最近，许多基于直接数字合成技术（DDS）的任意波形/函数发生器在市场上销售，虽然它们也提供了出色的技术指标，但用于产生任意波形的DDS方法的严重局限性会显现出来。与此同时，另一种可供选择的可变时钟结构则提供了更大的灵活性，并且可用于解决更多的实际问题。

　　大多数数字波形发生器使用高速随机存储器（RAM）存储波形数据。当高速随机存储器地址递增时，数值被连续输出至数/模转换器（DAC）。DAC将波形重构为一个电压阶跃序列，该电压序列经过滤波后，送到输出放大器和衰减器。输出波形的频率是由高速随机存储器地址变化的速率确定的。

　　 在基本的任意波形发生器中，RAM地址是由一个高速计数器递增的。波形的重放速率是通过改变输入到计数器的时钟频率来设置的。随后，系统进行了优化，RAM的各个序列段可被随意寻址并采用不同的时钟。但仍然保留了用可变频率的时钟以确定的速率连续访问RAM单元的工作方式。这被称为可变时钟结构。

　　最近几年，为产生可变频率的正弦波而设计的直接数字合成技术（DDS）已经被广泛应用于产生任意波形，几乎成为了流行的技术。
本文探讨了DDS和可变时钟结构的发生任意波形的相对优点和缺点。

　　直接数字合成

　　目前，大多数数字式信号发生器采用直接数字合成技术（DDS）方式。在DDS信号发生器中，RAM地址增量是由增量寄存器和相位累加器组成的数字模块利用一个固定的时钟频率确定的。
RAM内容存有所希望的波形（例如正弦波）的每一循环（360度）中各个点的幅度值。通常情况下，所采用点的数量要等于或大于垂直幅度点的数量。

　　例如：对于一个具有4096字波形存储容量的12位系统。最大频率（Fmax）为40 MHz，频率分辨力为0.0001 Hz。
　　所选波形的一个完整循环被保存在RAM中，作为4096个12位的幅度值。当RAM地址递增时，波形值被连续输出至DAC，DAC将波形重构为一个电压阶跃序列，例如，正弦波或三角波，随后经过滤波来平滑DAC输出的阶跃信号。

　　输出波形的频率是由RAM地址变化的速率确定的；在DDS系统中，地址的改变方式如下：
　　RAM保存有波形的1个循环（360°）中所有点的幅度值；每一次的连续地址变化相对应于360°/4096点波形的一次相位递增。它不是采用计数器来产生连续的RAM地址，而是采用一个相位累加器来递增相位。
　　在每一个时钟周期，由CPU确定的单位相位增量，被增加到相位累加器中的当前结果中；相位累加器的高12位驱动RAM地址线。现在，输出波形频率就是由每一时钟下相位增量的大小确定的。如果每一增量的大小相同，那么输出频率就是恒定的；如果增量大小发生了变化，输出频率就发生变化，但是相位是连续的。
　　本例中采用了1个40位的累加器，时钟频率为240×10-4（~109.951 MHz）。这样形成的频率分辨力就为fCLK/ 240 = 0.1 mHz。
相位累加器的高12位被用来寻址RAM。在fCLK/4096（~ 7 kHz）的波形频率下，RAM地址在每一个时钟周期都递增。在所有低于该值的频率下（也就是具有较小的相位增量），由于相位增量不足以大到在每一时钟周期都步进地址，因此只能再在多于一个时钟周期时输出一个新地址。同理，当波形频率高于7 kHz时，较大的地址增量会造成一些地址被跳过，产生的结果就是存储的波形被离散“采样”，在所建波形的各个连续循环中，不同的点将被采样。

　　准确重构波形所需的波形点的最小数量将确定最大的有用输出频率：fmax = fCLK/波形点数量。对于正弦波，由于受到滤波器性能的实际限制，往往设置一个较低的限制（例如对110 MHz时钟设置为40 MHz），但设计合适的滤波器则能够准确重构接近奈奎斯特（Nyquist）极限（fCLK/2）的波形。对于其它波形，所需的最少波形点数取决于所重构波形的复杂性和精密度。

　　波形抖动
　　DDS方法非常适合于产生正弦波形。通过输出滤波器可以利用每周期很少的波形点产生一个低失真的正弦信号，接近于奈奎斯特极限。对于非正弦波形，例如脉冲、三角波和斜波，包括了急剧的跃迁，这种信号只能在重复速率非常低时才能通过输出滤波器。因此，对于100 MHz的时钟发生器，可用的正弦波可达40 MHz或更高，但是三角波和斜波可能被限制到500 kHz或更低。所有类型的任意波形发生器均是如此。
　　一个任意波形可能仅包含正弦信号（例如谐波失真波形）的组合，但是许多波形将包含毛刺、信号沿和其它快速跃迁。这样，DDS型的任意波形发生器就会显现出局限性。
　　DDS型任意波形发生器仅以等于时钟频率除以波形长度之商的整倍数的重复速率重构任意波形。在其它所有频率下，样本点均会被遗漏或复制，遗漏次数是不均匀的。对于重复性波形，由于当寻址循环返回到存储器起点时，开始地址将发生变化，因此就会形成波形抖动。在高重复速率下，波形将被离散“采样”，造成部分波形点被遗漏。
　　注意，抖动效应是主时钟周期的一项功能，并且在低波形重复速率下变得相对无关紧要。
　　相比而言，可变时钟系统严格地根据定义重放波形。每一波形点均以时钟频率设置的重放速率顺序重放。

　　外时钟同步
　　可变时钟任意波形发生器可以将外部信号作为波形时钟，使波形与外部信号直接同步。
　　产生与频率变化的外部信号直接同步的任意波形是一项常见的应用需求。
　　DDS发生器采用固定的波形时钟频率进行工作。这样可以锁相至固定频率的外部信号，但是不能复制可变时钟发生器的外部ARB时钟功能。

　　波形复杂性
　　DDS型任意波形发生器对波形长度存在限制。和可变时钟发生器不同的是，被重放样本的数量必需等于固定的长度（通常为2的幂）。为了满足这一要求，就需要对原始波形进行一些不利的内插或外推。
　　为了准确重构复杂的波形，所需的存储器总量可能就非常大。特定发生器中可提供的存储量从1k字到1 M字或更大不等。
由于必须从高速静态RAM重构波形，因此波形存储器非常昂贵。因此，低成本的任意波形发生都提供有限的波形存储器。在DDS系统中，全部的任意波形都必须被保存在存储器长度之内，这样可能限制能够产生的波形的复杂性。
　　可变时钟发生器则可以集成成熟的地址选择硬件，使其可以访问波形存储器的特定区域，从而完成复杂的序列。

　　许多真实的波形包括重复性元素。通过采用一个个波形段来重构每一段重复元素，就可以从一个个“序列”中重构波形。在该序列中，以定义的顺序连接和重复次数（loop count）重放个体元素。以这种方式则可以产生点数比波形存储器大得多的波形。
　　序列连接和循环还为任意波形的修改提供了便利的工具，而无需对其进行重新构建。

简单的波形序列
　　在本例中，要求产生三个猝发正弦波形，每一波形的长度不同，波形然后成指数衰减。猝发波形之间的延迟也不相等。
利用序列连接，可以从三个基本的任意波形简便、快捷地创建复杂的任意波形——单周期正弦波（W1）、衰减正弦波（W2）和短暂的直流电平（W3）。三个基本波形均可能从用户的波形库中获得。
　　例如，一个波形可能包括一系列被休止周期分隔开的复杂事件。利用短暂零信号波形的循环计数创建各个零信号周期，只需要修改每一循环计数的值，即可以修改事件之间的时间。
　　另外，事件之间的延迟可能需要与外部信号相对应。可以将序列连接设计为由外部触发信号来启动波形，从一个波形段向下一波形段的变化。
　　形成一个9段的序列：
　　W1×N1 > W2 > W3×D1 > W1×N2 > W2> W3×D2 > W1×N3 > W > W3×D3.
　　N和D为序列的循环计数（也就是在进行到下一步之前波形被重复的次数）。N定义了正弦波计数，D定义了延迟。若将直流电平（W3）定义得非常短，则可以高准确度地定义延迟时间。
　　现在可以轻松地完成对波形进行修改，例如延迟的变化（仅需选择数值和旋转旋轮即可修改循环计数）。
　　在基于DDS技术的任意波形发生器上，要求在PC上利用波形创建程序来创建复杂的波形。即使是最小的变化也都需要重新创建并下载全部复杂的波形。

组合技术发生器
　　除了产生复杂任意波形时的缺点之外，DDS技术在产生高速重复性波形时的具有独特的优点。
　　如果一个波形是从500个波形点构建获得的，100 MHz可变时钟发生器的最大波形重复速率为200 kHz。否则，只能用更少数量的波形点重新定义波形。但是，当频率增大时，DDS波形发生器依赖于其采样技术可自动地有效缩短波形长度。
　　当波形需要在很快的频率范围内进行扫描时，这点是非常有用的。DDS发生器可以在低频下提供完全的波形分辨率，而保持高频扫描的能力（尽管牺牲了波形的精密度）。
　　有些任意波形发生器在单机中组合了可变时钟结构和DDS结构，提供了两种技术最大可能的优良性能。Fluke 280和290系列就属于这种类型的任意波形发生器。

多通道
　　许多情况下都需要同时产生多个任意波形。为了达到这一目的，多数的单通道发生器，无论是可变时钟结构还是DDS技术的任意波形发生器，都提供了锁相至另一发生器的功能。但是，当需要多个输出时，就必须使用专用的多通道发生器。
　　相对于DDS型发生器，可变时钟结构为产生复杂和精密的通道间关联信号提供了更大的灵活性。
　　例如，Fluke 284 (40 MS/s) 和Fluke 294 (100 MS/s)都提供了4个通道任意波形发生器。4个通道可独立工作，或者被连接在一起提供通道间的触发、调制、求和以及相位控制。任意数量的通道还可以同时被外部信号定时。这样就能够产生动态的、实时复杂信号，还可以作为更大测试系统的一部分。Fluke 294还增加了闪卡波形存储器的灵活性。

创建波形
　　许多信号发生器包括一定水平的内置波形编辑功能，例如逐点插入数值、在波形点之间插补直线和标准的波形。
　　但是，复杂的任意波形只能在发生器之外利用PC上的波形编辑软件进行创建。
　　 正是为了这一目的，福禄克提供了运行于Window系统的Waveform Manager Plus软件。Waveform Manager Plus软件具有齐全的波形创建和编辑功能，包含了标准的波形库、徒手绘制、成熟的数学公式编辑器，并且可以直接从Microsoft Excel粘贴数据。
　　如果在独立环境下使用发生器，需要使用外部波形编辑软件可能是一项很大的缺点。但是，可变时钟发生器的序列能力意味着仅需改变序列的参数即可创建新的波形、修改已有波形。为了实现最大的灵活性，在发生器内部保存一个波形库是非常有用的。因此，福禄克已经为290系列发生器配备了可拔插的闪卡波形存储器。在单张卡上可储存多达500条波形，利用多张卡即可为更大的项目维护特殊的波形库。