VitalyMorarenko

Основные параметры генератора сигналов произвольной формы

Blog Post created by VitalyMorarenko Employee on Jun 22, 2018

Знание ключевых параметров генератора сигналов произвольной формы (AWG) позволяет принять оптимальное решение при покупке, сэкономив время и деньги. Научитесь сравнивать параметры генераторов сигналов произвольной формы разных типов и производителей: объём памяти, частоту дискретизации, динамический диапазон и полосу сигнала. Давайте обсудим эти параметры подробнее.

 

Объём памяти

Объёмом памяти называется количество ячеек памяти, доступных для сохранения длинных сигнальных последовательностей, создаваемых пользователем. Этот параметр выражается в выборках (выб). Данные из памяти поступают на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который создаёт ступенчатое представление нужного сигнала. Большие частоты дискретизации и объёмы памяти нужны для более точного воспроизведения сигналов.

 

Частота дискретизации

Частотой дискретизации называется число выборок, которые может выдать ЦАП за определённый интервал времени. Этот параметр выражается в гигавыборках в секунду (Гвыб/с). Частота дискретизации определяет максимальную частотную составляющую выходного сигнала генератора. Кроме термина «частота дискретизации» часто используются термины «тактовая частота» и «частота выборок». Основная формула, связывающая объём памяти с частотой дискретизации выглядит так:

 

Объем памяти / Частота дискретизации = Время воспроизведения

 

Из этой формулы видно, что с ростом частоты дискретизации необходимый объём памяти растёт, а время воспроизведения сокращается. Время воспроизведения определяет максимальную длительность сигнала, которую может создать генератор сигналов произвольной формы. Также это время воспроизведения называют временем до повторения. Например, при объёме памяти 256 квыб и частоте дискретизации 64 Гвыб/с получается время воспроизведения 4 микросекунды. Это не очень большое значение. Вот почему для увеличения времени воспроизведения нужен большой объём памяти.

 

Динамический диапазон – вертикальное разрешение (разрядность ЦАП)

Этот параметр характеризует выходной сигнал ЦАП и выражается минимальным значением шага напряжения. Динамический диапазон измеряется в децибелах по отношению к амплитуде несущей (дБн). Например, 8-разрядный ЦАП для создания нужного сигнала может вывести два в восьмой степени или 256 значений напряжения. Сравнивая разрядность ЦАП генераторов сигналов произвольной формы разных моделей важно знать, что каждый дополнительный разряд ЦАП удваивает вертикальное разрешение.

 

Полоса частот сигнала

Выход генератора сигналов произвольной формы ограничен некоторой максимальной выходной частотой. Полосой сигнала генератора называют диапазон частот выходного сигнала, который он может надёжно воспроизвести. Этот параметр называют еще “скоростью передачи данных” и измеряют в гигабитах в секунду (Гбит/с). Заметьте, что полоса сигнала зависит от частоты дискретизации, но не равна ей. Давайте рассмотрим, почему это происходит:

  1. ЦАП должен точно воспроизводить сохранённый в памяти сигнал, создавая не менее двух значений сигнала за период. Это следует из теоремы Котельникова. В результате частота дискретизации 1 Гвыб/с соответствует частоте выходного сигнала ЦАП 500 МГц, что равно половине частоты дискретизации.
  2. Выходной сигнал ЦАП не гладкий, а является ступенчатым представлением сохранённой в памяти формы напряжения. В связи с этим выходной сигнал ЦАП нужно фильтровать. Для этого в генераторе сигналов произвольной формы используется так называемый восстанавливающий (реконструкционный) фильтр, который сглаживает выходной сигнал. Однако за такую фильтрацию приходится расплачиваться дополнительными 10 процентами отношения частоты дискретизации к частоте выходного сигнала. Формула этого соотношения приведена ниже. Например, упомянутая выше частота дискретизации 1 Гвыб/с позволяет получить максимальную частоту выходного сигнала 400 МГц.

 

Максимальная частота выходного сигнала генератора = Частота дискретизации x 40 %

 

Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR)

Этот параметр измеряется в частотной области и определяется отношением амплитуд выбранной частоты к амплитуде наивысшей видимой паразитной или гармонической составляющей в заявленной полосе. Это значение измеряется в децибелах по отношению к амплитуде выбранной частоты. В центре экрана на рисунке 1 показана выходная частота генератора, а слева от неё видна паразитная составляющая, амплитуда которой на 94,54 дБ меньше.

 

Рисунок 1. Отношение уровня центральной частоты к уровню паразитной составляющей


Число эффективных разрядов (ENOB)

Число эффектинвных разрядов (англ. Effective Number of Bits) или просто ENOB определяется на основе разрядности ЦАП. Оно меньше разрядности ЦАП из-за влияния гармоник, паразитных сигналов и собственных шумов генератора. Заметьте, что этот параметр меняется в пределах полосы частот генератора, поэтому для получения значения на интересующей вас частоте нужно использовать график зависимости ENOB от частоты. Заметьте также, что график на рисунке 2 относится к 14-разрядной системе, но из-за влияния шумов и искажений приёмника видно, что на частоте 1,5 ГГц реальное разрешение снижается до 9 разрядов.

Рисунок 2. Зависимость ENOB от частоты

 

ENOB отлично демонстрирует реальные характеристики генератора сигналов произвольной формы с учётом эффектов, влияющих на качество сигнала. ENOB можно измерить или рассчитать (формула приведена ниже). Заметьте, что SINAD – это отношение полной мощности сигнала к мощности шумов и помех.


Джиттер

Джиттер сигнала может вызвать сдвиг фронтов и уровней сигнала, что может привести к возникновению ошибок в системе. Значение джиттера обычно определяется двойным размахом (от пика до пика) сдвига между тактовой частотой и выходными данными и измеряется в пикосекундах.

 

Заключение

  • Знайте основные параметры генератора сигналов произвольной формы, чтобы правильно выбрать генератор для своей задачи:
  • Объём памяти, частота дискретизации и время воспроизведения взаимосвязаны.
  • Полоса сигнала не совпадает с частотой дискретизации, а равна 40% от этого значения.
  • О реальном разрешении нужно судить по ENOB, а не по разрядности ЦАП.
  • Учитывайте параметры джиттера для оценки истинного качества сигнала.

 

Дополнительная информация о генераторах сигналов произвольной формы приведена в документе "Keysight Fundamentals of Arbitrary Waveform Generation - Reference Guide".

Outcomes