Генератори довільних функцій (afg)
Генератори другого класу - це прилади серії AFG, що використовують технологію прямого цифрового синтезу сигналів (Direct Digital Synthesis або DDS), мають функціональну схему, спрощено представлену на рис. 1.27 [112]. Корпорація Tektronix називає такі генератори як AFG (Arbitrary Function Generator - Генератор Довільних Функцій). Генерація сигналів в цьому новітньому поколінні цифрових генераторів заснована на використанні заздалегідь підготовлених і зберігаючих в пам'яті оцифрованих N вибірок сигналу за його один період. Типове число вибірок складає від декількох сотень до багатьох тисяч. Кожна вибірка представляє значення сигналу у вигляді числа з деякою розрядністю, яка має значення від 8 до 14 біт і визначає розрядність кодування сигналів по амплітуді.
Рис. 1.27. Функціональна схема генератора AFG , що використовує прямий цифровий синтез сигналу
Генерація сигналу з точно заданої частотою заснована на виробленні адреси відрахунку сигналу на основі фіксації дискретного фазового зсуву за допомогою Δ - фазового регістра і рівня сигналу за допомогою Δ-регістра. Як тільки набігає фазовий зсув 360 °, вироблення адреси припиняється (в режимі одиничного запуску) або відновлюється заново (в безперервному режимі або в режимі генерації пачки сигналів). Блок пам'яті форм зберігає шаблони цифрових сигналів різної форми (у тому числі довільною, заданої користувачем). Цифроаналоговий перетворювач (ЦАП) відповідної розрядності та швидкодії перетворює цифрові сигнали в аналогові, які посилюються вихідним підсилювачем.
Генератори сигналів довільної форми
Генератори класу AWG (Arbitrary Waveform Generator - генератори сигналів довільної форми) засновані на більш простому, але теж цілком сучасному, способі задання адрес (рис. 1.28), що забезпечує отримання сигналів типових форм, але дещо менші можливості управління ними. Корпорація Tektronix раніше випускала серії таких генераторів AWG400/500/700. В даний час вони заміняються більш новими і вже випускаються генераторами серій AWG5000/7000. Про випуск генераторів серії AWG7000 оголошено в березні 2007 р.
Рис.1.28.Спрощена функціональна схема генераторів класів AWG
Високі (до 20 Гвиб / с) швидкості вибірки у цих приладів досягнуті за рахунок застосування спеціальною технологією надшвидких перемикаючих гетероперехідних приладів на германії і арсеніді галію. Зрозуміло, це здорожує ці унікальні прилади.
Шум квантування у генераторів з цифровим синтезом форм сигналів
Перехід до цифрових методів синтезу сигналів веде до деяких спецефічних особливостей синтезованих сигналів. Рис. 1.29 пояснює суть синтезу ів. Вибірка відліків сигналів з пам'яті проводиться через рівні проміжки часу. Звіти сигнал можна представити у вигляді вертикальних відрізків з точкою над ними, що характеризують дискретні відліки сигналу з обмеженою розрядністю (вона, однак, рідко буває менше 8 біт, що відповідає 28 = 256 можливим рівнями сигналу).
Рис. 1.29. Синтезований сигнал в ідеалі (а), його дискретні відліки, взяті із пам’яті (б), і їх інтерполяція ( пунктирна крива)
Після перетворення кожного оцифрованого відліку в аналоговий відлік за допомогою ЦАП виходить послідовність аналогових відліків - імпульсів з амплітудою, рівною амплітуді аналогового сигналу. Є два шляхи перетворення цих
імпульсів в аналоговий сигнал:
1. Застосування фільтра, близького до фільтру по базису теореми про відлік (Котельнікова).
2. Запам'ятовування амплітуди відліку до появи наступного відліку, тобто представлення сигналу ступінчастою кривою, близькою до кривої, що представляє сигнал.
Перший спосіб широко використовується в цифрових осцилографах і іноді в генераторах синусоїдальних сигналів з малими нелінійними спотвореннями сигналу.
Недолік цього способу пов'язаний з труднощами його реалізації для генераторів високочастотних сигналів, що працюють в широкому діапазоні частот. Другий спосіб набагато простіший і може бути реалізований в широкому діапазоні частот. Як видно з рис. 1.30, де даний приклад квантування синусоїди, при ньому замість чистої синусоїди будується близький до неї ступінчастий сигнал, який по суті є типічним квантованим сигналом
Різниця між ідеалізованим сигналом на виході генератора (рис. 1.30, а) і
реальним сигналом (рис. 1.30, б), показана на рис. 1.30, б, називається шумом квантування і визначається як:
e (t) = s (t) - Sк (t). (1.24)
З рис. 1.30 очевидно, що амплітуда шумового сигналу становить не більше половини амплітуди сходинки Д. У загальному випадку положення сходинок від циклу до циклу сигналу має випадковий характер, а тому e (t) сприймається як шум.
Якщо вважати, що e (t) описується випадковим законом з рівномірним розподілом в межах від Δ / 2 до Δ / 2, то середнє значення сигналу шуму буде нулевим, а дисперсія дорівнює Δ2/12. Це дозволяє оцінити важливий шумовий параметр генераторів з цифровим синтезом сигналу - відношення сигнал / шум (signal-tonoise ratio):
(1.25)
де N = 2A / Δ - число сходинок квантування, які укладаються на подвійний розмах синтезованого сигналу.
Якщо ЦАП має p двійкових розрядів, що забезпечують N = 2p рівнів квантування, то параметр SNR можна записати у вигляді:
(1.26)
Відношення сигнал / шум можна виразити також в децибелах:
(1.27)
Наприклад, при 8-разрядному кодуванні SNRдБ = 52,77 дБ, а при 144разрядному - 88,77 дБ. Такий шум є помірним, але ніяк не малим, і це є певним недоліком генераторів, що працюють на основі цифрового синтезу сигналів.
Практично щаблі квантування синусоїдального сигналу від генераторів можна спостерігати за допомогою гарного осцилографа - бажано аналогового, так як цифровий осцилограф сам відображає квантований навіть ідеальний сигнал. Деякі математичні операції, наприклад диференціювання, можуть призводити до різкого зростання шуму квантування та його деталей, таких як перепади напруги при зміні рівня сходинок.
З рис. 1.30, в видно, що шум створюється сигналом, середня частота якого дорівнює частоті квантуванні fk = 1 / Δt, де - крок квантування, який в N разів менше періоду синусоїдального сигналу на виході генератора. Це дозволяє істотно зменшити шум квантування, вирізавши режекторним фільтром область спектра сигналу в районі частоти fк. Віддаленість частоти квантування від частоти сигналу спрощує рішення цього завдання і дозволяє застосовувати прості фільтри.
Генератори синусоїдальних сигналів з цифровим синтезом помірної важкості
Вітчизняні генератори з цифровим синтезом
Ще в СРСР було розроблено ряд генераторів синусоїдальної напруги з цифровим синтезом сигналу. Деякі моделі таких генераторів дожили до наших днів. Так, генератор високочастотний Г4-154 має широкий діапазон частот від 100 Гц до 50 МГц з цифровою установкою та індикацією частот і можливістю амплітудної модуляції. Розміри прилади 356×133×370 мм, маса 10,5 кг.
З числа цілком сучасних і не дуже дорогих вітчизняних ГСС нового покоління варто відзначити прилад Г4-158А (рис. 1.31), який перекриває діапазон частот від 0,1 до 130 МГц. Установка частоти дискретна з цифровим контролем. Передбачена амплітудна і частотна модуляції (з девіацією до 400 кГц). У приладу Г4-158 діапазон частот трохи вже (до 100 МГц), і передбачена можливість тільки амплітудної модуляції.
Рис. 1.31. Сучасний ВЧ ГСС Г44158А
У більш нових приладів Г4-164/164А діапазон частот розширено до 640 МГц , але це куди більш дорогі і важкі прилади (маса 22 кг проти 10 у Г4-158/158А).
Генератор Г4-219 - настільний цифровий прилад загального призначення. Його зовнішній вид зображений на рис. 1.32. Прилад призначений для використання в якості джерела сигналу при регулюванні, ремонті та повірку радіоелектронної апаратури різного призначення, а також для використання в якості вбудованих гетеродинів в складних автоматизованих радіовимірювальних системах. Робота генератора Г4-219 заснована на принципі прямого цифрового синтезу частоти. Генеруючий сигнал синтезується з властивою цифровим системам точністю. Частота, амплітуда і фаза сигналу в будь-який момент часу точно відомі і підконтрольні.
Генератор Г4-219 має всі зазначені раніше п'ять режимів роботи: НГ, АМ, ЧМ, ФМ та ІМ. Передбачено управління генератором через вбудований інтерфейс RSS-232. Основні дані приладу:
Робочий діапазон несучої частоти від 1 Гц до 100 МГц.
Крок установки несучої частоти від 0,001 до 10 Гц.
Основна похибка установки несучої частоти не більше 5 • 10-6.
Максимальний рівень вихідного сигналу на навантаженні 50 Ом не менше 20 мВт.
Глибина регулювання вихідного сигналу 100 дБ.
Основна похибка регулювання вихідного рівня не більше 1 дБ при регулюванні 60 дБ і не більше 2,5 дБ при регулюванні до 100 дБ.
Робочий діапазон моделюючої частоти від 0,1 Гц до 100 кГц від внутрішнього генератора з кроком перебудови від 0,1 до 10 Гц.
Два види внутрішнього генератора моделюючого напруги в режимі АМ і
ФМ: синусоїдальний і прямокутний.
Чотири види внутрішнього генератора моделюючого напруги в режимі ЧС: синусоїдальний, прямокутний, трикутний і лінійнооімпульсний.
Ці прилади ідеально підходять для зняття інтермодуляційних характеристик і характеристик чутливості радіоприймачів і радіовимірювальних приладів.
Мають ряд спеціальних тестів, що спрощують процедуру вимірювання. Мають ряд опцій (додаткових коштів): модулятор GSM, модулятор Bluetooth і GSM і високошвидкісний імпульсний модулятор. Габарити Г4-219 невеликі (290×130×210 мм), маса близько 5 кг.
Наведемо короткі відомості про ще кількох вітчизняних генераторах, що використовують різні цифрові методи синтезу сигналів у широкій смузі частот.
Г4-220: 1 МГц-2400 МГц; модуляції: АМ, ЧМ, ФМ, ІМ; габарити 474×131×260 мм; маса 8 кг.
РГ4402: 10 КГц-0, 05 ГГц, імпульсна модуляція, самодіагностика; маса 25 кг.
РГ4403: 3776 0,05-1,1 ГГц, імпульсна модуляція, самодіагностика; маса 30 кг.
РГ4405: 2-3,2 ГГц, імпульсна модуляція, самодіагностика; маса 25 кг.
Генератори з цифровим синтезом сигналів навіть зовні різко відрізняються від розглянутих раніше аналогових генераторів RC- або LC- типу. У них немає звичних ручок точної і грубої установки частоти, немає звичних шкал і лимбов. Замість цього вони управляються кнопками, в тому числі для установки значення частоти в цифровій формі. Іноді, наприклад, при необхідності плавної зміни частоти, це незручно. Тому використовується автоматична дискретна зміна частоти в сторону збільшення або зменшення з малим кроком зміни. Це дозволяє імітувати плавну зміну частоти. Іноді для цього використовується поворотна ручка, яка дозволяє (зміною дискретного кроку зміни частоти) міняти швидкість зміни частоти.
Деякі прилади виділяються незвично широким діапазоном частот генеруючих сигналів - від інфранизьких частотних до ВЧ і СВЧ. Найбільш сучасні генератори, що реалізують прямий цифровий синтез сигналів, можуть генерувати багато (до 16 і більше) форм сигналів, зашитих в їх пам'ять, і сигналів довільної форми.