波形存储器中来创建调制波形。

触发

另一个有用的功能是具有触发输入以启动输出或将波形推进多个段。

AWG 还可以产生与波形输出同步的输出触发或标记输出。然后,这些信号可用于在波形期间的适当时间触发数字化仪、示波器或其他仪器。

数字输出

除了模拟输出之外,一些 AWG 还可以产生并行数字逻辑输出。这些数字输出通常通过降低模拟分辨率或将它们放置在数据字的未使用位中(如在 16 位数据字中有两个备用位的 14 位 AWG)添加到波形数据中。. 输出电平通常是常见逻辑系列的输出电平。

如何选择任意波形发生器?

选择 AWG 需要将前面讨论的 AWG 基本参数与测试需求相匹配。

带宽:AWG的带宽决定了可以输出的最高频率。这必须大于或等于测试所需的最大频率。请记住,谐波丰富的波形需要的带宽是所需频率的三到五倍。

采样率:按照奈奎斯特定律,AWG 的最大采样率必须至少是所需带宽的两倍。在实际应用中,通常最好以三或四倍的系数进行采样。采样率决定了可设置的最小时间增量。请注意,AWG 通常会限制创建波形所需的最小样本数。通常,它们要求波形包含偶数个样本或固定样本数的倍数(例如 4、8、16 等)。

内存长度:波形内存长度决定了 AWG 可以支持非重复信号的最长持续时间。支持波形中“循环”或重复冗余元素的操作模式减少了所需的波形存储量。

另外使用 FIFO 操作模式提供了一种增加可用内存的方法。

输出幅度:AWG 的最大输出电平必须符合测试要求。如果不是,则可能需要带宽等于或超过 AWG带宽的外部放大器。

动态范围/幅度分辨率:同时要输出的测试信号最大幅度与最小幅度之比决定了测试的动态范围要求。这由以位表示的 AWG 的幅度分辨率决定。请注意,AWG 中的噪声和非线性将动态范围限制为小于理论值。实际性能通常以有效位数 (ENOB) 为特征。

软件支持

AWG 需要有可用于波形生成和控制的软件。几乎所有 AWG 产品都附带了用于Windows 和 Linux 的驱动程序。驱动程序允许您使用 C/C++、IVI、.NET、Delphi、Visual Basic 和 Python 等常见编程语言编写自己的软件。驱动程序还支持第三方软件,如 LabVIEW (Windows)、MATLAB(Windows 和 Linux)和 LabWindows/CVI。

另外虹科Spectrum还包括一个名为 SBench 6 的全功能软件包。SBench 6 是一款功能强大且直观的交互式测量软件,用于采集、处理和创建信号。它可以与所有虹科 Spectrum 的数字化仪、AWG 和基于 LAN 的数字化仪NETBOX 系统配合使用。

Easy Generator 组件

简易发电机SBench 6 提供 Easy Generator组件,可用于于选择六种函数发生器波形中的任何一种,包括正弦、矩形、三角形、锯齿、SINC 和 DC 波形。每个波形的频率、相位和幅度都是用户可调的,矩形、三角形和锯齿波形的占空比也是如此。可以为每个可用的输出通道选择单独的波形设置,只需按下“开始”按钮即可将所有启用的波形传输到 AWG 输出,如图 5 所示。

使用 SBench 6 中的方程创建波形

数学方程创建波形的最准确方法是基于数学方程。它们精确且可重复,并提供范围广泛的测试信号。SBench 6 包括一个函数发生器编辑器,它支持使用基于文本的方程生成波形,如图 6 所示。

函数发生器编辑器接受文本格式的方程,并允许选择波形的采样率、幅度和持续时间。

正弦扫描图 7 显示了使用 SBench 6 中可用的运算符和函数创建正弦扫描波形的更详细示例。

导入波形

正如我们所见,可以在 虹科提供的 SBench 6 软件中本地创建波形。还可以从其他来源创建或获取波形,包括数字化仪和数字示波器等仪器以及电子表格、数学程序和系统集成软件等软件工具。这些来源的波形可以导入 SBench 6 并使用表 3 中列出的任何格式发送到 AWG。

对波形进行信号处理

SBench 6 提供了许多可以应用的信号处理和测量工具。可以使用支持和、差积和比率的波形运算来组合多个波形。移动平均和滤波可用于降低噪声和提高信噪比。快速傅立叶变换 (FFT) 和直方图等分析工具可用于在输出之前研究波形。幅度、时间和频率的测量可用于确认波形精度。这是 AWG 支持软件包中提供的一项非常独特的功能。

 

 

 
 
控制方式 PXIe PCIe LXI
产品系列 Image Image Image Image
产品外观 Image Image Image Image Image
主要特点 超高速PXIe板卡
3U单槽
up to 1.7 GB/s
超高速PCI Express x8 Gen2
3/4 长,单槽
up to 3.4 GB/s
高速PCI Express x4
1/2长,单槽
more than 700 MB/s
以太网控制设备
D/A
     任意波形发生器AWG
65xx系列     M2p.65xx-x4 DN2.65x-xx DN6.65x-xx
    16位分辨率
最高125MS/s更新速率
最多8通道
16位分辨率
最高125MS/s更新速率
最多16通道
16位分辨率
最高125MS/s更新速率
最多48通道
66xx系列 M4x.66xx M4i.66xx   DN2.66x-xx DN6.66x-xx
16位分辨率
最高1.25GS/s更新速率
最多4通道
最高400MHz带宽
16位分辨率
最高1.25GS/s更新速率
最多4通道
最高400MHz带宽
  16位分辨率
最高1.25GS/s更新速率
最多8通道
最高400MHz带宽
16位分辨率
最高1.25GS/s更新速率
最多24通道
最高400MHz带宽


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