Новые технологии позволяют создавать генераторы сигналов с высокой точностью, что делает их полезными для большего количества приложений, чем когда-либо прежде.
Крис Армстронг
Директор по маркетингу продуктов и программному обеспечению
Rigol Technologies
www.rigolna.com
На протяжении многих лет генераторы функций и произвольных генераторов сигналов, часто называемые генераторами ARB инженерами-испытателями, традиционно были построены по одной общей технологии: прямому цифровому синтезу (DDS). DDS позволил повысить производительность по разумной цене для поколений генераторов функций. Тем не менее, новые технологии позволяют инструментам использовать преимущества подходов DDS, одновременно улучшая точность сигналов, делая эти инструменты полезными для большего количества приложений, чем когда-либо прежде.
Технологии ARB, такие как SiFi, разработанные Rigol для своих серий DG1000Z и TrueForm, от Keysight Technologies, специально разработаны для улучшения точности сигналов в генераторах сигналов. Приборы, основанные на этих технологиях, сочетают в себе истинную генерацию сигналов произвольной формы с использованием переработанного оборудования для создания произвольных сигналов с гибкостью и точностью, которые ранее не видели. Кроме того, наличие глубокой памяти позволяет эмуляции точных произвольных сигналов в течение более длительных периодов времени, не теряя верности.
Понимание DDS
Для создания формы волны, метод DDS использует фазы опорного тактового сигнала, чтобы определить правильный выход с течением времени; то есть он отслеживает фазу и выдает на каждом выходном выборочном времени одну из группы предварительно определенных точек выборки, которая является самой близкой соответствующей точкой к фазе.
Например, предположим, что мы хотим создать форму волны, состоящую из 400 циклов синусоидальной волны, и мы хотим воспроизвести эту форму волны с частотой 6, 25 кГц, создавая таким образом синусоидальный сигнал с основной частотой 2, 5 МГц.
Чтобы описать этот сигнал, мы имеем 8 192 выборочных точек, которые представляют выходной уровень в данный момент времени. Генератор DDS назначает значение фазы каждой точке волны: первая точка равна 0 °, и каждая точка после этого увеличивается на 360 ° / 8 192 или приблизительно на 0, 044 ° градусов. Это позволяет воспроизводить все 8, 149 точек за один период, а первая точка будет снова поднята, когда она вернется к 0 °.
Однако инструмент DDS имеет фиксированную скорость 200 Мп / с или Msample / s, скорость обновления; то есть он должен вывести точку / образец один раз каждые 5 нс. Управляемый источником синхронизации (часто PLL), инструмент по существу измеряет свою фазу с начала каждые 5 нс и выбирает ближайшее значение фазы для выбора из таблицы ARB. В этом примере каждый 5 нс представляет собой 360 ° / (200 Msample / s ÷ 6, 25 кГц) = 0, 01125 °. Поэтому произвольная форма волны выглядит как рисунок 1 в программном обеспечении UltraStation.
Рисунок 1: Генератор DDS ARB создал 400 циклов синусоидальной волны, показанных с использованием программного обеспечения Rigol UltraStation.
Однако искажение становится серьезной проблемой, если мы попытаемся воспроизвести форму волны с другой основной частотой, что часто делается, скажем, при проверке эффективности фильтра. На рисунке 2 показаны фактические выходные значения, которые выбираются при воспроизведении волны на основных частотах 2, 3 и 3, 7 МГц.
Несмотря на то, что мы выставляем образцы чаще, чем требуется, мы создаем искажения. А именно, в случае 3, 7-МГц arb некоторые из точек (которые должны быть равномерно распределены во времени) повторяются в течение 10 нс, а некоторые - в течение 15 нс. Отсутствие плавных непрерывных изменений, созданных квантованием файла синусоидальной волны, вызывает это искажение. Искажение значительно возрастает, когда период воспроизведения слегка корректируется, потому что алгоритм DDS вынужден принимать более жесткие решения о том, какая точка выводится, поскольку идеальный выход теперь находится дальше от доступных точек, которые были выбраны для начального периода воспроизведения.
Рисунок 2: Эта таблица данных произвольной волны показывает выход генератора DDS каждые 5 нс для воспроизведения сигнала на частоте 2, 3 МГц (слева) и 3, 7 МГц (справа).
Это важно, потому что выбор образцов для генерации правильного, высококачественного произвольного сигнала является трудоемкой и трудной задачей. Используя DDS, инженеры, которым нужны сигналы с высокой точностью, должны возвращаться и повторно сбрасывать, воссоздавать и перезагружать произвольную форму сигнала, когда они хотят настроить период воспроизведения. DDS заставляет инженеров выбирать между удобной и эффективной генерацией сигнала или высокой точностью и точностью во время воспроизведения.
Более низкая частота дискретизации, высокая целостность
Технологии ARB, такие как SiFi, преодолевают это основное влияние на целостность сигнала с новым архитектурным подходом. По сути, он позволяет установить опорную тактовую частоту / частоту дискретизации на лучшее значение для точной генерации сигналов. Давайте возьмем тот же сигнал и пример и посмотрим, как он генерируется в режиме SiFi.
Мы загружаем одну и ту же произвольную волну с частотой 8 192 пункта и устанавливаем выходную частоту дискретизации до 51, 2 MSa / s (8192 точки * 6, 255 кГц). Теперь мы сравниваем выход SiFi с выходом режима DDS с использованием анализатора спектра; используя Max Hold на каждой трассе, мы меняем частоты воспроизведения между 1 и 2, 5 МГц, изменяя основную частоту для DDS и выходную частоту дискретизации для SiFi (рис.3). Когда мы настраиваем параметры воспроизведения в реальном времени, режим DDS создает искажение сигнала на разных частотах в полосе 2-10 МГц, обозначенной желтым. Используя ту же самую точную произвольную форму сигнала, простой переключатель в режим SiFi создает гораздо более четкие формы сигнала со значительно более высокой точностью сигнала, показанной в фиолетовом.
Рисунок 3: Спектральное сравнение синусоидальных произвольных волн от 1 до 2, 5 МГц, генерируемых с использованием технологии DDS (желтый) и SiFi (фиолетовый).
Выбор генератора ARB зависит от важности достоверности сигнала для приложения. Этот простой пример разницы между двумя архитектурами служит для указания компромиссов с традиционным генератором сигналов, компромиссы даже продвинутых пользователей могут не знать. Большинство пользователей предполагают, что произвольный генератор на 30 или 60 МГц способен создавать почти идеальную синусоидальную волну с частотой 1 МГц.
В то время как многие инженеры рассматривают выходную частоту дискретизации как ключевую спецификацию, она не рассказывает всю историю. В предыдущем примере волна DDS выводилась при 200 MSa / s, в то время как волна SiFi выводилась со скоростью около 50 MSa / s. Тем не менее волна SiFi произвела гораздо более чистый сигнал.
Чем сложнее произвольная форма сигнала, тем труднее понять влияние технологии выборки. Артефакты этой передискретизации могут иметь глубокое влияние на частотное содержание истинной произвольной волны, и нет возможности легко отделить реальную волну от артефактов выборки. Это также означает, что покупка генератора сигналов DDS с более высокой выходной частотой выборки неизменно изменяет частотные составляющие сигнала даже при воспроизведении одного и того же произвольного файла. С такими технологиями, как SiFi, это не так.
Крис Армстронг, директор по маркетингу продуктов и программному обеспечению, Rigol Technologies, www.rigolna.com