Генератор сигналов произвольной формы АКИП-3402. Часть 2

Все статьи цикла:

• Генератор сигналов произвольной формы АКИП-3402. Часть 1
• Генератор сигналов произвольной формы АКИП-3402. Часть 2

Нюансы в формировании «простых» сигналов

Импульсный сигнал и компенсация постоянной составляющей

Многие пользователи при выборе генератора сигналов произвольной формы не уделяют должного внимания тщательному изучению возможностей той или иной модели, считая, что при формировании достаточно простых и «традиционных» сигналов все генераторы воспроизводят их одинаково. Но это не так, ряд генераторов обладает особенностями при формировании сигналов, которые могут снизить их производительность, значительно усложнить процесс формирования сигнала или сделать тестирование невозможным по условиям измерений.

К таким сигналам можно отнести формирование стандартного импульсного сигнала. Все генераторы сигналов произвольной формы, по умолчанию, формируют симметричные по амплитуде сигналы относительно нулевого напряжения. Но если симметричная синусоида или прямоугольный сигнал — это нормально, то импульсный сигнал, в основном предназначенный для тестирования и отладки логических схем, имеющих положительное или отрицательное значение логической единицы, желательно иметь одной полярности. По умолчанию, любой генератор сигналов произвольной формы будет формировать импульсный сигнал симметричной амплитуды, но сформировать сигнал положительной или отрицательной полярности не составляет труда, используя внутреннее смещение постоянным напряжением. Уровень напряжения смещения будет составлять:

где V_ампл— установленное значение амплитуды импульса; ± V_смещ— значение внутреннего смещения генератора, полярность смещения («+» или «–») выбирается при необходимости формирования положительного или отрицательного импульса.

Пример формирования импульса симметричной амплитуды по умолчанию и последующая компенсация смещением приведены на рис. 10, 11.

Смещение исходного сигнала отсутствует, амплитуда исходного сигнала симметрична относительно нулевого уровня.

Импульсный сигнал смещен на половину амплитуды положительным смещением.

Однако при необходимости изменения амплитуды импульса (увеличения или уменьшения) происходит неизбежное смещение базовой линии вверх/вниз, в зависимости от изменения амплитуды. В сигнале появляется паразитная положительная или отрицательная составляющая, способная нарушить работоспособность подключенного к генератору устройства (рис. 12), но и амплитуда полезного импульсного сигнала по отношению к нулевой линии увеличивается всего на 1/2 установленного приращения.

В этом случае нужна очередная коррекция постоянного смещения. Каждый раз при необходимости постоянного изменения амплитуды импульса потребуется отслеживать уровень постоянного смещения этого импульса, все это значительно снижает производительность генератора сигналов произвольной фирмы. Увы, но так работает большинство генераторов сигналов произвольной формы, присутствующих в настоящий момент на российском рынке, и это касается не только импульсных сигналов, но и сигналов других форм.

С целью устранения этого эффекта генераторы АКИП-3402 имеют режим несимметричного изменения амплитуды выходного сигнала. В этом режиме пользователь отдельно задает нижний и верхний уровень сигнала. Для приведенного случая нижний уровень будет 0 вольт, а изменение амплитуды импульса производится изменением верхнего уровня сигнала. В этом случае компенсации постоянной составляющей не требуется, что приводит к значительному росту производительности использования генератора. На рис. 13 приведен пример формирования положительного импульса (аналогично рис. 11). А на рис. 14 — пример увеличения амплитуды импульса (аналогично рис. 12). Как видно на рис. 13, 14, паразитные постоянные составляющие не появляются.

Скважность импульсного сигнала

Под скважностью импульсного сигнала понимается выраженное в процентах (%) отношение длительности импульса к периоду его повторения. Иными словами, при меньшей скважности импульса он имеет более короткую длительность и редкий период повторения. Существующие сегодня массовые генераторы сигналов произвольной формы, например, ГСС-120, позволяют формировать импульсы со скважностью 0,1%. Генераторы сигналов произвольной формы серии AFG3000 компании Tektronix дают возможность формировать импульсы со скважностью 0,01%. А генератор сигналов АКИП-3402 формирует импульсы со скважностью 0,0000002%! Это означает, что при формировании импульса с самой минимальной длительностью 20 нс период повторения составляет 10 с! Такие короткие импульсные сигналы обладают сверхшироким спектром частот, зависящим от длительности импульса, периода повторения и времени нарастания, и могут быть использованы для широкополосных измерений различных радиоустройств.

Возможность регулировки времени нарастания импульсного сигнала

Не все радиотехнические устройства требуют применения импульсных сигналов с как можно более быстрым фронтом нарастания (или спада). Сигнал с очень малым временем нарастания обладает практически бесконечным спектром частот. При ограниченности полосы пропускания радиотехнического устройства из-за наличия бесконечного спектра частот тестирующего импульса в трактах тестируемых устройств возникают искажения. Так, например, при тестировании импульсной характеристики осциллографов на экране осциллографа на вершине импульса наблюдается существенный выброс (до 10%), которого на самом деле во входном импульсе нет. Причина этих искажений — несогласованность частотного спектра тестового импульсного сигнала и полосы пропускания осциллографа. Устранить эти явления возможно при «обрезании» спектра импульсного сигнала, увеличивая время его нарастания (крутизну фронта).

Генератор сигналов АКИП-3402 позволяет регулировать время нарастания и спада импульсного сигнала в пределах от 5 до 100 нс. На рис. 15 приведены примеры одного импульсного сигнала с тремя разными временами нарастания.

Формирование пакетов

Все современные генераторы сигналов сложной формы имеют возможность формировать пакеты сигналов (Burst). Пакет — это близкий аналог радиоимпульса, но его заполнение, в отличие от радиоимпульса, может быть не только синусоидальным сигналом, а любым сигналом, формируемым генератором, — импульсным, пилообразным, треугольным и пр. Основными параметрами в этом режиме являются максимальная частота заполнения, число циклов заполнения, период повторения пакета. У большинства генераторов сигналов сложной формы в этом режиме существуют серьезные ограничения указанных параметров. Например, для генераторов ГСС-05…ГСС-120 минимальная длительность пакета составляет 25 мкс. Это означает, что одиночный импульс не может иметь частоту выше 40 кГц, к тому же для генераторов ГСС-05…ГСС-120 заполнение пакета возможно только синусоидальным сигналом. Генератор АКИП-3402 не имеет такого функционального ограничения и позволяет формировать пакеты со всеми формами сигналов в качестве заполнения, кроме модулированных сигналов. Частота заполнения пакета ограничена 10 МГц, но этого вполне достаточно для большинства приложений. На рис. 16 представлен пакет из двух периодов синусоидального сигнала, симметричных относительно нулевой линии.

Интерес для пользователя представляют пакеты импульсных сигналов. Как известно, любой импульсный генератор, помимо формирования одиночных или периодических импульсных сигналов, имеет возможность формирования парных импульсов — двух близко расположенных импульсов с регулируемым временем задержки между импульсами и регулируемым периодом повторения таких пар. Очевидно, что парный импульс — это пакет из 2 импульсов, формирование которых не представляет никакой сложности для генератора сигналов произвольной формы. И более того, АКИП-3402 может формировать посылки из трех, четырех, пяти и т. д. импульсов, вплоть до 50 000, что недоступно для большинства импульсных генераторов. Это преимущество, безусловно, значительно расширяет области возможного применения генератора АКИП-3402. Пример формирования посылки из четырех импульсов приведен на рис. 17.

Целостность сигнала при изменении уровня

Выходные каскады генераторов сигналов специальной формы представляют собой комбинацию нескольких усилителей и аттенюаторов, позволяющих получить требуемый уровень на выходе генератора. Применяя комбинации усилителей и аттенюаторов, пользователь имеет возможность регулировать выходной уровень в очень широких пределах. По умолчанию, генератор автоматически выбирает наиболее оптимальную комбинацию усилителей и аттенюаторов, во избежание появления излишних шумов в выходном сигнале. При изменении выходного уровня комбинация задействованных усилителей и аттенюаторов тоже изменяется. Это приводит к кратковременному провалу в выходном сигнале в момент механического переключения аттенюаторов. На рис. 18 приведен пример осциллограммы изменения выходного уровня генератора от 900 до 1000 мВ. Провал уровня по времени составляет около 15 мс.

Для устранения этого явления генератор АКИП-3402 имеет возможность блокировки аттенюаторов. При включенной блокировке диапазона аттенюатора как усилители, так и аттенюаторы блокируются в текущем состоянии и не переключаются при изменении уровня выходного сигнала. Изменение выходного уровня происходит только за счет электронной регулировки усиления выходных усилителей. Это позволяет устранить кратковременное пропадание сигнала. Однако следует понимать, что такая блокировка аттенюатора ухудшает погрешность установки выходного уровня и постоянного смещения за счет отказа от использования механических аттенюаторов. На рис. 19 приведен пример аналогичного измерения уровня генератора от 900 до 1000 мВ (как на рис. 18), но с заблокированным аттенюатором. Как видно на рис. 19, уровень сигнала изменяется плавно и без разрывов.

Синхронная работа нескольких генераторов

АКИП-3402 является одноканальным генератором сигналов. Поэтому при необходимости формирования двух, трех или более синфазных сигналов необходимо использовать, соответственно, два, три или более генератора. Поскольку все генераторы имеют свой собственный источник опорной частоты, который пусть и обладает высокой стабильностью, но, все же, имеет небольшое отклонение по частоте от других аналогичных генераторов. Это не позволяет получить от трех одинаковых генераторов сигналы абсолютно одинаковой частоты, ситуация усугубляется тем, что фазы сигналов с трех разных генераторов будут абсолютно разные и не будут поддаваться контролю. Для того, чтобы получить синфазные сигналы с отдельных генераторов, необходимо использовать один общий для всех источник опорной частоты. Для этого генератор АКИП-3402 имеет вход внешней опорной частоты. Одновременно вход внешней опорной частоты позволяет уменьшить погрешность установки частоты выходного сигнала, за счет применения внешнего, более стабильного источника, чем внутренний опорный генератор. Органами внутренней настройки и при помощи цифрового осциллографа или внешнего частотомера, имеющего режим измерения фазы между двумя сигналами, необходимо выставить требуемую фазу между сигналами независимых генераторов.

Кроме входа внешней опорной частоты, генераторы АКИП-3402 имеют выход генератора собственной опорной частоты. Это решение позволяет отказаться от внешнего опорного генератора и использовать сигнал опорной частоты от одного из генераторов, формирующих многоканальный сигнал. Кроме того, генераторы АКИП-3402 имеют выход синхронизации на передней панели. Следует особо подчеркнуть, что, в отличие от других генераторов СПФ, на этом выходе действительно формируется сигнал, синхронный с событием, являющимся основным режимом работы в текущий момент, а не просто прямоугольный сигнал, совпадающий по частоте с сигналом на основном выходе. Вход внешней синхронизации является в ходом внешней модуляции и стробирующего окна в режиме формирования пакетов. Соединение синхровыхода одного генератора (он является ведущим) с синхровходами других генераторов (они являются ведомыми) позволяет формировать многоканальные системы и обеспечивать синхронизацию событий, происходящих в независимых генераторах, с временной задержкой всего 20 нс.

Формирование двоичных сигналов

Подавляющее большинство генераторов сигналов произвольной формы, выпускаемых сегодня в мире, включая таких лидеров, как Tektronix и Agilent Technologies, формируют хоть и разнообразные, но только аналоговые сигналы произвольной формы. Но для исследований, разработки или настройки современных радиоустройств аналоговых сигналов недостаточно. Любое современное радиоустройство в своем составе неизбежно имеет логические схемы, микропроцессоры, устройства памяти, параллельные и последовательные шины передачи данных, цифровые устройства отображения и многое другое. Для отладки таких объектов аналоговых сигналов недостаточно, нужны многоканальные логические шины с программируемыми сигнатурами. Компания Tabor, профессионально специализирующаяся на разработке и производстве генераторов сигналов, в старших моделях предлагает наличие 16-битного цифрового выхода, но эти генераторы, как любой профессиональный инструмент, дорого стоят.

Генератор АКИП-3402 также имеет цифровой 16-битный выход, расположенный на задней панели прибора. Длина памяти в этом режиме составляет 262 144 бита на каждую шину. Программирование состояния логических выходов возможно только с помощью программного обеспечения Wavepatt (по аналогии с собственными сигналами произвольной формы (см. рис. 9 в КиТ № 1, стр. 138)). В режиме программирования цифрового выхода пользователь имеет возможность:

1. Задавать частоту тактового генератора в пределах до 5 МГц.
2. Задавать фронт тактового импульса, при котором происходит изменение логического состояния, — положительный или отрицательный.
3. Задавать уровень логической единицы — низкое или высокое состояние.
4. С помощью курсора (мыши) формировать комбинацию логического состояния на любой из 16 шин.
5. Производить масштабирование изображения шины.
6. Перемещаться в заданный бит.
7. Сохранять и загружать внешние файлы логического состояния.

Коррекция метрологических параметров после поверки

Генератор АКИП-3402 является современным радиотехническим устройством и разработан на самой современной элементной базе, значительно повышающей надежность и метрологические параметры прибора в целом. Единственные механические элементы в конструкции генератора — это элементы управления аттенюаторами выходного уровня (к сожалению, на данный момент параметры полностью электронных аттенюаторов значительно уступают по техническим характеристикам механическим аттенюаторам). Внутри генератора нет никаких резисторов или конденсаторов, предназначенных для настройки уровней или частот как основных, так и вспомогательных трактов. Все элементы внутренней коррекции имеют электронный характер управления от центрального процессора. С течением времени, из-за неизбежного процесса старения аналоговой элементной базы, происходит флуктуация параметров генератора. В течение межповерочного интервала (1 год) эти флуктуации не должны приводить к выходу за установленные пределы нормируемых технических характеристик. Но по истечении 3–5 лет процесс старения элементной базы может вызвать некоторое ухудшение параметров генератора, например, частоты задающего генератора, что приводит к увеличению погрешности установки частоты вых одного сигнала. Изменение во времени параметров выходного усилителя приводит к увеличению погрешности установки опорного уровня. Коррекция метрологических параметров генератора АКИП-3402 производится программным способом при сличении выходных параметров с прецизионными средствами измерения: частотомером, вольтметром, измерителем мощности, анализатором спектра, измерителем модуляции и пр. В большинстве случаев эта процедура недоступна пользователю (закрыта паролем) и производится компетентными специалистами только в специализированном сервисном центре.

Способы подключения к компьютеру

Генератор АКИП-3402 имеет все современные возможности подключения к компьютеру (рис. 20) — Ethernet (LAN), USB и опционально GPIB (КОП). Причем подключение по USB осуществляется полноценным стыком T&M USB (Test and Mesurement USB).