Недорогие простейшие функциональные генераторы (Arbitrary Function Generators, AFG) и высокоточные дорогие генераторы сигналов произвольной формы ( Arbitrary Waveform Generators, AWG). Лучшее из обоих классов: новая серия Wonder Wave от Tabor.
Рисунок 1. Принципиальная схема аналогового функционального генератора
Традиционные функциональные генераторы (FG или SFG) являлись аналоговыми приборами, основанными на управляемых напряжением аналоговых источниках треугольных колебаний, которые обеспечивали ограниченный набор стандартных форм сигнала. Различные виды сигналов могли быть получены изменением формы базового сигнала треугольной формы. Например, меандр получается путем подачи треугольного сигнала на компаратор-ограничитель, который переключается в заданной верхней точке треугольного сигнала в высокое состояние и в заданной нижней точке в низкое состояние, образуя таким образом прямоугольный сигнал (рис.1). Другим примером является пропускание треугольного сигнала через диодную схему фильтрации для получения чистого синусоидального колебания. Хотя аналоговые генераторы могут выдавать все стандартные сигналы в полном диапазоне частот, они имеют свои ограничения. Одни из этих ограничений - малая разрешающая способность и большая погрешность (рис.2) . Другие - ограниченные возможности по генерированию произвольных сигналов, которые не позволяют пользователю захватывать, создавать и воспроизводить реальные сигналы, встречающиеся на практике.
Рисунок 2. "Разрыв" на вершине треугольного сигнала, вызванный искажениями при коммутации ключа в схеме формирования сигнала (щелчок по изображению - увеличение)
Рисунок 3. Принципиальная схема генератора AFG на основе DDS
Генераторы сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generators) Генераторы сигналов произвольной формы (AWG) - цифровые генераторы, основанные на применении памяти, со способностью передачи через цифро-аналоговый преобразователь любой формы сигнала, включая нарисованную от руки или восстановленную путем захвата реального сигнала с помощью цифрового осциллографа. При его возможностях и способностях AWG позволяет пользователю увеличивать или уменьшать амплитуду и частоту, повторять сигналы так частот как это необходимо или изменять сигналы различными способами. Основной чертой AWG является переменная частота дискретизации, что позволяет генерировать превосходно повторяемые выходные сигналы сложной формы (рис.5). Частота сигнала будет определяться по используемой частоте дискретизации и количества точек в таблице памяти по следующей формуле:
Рисунок 4. Джиттер в низкочастотном сигнале типа "меандр", вызванный повторением точек (щелчок по изображению - увеличение)
Либо частота дискретизации, либо длина таблицы памяти, либо они вместе могут быть настроены для получения желаемой частоты выходного сигнала. Поэтому с AWG, любой сигнал повторяется точно, без наложений. Будучи основанным на использовании памяти, AWG дает возможность пользователю программировать свою память путем деления ее на сегменты данных и использовать каждый сегмент индивидуально (рис. 6). Кроме того, генераторы сигналов произвольной формы обычно оснащены последовательным режимом, который позволяет связывать или повторять сегменты любым образом по выбору пользователя. Несколько расширенных режимов обеспечивают различные пути по формированию выходного сигнала: непрерывный, пошаговый, однократный, смешанный и т.д. В отличие от AFG, генераторы AWG могут быть синхронизированы для обеспечения многоканальных решений (рис. 7). Однако, использование различных частот дискретизации в AWG затрудняет реализацию стандартных видов модуляции и быстрой перестройки частоты выходного сигнала.
Рисунок 5. Принципиальная схема AWG
В новой серии Wonder Wave, компания Tabor решила объединить лучшее из обоих миров, взяв наиболее лучшие черты и возможности от каждого типа генераторов. Являясь полнофункциональными генераторами сигналов произвольной формы с возможностью управления памятью для создания сложных сигналов, новые приборы построены с применением передового дизайна от Tabor и позволяют также работать в режиме DDS для формирования всех стандартных форматов модуляции и осуществлять быструю перестройку частоты. Дизайн серии Wonder Wave запатентован и характеризуется высоким уровнем интеграции, позволяющим в одном приборе реализовать генераторы для различных приложений: сигнальный, функциональный, импульсный, цифровых последовательностей, модуляции, качания частоты, шума, видеосигналов, поскольку AWG-генераторы теоретически могут воспроизвести все формы сигналов.
Многие производители пытаются убедить пользователей, что генераторы AFG, построенные по технологии DDS, с очень высокой частотой дискретизации являются на сегодня лучшим решением, но так ли это? Необходимо понимать, что эти приборы не являются традиционными функциональными генераторами, как не являются и генераторами сигналов произвольной формы. Когда рассматриваются традиционные функциональные генераторы, то они устроены так, что сигнал проходит через аналоговые цепи и позволяет воспроизводить колебания во всем диапазоне частот генератора. В этой связи, все AFG-генераторы являются только цифровым подражанием функциональным генераторам. Другими словами, пользователь, имеющий в своем распоряжении AFG-генератор с максимальной частотой 100 МГц, может наблюдать только синусоидальный сигнал этой частоты, но прямоугольный сигнал уже будет ограничен частотой 50 МГц, а более сложный сигнал, например треугольный, вообще будет иметь максимальную частоту 1 МГц. Причина этого явления состоит в том, что для цифрового AFG-генератора частота выходного сигнала рассчитывается исходя из фиксированной частоты дискретизации, деленной на количество точек памяти.
Рисунок 6. Воспроизведение сигнала с использованием сегментов: синус, меандр, треугольник, экспонента, шум, повторение сегмента меандра (щелчок по изображению - увеличение)
Являясь цифровым прибором, значит ли это, что AFG - полнофункциональный генератор произвольных сигналов? Ответ - НЕТ. Почему? Потому что AFG-генератор имеет фиксированную частоту дискретизации и архитектуру DDS, не позволяющую оснастить их длинной памятью и режимами ее управления, что необходимо для формирования "живых" и сложных сигналов.
Рисунок 7. Мультигенераторная синхронизация
В настоящем AWG-генераторе частота и память связаны, поэтому каждая точка памяти оцифровывается ЦАП и выходной сигнал состоит из точно повторяющихся шаблонов для каждого периода. Поскольку при этом не используется пропуск или повторение точек сигнала (как в случае использования фазового аккумулятора), джиттер и фазовые шумы выходного сигнала минимальны.
Возникает вопрос: является ли AWG-генераторы прибором мечты, который необходим на рынке? К сожалению, то же нет. Дело в том, что AWG-генераторы выпускается долгие годы и хотя они могут воспроизводить любой "живой" сигнал, но имеют существенные ограничения по генерации модулированных сигналов. Кроме этого, обычно они являются очень дорогостоящими. Так какое же будет компромиссное решение?
До настоящего времени, пользователи были практически принудительно ориентированы на различные генераторы, которые предлагали не полное и не идеальное решение для их задач. Теперь, с появлением генераторов серии Wonder Wave производства компании Tabor, пользователи не будут ориентироваться на что-либо меньшее, чем предлагающее идеальное решение. Генераторы Wonder Wave сочетают в себе как достоинства AFG-генераторов, так и преимущества AWG-генераторов, избавляя пользователей от недостатков этих двух типов генераторов. Серия генераторов Wonder Wave, представленная 7 моделями, разработана для решения тысяч задач - от простых по формированию стандартных сигналов до сложных по формированию длинных, сложных, определяемых пользователем сигналов. И все это по приемлемой цене, соизмеримой со стоимостью простых AFG-генераторов.После того, как пользователь поймет ограничения в возможностях AFG и AWG, предлагаемых на рынке, станет видно, что лучшие и наиболее необходимые функции уже встроены в модели Wonder Wave. При этом важно помнить, что обычно приборы используются не для решения сиюминутной задачи, от них ожидают гибкости и способности выполнять широкий круг задач и отвечать требованиям возникающими при решении будущих задач.
| AFG (DDS) | AWG | Tabor Wonder Wave | |
|---|---|---|---|
| Частота дискретизации | фиксированная | переменная, до 1,2 ГГц | |
| Тип сигналов | стандартные и oграниченно произвольные | произвольные | все стандартные, произвольные и "живые" сигналы |
| Разрешение АЦП | обычно 14 бит | до 16 бит | до 16 бит |
| Объем памяти | меньше, чем 128 кб | большая, дo 4Mб | большая, до 16 Мб |
| Управление памятью (сегментация) | нет | да | да, до 16k сегментов; 4 разных расширенных режима |
| Качество сигнала | пропуск или добавление точек | прецизионное | прецизионное |
| Джиттер и фазовые шумы | высокие | низкие | низкие |
| Модуляция | все частотные и амплитудные модуляции | амплитудная модуляция или нет | все частотные, амплитудные и фазовые модуляции, включая цифровые виды модуляции |
| Качание частоты | да | ограничено | да |
| Режимы синхронизации | некоторые | да | непрерывно, по синхрозапуску, пакет импульсов, стробирование |
| Диапазон амплитуд | 10 В пик< на 50 Ом | 10 В пик на 50 Ом | до 16 В пик на 50 Ом |
| Цифровые выходы | нет | да | |
| Мультигенераторная синхронизация | нет | да | да, с расширенными возможностями |
| Стоимость | приемлемая | высокая | приемлемая |
Перевод с англ. коллектив ЗАО "Прист"