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电学文章
波形发生器能够输出哪几种基本波形参数?

发布时间: 2021-09-30   浏览次数:   作者:迈昂科技

     工程上考虑到电路的非线性等不理想特性,产生的正弦波往往不是理想的“单音”信号而是会附带输出一些谐波和谐波以外的杂散,统称为“失真”。


1、谐波失真
谐波失真是信号的功率与大谐波的功率的比值,通常情况下单位为dB:

衡量谐波失真性能的另一个指标是总谐波失真(THD),指的是各次谐波(工程上通常情况下取到6次)的幅度的均方根与信号幅度的比值,通常情况下用%表示。SDG2000X在输出0dBm10Hz~20kHz的正弦波时,总谐波失真大为0.075%。


2、非谐波杂散

非线性导致的失真除了谐波,还可能是一些其他频谱分量,如信号(或其谐波)与时钟信号的交调产物,因而需要定义另外一个指标——非谐波杂散来量度这些分量。


杂散的大小通常情况下用无杂散动态范围(SFDR)来表示,指的是信号功率和大杂散功率的比值单位通常情况下用dB。需注意有些地方对杂散的定义包括了谐波和非谐波杂散,不过在我们的函数发生器中杂散仅仅指谐波以外的失真。


3、方波/脉冲
方波的时域波形可以用下图表示:
在一个周期内方波的表达式为:
在其中T是方波的周期是一个周期内高电平所占的时间长度。就是方波的占空比。

在方波设置界面中,除了可以设置正弦波/余弦波可设置的全部参数还增加了占空比设置的选项,不过在函数发生器中,占空比的设置范围一般会受到频率设置的限制。


实际上就是一个矩形函数,其频谱可表示为:
是一个以为幅度的辛克函数。

考虑到方波是矩形函数以T为周期的拓展,根据数字信号处理理论,一个函数在时域的周期化,对应频域的离散化,因而方波的频谱实际就是为取样点取样后的频谱。从直观上来看就是辛克函数包络下的方波的角频率及其各次谐波分量。


方波对应的频谱,在其中[公式]为方波的基频角频率:

由此可见,方波的频谱是无限宽的。如果让方波经过一个低通滤波器,只保留其部分谐波成分则对应时域上的波形将发生畸变。由下图可以看出经过低通滤波后的方波,不但信号沿变缓,而且产生了上下过冲,这种过冲现象就是“吉伯斯效应”。


经过低通滤波后的方波,其保留频谱分量占滤波前总频谱能量的比重越大方波的失真就越小。针对窄脉冲,考虑到其辛克函数包络展得很宽频谱能量分散,往往要保留很多阶的高次谐波才能较小的失真。同样的是5MHz频率,保留5次谐波,但20ns的窄脉冲已经出现了幅度上的失真。


针对50%占空比的方波来说,如果要显示方波效果,至少要保留3~5次谐波。因此任意波形发生器方波频率一般达不到其大输出频率指标。如SDG5000函数发生器,大输出频率160MHz,但方波大频率为50MHz。


4、抖动
方波/脉冲经常被用来作为时钟信号使用,因此我们必须关注时钟信号的一个关键指标——抖动。抖动能够定义为一个信号在跳变时相对其理想时间位置的偏移量。


一个信号抖动的成分较为复杂,主要分为确定性抖动和随机抖动两部分。在这当中随机抖动服从高斯分布,确定性抖动又由多种成分构成,例如在任意波形发生器中,使用DDS方法产生的方波/脉冲,可能产生1个采样周期的确定性抖动。SDG5000/SDG2000X中采用了独特的EasyPulse技术,能够消除这个抖动,关于EasyPulse技术,我们会在后面的章节中详细阐述。


抖动的时域测量通常有三种方式:Period,cycle-cycle和TIE。我们测量抖动时采用方法的是cycle-cycle。由于抖动的成分中含有服从高斯分布的随机成分,因此一般按统计的方法,取均方根值(rms)来衡量抖动的大小,采用了EasyPulse技术的SDG2000X系列函数发生器在输出1Vpp,输出负载设置为50Ω时,抖动能够小于150ps,有效克服了DDS技术会产生较大周期抖动的缺陷。


5、三角波
对称度为50%的三角波的时域波形:
三角波在一个周期内的表达式如下,我们称之为三角脉冲:
对应的频谱表达式为:
相似于方波,三角波是三角脉冲以为周期的拓展,因此三角波的频谱实际也就是为取样点取样后的频谱。从直观上来看,也就是辛克函数平方包络下的方波的角频率[公式]及其各次谐波分量。对应的频谱图如下,能够看到,由于辛克函数平方包络在n为偶数时等于0,因此三角波频谱实际只包含奇次谐波。


在三角波的设置界面中,可以针对三角波的对称性进行设置,设置的范围从0%到100%,当对称性的值不为50%时,任意波形发生器将输出锯齿波。


6、锯齿波
锯齿波也就是“不对称的三角波”,极端的情况对称性甚至为0%或者100%,这个时候锯齿波在时域上存在跃变,对应频谱上的频谱就会展得很宽。相似于窄脉冲,要保留很多阶的高次谐波才能拥有较小的失真。

7、高斯白噪声
假如一个噪声它的幅度分布服从高斯分布,并且它的功率谱密度又是均匀分布的,则称之为高斯白噪声自然界的热噪声就是高斯白噪声。


高斯噪声的幅度是随机数,无法用确定的值来给出。所以我们使用高斯分布的两个统计参数:均值(μ)和标准偏差(σ)来衡量高斯噪声的幅度。


在任意波形发生器中,可以对输出噪声的均值和标准差这两个参数进行设置。
任意波形发生器的模拟通道是一个低通信道,因此高斯白噪声经过模拟通道后,就变成了限带高斯白噪声,一般用-3dB截止点来衡量它的带宽。


由于高斯白噪声本身的频谱是均匀的,因此它通过低通信道生成的限带高斯白噪声的频率响应,实际上就是该低通信道的频率响应。利用这个特性可以用高斯白噪声来测试任意波形发生器的模拟通道频响。


SDG5000/SDG2000X的噪声由专门的高斯白噪声发生器产生,其重复周期超过100年,工程上可以认为是真正意义的随机噪声。


8、任意波形输出
任意波形发生器除了可以输出以上阐述的几种基本波形,还可以在“任意波形”模式中构建许多特殊的波形,设置的方式有三种,我们可以在函数/任意波形发生器中载入内建波形,同时我们可以通过Matlab等工具生成CSV文件导入任意波形发生器,此外还可以通过任意波形绘制软件绘制内建波形中不包含的波形。在SDG2000X系列函数/任意波形发生器中,任意波形的大长度可以达到8Mpts,输出频率范围在1μHz到20MHz之间。


内建波形的选取界面,系统按照常用、数学、工程和窗函数/三角函数四种类别对内建波形进行分类,载入内建波形之后,同样可以对频率,幅值和偏置等参数进行设置。


全系列任意波形发生器都可以支持EasyWave任意波形绘制软件,在EasyWave中,可以通过手动绘图,方程式绘图坐标绘图,标准波形等方式绘制您想要的波形,还有丰富的工具对绘制完成的波形进一步处理,波形文件可以一键导入任意波形发生器。


故此我们已经对任意波形发生器输出基本波形的类型及其相关参数进行了相对详尽的阐述,在接下来的内容中我们将会对任意波形发生器的模拟调制输出,扫频输出和Burst输出相关的概念和参数进行阐述。

 
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