信号发生器的术语和产品规范

信号发生器的带宽是输出信号相对于直流或低频信号幅值衰减3 dB的频率。信号源的带宽受输出放大器设计或模拟输出电路中的滤波器限制。带宽是决定信号发生器最大输出频率的因素之一。

^图1

例如，图1显示了NI PXIe-5433任意波形发生器的频率响应。如图所示，PXIe-5433的带宽为80 MHz，即发生器可以可靠地输出信号，频率范围为0－80 MHz，衰减小于3 dB。高于80 MHz的输出信号的频率分量将衰减超过3 dB。

采样率是数字数据从存储器传输至数模转换器(DAC)的速率。数字波形的更新速度必须至少是所需信号最高频率的两倍，才能准确生成。理想情况下，高于信号最高频率许多倍的采样率可生成精确的波形。更高的采样率还可捕捉更多波形细节。

^图2

例如，图2显示了理想20 MS/s DAC生成的1 MHz正弦波。黑色线表示实际的正弦波，红色线表示DAC的实际信号输出。请注意，DAC保持输出电压直到更新。通常，较高的采样率更准确地定义了波形形状。

信号发生器的分辨率是决定生成波形精度的限制因素。如DAC分辨率提高，波形可显示更多细节。3位DAC将其垂直范围分为8个离散电平。垂直范围为0-10 V时，3位DAC生成的电压差不能小于1.25 V。相比之下，输出范围为0-10 V时，具有65,536（或216）个离散电平的16位DAC生成的电压差可小至153 µV。

^图3

例如，图3显示了两个波形的区别。16位分辨率的波形看起来像一个连续的正弦波，但放大后会出现153 µV的离散步长。两个波形都由离散的电压步长组成，16位版本看起来更接近“纯”连续正弦波。

使用下列公式查找信号发生器波形输出的最小离散步长，R是DAC的峰峰值电压范围，N是分辨率：

例如，NI PXIe-5433任意波形发生器具有16位分辨率，在应用最大输出衰减时，输出信号的峰峰值电压范围为0.00564 V。因此，PXI-5421可输出离散电压步长为0.116 µV的信号。

大多数信号发生器提供可变的峰峰值输出电压范围和偏移量，以便用户充分利用DAC。

^图4

如图4所示，如要输出范围为1 V至2的1 V正弦波，最佳电压范围和偏移量分别为1 V和1.5 V。

信号源的存储器深度指定用于存储输出波形的存储容量，以及对这些波形进行排序的指令。

函数发生器使用直接数字合成(DDS)精确生成重复性的标准波形，包括正弦、TTL、方波和三角波。函数发生器通常在存储器中预定义了这些标准波形，并且具有较小的存储器深度，支持用户定义其输出波形的一个周期。

另一方面，任意波形发生器通常具有较深的板载存储器，支持用户输出复杂的波形。例如，PXIe-5433的板载存储器深度为256 MB至1 GB。通过这些板载存储器深度，可存储大型复杂的用户定义波形或从深存储器数字化仪采集的波形。存储器深度为2.56亿个采样，用户可以100 MS/s的速度输出2.56秒16位信号！

任意波形发生器的深存储器可存储多个不同的波形段，以及这些波形段的输出顺序和输出每个波形段的次数。

动态范围量化可同时生成的最大信号和最小信号之间的关系。想象三个人在一个房间里 一个人在喊,一个人在耳语,第三个在听动态范围将量化听者能够听到的喊叫和耳语之间的最大范围。在某些时候，喊声会“淹没”耳语，听者听不到耳语的内容。此时已超出动态范围。生成或采集电信号的电子设备也是如此。

无杂波动态范围(SFDR)是在杂波噪声干扰或导致基本信号失真之前的可用动态范围。SFDR用于衡量基波信号与最大谐波或非谐波相关杂波（从直流到采样率的一半）之间的比值。

^图5

通过生成给定频率的单频，可测量信号发生器的无杂波动态范围。然后使用频谱分析仪测量基频和下一个最高单频的幅值。

给定分贝，很容易计算SFDR：

在图5中，二次谐波是第二个最高单频，SFDR约为70 dBc。SFDR通常以“dBc”为单位，表示“载波电平的dB参考”。假设SFDR为70 dBc，则伪信号总是比载波频率（在本例中是正弦波的基本频率）低70 dB。换言之，伪信号总是小于基频的0.00000001倍。

给定RMS电压，SFDR可通过下列公式计算：

所有模拟电子器件均存在谐波失真。本质上，以给定频率生成单频可使电子设备在单频的整数倍处产生共振（或哼声）。总谐波失真将各次谐波的功率之和除以基波的功率。当信号的THD接近-30 dB时，时域波形将显示可见的失真。

^图6

给定基频Af和二阶至N阶谐波An的RMS幅值时，使用下列公式计算THD最方便：

信噪比(SINAD)是均方根信号幅值与所有其他频谱成分（包括谐波但不包括直流）的均方根之和的比率。SINAD通常用dB表示。

信噪比(SNR)是给定时间点上所需信号幅值与噪声信号幅值的比率。SNR和SINAD一样，通常用dB表示。SINAD实际上是SNR和THD之和。

SINAD可通过下列公式计算：输出信号ASignal的RMS幅值和低于奈奎斯特频率的所有频谱成分的RMS之和，ANoise+Distortion：

当然，SINAD越高，输出信号的质量就越好。

有效位数(ENOB)用于衡量包含各种噪声源和非线性后，DAC在信号源内的实际性能，可直接通过SINAD计算。例如，理想的16位波形发生器的ENOB为16位。但是，由于数模转换器、多路复用、阻抗不匹配和电容稳定时间等各种原因，实际环境中信号发生器会受到噪声和失真的影响。

测量ENOB最简单的方法是使用以dB为单位的SINAD：

理想情况下，生成单频时，所有能量都正好位于频率。但是，由于采样时钟抖动，能量会“泄漏”到与单频相邻的频率。对于抖动，有时采样时钟过快会增加波形的频率，有时过慢则会降低频率。这将导致基波附近的频率分布，如下图所示。

所有电子设备都倾向于放大或衰减某些频率。如信号在较大范围内占据多个不同频率，由于不同频率会受到不同因素的衰减或放大，信号将发生失真。由于通信信号可占据较大的频率范围（例如，10 MHz），因此特别容易受到此类失真的影响。

通带平坦度该术语以dB为单位，用于指定给定频率范围内信号幅值变化的界限。理想情况下，信号发生器在整个带宽上的通带平坦度为0 dB，但最好的发生器在大部分带宽上可达到0.25 dB。

如前所述，数字波形的更新速度必须至少是所需模拟信号最高频率的两倍，才能准确生成。即使采样时钟fs的理论要求是信号带宽f0的两倍，输出信号在|f0 ± nfs|处也会引入图像，如图8所示。图像会降低信号的频谱纯度，因此需要从信号中滤除这些图像。

^图8

为了创建高质量的信号，大多数信号发生器能够对生成的信号进行低通滤波。低通滤波器用于平滑原始DAC输出。滤波器移除通过信号的数字生成引入的高频混叠成分。低通滤波器可通过模拟和数字滤波器实现。

设计一个既能抑制图像又能获得最大输出带宽（0～0.43fs）的模拟滤波器非常困难，而且几乎不可能，图9中的CURVE模拟滤波器1表示为：模拟滤波器2表示更为实用的滤波器。该滤波器不如模拟滤波器1激进。模拟滤波器2不会滤除fs附近的图像，但会滤除所有其他图像。模拟滤波器在3 dB点后衰减的下降和3 dB点前衰减的平坦度之间进行折衷。

^图9

第三个滤波器（模拟滤波器3）的3 dB点比前两个模拟滤波器高得多。由于较高的3 dB点，滤波器在通带(0～0.43fs)上非常平坦。模拟滤波器3不过滤fs和2fs产生的图像，但数字插值滤波器可弥补该不足。

为简化模拟滤波器的要求并获得更大的输出带宽，信号发生器通常使用数字滤波器在存储的波形数据之间插值数据。例如，在2x插值中，DAC在每个数字采样之间插值1个点。大多数NI信号发生器提供2x、4x和8x插值选项。如要使用数字滤波器生成频谱最纯净的信号，应使用尽可能高的插值因子。

^图10

在图10中，使用了两次插值滤波器，DAC的有效采样率为2fs。fs ± f0处的图像不再是问题，图像现在是|2fs ± f0|。

现在，由于信号的数字生成，模拟滤波器2可轻松滤除所有图像。该行为在频域表示和时域中可见。

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