Многофункциональные генераторы Keysight 33500/33600A с технологией улучшения формы Trueform

Технология Trueform

Форма сигналов, создаваемых при классическом прямом цифровом синтезе DDS, в последние годы перестала удовлетворять практическим потребностям. Появились осциллографы высокой четкости и точности с повышенной разрядностью дискретизации и развитыми функциями спектрального анализа, которые фиксируют нарушения формы [2]. Многие компоненты при тестировании требуют сигналы с очень малым джиттером и гармоническими и прочими искажениями.

Технология формирования выходного сигнала Trueform сочетает достоинства классической технологии прямого цифрового синтеза DDS с архитектурой поточечного построения произвольных сигналов (характерной для дорогих генераторов), что позволяет резко улучшить форму сигналов. При использовании в генераторах серии 33600A технология Trueform обеспечивает широкий спектр возможностей, которые, как правило, отсутствуют в других моделях генераторов сигналов равного ценового класса.

Функции сложения и комбинирования сигналов разрешают легко добавлять к выходным сигналам различные шумы для параметрического тестирования устройств с помощью только одного канала. Двухканальные модели серии генераторов 33600A допускают сложение и комбинирование до четырех сигналов. Возможность генерирования шума с переменной полосой частот позволяет настраивать диапазон встроенного генератора шума для управления частотным спектром формируемых сигналов.

Функция создания сигналов произвольной формы по точкам с многократным последовательным воспроизведением сегментов сигнала способна с высокой точностью генерировать длинные сложные сигналы с минимальным использованием памяти прибора (до 64 млн точек произвольного сигнала).

Дополнительный проигрыватель модулирующих IQ-сигналов обеспечивает экономичное решение для воспроизведения IQ-сигналов беспроводной связи без применения дорогостоящего генератора сигналов или для выполнения по мере необходимости корректировки сигналов (например, усиления по амплитуде, смещения канала или асимметрии канала) для более точного представления сигналов.

Благодаря этим возможностям генераторы серии 33600A, формирующие сигналы произвольной формы и выполненные по технологии Trueform, помогают инженерам значительно сократить сроки разработки даже самых сложных устройств.

Генераторы с технологией Trueform

Технология Trueform сочетает достоинства технологии DDS с архитектурой поточечного построения произвольных сигналов, что позволяет устранить эти проблемы. При использовании в генераторах серии 33600A данная технология обеспечивает широкий спектр возможностей, которые, как правило, отсутствуют в генераторах сигналов такого класса.

В таблице 1 представлены классификационные параметры генераторов серии 33500B, с которых был начат выпуск генераторов с улучшенной по технологии Trueform формой сигналов. Выпускаются генераторы с набором стандартных форм сигналов и генераторы с возможностью создания сигналов произвольной формы.

Внешний вид генераторов показан на рис. 1. На рисунке представлен экран генератора с заданием синусоидального сигнала — самого высокочастотного.

Рис. 1. Внешний вид генераторов серии 33500B

Серия новейших многофункциональных генераторов сигналов серии 33600A включает 4 одно- или двухканальные модели, которые обеспечивают генерирование сигналов в диапазоне частот до 120 МГц с повышенной частотой дискретизации в 1 Гвыб./с. Как и приборы серии 33500, они выполнены в компактном прочном противоударном корпусе (рис. 2). Классификационные параметры генераторов 33600A представлены в таблице 2. Максимальная частота указана для синусоидального сигнала и заметно снижается для других геометрически правильных форм сигнала [1].

Рис. 2. Внешний вид генераторов серии 33600:
а) вид спереди;
б) вид сзади

На задней панели генераторов (рис. 2а) расположены решетка вентилятора для охлаждения приборов, коаксиальные разъемы входа и выхода опорной частоты 10 МГц, входа модуляции и внешнего запуска, опция с разъемом GPIB, разъемы LAN и USB, разъем сетевого кабеля электропитания и зажим заземления.

Краткие характеристики генераторов:

• Уникальная технология Trueform.
• Широкие возможности по генерации различных видов сигналов для самых ответственных измерений.
• Исключительная чистота сигналов: уровень гармонических искажений в пять раз ниже, чем у аналогичных приборов.
• Более точная синхронизация: при генерации импульсных сигналов с частотой до 100 МГц уровень джиттера составляет менее 1 пс.
• Функция создания сигналов произвольной формы по точкам с возможностью многократного последовательного воспроизведения сегментов сигнала позволяет с более высокой точностью генерировать задаваемые пользователем сигналы.
• Частота дискретизации 1 Гвыб./с обеспечивает высокое разрешение по времени для сигналов произвольной формы.
• Амплитуда выходного сигнала в расширенном динамическом диапазоне от 1 мВ до 10 В (размах) с разрешением 14 бит (на нагрузке 50 Ом).
• Объем памяти сигналов произвольной формы: 4 Мточек на канал в стандартной комплектации с возможностью расширения до 64 Мточек на канал.
• Интерфейсы USB, LAN (LXI-C) (в стандартной комплектации) и GPIB (опция) для быстрого и удобного подключения к компьютеру или локальной сети.
• Расширенные возможности по созданию и редактированию сигналов произвольной формы с помощью программного обеспечения 33503A BenchLink Waveform Builder Pro и Basic [3].
• Создание сигналов с передней панели с помощью встроенного редактора.
• Возможность захвата сигналов с помощью осциллографа с последующей их загрузкой в генератор.
• С помощью простых программных обновлений пользователи могут при необходимости легко расширить функциональные возможности своих генераторов серии 33600A, например увеличить объем памяти до 64 млн выборок или расширить диапазон частот до 120 МГц.
• Создание сигналов с помощью ПО MATLAB, Microsoft Excel и других программ с последующей их загрузкой в генератор.
• 4,3‑дюймовый цветной дисплей WQVG (480×272) с LED-подсветкой.
• Габаритые размеры: 261,1×103,8×30,2 мм.
• Вес: 3,5 кг.
• Потребляемая мощность: 75 Вт.

Режимы работы и модуляции

Для контроля параметров сигналов и грубой оценки их формы служит цветной ЖКИ-дисплей. В качестве примера на рис. 3 показан его экран при установке режима генерации амплитудно-модулированных (АМ) синусоидальных колебаний. Форма колебаний указана примерно, и в окне имеется список параметров, которые можно изменять цифровыми кнопками и поворотной ручкой.

Рис. 3. Экран генератора для амплитудной модуляции синусоидального сигнала

Возможна частотная и фазовая модуляция и манипуляция, а также ряд видов современной кодоимпульсной модуляции (табл. 3). Предусмотрена установка сигналов с суммой компонентов Sum, пачек Burst и сигналов с качающейся частотой Sweep.

Сочетание различных типов сигналов при модуляции позволяет устанавливать заданную форму несущего и модулирующего сигналов (табл. 4).

Дополнительный проигрыватель модулирующих IQ-сигналов (у моделей 33612a/22a) обеспечивает экономичное решение для воспроизведения IQ-сигналов беспроводной связи без использования дорогостоящего генератора сигналов или для выполнения по мере необходимости корректировки сигналов (например, усиления по амплитуде, смещения канала или асимметрии канала) для более точного их представления.

При кодоимпульсной модуляции для оценки поведения тестируемых узлов и систем часто используются новые виды диаграмм — например, «звездные» диаграммы, отражающие положение конца радиус-вектора на комплексной плоскости (рис. 4).

Рис. 4. Экран генератора при «звездной» диаграмме

Генераторы могут формировать сложные сигналы, состоящие из ряда (до четырех) сегментов. Экран для такого сигнала показан на рис. 5а. При формировании сигналов с качающейся частотой можно на экран вывести список частот, что видно на рис. 5б.

Рис. 5. Экран генератора:
а) для последовательности из трех сегментов;
б) со списком качающихся частот

Основные преимущества технологии Trueform

Технология Trueform предоставляет ряд важных преимуществ, основные из которых представлены на рис. 6: малое значение джиттера и фронтов импульсных сигналов, высокая спектральная чистота синусоидальных сигналов и работа с большой памятью. Эти преимущества заметно расширяют сферы применения новых генераторов.

Рис. 6. Основные преимущества технологии Trueform:
а) джиттер;
б) время нарастания;
в) гармоники;
г) память

Генераторы предназначены для формирования как произвольных (задаваемых пользователем) сигналов, так и стандартных сигналов: синусоидальных, прямоугольных, треугольных, пилообразных и т. д. (рис. 7). Для каждого такого сигнала выводится свое окно со стилизованной формой сигнала и его параметрами. Возможно создание сложных сигналов, состоящих из ряда сегментов. Двухканальные модели допускают сложение и комбинирование до четырех сигналов.

Рис. 7. Основные формы сигналов

Предусмотрена генерация следующих стандартных форм сигналов: Sine, Square, Ramp, Pulse, triangle, Gaussian Noise, PRBS (Pseudo-random Binary Sequence), DC. В режиме генерации произвольных сигналов возможна установка следующих форм: Cardiac, exponential Fall, exponential Rise, Gaussian Pulse, haversine, Lorentz, D‑Lorentz, Negative Ramp, Sinc.

Генераторы сигналов серии 33600A имеют самый низкий в своем классе джиттер произвольных сигналов — менее 1 пс, что в 200 раз лучше, чем у предыдущего поколения генераторов (рис. 8), построенных на основе технологии прямого цифрового синтеза. Это дает возможность пользователям получать именно те сигналы, которые им нужны. Малое значение джиттера означает, что инженеры могут более точно устанавливать фронты сигналов, таким образом сократив количество ошибок синхронизации при разработке электронных устройств.

Рис. 8. Джиттер при технологии Trueform и при обычной технологии DDS

Очень низкий уровень джиттера и уменьшенное значение времени нарастания и спада до 2,9 нс (против типичных 5 нс) позволяют инженерам более точно устанавливать точки запуска. Благодаря малой величине нижней границы диапазона выходного напряжения (размах от 1 мВ против обычных 10 мВ) можно изменять амплитуду выходного сигнала с разрешением от 1 мкВ и работать с меньшими уровнями сигналов, что критически важно при тестировании современных низковольтных схем и устройств.

Другой проблемой при формировании импульсных сигналов при обычной технологии DDS является пропуск точек сигнала при ограничении полосы частот (рис. 9). Данная проблема в значительной степени решена при улучшенной технологии Trueform.

Рис. 9. Иллюстрация пропуска точек сигнала при технологии DDS

Функция создания сигналов произвольной формы по точкам с возможностью многократного последовательного воспроизведения сегментов сигнала позволяет с высокой точностью генерировать длинные сложные сигналы с минимальным использованием памяти прибора.

Возможность формирования псевдослучайных двоичных последовательностей (PRBS) со скоростью до 100–200 Мбит/с (рис. 10) обеспечивает тестирование цифровых последовательных шин подачей на них стандартных PRBS (от PN3 до PN32).

Рис. 10. Окно цифровой последовательности данных

Реальная осциллограмма последовательности цифровых данных представлена на рис. 11. Применение PRBS исключает необходимость использования отдельного генератора импульсов для таких сигналов.

Рис. 11. Реальная осциллограмма последовательности цифровых данных

Формирование чистых синусоидальных сигналов

Чистый синусоидальный сигнал имеет спектр, состоящий из одной-единственной фундаментальной гармоники — первой. Считается допустимым наличие двух-трех высших гармоник с достаточно малой амплитудой. Увы, этого не удается получить при цифровом методе синтеза формы сигналов  DDS. Кроме того, в спектре DDS-сигнала отчетливо видны негармонические составляющие, повышающие джиттер и зашумленность. Такие составляющие видны как хаотически расположенные по оси частот спектра пики или отрезки вертикальных прямых (рис. 12а).

Рис. 12. Спектр синусоидального сигнала, сформированного:
а) по обычной технологии DDS;
б) по технологии Trueform

При технологии Trueform удалось заметно уменьшить как гармонические, так и негармонические составляющие спектра (рис. 12б). Благодаря величине суммарного коэффициента нелинейных искажений менее 0,03% и уровню негармонических составляющих менее –75 дБн, генераторы серии 33600A способны формировать чистые сигналы, которые не вносят в исследуемую схему дополнительных шумов. Это обеспечивает возможность получения более точных результатов при тестировании высококачественных усилителей низкой частоты (класса Hi-Fi и Hi-End), высокочувствительных смесителей радиоприемных устройств и т. д.

Сложение и комбинирование сигналов позволяет легко добавлять к сигналам высшие гармоники и шумы для параметрического тестирования устройств с использованием только одного канала. Есть фильтры для сокращения полосы сигналов и уменьшения их шумов.

Создание шумовых сигналов с управляемой полосой частот

У генераторов есть возможность генерирования шума с переменной полосой частот, что позволяет настраивать диапазон встроенного генератора шума для управления частотным спектром формируемых сигналов (рис. 13).

Рис. 13. Примеры установки шума с разной полосой частот

Генераторы шума часто используются для анализа спектра сигналов. В этом случае возможность задания полосы частот оказывается весьма полезной.

Работа с внешними модулями флэш-памяти

Возможности генераторов заметно расширяются при использовании внешних устройств и программ (рис. 14). На передней панели слева расположено гнездо для подключения USB-модуля флэш-памяти. С его помощью выполняется обмен файлами соответствующих форматов, например осциллографических CVS. Такие файлы применяются и некоторыми внешними программами, например матричной системой MATLAB.

Рис. 14. Подключение генератора к внешним устройствам и программам

При работе с внешним модулем памяти надо открыть путь к нему в окне файловой системы (рис. 15). Окно достаточно простое, и работа с ним очевидна.

Рис. 15. Окно файловой системы

Работа с программой Waveform Builder Basic and Builder Pro

Генераторы могут работать с различными внешними программами для создания сложных форм сигналов. К таким программам относятся Waveform Build в обычном Basic и профессиональном Pro вариантах [3]. Профессиональная программа имеет расширенный набор функций (табл. 5).

Возможно создание сигналов, описываемых формулой. Окно задания сигнала, представленного формулой в редакторе форм программы, показано на рис. 16.

Рис. 16. Окно задания прямоугольного импульса со «звоном» с осциллографа

Создание сложных модулированных сигналов иллюстрирует рис. 17. Такие сигналы удобно просматривать на большом дисплее компьютера в реальном виде, а не в стилизованном, как на маленьком экране генератора.

Рис. 17. Окно формирования сложного модулированного сигнала

В настоящее время применяется множество систем последовательной передачи данных — как проводных, так и беспроводных. Разработка опций для тестирования таких систем не поспевает за разработкой протоколов их реализации. Поэтому важна возможность формирования произвольных квазислучайных двоичных последовательностей (рис. 18).

Рис. 18. Окно формирования квазислучайных двоичных последовательностей

Сложные сегментированные сигналы можно просматривать и устанавливать посегментно, как показано на рис. 19. Каждый сегмент можно устанавливать и редактировать отдельно.

Рис. 19. Окно формирования и просмотра сегментированных последовательностей

Заключение

Новейшие генераторы серии 33500/33600A с технологией Trueform при максимально высоких частотах (до 80 и 120 МГц) имеют высокую спектральную чистоту синусоидальных сигналов, пониженное время нарастания и спада импульсных сигналов, уникально малый джиттер (менее 1 пс) и большую (до 4 Мточек с расширением до 64 Мточек) память формы сигналов. А в сочетании с большим набором стандартных и произвольных сигналов с расширенным динамическим диапазоном это значительно увеличивает сферы применения генераторов в тестировании различных электронных компонентов и устройств.