Многофункциональные генераторы произвольных сигналов

Все усложняющиеся функции современных электронных устройств потребовали разработки нового вида генераторов - произвольных сигналов (функций). Наряду с произвольными сигналами, форма которых задается и редактируется пользователем, такие генераторы генерируют множество сигналов стандартных форм. Ныне такие устройства разработаны и производятся рядом фирм. Подобные генераторы широко применяются в сервисных центрах, в научных и учебных лабораториях и др.

Рис. 1. Внешний вид двухканального генератора серии AFG3000
 

Компанией Tektronix - одним из лидеров в области разработки и производства высококачественных измерительных приборов - была выпущена серия генераторов произвольных сигналов AFG3000. Ныне эта серия представлена шестью моделями: AFG3021, AFG3022, AFG3101, AFG3102, AFG3251, AFG3252. Буквы "AFG" являются сокращениями слов Arbitrary Function Generator (генератор произвольных функций).
 
Таблица 1. Основные характеристики генераторов серии AFG3000

Последняя цифра в названии приборов указывает на число каналов: 1 - одноканальные приборы и 2 - двухканальные. Двухканальные генераторы способны формировать независимые сигналы по обоим каналам, в том числе и синхронные (например, дифференциальные). Две средние цифры приближенно указывают на максимальную частоту генерации синусоидальных сигналов: 02-25 МГц, 10-100 МГц и 25-240 МГц. Минимальное значение частоты, генерируемой этими приборами - 0,001 Гц (1 мГц). Приборы используют новейшие методы генерации множества сигналов с помощью одной СБИС и методы прямого цифрового синтеза частот, обеспечивая при этом максимальную нестабильность частот выходных сигналов не более 1-10-6 (или 0,0001%) за год работы.

Генераторы серии AFG3000 являются комбинацией функционального генератора (генератора стандартных функций), программируемого генератора сигналов произвольной формы и генератора импульсов с регулируемой длительностью фронтов. Но фактически они сочетают в себе функции множества устройств, нередко выпускаемых как отдельные приборы:

•    высокостабильного широкодиапазонного генератора синусоидального сигнала с несколькими видами модуляции;

•    генератора прямоугольных и пилообразных импульсов с изменяемым в широких пределах коэффициентом заполнения и различными видами модуляции;

•    функционального генератора шести типовых временных зависимостей с возможностью генерации сигналов с любой математически заданной зависимостью;

•    программируемого генератора сигналов произвольной (заданной пользователем) формы;

•    генератора шума, который можно добавлять к другим сигналам;

•    генератора трапецеидальных импульсов с раздельно регулируемыми длительностями полочки фронтов;

•    генератора качающейся частоты. Внешний вид одного из генераторов серии AFG3000 показан на рис. 1. Все приборы выполнены в небольшом корпусе (для настольной конфигурации, он имеет высоту 156,3 мм, ширину 329,6 мм и глубину 168,0 мм). Вес прибора 4,5 кг (в упаковке - 5,9 кг). Диапазон рабочих температур - от 0 до +50°C, температура хранения от -30°C до +70°C. Охлаждение прибора - активное с помощью вентилятора на боковой стенке.

Основные технические характеристики разных моделей генераторов серии AFG3000 представлены в табл. 1. Приборы отличаются числом каналов (1 или 2), максимальной частотой синусоидального напряжения (25, 100 и 240 МГц) и вдвое более низкой максимальной частотой повторения импульсного напряжения (прямоугольного, импульсного и произвольного). Импульсы с дополнительными формами, определяемыми математическими функциями, можно формировать в диапазоне частот от 1 мГц до 1 МГц.

Управление генератором, в основном, кнопочное, но есть и удобная поворотная ручка универсального манипулятора с кнопками направления (в правом верхнем углу передней панели). Эти кнопки используются для перемещения по разряду числа того или иного параметра, например частоты, после чего поворотная ручка позволяет быстро менять число в выбранном разряде. Это очень удобно при имитации плавного изменения того или иного параметра.

Рис. 2. Дисплей серии генераторов AFG3000
 

Генераторы имеют самый простой и наглядный интерфейс, подобный интерфейсу современных цифровых осциллографов. Большой жидкокристаллический цветной дисплей (только у модели AFG3021 он черно-белый) с размером по диагонали 5,6 дюйма отображает крупными знаками основные параметры сигналов и режимы работы генераторов и представляет форму создаваемых сигналов - рис. 2.

Рис. 3. Осциллограммы сигналов на основном выходе (верхняя кривая) и выходе запуска (нижняя кривая): синусоидальный сигнал (а), синусоидальный сигнал с амплитудной модуляцией (б), прямоугольные импульсы (в) и пилообразный сигнал (г)
 

Генераторы имеют интерфейс (надписи на передней панели) на 8 языках, включая русский. Для изменения языка надписей на передней панели поставляется накладка, которая крепится на передней панели.

Основные выходы (или выход в одноканальной модели)изолированы от земли приборов, так что генератор может использоваться как "подвешенный" источник сигналов. Максимальное напряжение (постоянное плюс импульсное) относительно его внутренней земли не должно превышать ±42 В. Возможно изменение фазы синусоидального сигнала от -180 до +180° и осуществление амплитудной, частотной и фазовой модуляции, а также частотной манипуляции. Для импульсных сигналов возможна еще и широтно-им-пульсная модуляция, которая широко используется в преобразовательных устройствах для управления мощностью в нагрузке, например, для изменения яркости све-тодиодов подсветки в сотовых телефонах.

В качестве генератора синусоидальных сигналов AFG3000 генерируют сигналы с частотой от 0,001 Гц (1 мГц) до 25, 100 или 240 МГц. Этот диапазон намного перекрывает диапазон частот звуковых генераторов и обычных аналоговых ВЧ-генераторов стандартных сигналов старых аналоговых моделей. Возможна модуляция синусоидальных и других сигналов (кроме сигнала шума и постоянного напряжения). Основные формы генерируемых сигналов представлены на рис. 3.

У генератора AFG3000 на частотах до 20 кГц коэффициент гармоник не превышает 0,2%. На более высоких частотах при двойной амплитуде выходного сигнала 1 В уровень подавления паразитных составляющих у первых четырех моделей генераторов более 60 дБ на частотах до 1 МГц и 50 дБ (на частотах от 1 до 100 МГц).

Двойная амплитуда синусоидального напряжения (кстати, как и напряжения других форм) на нагрузке 50 Ом может изменяться от 10, 20 и 50 мВ для групп генераторов, представленных на рис. 3 до 10 В (и 5 В у приборов AFG3251/3252). Это обстоятельство является одним из немногих недостатков генераторов - их нельзя использовать в качестве генераторов стандартных сигналов малой амплитуды (ГСС) без применения внешних делителей напряжения (аттенюаторов). Установка амплитуды производится с разрешением в 0,1 мВ. Возможна установка уровня как двойной амплитуды, так и среднеквадратичного значения и уровня мощности в дБ. Предусмотрена работа на нагрузку 50 Ом и на высокоомную нагрузку, причем в последнем случае предельный уровень напряжения удваивается. Предусмотрено смещение выходного сигнала по постоянному уровню в пределах его размаха и с разрешением в 1 мВ. Погрешность установления уровня и смещения около 1% (более точные значения указаны в фирменной спецификации).

Амплитудная неравномерность при уровне двойной амплитуды в 1 В мала. Для всех генераторов она характеризуется следующими данными (в пределах указанного диапазона частот для каждой модели) - см. табл. 2.

Таблица 2. Неравномерность АЧХ генераторов AFG3000
 

Весьма эффектным является применение генераторов AFG3000 в качестве генератора импульсов. Здесь реализуются частоты от 1 мГц до частот, равных половине частоты повторения синусоидальных сигналов (до 50 МГц у AFG3101/3102 и даже 120 МГц у AGF3251/3252). Можно менять частоту (или период повторения) импульсов, времена нарастания, а также спада и активную длительность. Таким образом, в общем случае генерируются импульсы трапецеидальной формы - рис. 4а. Минимальная длительность фронтов импульсов у генераторов серии AFG3000 составляет 18, 5 и 2.5 нс. Минимальная длительность импульсов 30, 8 и 4 нс, максимальная длительность у всех моделей - 999 с.

Рис. 4. Осциллограммы сигналов на основном выходе (верхняя кривая) и выходе запуска (нижняя кривая): импульсный сигнал (а), сигнал в виде функции Гаусса (б), частотно-модулированный сигнал (в) и импульсный сигнал с широтно-импульсной модуляцией

Большую группу сигналов, генерируемых генераторами AFG3000 можно отмести к разряду математических функций. Это уже упомянутый пилообразный сигнал, сигнал вида sin(x)/x, функция Гаусса, функция Лоренца (рис. 4б), экспонента нарастающая, экспонента падающая (тут снова определения неточны - речь идет просто о перепадах с экспоненциальным спадом положительной и отрицательной полярности) и гиперсинус. Все эти сигналы, за исключением пилообразного, выбираются из позиции меню "Еще." в меню функций. Они, как и сигналы математических функций, генерируются с частотами от 1 мГц до 1 МГц.

Частотная модуляция также возможна - рис. 4в. Как и при амплитудной модуляции,частотная может осуществляться разными видами сигналов: синусоидальным, прямоугольным, импульсным, шумом и произвольным. Модулируемые сигналы могут иметь любой вид, кроме импульсного, шума и постоянного тока. Частота внутренней модуляции может быть от 2 мГц до 50 кГц. При частотной модуляции пиковое отклонение частоты составляет половину максимально возможной частоты синусоидального сигнала.

Фазовая модуляция означает изменение фазового сдвига несущего колебания. Диапазон сдвигов - от 0° до 180° (с установкой через 0,1°). Диапазон частот модуляции тот же, что при частотной модуляции. Частотная манипуляция возможна с частотой от 2 мГц до 1 МГц.

Для импульсного сигнала возможна широтно-импульсная модуляция (ШИМ) по различному закону, например линейному или синусоидальному. При этом виде модуляции амплитуда и частота импульсов не меняются, но меняется их коэффициент заполнения. Такая модуляция широко используется в преобразовательных устройствах силовой электроники. На рис. 4г показан пример ШИМ для импульсов с частотой 500 кГц при частоте модуляции 50 кГц (диапазон частот модуляции при ШИМ от 2 мГц до 50 кГц) с девиацией 30%. На осциллограмме основного сигнала отчетливо видно изменение коэффициента заполнения импульсов.

Всего генераторы серии AFG3000 могут формировать 12 стандартных форм сигналов. Все они полезны и позволяют использовать генераторы для самых разнообразных сервисных, научных и учебных целей. Однако в полной мере уникальные возможности генераторов проявляются в режиме генерации сигналов произвольной формы - меню и кнопка Произ-вольн. (в оригинале Arb.) функций. Приятно отметить, что полоса частот для произвольных сигналов нормируется до 25, 100 и даже 240 МГц у генераторов трех групп, отмеченных выше (см. табл. 1). При этом созданный сигнал имеет разрядность 14 бит, а частота его дискретизации составляет до 1 Гвыб/c(у генераторов AFG3101/3102) и 2,5 Гвыб/c (у AFG3251/3252). В качестве такого сигнала можно воспользоваться образцом сигнала любой формы.

Рис. 5. Экран дисплея генератора с окном выбора файла из внутренней памяти

Для хранения созданных пользователем сигналов есть два вида памяти - встроенная и внешняя. Встроенная память позволяет создать 5 файлов, имена которых представлены в окне генератора, показанном на рис. 5. Это окно вызывается нажатием кнопки "Про-извольн. меню функций" и выбором позиции "Сигнал произвольн. формы экранного меню". В окне представлены имена файлов, хранящихся во внутренней памяти. В позиции экранного меню "Память" есть возможность выбора окон либо внутренней памяти (рис. 5), либо внешней памяти Flash-карты, которая вставляется в специальное гнездо.

Рис. 6. Осциллограммы пилообразного сигнала на основном выходе (верхняя кривая) и выходе запуска (нижняя кривая) при частоте пилы 10 МГц (а) и 100 МГц (б)
 

Чтобы проверить возможность генерации произвольных сигналов, был задан сигнал пилообразной формы в виде двух периодов в кадре произвольного сигнала. Напомним, что обычный пилообразный сигнал может иметь частоту повторения максимум в 1 МГц. Осциллограммы нашего сигнала с основной частотой 5 МГц показаны на рис. 6а. Фактическая частота сигнала равна 10 МГц, поскольку она удваивается. Как видно из рис. 6а, форма 10 МГц пилы очень даже приличная. Небольшие колебания после резкого спада (обратный ход пилы) вызваны неточным согласованием кабеля с 50-омной нагрузкой. При замене кабеля (75 см) более длинным колебания перемещались в другое место, дальше от спада.

Было интересно проверить, а какова будет форма пилы, если увеличить основную частоту до 50 МГц, а частоту пилы до 100 МГц (см. рис. 6б)? Можно было ожидать, что пила выродится в синусоиду, поскольку полоса частот выходного усилителя у AFG3101 ограничена значением в 100 МГц. Но, как видно из рис. 6б, даже в таком экстремальном случае выходной сигнал скорее напоминает пилу с сильно скругленными верхушками, чем синусоиду.

Разумеется, возможность создания произвольных сигналов означает, что генераторы серии AFG3000 позволяют пользователю создавать бесчисленное множество сигналов самой разнообразной формы - от копирования сигналов стандартных форм, ручного ввода опорных точек и интерполяции кривых в промежутках между ними, до ввода отдельно каждой точки сигналов с разрешением в 14 бит. Это очень высокое разрешение - достаточно отметить, что многие цифровые осциллографы довольствуются разрешением в 8 бит (это всего 256 значений каждой точки).

Их можно сохранять во внутренней памяти (4 сигнала и текущий редактируемый сигнал), а можно хранить и во внешней Flash-памя-ти. Это уже вполне современное решение - карту с Flash-памятью можно перенести на компьютер для сохранения файлов не жестком диске большой емкости или для применения в серьезных программах математической обработки сигналов, в том числе с помощью современных систем компьютерной математики Mathcad, Mathematica, Maple или MATLAB. Все это открывает широкие возможности моделирования сигналов и использующих их устройств.

Рис. 7. Зависимость частоты от времени в режиме качания (свип-генератора)
 

Для снятия АЧХ различных устройств и их испытания при изменении частоты сигналов служит режим "Качание" (кнопка "Sweep"). Важно отметить, что качание частоты может осуществляться как для синусоидального, так и для импульсного сигнала (как с применением внутреннего генератора развертки, так и внешнего). Зависимость частоты от времени представлена на рис. 7. Все указанные на этом рисунке временные и частотные параметры можно задавать в экранном меню. Кроме того, можно задать качание частоты по линейному или логарифмическому закону. Последнее нужно при снятии логарифмических АЧХ - ЛАЧХ.

Рис. 8. Осциллограммы пачки пилообразных импульсов на основном выходе (верхняя кривая) и импульсов на ИЛ-выходе запуска (нижняя кривая)
 

Стоит остановиться на еще одной интересной возможности приборов - формировании пачек сигналов различной формы. Для задания такого режима работы служит кнопка "Пачка". Можно изменять число сигналов в пачке. Возможна также непрерывная генерация заданной пачки. На рис. 8 показан пример генерации пачки из 5 пилообразных импульсов. Пачка может стробироваться как от внутреннего генератора импульсов, что и показано на рис. 20, так и от внешнего генератора, выход которого подключается ко входу Input на передней панели генератора AFG3000.

Отметим еще несколько аппаратных возможностей генераторов AFG3000. Их можно использовать в качестве генераторов опорного высокостабильного сигнала с частотой 10 МГц. Можно, напротив, обеспечить работу генератора от внешнего сигнала с частотой 10 МГц (область захвата при этом равна ±35 кГц). Несколько генераторов могут работать синхронно. Как уже отмечалось, есть возможность суммирования выходных сигналов с внешним сигналом. Для защиты основного выхода от коротких замыканий и перегрузок по напряжению имеется встроенная защита и внутренний плавкий предохранитель. Однако его замена требует обращения в сервисный центр Tekronix. Рекомендуется использовать внешний переходник с плавким предохранителем, который пользователь может менять самостоятельно.

Возможности генераторов AGF3000 заметно расширяются при организации его связи с персональным компьютером. При этом возможно дистанционное управление генератором, задание и редактирование сигналов произвольной формы и генерация сигналов, полученных от цифровых осциллографов. Для этого используется программа ArbExpress™, входящая в поставку генератора. Для использования этих возможностей требуется инсталляция программы (вполне заурядная) и подключение генератора к свободному USB-разъему компьютера.

На рис. 9 представлено окно программы ArbExpress с тремя окнами различных сигналов. Они создаются после активизации гиперссылки "Standart Waveform." в окне Waveform в левой части рис. 9. Команда "Send Waveform to Arb" в позиции меню "Communication" обеспечивает передачу установок выбранного сигнала (из текущего окна) в генератор AFG3000.

Наряду с созданием сигналов стандартных форм (все они были описаны выше) программа ArbExpress обеспечивает создание сигналов, временная зависимость которых задается математическим выражением. Для этого служит редактор математических формул, окно которого(рис. 11) вызывается активизацией гиперссылки Equation Editor... В окне редактора Equation можно составить простую программу, используя символы и функции, вводимые кнопками в окне Command List. Для примера показано создание сигнала, временная зависимость которого описывается квадратом синуса. Подготовленная программа (если она верна) компилируется без ошибок и в окне предварительного просмотра Preview можно наблюдать график созданной зависимости. Кнопка Send to Arb позволяет направить созданный сигнал в указанный канал генератора.

И, заканчивая краткое описание данной программы, отметим, что есть возможность вызывать пустой бланк временной зависимости и с помощью электронного карандаша с различными функциями нарисовать от руки произвольную временную зависимость сигнала - рис. 11.

Одним из достойных конкурентов компании Tektronix в части разработки многофункциональных генераторов является израильская фирма Tabor Electronics Ltd. Она выпускает серию генераторов сигналов произвольной формы WW5061, WW5062, WW1071, WW1072, WW2571, WW2572, WW1281, внешний вид которых показан на рис. 12.

Краткие технические данные генераторов следующие:

•    диапазон частот (синус, меандр): 0,1мГц... 25 МГц / 50 МГц / 100 МГц; 50 Гц. 400 МГц (WW1281);

•    расширенный диапазон частот для сигналов произвольной формы;

•    1 (WW1281) или 2 выходных канала;

•    разрядность ЦАП - 12, 14 или 16 бит;

•    амплитуда - 2; 10; 16 В (пик) на нагрузке 50 Ом;

•    частота дискретизации - 50; 100; 250 МГц; 1,2 ГГц;
•    память для формирования сигнала - от 0,5 миллионов до 8 миллионов точек(опция - 16 миллионов);

•    режим последовательного формирования произвольного сигнала из различных сегментов с возможностью циклического повторения сегмента в последовательности;

•    большой цветной ЖК дисплей (диагональ 3,5 дюймов);

•    стандартные формы - 10 видов;

•    различные виды модуляции: АМ, ЧМ, ФМн, ЧМн; ИМ, ГКЧ; 3D;

•    параллельный 16-битный выход (WW257x) и 2 выхода последовательных цифровых потоков (WW1281);
 

Рис. 9. Окна программы ArbExpress (пример передачи установок сигнала на генератор)
 

Рис. 10. Окна редактора формул программы ArbExpress (пример создания сигнала - квадрата синуса)
 

Рис. 11. Пример создания сигнала произвольной формы с помощью графического редактора программы ArbExpress
 

Рис. 12. Внешний вид генераторов серии WW фирмы Tabor
 

Рис. 13. Внешний вид генераторов 33220А/33250А фирмы Agilent Technologies

Таблица 3. Основные параметры генераторов 33220А и 33250А фирмы Agilent Technologies

•    ПО ArbConnection для формирования сигнала произвольной формы;

•    поддержка синхронной работы нескольких генераторов;

•    интерфейсы ДУ - USB, LAN, GPIB.

Достаточно высокими характеристиками обладают и подобные генераторы 33220A и 33250A(рис. 13) фирмы Agilent Technologies. Они имеют диапазоны частот от 1 мкГц и до 20/80 МГц с разрешением в 1 мкГц для синуса и меандра. Приборы заметно уступают генераторам AFG3000 по верхнему пределу частоты, но зато имеют в 1000 раз меньший нижний предел. Впрочем, где нужны столь низкие частоты, указать довольно трудно.

Максимальная частота для сигналов произвольной формы равна 6 и 25 МГц (при частоте дискретизации 50 и 200 МГц). Основные параметры генераторов 33220А/33250А даны в табл. 3.

Указанные выше приборы удорожает применение графического ЖКИ дисплея, позволяющего отображать форму генерируемого сигнала. Ряд фирм выпускает упрощенные и более дешевые генераторы, тем не менее, имеющие возможности формирования сигналов произвольной формы. Например, это модели SFG-830/830G фирмы Goodwill с частотами до 30 МГц (для синуса и прямоугольника) и до 100 кГц (для треугольника и пилы). По остальным параметрам они также уступают описанным выше генераторам серии AFG3000.

Фирма Micro Instrument Technology Inc. выпускает многофункциональные генераторы MIT-9301/9302 с частотами синтезируемых сигналов до 31 МГц. Разрядность при синтезе произвольных сигналов 12 бит, частота квантования 40 Мвыб/c. Генераторы имеют рекордную разрешающую способность по частоте - до 0,01 мкГц!

Обширную номенклатуру многофункциональных генераторов серии ГСС-ХХ и ГСС-ХХ1 выпускает компания А-КИП. Приборы генерируют сигналы с частотами от 1 мГц до 120 МГц (для высшей в ряду модели). Они позволяют генерировать 27 видов сигналов заданной формы и имеют опционально поставляемый блок синтеза до 8 сигналов произвольной формы (разрядность 10 бит, частота дискретизации до 200/300 МГц).

В заключение стоит отметить, что генераторы произвольных сигналов - это целый комплекс средств генерации сигналов - от простейших до самых сложных. Это довольно дорогие приборы, но следует помнить, что они заменяют несколько приборов и имеют огромные возможности в создании сигналов любой формы. Они необходимы для моделирования и изучения сложных сигналов, при серьезных исследованиях огромного числа устройств и систем и, наконец, при тестировании сложной электронной аппаратуры.


 

Автор: Владимир Дьяконов (г. Смоленск)