Tipuri de generatoare de semnale

Categoria largă de generatoare de semnale poate include mai multe tipuri diferite de dispozitive. La un nivel mai înalt, există două grupuri principale: (1) generatoare de semnal, numite și generatoare arbitrare/de funcții și generatoare de forme de undă arbitrare și (2) surse logice, cunoscute și ca generatoare de impulsuri sau modele. Generatoarele de semnale creează forme de undă cu caracteristici analogice, iar sursele logice generează forme de undă digitale utilizate în mod obișnuit pentru a testa magistralele de calculatoare. Acest articol se concentrează pe generatoare de semnale.

a. Generatoare de funcții

Generatoarele de funcții produc un număr limitat de forme de undă periodice predefinite la frecvențe precise. Generatoarele de funcții mai recente utilizează o tehnologie numită sinteză digitală directă (DDS), care oferă dispozitivului posibilitatea de a produce forme de undă la frecvențe precise.

Generatoarele de funcții care utilizează DDS pot schimba frecvența formelor de undă de ieșire în timpul generării cu un timp de răspuns scurt. Pentru a citi mai multe despre DDS, consultați documentul privind sinteza digitală directă (DDS).

Generatoarele de funcții au adesea o dimensiune foarte limitată a memoriei, deoarece stochează doar o mică cantitate de forme de undă periodice. Formele de undă comune, cum ar fi cele sinus, dreptunghiulară, puls, rampă și sweep, sunt incluse întro memorie a generatorului de funcții; totuși, în funcție de dispozitiv, ar putea exista mai multe sau mai puține opțiuni de formă de undă disponibile. Generatoarele de funcții sunt dispozitive eficiente din punct de vedere al costurilor pentru aplicații cum ar fi testarea răspunsului la stimuli, caracterizarea filtrelor și simularea sursei de tact, care necesită numai forme de undă periodice.

b. Generatoare de funcții arbitrare

Generatoarele de funcții arbitrare (AFG) sunt similare cu generatoarele de funcții cu o capacitate suplimentară importantă: spațiul de memorie internă dedicat unei forme de undă definite de utilizator. Acest lucru vă oferă posibilitatea de a defini o formă de undă, de a o stoca în memoria internă a AFG, apoi de a scoate forma de undă folosind DDS. Similar cu generatoarele de funcții, AFG-urile au, de asemenea, seturi predefinite de forme de undă stocate pe memoria internă a dispozitivului, care pot fi transmise prin intermediul DDS. Prin urmare, AFG-urile sunt dispozitive extrem de valoroase dacă lucrați cu aceleași tipuri de aplicații potrivite pentru generatoarele de funcții, dar beneficiați de definirea unei forme de undă mai unice decât formele de undă predefinite de la furnizor. Înainte de a cumpăra, verificați întotdeauna ca forma de undă definită de utilizator se potrivește cu memoria disponibilă-utilizatorului a dispozitivului.

c. Generatoare de forme de undă arbitrare

Generatoarele de forme de undă arbitrare (AWG) pot produce forme de undă standard, precum și forme de undă mari, complexe, definite de utilizator. Unele AWG-uri au, de asemenea, capacitatea adăugată de a lega și de a itera combinații de forme de undă pentru a produce efectiv secvențe ale formei de undă la ieșire.

Pentru a genera forme de undă complexe sau secvențiale, AWG-urile trebuie să utilizeze o cantitate mare de memorie internă pentru a stoca aceste forme de undă. Prin urmare, dacă intenționați să utilizați o anumită formă de undă complexă pentru aplicația dvs., asigurați-vă că achiziționați un AWG cu suficientă memorie pentru a stoca formele de undă aplicabile. În plus, pentru un spațiu de memorie crescut, AWG-urile folosesc de asemenea o schemă diferită de tact decât generatoarele de funcții sau AFG-urile ce folosesc DDS. O schemă de tact a AWG-ului permite dispozitivului să emită puncte numai în ordinea în care sunt plasate în memorie; prin urmare, ele nu pot schimba frecvența de ieșire într-un timp scurt.

Caracteristicile conversiei digital-analogice

a. Rezoluție în biți

Rezoluția în biți sau rezoluția pe verticală a unui generator de semnal este definită de rezoluția convertorului digital-analogic (DAC) folosit. Un DAC poate produce numai o formă de undă de ieșire utilizând trepte de tensiune discrete sau nivele. Puteți găsi numărul de nivele de tensiune discrete pe care un DAC poate să le producă prin ridicarea lui doi la puterea rezoluției DAC. Figura 1 demonstrează diferența de rezoluții DAC variabile prin compararea unei unde sinusoidale creată de un DAC teoretic pe 3 biți cu o undă sinusoidală creată de un DAC pe 16 biți.

Figura 1. Diferențele a două rezoluții DAC diferite în crearea semnalului analogic

Tabelul 1 arată numărul de nivele de tensiune discrete pe care fiecare DAC îl poate produce și Ecuația 1 arată modul în care se calculează numărul de nivele de tensiune discrete pentru un DAC.

DAC pe 3 biți poate transmite doar opt niveluri de tensiune discrete; prin urmare, dacă DAC avea o gamă de semnal de la 0 V la 10 V, acesta poate produce tensiuni în trepte de numai 1,25 V, așa cum se vede în Figura 1. DAC pe 16 biți poate produce tensiuni în trepte de 152,6 μV și de aceea apare semnalul mult mai neted. Ecuația 2 prezintă formula generală și modul în care se calculează creșterea incrementului de tensiune sau frecvent denumită lățimea codului pentru DAC pe 16 biți.

Ecuația 2. Formula generală pentru lățimea codului și exemplu de calcul al lățimii codului pentru un DAC de 16 biți

Rețineți că dacă ați mărit la o scară suficient de mică, unda sinusoidală produsă de DAC pe 16 biți ar prezenta, de asemenea, un aspect treptat, dar cu creșteri de 152,6 μV.

b. Lățime de bandă

Lățimea de bandă a unui AFG sau AWG descrie frecvența maximă la care circuitele analogice ale dispozitivului pot genera fără o atenuare semnificativă. Frecvența maximă pentru specificația lățimii de bandă este definită ca frecvența la care un semnal sinusoidal de ieșire este atenuat la 70,7% din amplitudinea originală a semnalului. Această frecvență este de asemenea cunoscută ca punct de -3 dB pe o diagramă Bode.

Specificația lățime de bandă determină frecvența maximă a ieșirii sinusoidale și alte specificații, cum ar fi overshoot și timpul de creștere pentru instrument. Aceasta devine critică atunci când generați unde dreptunghiulare sau semnalele de impuls cu generatorul de semnal. După cum se vede în figura 2, un generator de semnal cu o lățime de bandă mai mare poate produce unde dreptunghiulare cu overshoot mai mici și timpi de creștere mai rapizi.

Figura 2. Lățimea de bandă a generatorului de semnal mai mare permite o mai bună reprezentare a semnalului.
În această figură, semnalul este o undă dreptunghiulară.

Atenuarea și câștigul digital

Generatoarele de semnale sunt proiectate să producă forme de undă la o varietate de game de tensiune și pot comuta rapid între aceste game de tensiune. În funcție de gamele de tensiune suportate și de modul în care sunt implementate, este posibil ca o schimbare a gamei de tensiune să necesite un comutator de releu pentru a modifica rutarea fizică a unui semnal. Aceasta afectează semnalul de ieșire și un glitch poate fi observat. Pentru a îndeplini această sarcină, generatoarele de semnale pot folosi următoarele tehnici.

a. Atenuare

Atenuarea semnalului de ieșire DAC oferă generatorului de semnal capacitatea de a modifica amplitudinea semnalului generat în timp ce se utilizează gama dinamică a DAC. Pentru a ilustra acest lucru, luați în considerare o situație în care se utilizează un DAC pe 16 biți cu o gamă de la 0 la 10 V, dar gamele semnalul de ieșire dorit variază de la 0 la 1V. Pentru a produce semnalul de ieșire dorit, datele digitale sunt scrise la DAC la gama completă de la 0 la 10 V, iar apoi semnalul analogic la ieșirea DAC este atenuat de 10x. Acest lucru scade efectiv rezoluția tensiunii la 15,26 μV, deoarece a fost utilizată rezoluția completă a DAC pe 16 biți. Dacă semnalul de la 0 la 1 V a fost produs numai prin scrierea de cuvinte digitale către DAC care reprezintă valori între 0 și 1 V la gama 0 la 10 V, rezoluția tensiunii ar rămâne la 152,6 μV, așa cum se arată în Ecuația 2. Deși atenuarea utilizează rezoluția completă a DAC, este adesea o tehnică mai lentă deoarece implică comutarea combinațiilor de rețele rezistor.

b. Gain digital

Câștigul digital este o tehnică care implică înmulțirea datelor digitale ale formei de undă cu un factor înainte ca datele să ajungă la DAC. Deoarece amplificarea digitală este aplicată în timpul generării formei de undă în timp ce datele digitale sunt transferate din memoria generatorului de semnal, întârzierea asociată cu aplicarea câștigului digital este minimă în comparație cu metodele de câștig analogic. Însă, rezoluția de ieșire a DAC este o funcție de amplificarea digitală, ceea ce înseamnă că numai câștigul analogic utilizează rezoluția completă a DAC.

Filtrarea și interpolarea

Pentru a genera un semnal cu frecvența corespunzătoare, rata de actualizare a dispozitivului, sau rata de eșantionare, trebuie să fie de două ori componenta de frecvență maximă a semnalului generat. Respectând cu strictețe acest criteriu, vă veți lăsa doar un semnal generat cu frecvența corectă, dar pentru a genera cea mai exactă reprezentare a formei de undă, trebuie să luați în considerare operarea DAC. DAC-urile utilizează o tehnică de tip "sample-and-hold", care introduce imagini de înaltă frecvență chiar și într-o formă de undă mult supraeșantionată. Ieșirea "sample-and-hold" poate fi văzută în Figura 3 în domeniul-timp, când o sinusoidă este eșantionată la de 20 de ori mai mare decât frecvența undei sinusoidale. Ieșirea sample-and-hold dă forma de undă în trepte.

Figura 3. Acest grafic în domeniul-timp al formei de undă sinusoidală generate prezintă tehnica sample-and-hold utilizată de DAC-uri.

Semnalul din domeniul timp seamănă cu o undă sinusoidală; totuși, inspecția domeniului-frecvență relevă imaginile de înaltă frecvență create de DAC. Aceste imagini apar la multiplii întregi ai ratei de eșantionare plus sau minus tonul fundamental. De exemplu, o undă sinusoidală de 20 MHz generată de un tact de eșantionare de 100 MHz are imagini la 80 MHz, 120 MHz, 180 MHz, 220 MHz și așa mai departe. Figura 4 prezintă domeniul-frecvență al unei unde sinusoidale generată cu imagini de înaltă frecvență.

Figura 4. Acest grafic din domeniul-frecvență al undei sinusoidale generate arată imaginile cu frecvență înaltă.

Generatoarele de semnale pot folosi o combinație de filtre digitale și analogice pentru a elimina aceste imagini pentru a crea un semnal mai pur spectral.

a. Filtrarea digitală și interpolarea

Un generator de semnal poate folosi un filtru digital cu răspuns la impuls-finit (FIR) pentru a furniza puncte care interpolează între eșantioanele generate. Acest lucru crește rata de eșantionare efectivă, ceea ce modifică locația imaginilor cu frecvență înaltă în domeniul frecvență. Pentru o explicație a acestui concept, gândiți-vă la exemplul original al unei unde sinusoidale de 20 MHz generată cu un tact de eșantionare de 100 MHz. Dacă filtrul FIR interpolează semnalul cu 4x, acum puteți găsi imaginile utilizând 400 MHz ca frecvența tactului de eșantionare, ceea ce produce imagini la 380 MHz, 420 MHz, 780 MHz, 820 MHz și așa mai departe când ele au fost inițial, în figura 4, la 80 MHz, 120 MHz, 180 MHz, 220 MHz și așa mai departe. După cum ilustrează figura 5 de mai jos, interpolarea nu elimină imaginile spectrale, dar deviază aceste imagini mai departe de tonul fundamental.

Figura 5. În acest grafic din domeniul-frecvență al undei sinusoidale generate,
filtrarea digitală a mutat imagini de înaltă frecvență mai departe de tonul fundamental.

b. Filtrare analogică

Pentru a produce semnalul cel mai pur spectral, se poate aplica un filtru analogic după semnalul interpolat. Deoarece filtrul digital FIR a împins imaginile de înaltă frecvență mai departe de tonul fundamental, cerințele pentru filtrul analogic s-au relaxat. Filtru analogic nu are nevoie abrupt de o frecvență cut-off, care ar fi dat circuitului o planeitatea slabă a benzii de trecere. După cum se vede în figura 6, după aplicarea filtrului digital FIR și a filtrului analogic, imaginile de înaltă frecvență sunt eliminate din domeniul frecvență.

Figura 6. Acesta este graficul din domeniul-recvență al undei sinusoidale generată după ce se aplică filtrarea digitală și analogică.

Deoarece filtrul digital FIR și filtrul analogic au eliminat efectiv imaginile de înaltă frecvență, puteți să verificați din nou forma sinusoidală de undă, din figura 7, în domeniul timp.

Figura 7. Acesta este graficul din domeniul-timp al formei de undă sinusoidală generată după filtrare digitală și analogică.

Observați că aspectul de undă în trepte creat de imaginile de frecvență înaltă este eliminat și semnalul sinusoidal generat pare a fi o formă de undă sinusoidală mai pură în comparație cu sinusoida din Figura 1.

Ați văzut acum modul în care rezoluția în biți, lățimea de bandă, atenuarea, câștigul și filtrarea afectează semnalul de ieșire de la un generator de semnal. În timp ce vă uitați la fișa de specificații a generatorului de semnale, asigurați-vă că țineți cont de aceste specificații și că le potriviți cu cerințele aplicației.

Rezumat

■ Generatoarele de funcții produc un set limitat și predefinit de forme de undă periodice la frecvențe precise.

■ Generatoarele de funcții arbitrare (AFG-uri) au aceleași capacități ca și un generator de funcții, cu avantajul suplimentar că puteți utiliza memoria internă accesibilă pentru a adăuga o formă de undă definită de utilizator.

■ Generatoarele de forme de undă arbitrare (AWG) produc forme de undă standard, precum și forme de undă largi, complexe, definite de utilizator și fac acest lucru utilizând o memorie internă mult mai mare în comparație cu generatoarele de funcții și AFG-uri.

■ Rezoluția în biți, de asemenea rezoluția verticală, a unui generator de semnal definește numărul de nivele discrete de tensiune pe care CAD le poate produce.

■ Bandwidth descrie gama de frecvențe pe care le poate genera un generator de semnal. Acesta este definită de frecvența la care un semnal sinusoidal de intrare este atenuat la 70,7% din amplitudinea sa originală, cunoscută și sub denumirea de punct de -3dB.

■ Atenuarea este o tehnică care modifică amplitudinea semnalelor generate fără a sacrifica gama dinamică sau a pierde biții digitali de reprezentare.

■ Câștigul digital este o tehnică care implică înmulțirea datelor digitale ale formelor de undă cu un factor înainte de DAC. Aceasta oferă semnalului generat capacitatea de a schimba amplitudinea aproape instantaneu; cu toate acestea, este posibil să nu utilizeze rezoluția completă a DAC-ului.

■ Interpolarea și filtrarea analogică pot fi utilizate pentru a crește rata de eșantionare efectivă și a elimina imaginile de înaltă frecvență ale unui semnal generat de un DAC.