NI信号产生器运用同步与存储中心（SMC）架构，在一台设备的板上存储、外部硬件和数模转化器（DAC）之间供给了一个共用的接口。本白皮书比较了两种类型的信号产生器——恣意函数产生器和恣意波形产生器。此外，本文也探求了信号产生器的各个方面，其间包含存储器架构、DAC考虑要素、数字增益、滤波与插值、信号产生引擎和各种事情。一个典型的信号产生器的模块框图如图1所示。
图1。信号产生器模块框图
下列章节调查了每个组件在信号产生进程中的效果。此外，您将了解运用一个信号产生器尽可能地生成最佳信号所必需的技术细节。留意，信号产生器因类型和功用的不同而不同。例如，恣意函数产生器一般运用少于1 MB的板上存储。在另一方面，恣意波形产生器运用高达512 MB的板上存储和高档排序功用。此外，一些恣意波形产生器完结了板上信号处理（OSP）功用，以生成基带I/Q信号与IF信号。因为OSP并不归于本白皮书的评论规模，敬请检查OSP介绍以获取更多信息。
1. 信号产生器的类型
绝大多数信号产生器包含一起的组件，例如一个DAC、板上存储和模仿或数字滤波电路。可是，信号产生器可以依据其存储选项和时钟特性分为两类。这两类信号产生器是函数产生器和恣意波形产生器（AWG）。
函数产生器
函数产生器是专为生成坐落准确频率点的周期性波形而规划的。事实上，它们一般选用一个称为直接数字组成（DDS）的时钟机理，以生成精度高于1 µHz的准确频率。此外，DDS赋予了函数产生器在运转中以相位接连的方法改动频率的才能。并且，因为函数产生器输出的是重复波形，所以它们仅需求有限的存储以存储该波形的单个周期。NI恣意函数产生器可以经过一个规范库（其间包含正弦波、方波、斜面波和三角波等波形）或许用户界说的16 kS波形生成许多种周期性波形。函数产生器的一些常见运用包含滤波器表征、鼓励-呼应测验和产生时钟信号源。
恣意波形产生器
另一方面，AWG是专为生成大且常常杂乱的波形而规划的。因而，它们选用深度板上存储和杂乱的时钟机制。事实上，该SMC架构处理高达512 MB的存储器。此外，AWG乃至可以针对更为杂乱的序列进行高档的波形衔接、环接和脚本编写处理。该SMC还供给了许多高档的符号符号和触发信号，以完结与其它仪器的同步。咱们将在本白皮书中更为深化地评论这些特性。
2. 深度板上存储
现代信号产生器（特别是AWG）完结了深度板上存储器以存储大波形。依据PCI或PXI的仪器可以有用运用这一存储，因为PCI总线使高吞吐量成为可能。
信号产生器运用板上存储一起存储波形和序列指令。一个杂乱序列的指令可能会占用存储器中的适当的空间。事实上，运用NI信号产生器的架构，您可以将多个波形和多个序列指令加载到同一台仪器的存储器中。图2展现了一个典型的NI信号产生器的存储器分配。
图2。信号产生器的存储器分配
留意， NI信号产生器具有高达512 MB的板上存储，其作业时间较长。并且，运用NI-FGEN驱动程序，您可以在该信号产生器正在生成一个波形的一起，编写和替换存储器中的这些波形。因而，运用PXI总线上可用的高吞吐量，您可以接连改写波形段以生成波形流。
3. 数模转化器（DAC）
现代信号产生器运用先进的DAC将存储器中的数字波形转化为模仿信号。NI选用的一切DAC具有一种采样及坚持的作业特性，即该DAC在给守时长内坚持在一个离散电压水平。
4. 数字增益与衰减
因为信号产生器是专为生成大规模电压信号而规划的，模仿增益扩大器和数字增益处理均用于最大化该信号产生器的幅值精度和灵敏性。
典型地，NI信号产生器供给三个不同的增益通路，以将DAC模仿输出扩大至不同的模仿电压规模。其间，每一个通路的典范输出如图3所示。
图3。信号产生器的增益扩大器
此外，信号产生器运用数字增益以扩大或衰减信号，然后运用了DAC的全规模。运用这一特性，采样信号在被生成模仿信号前，经过增益因子数字化调整巨细。因而，您可以在运转中调整一个给定信号的幅值，而不必将一个不同的波形再次加载到存储器中。关于一个给定的信号通路，您可以将波形扩大至其最大规模。
5. 插值与滤波
正如前面所提及的，DAC只是可以近似真实的抱负信号。事实上，因为一个DAC的步进输出导致了高频镜像，所以现代信号产生器一起完结了模仿滤波器和数字滤波器，以供给一个抱负模仿信号的最佳近似。作为一个典范，一个未滤波处理的信号的时域信号如图4所示。
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图4。DAC的采样及坚持输出
高频镜像是该采样及坚持输出的成果。这些镜像的频率为每个采样频率的倍数加上或减去基频。因而，当生成一个被以100 MHz频率采样的20 MHz正弦曲线时，您会看到80 MHz、120 MHz、180 MHz和220 MHz等频率的图样。图5显现了该20 MHz正弦波的频域特性。
图5。一个20 MHz正弦波的频谱图样
正如该图所示，高频频谱镜像会使您正在生成的信号的频域产生失真。
NI信号产生器运用一个模仿滤波器和/或一个数字滤波器移除高频镜像。首要，一个数字有限冲激呼应（FIR）滤波器对该信号进行插值处理以进步有用采样率。例如，一个20 MHz正弦波被以100 MS/s的采样率采样，然后四倍插值以到达400 MS/s的有用采样率。经过进步有用采样率，间隔新的有用采样率最接近的频谱镜像如图6所示：
图6。一个经4倍插值的20 MHz正弦波的频谱图样
如图6所示，数字滤波处理（插值）无法彻底消除频谱镜像。实践上，它只是将它们迁移至更高的频率。可是，许多信号产生器还运用了一个模仿滤波器。该模仿滤波器可以将这些频谱镜像衰减至噪声水平以下。该景象如图7所示，它显现了您运用了一个低通模仿滤波器之后的相同频域图形。
图7。一个经插值和模仿滤波器处理的20 MHz正弦波
如图7所示，这些频谱镜像现已下降到该设备的噪声水平以下。在此详细典范中，该模仿低通滤波器使得高频镜像衰减达60 dB之多。因而，该信号产生器可以生成一个更为准确迫临抱负模仿信号的模仿信号。然后，您可以观测到经插值核滤波处理的信号的时域波形，如图8所示：
图8。一个20 MHz正弦波的时域图形
图8标明原先在时域内十分显着的各个阶梯信号都消失了。实践上，该输出看似一个纯洁的正弦曲线。因而，插值与模仿滤波处理均有助于提高一个信号产生器的准确迫临一个模仿信号的才能。
6. 时钟
正如一个DAC的精度关于所生成信号的幅值准确度有严重影响相同，运用于该DAC的时钟也对所生成信号的频率准确度有重要影响。因而，一个准确的时钟机制的影响在一个信号的频域内是可测量的。现代信号产生器供给了多种时钟效果方法，使得DAC输出坐落准确的频率并具有最小的时钟颤动。下列章节描绘了各个时钟机制及其技术优势。
N倍分频
下分频（或N倍分频）时钟机制对一个信号产生器的时基分频以供给特定的频率。该组件运用一个压控晶体振荡器（VCXO）为该信号产生器生成一个根底高频时基。依托该时基，N倍分频电路可以派生出符合该信号产生器时基的整除数的频率。例如，您可以将一个200 MHz的时基切割得到200 MS/s、100 MS/s、66.6 MS/s和50 MS/s等频率。
该N倍分频时钟机制因为供给了与采样时钟的最小颤动，故更为可取。可是，它也是最不灵敏的时钟机制，因为有用采样率有必要是该时基的严厉的整除数。
高精度时钟
信号产生器的另一个可选的时钟机制是高精度时钟，它支撑最准确的频率精度。运用该机制，派生一个高达最大采样率的采样时钟成为可能，即便它并不是根底时基的一个整除数。NI信号产生器运用该时钟机制派生出精度优于1 µHz的时钟。该时钟方法关于那些需求一个准确时钟频率的运用十分有用，而这在选用下分频时钟战略中是无法完结的。可是，高精度时钟机制将导致比N倍分频机制更多的时钟颤动。
直接数字组成（DDS）
NI函数产生器选用了一个称为直接数字组成的时钟机制。DDS经过首要将很多重复波形存储在一个有限的存储空间内进行作业。关于NI产品，一个波形（正弦波、三角波、方波和恣意波形）的单个周期可以经过准确的16384个点表明并存储在存储器中。一旦该波形被存入存储器中，它可以在十分准确的频率点被生成。
留意，运用DDS的波形产生在根本上不同于恣意波形产生，这一点十分重要。运用恣意波形产生，波形的每一个采样被存储在存储器中并按次序生成。运用DDS生成的信号的作业方法略有不同。运用这种作业方法，一个波形的单个周期被存储在存储器中。可是，在生成该信号时，DAC并没有生成该波形的每一个点。实践上，当生成一个准确的频率时，DAC疏忽了信号生成进程中的采样，以得到希望的采样率，如图9所示：
图9。运用直接数字组成生成一个21 MHz的信号
DSS的完结需求一个查询表以确认在任何频率点按时生成的信号的相位。图10展现了依据直接数字组成的波形产生的模块。
图10。直接数字组成的功用模块
如图10所示，一个相位累加器比较采样时钟和希望频率，以使一个相位寄存器递加。其根本原理就是，DDS依据希望信号的瞬时相位挑选适宜的采样，使得在准确的频率点生成周期信号。经过运用214（16384）个点表明您的波形，您可以运用您的查询表来表明准确的16384个相位增量。凭仗DDS，函数产生器可以在准确的频率点生成信号。事实上，运用48-位DDS，NI-5406供给了高于1 µHz的频率精度。
参阅时钟
尽管该信号产生器运用一个采样时钟确认了新采样生成的时间，可是，一个参阅时钟关于多个仪器的同步仍是十分重要的。当运用参阅时钟时，信号产生器可以经过一个锁相环（PLL）完结它的采样时钟与一个外部时钟的锁相。PLL是一个可以依据参阅时钟对准采样时钟的相位的反应电路（参见图11）。因而，经过在多台设备间同享同一个参阅时钟，您可以完结这些采样时钟的同步，并对准所生成的信号。图11展现了一个根本PLL的模块框图。
图11，根本锁相环电路
正如该模块框图所示，PLL是一个对VCXO的相位进行操控的闭环操控体系。相位检测设备输出一个与两个输入信号的相位差成正比的电压。最终，环路滤波器调整振荡器时钟的相位以匹配参阅信号的相位。因而，该参阅频率与该采样时钟可以完结相位的准确匹配。
7. 衔接与循环（波形产生引擎）
NI信号产生器运用高档SMC特性衔接和循环波形分段。衔接和循环可以分为两种生成方法，次序方法和脚本方法。运用次序方法，您可以运用存储在板上存储器内的次序指令装备一个信号产生器，使其输出一系列预先界说的波形。另一方面，脚本方法乃至更为强壮，因为您可以运用它创立一个动态波形序列，其间，信号产生器的输出取决于硬件触发器或软件触发器的状况。此外，脚本方法运用条件句子，如“假如/不然”，以完结分支波形序列。一起运用衔接和循环方法，您可以装备该信号产生器，使其输出一个或多个具有符号符号或符号符号事情等特性的触发器信号。
次序方法
在次序方法下，您可以经过一个预先装备的序列生成一系列波形。此外，您可以完结各种触发方法以进入序列中的下一个波形。常见触发器方法包含单触发器、接连触发器、步进触发器和突发触发器。这儿的每一个方法都在生成不同波形时，供给了不同的输出选项。例如，步进触发器方法描绘如下。
在步进触发器方法下，您运用一个触发器步进经过一个次序列表中的每一个波形。当您从产生会话开端时，第一个波形依照您在该进程中所装备的次数循环。当该波形完结所设定的循环次数后，该波形的最终一个采样接连重复，直至接收到下一个触发信号。当接受到下一个触发信号，第二个波形被生成并按装备的次数迭代。重复这样的进程，直至最终一个装备波形被生成。此刻，需求一个触发条件以再次发动该产生序列。该进程如图12所示。
图12。运用步进触发器方法排序
正如图12所示，该信号产生器在t0时间（接收到第一个触发信号时）开端生成第一个波形。此外，它经过生成“波形0”继续循环，直至到达所装备的循环次数（在本例中为两次）。正如您可以从图12中观察到的，该信号产生器继续驱动“波形0”的最终一个采样，直至t1时间接收到下一个触发信号。
脚本方法
尽管次序方法支撑一个信号产生器在接收到触发信号时输出一系列波形，但它本身也存在局限性。本质上，次序方法要求您在信号产生开端前装备每一个进程。为了装备一个动态脚本（这儿的输出是因条件而定的），您有必要运用一种称为脚本的更高档次序方法。
脚本支撑一个信号产生器依据体系中的硬件事情或软件事情动态输出一个波形序列。此外，因为其灵敏性，它是最高档的波形操控特性。运用脚本，您不仅可以完结多个波形的衔接和循环，还可以在装备脚本触发器后，生成一个以受测设备内部产生的事情为条件的波形。运用脚本触发器，脚本引擎动态地挑选待生成的波形，这取决于特定触发信号线路的状况。
例如，考虑一个运用“重复直至”指令的脚本。运用该脚本，“波形1”被装备成重复直至脚本触发信号变为真。该脚本详细如图13所示。
图13。选用重复直至”指令的脚本典范
留意，“scriptTrigger0”被用作确认应当生成哪一个波形的变量。在此脚本中，该信号产生器首要生成“波形0”。该波形一旦生成，经过生成“波形1”循环并继续重复，直至“scripttrigger0”变为真。（请确认这两个变量是否相同）一旦该事情产生，该信号产生器在序列完结前生成“波形2”。该脚本所得到的输出信号如图14所示：
图14。运用“重复直至”脚本的信号产生器的输出
正如图14所示，该信号产生器继续生成“波形1”，直至“scripttrigger0”变为真。因而，运用脚本，您可以经过装备一个脚本触发器决议信号产生器的输出，然后生成动态波形
8. 触发信号与事情
为了完结与其他仪器的同步，SMC架构供给了符号符号事情和数据符号符号事情等特性。运用这些事情，您可以装备您的信号产生器，以生成操控其它仪器行为的输出触发信号。运用符号符号事情时，您可以装备高达1条（次序方法）或4条（脚本方法）触发信号线路，以改动与一个装备的采样数同步的状况。相比之下，运用数据符号符号事情，您可以将高达四比特的模仿波形路由至高达四条触发信号线路。运用该类型的输出触发器，该触发器的状况嵌入在实践波形中。
符号符号事情
符号符号事情经过给定一个从波形起点的违背量（以采样数目衡量）进行表述。在次序方法下，您可以为序列中的每个进程装备一个符号符号事情。在脚本方法下，您可以在一个特定的波形中装备高达四个具有不同违背量的符号符号。正如您在图15所看到的，与该符号符号相关联的触发信号线路，在生成第20个采样的同一个时钟边缘变为真。此外，您可以观测到，在此事例中，触发信号线路在采样时钟频率的40个周期内坚持为真。
图15。符号符号事情输出的守时
留意，您可以运用特点节点采纳多种方法装备该符号符号输出的行为。图15展现了该符号符号事情已被装备为一个采样时钟下的八周期脉冲。
数据符号符号事情
运用数据符号符号事情，您可以将高达四个波形数据比特作为一个数字信号输出至一条物理触发信号线路。例如，典型的信号产生器选用一个16-位DAC；每个采样时钟周期，16-位采样被发送至该DAC。可是，您也可以最多将每个采样的四个比特路由至物理触发信号线路。然后，您可以将这四个波形比特装备为一个数字波形，以完结与其他硬件的同步。尽管您可以挑选恣意四个比特，可是一般运用最低位的四个比特，以使对模仿输出的影响降至最低。图16显现了一个选用数据比特符号符号的信号的守时框图。
图16。一个波形的按位表明
图16显现每个16-位采样的最低四个比特已被杰出符号。运用该数据符号符号事情，您可以将这些比特中的每一位作为一个数字信号直接路由至一个触发信号线路。
总结
现代信号产生器运用SMC架构支撑杂乱、准确的模仿信号的生成。因而，信号产生器可以生成多种信号，并为一系列广泛的运用服务。
