Введение
Технология генерации сигналов Trueform применяется в новых генераторах сигналов серии Agilent 33500B. Она даёт ощутимые преимущества по сравнению с прямым цифровым синтезом (DDS) – традиционной технологией, используемой в генераторах сигналов стандартной и произвольной формы, в том числе, обеспечивает значительно меньшую фазовую нестабильность сигнала (джиттер) и точное представление выбранного сигнала. В предлагаемой статье мы познакомим вас с технологией Trueform и сравним её с технологией DDS.
Технологии генерации сигнала
Простейший способ генерации сигнала заключается в его сохранении в виде отдельных точек в памяти, а затем в поочерёдном считывании этих точек и передачи их по каждому тактовому импульсу в ЦАП. После считывания последней точки генератор возвращается к первой, и начинается следующий цикл. Иногда такой способ генерации называют «точкой на такт» (PPC).
Хотя такой метод создания сигналов кажется очевидным, он обладает двумя существенными недостатками. Вопервых, для изменения частоты сигнала (или частоты дискретизации) приходится изменять тактовую частоту, а хороший малошумящий источник перестраиваемой тактовой частоты усложняет конструкцию прибора и повышает его стоимость. Вовторых, поскольку во многих приложениях ступенчатый сигнал на выходе ЦАП нежелателен, приходится использовать аналоговую фильтрацию для сглаживания этих ступенек. В связи со сложностью и высокой стоимостью эта технология используется в основном в генераторах высшего класса.
Технология DDS использует фиксированную тактовую частоту и упрощённую схему фильтрации, поэтому обходится дешевле PPC. В системе DDS фазовый аккумулятор добавляет приращения на выход с каждым периодом тактовой частоты, при этом выход аккумулятора представляет фазу сигнала. Выходная частота пропорциональна приращению, что позволяет легко изменять частоту сигнала даже при фиксированной тактовой частоте. Выходные значения аккумулятора преобразуются из фазы в амплитуду, как правило, с помощью таблицы пересчёта.
Применение фазового аккумулятора позволяет применять в DDS фиксированную тактовую частоту, но при этом сигнал попрежнему воспроизводится с эффективной частотой дискретизации, превышающей тактовую частоту. Поэтому в методе DDS не каждая точка отражается в результирующем выходном сигнале. Другими словами, DDS использует не каждую точку памяти сигнала, но выполняет достаточно хорошую аппроксимацию, поэтому сигнал до некоторой степени искажается. Кроме того, DDS может непредсказуемым образом пропускать и/или повторять некоторые фрагменты сигнала. В лучшем случае это приводит к увеличению джиттера, в худшем – к значительным искажениям. Тонкие особенности сигнала могут полностью или частично игнорироваться.
Новая технология Trueform, разработанная компанией Agilent, вобрала в себя лучшее из двух предшествующих технологий. Она позволяет создавать сигналы произвольной формы с низким уровнем шума без пропуска точек, подобно технологии PPC, но по цене DDS. Trueform использует патентованный генератор виртуально регулируемой тактовой частоты с улучшенной фильтрацией, адаптирующейся к частоте дискретизации сигнала. Ниже мы рассмотрим некоторые преимущества, которыми обладает технология Trueform по сравнению с DDS.
Улучшенная целостность сигнала
Одним из ключевых преимуществ технологии Trueform по сравнению с DDS является лучшая целостность сигнала. В частотной области это преимущество можно увидеть, сравнив спектры, а во временно й области – сравнив фазовую нестабильность.
На рисунке 1 показано представление в частотной области синусоидального сигнала частотой 10 МГц, созданного с помощью технологии Trueform. На рисунке 2 показано представление в частотной области того же синусоидального сигнала 10 МГц, но созданного с помощью технологии DDS.
В идеальном случае синусоидальный сигнал должен содержать только основную частоту без гармоник. На рисунках 1 и 2 хорошо видно, что уровень второй гармоники по отношению к основной частоте сигнала, созданного с помощью Trueform, примерно на 5 дБ меньше уровня второй гармоники сигнала DDS. Кроме того, в спектре DDS явно просматриваются четвёртая и пятая гармоники (выделены красными кружками) и даже негармоническая составляющая между четвёртой и пятой гармониками.
Если сравнить эти два сигнала с точки зрения джиттера, то преимущество Trueform более очевидно. На следующих рисунках показано измерение джиттера, выполненное на импульсном сигнале частотой 10 МГц. Осциллограмма растянута так, чтобы был виден передний фронт импульса, при этом включен режим послесвечения. Для измерения периодического джиттера использовалась функция гистограммы. Результаты измерения стандартного отклонения на каждом рисунке обведены красным цветом и представляют собой среднеквадратический джиттер сигнала. Измерение джиттера импульсного сигнала Trueform показано на рисунке 3, а импульсного сигнала DDS – на рисунке 4.
Чувствительность осциллографа и скорость развёртки на рисунках 3 и 4 одинаковы, поэтому джиттер импульсного сигнала Trueform оказался почти в 10 раз меньше джиттера импульсного сигнала DDS.
Лучшая целостность сигнала Trueform по сравнению с DDS означает меньшую погрешность измерений. Это особенно важно в задачах, использующих синхронизацию по фронтам. Прямым следствием меньшего джиттера является более высокая точность синхронизации ваших измерений.
Какие сигналы вы создаёте, такие и получаете
Как мы уже говорили, технология DDS использует фиксированную тактовую частоту и фазовый аккумулятор и поэтому не может гарантировать воспроизведение каждой точки сигнала. Чем выше частота, тем больше неточностей появляется в выходном сигнале по сравнению с идеальной формой. Напротив, Trueform воспроизводит каждую точку сигнала, независимо от установленной частоты сигнала или частоты дискретизации. Это становится актуальным, когда вы работаете с сигналами, содержащими тонкие детали, критичные для выполнения измерений.
В качестве примера мы создали сигнал, состоящий из импульса с семью уменьшающимися по амплитуде выбросами на его вершине. Этот сигнал был загружен в генератор с системой Trueform и в генератор сигналов произвольной формы с системой DDS. Сначала оба генератора воспроизводили этот сигнал с частотой 50 кГц. Результаты были измерены осциллографом, как показано на рисунке 5. Жёлтая осциллограмма соответствует сигналу Trueform, зелёная – сигналу DDS.
На частоте 50 кГц оба генератора смогли воспроизвести все семь выбросов на вершине импульса. Но видно, что выбросы сигнала, созданного Trueform, имеют большую амплитуду. На рисунке 6 показано воспроизведение тех же сигналов, но уже с частотой 100 кГц. Здесь генератор с системой Trueform воспроизвел все семь выбросов, а генератор DDS – ни одного.
На рисунке 7 эти сигналы были воспроизведены ещё раз, но частота была повышена до 200 кГц.
И снова генератор, использующий технологию Trueform, воспроизвёл все семь выбросов на вершине импульса. Генератор DDS перешёл от полного пропуска выбросов на частоте 100 кГц к воспроизведению трёх выбросов на частоте 200 кГц. Обратите внимание, что эти выбросы не совпадают по фазе ни с одним из семи выбросов на частоте 50 кГц. Эти примеры показывают, что, работая с сигналами, содержащими тонкие детали, методу DDS доверять нельзя.
Несколько десятилетий DDS был доминирующей технологией построения генераторов сигналов стандартной и произвольной формы, поскольку являлся недорогой альтернативой технологии PPC. Основным недостатком DDS является низкое качество сигнала, которое проявляется в виде джиттера и гармонического шума, а также в пропуске точек. Патентованная технология Trueform компании Agilent представляет собой следующий этап в развитии технологий генерации сигналов, предлагая возможности PPC по цене DDS. Это значит, что вы получаете меньший джиттер выходного сигнала и именно ту форму, которая вам требуется.
Заключение
Технология Trueform компании Agilent объединяет возможности DDS и PPC, обладая преимуществами обеих технологий при отсутствии их ограничений. Она использует новый метод дискретизации сигнала, который обеспечивает непревзойдённые характеристики при низкой стоимости, свойственной технологии DDS. Таблица демонстрирует возможности технологии Trueform.
Дополнительная информация о технологии Trueform компании Agilent приведена на интернетстранице www.agilent.com/find/trueform.
© СТА-ПРЕССЕсли вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
