信号発生器の必要性
電子測定を行う場合に必要な機器としてまず思い浮かぶのは、おそらくオシロスコープ やロジック・アナライザ などのアクイジション計測器でしょう。しかし、これらの計測器は、何らかの信号を取り込むことができなければ役に立ちません。取り込むべき信号自体が存在せず、外部の信号発生器を用意しければならないケースも多くあります。
たとえば、歪みゲージ増幅器はセンサで受信した信号を増幅するだけで、それ自体が信号を生成することはありません。デジタル・アドレス・バス上のマルチプレクサも、カウンタやレジスタなどのデバイスからの信号トラフィックを処理するだけで、やはり信号は生成しません。しかし、増幅器やマルチプレクサを回路に接続するには、当然、事前のテストが必要です。アクイジション計測器でこれらのデバイスの動作を測定するには、デバイスに信号を加え動作させなければなりません。
また、新しいハードウェアの開発では、目的とする設計仕様を完璧に満たしてなお余裕があるかどうか、その動作を評価する必要があります。これのようなテスト（マージン・テスト またはリミット・テストと言う）では、信号生成能力と測定能力を併せ持つソリューションが必要です。デジタル信号を扱う機器を設計する場合とアナログまたはミックスド信号を扱う機器を設計する場合とでは使用するツールが異なっても、どちらもアクイジション計測器と信号発生器を必要とするという点では同じです。
信号発生器（信号ジェネレータ）はアクイジション計測器と対になる機器であり、この2つが揃って初めて完全な測定ソリューションになります。図1では、この2種類の計測器はDUT（被測定装置）の入出力端子のそばに置かれています。信号発生器は、設定をさまざまに変更することで、アナログ波形、デジタル・データ・パターン、変調、歪み、ノイズなどの信号を供給できます。設計、評価、トラブルシューティングを効果的に行うためには、ソリューションを構成するこの2つの機器が不可欠です。
本記事では、信号発生器の概要と役割、およびその用途について説明します。各種信号発生器とその機能を理解することは、研究者、エンジニア、測定技術者としての必須条件です。正しいツールを選択すれば、作業がはかどり、信頼できる結果をすぐに得ることができます。本記事では、以下の項目について説明します。
- 信号発生器の動作原理
- 信号波形の種類
- ミックスド信号発生器とロジック信号発生器の違い
- 信号発生器の基本的な操作方法
- 簡単な波形の生成方法
信号発生器（シグナル・ジェネレータ）とは？
信号発生器とは、その名が示す通り、電子測定で被測定回路を動作させるために使用する信号源のことです。ほとんどの回路は、時間とともに振幅が変化する、ある種の入力信号を必要とします。信号は、グランド・リファレンス・ポイントの上下でピークが変動する、真の双極AC信号※1であることもあれば、DCオフセット電圧レンジを超えて正負のいずれかに変化することもあります。正弦波などのアナログ関数、デジタル・パルス、バイナリ・パターン、または任意の波形であることもあります。
信号発生器で生成できるのは「理想的」な波形だけではありません。既知の歪み（エラー）の量と種類を再現し、それらを出力信号に印加することもできます（図2参照）。これは信号発生器の最大の長所の1つです。非測定回路だけでは、必要とする（予測可能な）歪みを必要なタイミングと場所で再現することができない場合もよくあります。歪みのある信号をDUTに供給し、その応答を観察することにより、通常の性能範囲を超えるストレスがかかったときの耐久性を知ることができます。
※1「AC」は、通常、0V（グランド）リファレンス付近で正負に変動する信号を意味する用語で、電流の流れる方向が周期ごとに反転します。しかし、ここでは説明の便宜上、「AC」をグランドとは関係なく変動する信号として定義します。たとえば、＋1～＋3Vの間で変化する信号は、常に同じ方向に電流が流れますが、AC波形と解釈します。ほとんどの信号発生器は、グランド中心（真のAC）波形とオフセット波形のどちらでも生成できます。
アナログとデジタル
現在の信号発生器は、ほとんどがデジタル技術をベースにしています。最も効率的なソリューションと言えば、アナログまたはデジタルの用途に合わせてその機能を最適化させた信号発生器ですが、現在の信号発生器の多くはアナログとデジタルの両方に対応できます。
任意波形ジェネレータ（AWG）とファンクション・ジェネレータは、主に、アナログ／ミックスド信号用途向けです。これらの計測器は、サンプリング手法を利用して、考え得るほとんどすべての形状の波形を生成および変更できます。これらのジェネレータには、一般に1～4チャンネルの出力があります。一部のAWGは、サンプリングしたアナログ出力と別に、外部機器のトリガ などに使用できるマーカ出力と、サンプルごとのデータをデジタル形式で供給する同期デジタル出力を備えています。
デジタル波形ジェネレータ（ロジック信号発生器）には、パルス・ジェネレータ とパターン・ジェネレータの2種類があります。パルス・ジェネレータは、少数のチャンネル出力から、通常は非常に高い周波数の方形波またはパルスを発生し、高速デジタル機器の動作テストに最も一般的に使用されます。パターン・ジェネレータは、データ・ジェネレータ、データ・タイミング・ジェネレータとも呼ばれ、一般に、8、16、またはそれ以上の同期デジタル・パルス列を、コンピュータ・バスやデジタル・テレコム部品などに供給します。
信号発生器の用途
信号発生器には実に多くの用途がありますが、電子測定関連では、検証、評価、ストレス／マージン・テストという3つの基本的なカテゴリに分類できます。代表的な用途は次のとおりです。
検証
デジタル変調送受信機のテスト
新しい送信機や受信機の開発、設計では、ベースバンドのI&Q信号を異常ありと異常なしの2通りでシミュレートし、新しい無線標準規格との適合性を検証する必要があります。任意波形ジェネレータの上位機種では、歪みの少ない高分解能信号を1ギガビット／秒（1Gbps）のデータ・レートまで生成し、「I」位相と「Q」位相の独立した2チャンネルに信号を供給することができます。
受信機のテストでは、実際のRF信号を使用しなければならないこともありますが、これに必要なRF信号は、最大サンプル・レート20GS/sの任意波形ジェネレータであれば直接合成することができます。
評価
D/AおよびA/Dコンバータのテスト
新開発のD/Aコンバータ（DAC）とA/Dコンバータ（ADC）については徹底的にテストを行い、リニアリティ、モノトニシティ、および歪みの限界を確認する必要があります。最先端のAWGでは、同時同相のアナログ／デジタル信号を生成し、これらのデバイスを最高1Gbpsの速度で駆動することができます。
ストレス／マージン・テスト
通信レシーバに対するストレス追加
シリアル・データ・ストリーム・アーキテクチャ（デジタル・コミュニケーション・バスやディスク・ドライブ増幅器で幅広く使用されています）を担当しているエンジニアは、デバイスに機能障害、特にジッタ 違反やタイミング違反を発生させて、ストレスを付加する必要があります。ジッタ編集、生成ツールを備えた高度な信号発生器を利用すると、計算に要する時間を大幅に節約できます。これらの計測器は、200fs（0.2ps）というほんのわずかな時間でも信号エッジをシフトできます。
信号生成の分類
信号発生器による波形生成には、何通りか方法があります。そのどれを使用すべきかは、DUTとその入力要件に関する情報、つまり、歪みやエラー信号、その他の変数を追加する必要性の有無に依存します。最近の高性能信号発生器には、波形生成に少なくとも次の3つの分類があります。
- 作成： 回路のシミュレーションやテストなどの目的に新規で作成されます。
- 再生： オシロスコープ、ロジック・アナライザ、リアルタイム・スペクトラム・アナライザなどで取り込んだ信号を、直接あるいは編集した信号で出力します。
- 生成： 標準規格に準拠した理想信号またはストレス信号を出力します。規格値からの許容範囲の設定等も行えます。
信号発生器と波形
波形の特性
「波」とは、量的な値が一定の時間間隔で反復して変化するパターンです。波には、音波や脳波、海波、光波、電圧波など、いろいろな種類がありますが、そのどれも周期的な反復現象であるという点で本質は同じです。信号発生器では、電気的な波（通常、電圧波）の繰り返しを制御して生成することができます。波の繰り返しの1回分を「サイクル」と呼びます。波形は、時間と共に変化する波の動きを視覚的に表したものです。電圧波形は、水平軸に時間、垂直軸に電圧を持つ、古典的な直交座標系のグラフィカルな表現です。なお、計測器によっては、電流波形や電力波形などについても、取り込みおよび生成が可能なものがありますが、本書では、通常の電圧対時間の波形のみを説明対象とします。
振幅、周波数および位相
波形には多くの特性がありますが、その中でも重要なのが振幅、周波数、そして位相です。
・振幅： 波形の電圧の「強さ」の尺度。AC信号の振幅は絶えず変化しています。信号発生器では、電圧レンジをたとえば－3～＋3Vという具合に設定し、この2つの電圧値の間で変動する信号を生成することができます。ただし、変動率は波形の形状と周波数の両方で決まります。
・周波数： 完全な波形サイクルが発生するレートです。周波数の単位はヘルツ（Hz）です（以前はサイクル／秒と呼ばれていました）。周波数は、波形の周期（波長）の逆数です。波長は、隣接する波の相似したピーク間の距離で測定します。周波数が高くなるほど、周期は短くなります。
・位相： 理論的には、0°ポイントを基準にした波形サイクルの変位です。実際には、リファレンス波形または時間の基準点に対するサイクルの時間的ずれが位相です。
位相については、正弦波を見ると最もよくわかります。正弦波の電圧レベルは、数学的には円運動に関係しています。完全な円のように、正弦波の1サイクルは360°運動しています。正弦波の位相角は、周期がどのくらい経過したかを表します。
2つの波形の周波数と振幅が同一でも、位相が異なる場合があります。位相シフトは遅延とも呼ばれ、図4に示すように、周波数と振幅が同一の2つの信号のタイミングのずれを表します。位相シフトは、電子機器では頻繁に発生します。
波形には振幅、周波数、位相という基本パラメータがありますが、これらを用途に合わせて変更することで最適な波形が得られます。これ以外にもさまざまなパラメータがあり、多くの信号発生器では、これらについても変更が可能です。
立上りおよび立下り時間
通常、パルスと方形波の特性である立上り時間と立下り時間とも呼ばれるエッジのトランジション時間は、信号エッジにおいてある状態から別の状態に遷移するまでの時間を測定したものです。これらの値は、最近のデジタル回路では数ナノ秒（ns）以下です。
立上り時間と立下り時間は、どちらもトランジション前後の静的電圧レベルの10～90%間で測定されます（20～80%を使用することもあります）。図5に、パルスとそのパラメータをいくつか示します。この図は、オシロスコープ上に表示されるイメージで、信号周波数に比べてサンプル・レートを高く設定しています。サンプル・レートが低いほど、この波形はより「方形」に近くなります。
パルスの立上り時間と立下り時間を個別に変えることもあります。たとえば、非対称のスルー・レートを持つ増幅器を測定する場合や、レーザ・スポットの溶接ガンの冷却時間を制御する場合などがあります。
パルス幅
パルス幅とは、パルスのリーディング・エッジからトレーリング・エッジまでの経過時間のことです。「リーディング」は、正に向かうエッジと負に向かうエッジのどちらかを特定する用語ではありません。これは、「トレーリング」についても同様です。つまり、「リーディング」も「トレーリング」も、サイクル内でのイベント発生順序を表すだけであって、パルスの極性によってエッジがリーディングとトレーリングのどちらになるかが決まるということではありません。図5では、正に向かうエッジをリーディング・エッジとしています。パルス幅は、各エッジの50%振幅点間の時間測定値です。
「デューティ・サイクル」という用語もありますが、これは、パルスのハイとロー（オン／オフ）の時間間隔を表します。図5は、50%のデューティ・サイクルの例です。100ns周期のサイクルで、アクティブ・ハイ（オン）レベルが60%であれば、デューティ・サイクルは60%になります。
デューティ・サイクルの具体例を示すために、1秒間のバースト後に3秒間休止するアクチュエータを考えてみましょう。このアクチュエータは、4秒のうち3秒間は休止するので、デューティ・サイクルは25%になります。
オフセット
すべての信号の振幅が、グランド（0V）を基準として変化するわけではありません。「オフセット」電圧とは、回路グランドと、信号振幅の中心との電圧差です。オフセット電圧は、図6に示すように、ACとDCの両方を含む信号のDC成分を表します。
差動信号とシングルエンド信号
差動信号とは、互いに補完し合う2つの信号経路を使用して、それぞれ同一でグランドに対して極性が反転している信号を伝える方法です。信号のサイクルが進み、一方の信号が正に振れたとき、もう一方の信号は同じだけ負に振れます。たとえば、ある瞬間に一方の信号の電圧が＋1.5Vであったとすると、もう一方の信号の電圧は－1.5Vちょうどになります（2つの信号が完全に同相であったと仮定した場合）。差動信号は、クロストークとノイズを排除し、有効な信号のみを通過させる優れた方法です。
シングルエンド動作は、信号経路とグランドを1つしか使用しない一般的な方法です。図7に、シングルエンド信号と差動信号の両方を示します。
基本波形
波形にはさまざまな形があります。ほとんどの電子測定では、次に示す波形のどれかを使用し、必要に応じてノイズや歪みを追加することもあります。
- 正弦波
- 方形波と矩形波
- のこぎり波と三角波
- ステップ波とパルス波
- 複雑な波形
正弦波
正弦波は、おそらく最もわかりやすい波形です。ほとんどのAC電源は正弦波です。家庭用のコンセントからは、正弦波の電源が供給されます。また、電気や電子の初等教育では、通常、原理の説明に正弦波が使用されます。正弦波は、基本的な数学関数の演算結果で、正弦曲線を360°にわたってグラフに表すと、正弦波のイメージが完成します。
減衰正弦波は、回路がインパルスで発振し、時間をかけて徐々に減衰する特殊なケースです。
図8に、正弦波と減衰正弦波信号の例を示します。
方形波および矩形波
方形波と矩形波は、デジタル電子機器の中核となる基本波形で、その他の用途にも使用されています。方形波は、2つの固定電圧レベル間を等間隔で切り替わる信号です。これは、2つの電圧レベル間の高速なトランジション（前に説明した立上り時間と立下り時間）を再現する必要がある増幅器のテストによく使用されます。方形波は、コンピュータ、無線通信機器、HDTVシステムなどのデジタル・システム用のクロックとしても使用されます。
矩形波は、方形波と同様のスイッチング特性を持っていますが、前述の「デューティ・サイクル」で説明したように、そのハイとローの時間間隔が等しくありません。図9に、方形波と矩形波の例を示します。
のこぎり波と三角波
のこぎり波と三角波は、その名前の通り、非常によく似た幾何形状をしています。のこぎり波は、各サイクルでゆっくり均等にピークまで上り、その後、即座に落ち込みます。三角波は対称的な立上り時間と立下り時間を持っています。これらの波形は、アナログ・オシロスコープやTVなどのシステム内で、電圧を制御するために使用されます。図10に、のこぎり波と三角波の例を示します。
ステップ波とパルス波
「ステップ波」は、電源ボタンを押したときと同じように、電圧が急激に変化する波形です。
「パルス波」は矩形波と同類です。矩形波のように、2つの固定電圧レベル間で、上から下へ、または下から上へスイッチングすることによって生成されます。パルスは本質的にバイナリであるため、デジタル・システムで情報（データ）を搬送する基本的手段として利用できます。パルスは、コンピュータ中を移動する1ビットの情報を表します。同時に移動するパルスが集まったものがパルス列（パルス・トレインやパルス・ストリームという表現もあります）です。パラレルまたはシリアルで送信されるパルス列の同期したグループがデジタル・パターンを構成します。図11に、ステップ波、パルス波、そしてパルス列の例を示します。
デジタル・データは、名目上はパルス波、矩形波、および方形波で構成されますが、実際のデジタル波形は、角が丸みを帯びていて、エッジは斜めになっています。
回路の異常が原因でパルスが発生することもあります。これらの不定期に発生するトランジェント信号のことを「グリッチ」と言います。デジタル・トラブルシューティングでは、グリッチ・パルスと、幅の狭い正常なデータ・パルスとを見分けられるかどうかが重要です。そのテストのため、任意の位置にグリッチを印加してパルス信号を生成することのできる信号発生器もあります。
複雑な波形
実際の電子システムでは、前述のような教科書通りの波形が現れることはめったにありません。特定のクロック信号やキャリア信号は純粋な形状ですが、その他のほとんどの波形では、分散したキャパシタンスやクロストークなど、実際の回路動作の副作用で偶発的に生じたなんらかの歪みをもったものや、意図的に変調が行われたものがあります。波形の中には、正弦波、方形波、ステップ波、パルス波の要素をすべて含むものさえあります。
複雑な波形には、次のようなものがあります。
- アナログ変調、デジタル変調、パルス幅変調、および直交変調信号
- デジタル・パターンとデジタル・フォーマット
- 擬似ランダム・ビットとワードのストリーム
信号変調
信号変調では、振幅、位相、周波数の変動により、低周波信号の情報が周波数が高い搬送波に組み込まれます。変調後の信号は、音声から映像、データに至るまで、どのようなものでも搬送できます。これらの波形の再現は、それ専用の機能を備えた信号発生器を使用しない限り、困難です。
アナログ変調 – 振幅変調（AM）と周波数変調（FM）は、放送で広く使用されています。変調信号は、搬送波の振幅や周波数を変化させます。受信端では、復調回路が振幅や周波数の変化を解釈して搬送波から内容を抽出します。
位相変調（PM）は、搬送波の周波数ではなく、位相を変調して内容を組み込みます。
図12にアナログ変調の例を示します。
デジタル変調 – デジタル変調は、他のデジタル技術と同様に、2つのステートでバイナリ・データを表現する信号を基本にしています。振幅シフト・キーイング（ASK）では、デジタル信号変調で搬送波が2つの振幅間でスイッチします。周波数シフト・キーイング（FSK）では、搬送波が2つの周波数（中心周波数とオフセット周波数）間でスイッチし、位相シフト・キーイング（PSK）では、搬送波が2つの位相間でスイッチします。PSKでは、「0」は前の信号と同じ位相の信号を送信することによって表され、「1」は逆位相の信号を送信することによって表されます。
パルス幅変調（PWM）も、もう一つの一般的なデジタル変調方式で、デジタル・オーディオ・システムでよく使用されています。名前が示すように、パルス波形にのみ適用され、PWMでは、信号変調でパルスのアクティブなパルス幅（前述のデューティ・サイクル）が変化します。
図13にデジタル変調の例を示します。
周波数掃引
電子デバイスの周波数特性測定には、時間の経過とともに周波数が変化する、「掃引」正弦波を必要とします。周波数は、直線的に変化するものと、対数的に変化するものがあります。上位機種の掃引ジェネレータには、掃引シーケンスのスタート周波数、保持周波数、ストップ周波数、および関連する時間を選択できるものもあります。信号ジェネレータは、掃引に同期したトリガ信号を供給し、デバイスの出力応答を測定するオシロスコープをコントロールします。
直交変調 – 現在のデジタル無線通信ネットワークは、直交（IQ）変調技術を基礎に構築されています。同相（I）波形と直交「Q」波形（「I」波形に対して正確に90°遅延された波形）の2つの搬送波が変調されて、4ステートの情報が生成されます。2つの搬送波は合成されて1つのチャンネルで送信され、受信端で分離、復調されます。IQフォーマットは、他のアナログ変調やデジタル変調よりも、はるかに多くの情報を伝送できます。これにより、システムで使用できる有効帯域幅を増やすことができます。図15に、直交変調を示します。
デジタル・パターンとデジタル・フォーマット
デジタル・パターンは、複数の同期したパルス列から構成されます。これらのパルス列は「ワード」を形成し、そのビット幅は、8、12、16、あるいはそれ以上といろいろあります。信号発生器の一種類であるデジタル・パターン・ジェネレータは、パラレル出力からデジタル・バスにデータ・ワードを出力します。このパターン内のワードは、各サイクルで規則正しく送信され、各サイクル内の各ビットの動作は、選択した信号フォーマットによって決まります。そして、このフォーマットによって、データ・ストリームを構成するサイクル内のパルス幅が決まります。
次に、最も一般的なフォーマットを簡単に説明します。最初の3つのフォーマットの説明では、サイクルが2進の「0」で始まるものと仮定しています。「0」は論理電圧レベルのローを意味します。
Non-Return-to-Zero（NRZ）： サイクル内で有効なビットが発生すると、波形は「1」に切り替わり、次のサイクル境界までその値を維持します。
DelayedNon-Return-toZero（DNRZ）： 基本的にNRZと同じですが、指定された遅延時間が経過すると波形が「1」に切り替わるという点が異なります。
Return-to-Zero（RZ）： 有効なビットが発生すると波形は「1」に切り替わりますが、その後に同じサイクル内で「0」に戻ります。
Return-to-One（R1）： 事実上、RZの逆です。上記の他のフォーマットとは異なり、サイクルが「1」で始まるものと仮定します。有効なビットが発生すると「0」に切り替わり、サイクルの終了前に「1」に戻ります。
ビット・ストリーム
擬似ランダム・ビット・ストリーム（PRBS）と擬似ランダム・ワード・ストリーム（PRWS）は、デジタル・コンピュータの本質的な限界、つまり、真の乱数を生成できないという欠点を補うためのものです。ランダム・イベントには、今でもデジタル・システムで便利な用途があります。たとえば、完全に「クリーン」なデジタル・ビデオ信号では、ラインにギザギザが生じたり、本来滑らかであるはずの表面に等高線状の段差が目立つことがあります。調整された量のノイズを追加することにより、基となる情報を劣化させずに、これらのギザギザや段差を目立たなくすることができます。
このランダム・ノイズを生成するために使用されているのが、乱数のようでありながら実際には予測可能な数学的パターンに従っている数列です。この「擬似乱数」の実体は、不規則に繰り返されるシーケンスの集まりであり、その結果がPRBSとなります。擬似ランダム・ワード・ストリームは、信号発生器のパラレル出力から出力される複数のPRBSを定義します。
PRWSは、シリアライザやマルチプレクサのテストでよく使用されます。これらの要素は、PRWS信号を擬似ランダム・ビットのシリアル・ストリームに再構成します。
信号発生器の種類と使い方
信号発生器には、大きく分けて、ミックスド信号発生器（任意波形ジェネレータと任意波形／ファンクション・ジェネレータ）とロジック・ソース（パルス・ジェネレータまたはパターン・ジェネレータ）があり、あらゆる信号生成ニーズに対応しています。各信号発生器には、それぞれ独自の特長があり、おおよその適合用途があります。
ミックスド信号発生器は、アナログ特性を持つ波形を出力するように設計されています。たとえば、正弦波や三角波などの基本波形や、エッジ部分が丸みを帯びた歪んだ「方形」波を出力できます。汎用のミックスド信号発生器では、振幅、周波数、位相を始め、DCオフセット、立上り時間、立下り時間を設定できます。オーバシュートなどのアベレーションを作成することや、エッジのジッタ、変調などを印加することもできます。
本来、デジタル・ソースは、デジタル・システムを駆動することを目的としたものであり、その出力は2進パルス列です。デジタル専用の信号発生器であるため、正弦波や三角波は生成できません。デジタル・ソースの機能は、コンピュータ・バスのようなデジタル・バスのテストに最適化されています。これらの機能には、パターン開発を早めるソフトウェア・ツールを始め、各種ロジック・ファミリに適合するように設計されたプローブなどのハードウェア・ツールも含まれます。
先にも述べたように、現在のほとんどすべての高性能信号発生器は、ファンクション・ジェネレータから任意波形ジェネレータ、パターン・ジェネレータに至るまで、デジタル・アーキテクチャをベースにしており、柔軟な操作性と非常に優れた信号精度が得られます。
アナログおよびミックスド信号発生器の種類
アナログおよびミックスド信号発生器の種類をご紹介します。
任意ジェネレータ
従来、波形生成には、専用の信号発生器が使用されて来ました。生成する波形に応じて、低歪みオーディオ正弦波ジェネレータや、数GHzのRF信号ジェネレータなどを個別に用意する必要がありました。現在、さまざまな信号発生器が市販されていますが、プロジェクトによっては適した信号発生器を見つけることができず、独自の信号発生器をカスタム設計したり、改良したりしているユーザも多くいます。しかし、計測器品質の信号ジェネレータを設計するのは非常に困難です。また、機器の設計という本来目的とは異なる作業に費やされる時間は、当然プロジェクト自体にとって高価な代償となります。
幸い、デジタル・サンプリング技術と信号処理技術の発達により、1台だけで信号生成のほとんどすべてのニーズに対応できるソリューションが登場しました。それが、任意ジェネレータです。任意ジェネレータは、任意波形／ファンクション・ジェネレータ（AFG）と任意波形ジェネレータ（AWG）に分類できます。
任意波形／ファンクション・ジェネレータ（AFG）
任意波形／ファンクション・ジェネレータ（AFG）は、幅広い信号生成ニーズに対応でき、事実、今日の業界に広く普及しています。一般的に、AFGは等価のAWGと比較すると、生成できる波形の種類では劣りますが、安定性に優れ、周波数変化に対する応答が速いという特長があります。DUTが正弦波と方形波の間で、あるいは2つの周波数間でほとんど瞬時に切り替わる能力を必要とする場合、任意波形／ファンクション・ジェネレータ（AFG）は最適なツールです。AFGのもう一つの利点は低コストで、AWGの汎用性が不要な用途では非常に魅力的です。
AFGは専用機として設計されていますが、AWGとほとんど同じ機能を備えています。AFGには、安定した標準波形（特に重要な正弦波と方形波）を正確に、しかも迅速に生成できるという強みがあります。「迅速」とは、ある周波数から別の周波数にすばやく、きれいに変更できる能力です。
一般的なAFGであれば、次のような波形を生成することができます（機種によってはサポートしていない波形もあるかもしれません）。
- 正弦波
- 方形波
- 三角波
- 掃引波
- パルス波
- ランプ波
- 変調波
- ハーバーサイン波
もちろん、AWGでもにこれらの波形は生成できます。しかし、最新のAFGには、出力信号の振幅、周波数、位相を簡単に設定できるという利点があります。さらに、多くのAFGには内部または外部の信号発生器から変調して、ある種の規格コンプライアンス・テストには欠かせない信号を生成する方法が用意されています。
従来のAFGは、アナログ・オシレータと信号処理を使用して出力信号を生成していました。最近のAFGは、DDS（DirectDigitalSynthesis）技術により、メモリからサンプルをクロック読み出しするレートを決定しています。
DDSとは、単一のクロック周波数を使用して、機器の動作レンジ内の任意の周波数を発生させ、波形を合成する技術のことです。図16に、DDS技術を採用したAFGの構造を簡単に示します。
位相アキュムレータ回路では、デルタ（∆）位相レジスタが、次のサイクルで出力信号が進む位相増分を示す命令を、周波数コントローラから受け取ります。最近の高性能AFGでは、位相分解能は230分の1、つまり、およそ1,000,000,000分の1になります。
位相アキュムレータの出力は、AFGの波形メモリ部分のクロックとして機能します。その動作はAWGとほとんど同じですが、波形メモリには正弦波や方形波などの基本的な信号しかストアされていないという点で大きく異なります。アナログ出力回路は、基本的には固定周波数のロー・パス・フィルタで、AFGが出力する所定のプログラムされた周波数（クロックの影響はありません）だけを保証します。
位相アキュムレータの周波数生成方法を理解するため、コントローラが30ビットの∆位相レジスタに1の値を送信する場面を考えてみましょう。位相アキュムレータの∆出力レジスタは、サイクルごとに360°÷230だけ進みます。これは、計測器が出力する1サイクルが360°で表されるためです。したがって、∆位相レジスタの値が1の場合、AFGレンジで最小の周波数が生成されます。回路の周波数は、新しい値が∆位相レジスタに読み込まれるまでは、そのままになります。
値が1より大きい場合、より早く360°まで進み、出力周波数が高くなります（異なるアプローチを採用するAFGもあります。その場合は、数サンプル飛ばして、メモリ内容を速く読み取ることにより、出力周波数を増加させます）。変化するのは周波数コントローラによって供給される位相値だけです。メイン・クロックの周波数は、変更する必要がまったくありません。さらに、波形は波形サイクルの任意のポイントから開始できます。
たとえば、サイクルの正に向かう部分のピークで始まる正弦波を生成する必要があるとします。簡単な計算により、このピークは90°で発生することがわかります。したがって、次のようになります。
230分の増加＝360°かつ、
90°＝360°÷4なので
90°＝230÷4
位相アキュムレータは（230÷4）と等しい値を受け取ると、波形メモリに対して、正弦波の正のピーク電圧を含む位置から開始するよう指示します。
一般的なAFGでは、メモリの事前書き込み部分に基本的な波形がいくつかストアされています。その中でも、多くのテスト用途に使用されているのが、正弦波と方形波です。任意波形はメモリの書き換え可能部分に保持されます。波形形状は、従来のAWGと同様、柔軟に定義することができます。しかし、DDSアーキテクチャでは、メモリ・セグメンテーションや波形シーケンス機能はサポートされていません。これらの先進機能が装備されているのは、高性能のAWGに限られます。
DDSベースの構造では、優れた応答性が得られるため、周波数と位相の両方の変更をすばやく簡単にプログラムできます。この応答性はあらゆる種類のFMDUT、たとえばラジオや衛星通信システムのコンポーネントをテストする際に便利です。また、AFGの周波数レンジが十分な場合は、FSKやGSMのような周波数ホッピングのテストに最適な信号発生器となります。
AWGのように事実上すべての波形を生成できるとまではいきませんが、AFGは多くの研究所、修理工場、設計部門で必要とされる一般的なテスト信号を生成できます。さらに、優れた周波数俊敏性が得られます。もう一つ重要なことは、AFGは業務を遂行する上で非常に費用効果が高いことです。
任意波形ジェネレータ（AWG）
ディスク・ドライブ評価用のローレンツ・パルスで正確に形成されたデータ・ストリームや、GSMまたはCDMA方式の携帯電話をテストするための複雑な変調RF信号が必要になった場合など任意波形ジェネレータ（AWG）は想像できる限りの全ての波形を出力できます。必要な波形の作成には、さまざまな方法、例えば、数式から「ドローイング」が使用できます。
基本的に、任意波形ジェネレータ（AWG）は、ストアされたデジタル・データに基づいて電圧レベルを変化させることにより波形を生成する、高機能なプレイバック・システムです。ブロック図は一見簡単そうに見えます。AWGの概念を簡単に説明すると、ストアされたデータをリアルタイムで読み出すCDプレーヤとよく似ています（AWGの場合は内蔵の波形メモリ、CDプレーヤではディスク自身）。
AWGを理解するには、まずデジタル・サンプリングの広範な概念を把握する必要があります。デジタル・サンプリングとは、その名の通り、サンプル・データ・ポイントを使用して信号を定義することです。これらのサンプルは、オシロスコープなどの計測器で波形を実際に取得したり、またはグラフィック・ツールや演算によって定義されたりします。図17（左）に一連のサンプル・ポイントを示します。すべてのポイントは、曲線のために間隔が異なって見えますが、一定の時間間隔でサンプリングされます。AWGでは、サンプリングされた値は、高速のランダム・アクセス・メモリ（RAM）にストアされます。
ストアされた情報をもとに、メモリ位置を読み直し、D/Aコンバータ（DAC）経由でデータ・ポイントを送出することで、いつでも信号を再構成できます。図17（右）にその結果を示します。ここで注目すべきは、AWGの出力回路は、ポイント間にフィルタをかけてドットをつなぎ、クリーンで途切れのない波形を生成しているということです。こらのドットは、DUTにとっては離散ポイントではなく、事実上、連続したアナログ波形と同じです。
図18に、これらの動作を実現するAWGの簡略化したブロック図を示します。