АКИП-3402

Генераторы сигналов специальной формы АКИП

АКИП-3402

Техническое описание

Генератор сигналов произвольной формы АКИП-3402

Генераторы сигналов являются одним из основных средств, предназначенных для технического обслуживания, ремонта, проведения измерений и  исследований в различных областях науки, промышленности и связи. За последние годы произошли серьёзные изменения в подходе к функциональности генераторов сигналов. Если десять лет назад генераторы можно было разделить на такие группы, как синтезаторы, генераторы шума, генераторы синусоидальных сигналов, импульсные генераторы, генераторы сложных сигналов, ВЧ генераторы, то в настоящий момент, в связи с бурным ростом цифровой и микропроцессорной техники, развитием программных технологий появилась возможность создания нового класса генераторов, объединяющего в себе все ранее существующие типы генераторов. Это многофункциональные генераторы сигналов с возможностью формирования сигналов сложной и произвольной форм. Эти генераторы позволяют формировать не только, так называемые «стандартные формы сигналов» (синусоидальную, прямоугольную для который ранее существовали отдельные типы генераторов), но к  «стандартным формам сигнала», в последнее время, уже относятся и сигналы треугольной, пилообразной, импульсной форм, шумовой сигнал  и сигналы экспоненциальной, логарифмической, sin(x)/x, кардиоформ, сигнал постоянного напряжения. Построенные на основе цифровых технологий современные многофункциональные генераторы, по сравнению со своими аналоговыми предками, обладают уникальной дискретностью изменения частоты - до  1 мкГц, прекрасной стабильностью и погрешностью установки частоты  - до 1×10-6 и малым уровнем гармонических составляющих для синусоидального сигнала.  Требования к генераторам сигналов со стороны потребителей постоянно ужесточаются в направлении  расширения частотного диапазона, увеличение числа генерируемых форм, включая возможности моделирования сигналов произвольных  форм, расширение видов модуляций, включая цифровые виды модуляций и других вспомогательных возможностей.

Одним из таких современных генераторов сигналов и является генератор сигналов специальной формы АКИП-3402 (см. рис 1). 

Рисунок 1. Внешний вид генератора АКИП-3402

Рисунок 1. Внешний вид генератора АКИП-3402

Принцип работы генератора основан на технологии  прямого синтеза (DDS).  Этот принцип состоит в том, что цифровые данные, представляющие цифровой эквивалент сигнала требуемой формы, последовательно считываются из памяти сигнала и поступают на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). ЦАП тактируется с частотой дискретизации генератора 125 МГц и выдает последовательность ступеней напряжения, аппроксимирующих требуемую форму сигнала. Ступенчатое напряжение затем сглаживается фильтром нижних частот (ФНЧ), в результате чего восстанавливается окончательная форма сигнала (см. рис. 2). Применение частоты дискретизации 125 МГц позволяет генератору АКИП-3402 формировать синусоидальный сигнал с частотой до 50 МГц.

Рисунок 2. Принцип формирования сигнала

Рисунок 2. Принцип формирования сигнала

Генератор АКИП-3402 является расширением линейки генераторов ГСС-05….ГСС-120 и по совокупности параметров генератор сигналов специальной формы АКИП-3402 можно поставить в один рад с такими генераторами как 33210, 33220 и 33250 компании Agilent Technologies или AFG3011 и AFG3021B компании Tektronix (а по некоторым параметрам генератор АКИП-3402 сопоставим и с генератором  AFG3101 компании Tektronix).

Длина внутренней памяти и вертикальное разрешение АЦП.

Одними из самых важных параметров генераторов сигналов специальной форм, помимо частоты дискретизации, определяющей максимальную выходную частоту, также являются длина внутренней памяти и вертикальное разрешение АЦП. Возвращаясь к принципу прямого синтеза, изложенного выше, и взяв в качестве примера формирование сигнала синусоидальной формы, можно утверждать, что вертикальное разрешение влияет на высоту ступеньки напряжения, а длина внутренней памяти на длину ступеньки напряжения. И чем более высокое разрешение имеет АЦП генератора и более длинную память, тем меньше будет размер этой ступеньки. И как следствие этого выходной сигнал будет иметь меньший уровень гармонических составляющих для синусоидального сигнала. При формировании сигналов сложной и произвольной форм более высокое разрешение АЦП и длинная внутренняя память позволяют формировать более сложный и «замысловатый» сигнал. Для наглядности на рисунке 3 приведены осциллограммы синусоидального сигнала с малым разрешением АЦП и длиной памяти (слева), а также с большим значением этих параметров (справа).     

Рисунок 3a Рисунок 3b

Рисунок 3
(щелчок по изображению - увеличение)

Генератор АКИП-3402 имеет длину памяти до 256.000 точек. Для примера, генератор Agilent Technologies 33250 имеет длину памяти 64.000 точек, а генераторы серии AFG компании Tektronix имеют длину памяти 128.000 точек.

Пользовательский интерфейс, управление генератором и отображение режимов.

Генератор АКИП-3402 имеет очень удобный и интуитивно понятный пользовательский интерфейс. Управление генератором осуществляется тремя основными группами органов управления. 1 группа – кнопки выбора основных форм сигнала и режимов работы. 2 группа – цифровое наборное поле для ввода параметров. 3 группа – вращающийся регулятор и две кнопки перемещения (влево/вправо).

  • 1 группа кнопок позволяет оперативно производить выбор основных форм сигнала, режимов модуляции и формирования пакетов, осуществлять вход в служебное меню. Так же эта группа кнопок, для уже заданных форм сигнала, позволяет производить выбор и изменение основных параметров, присущих выбранному сигналу. Например, переключение между частотой и периодом сигнала; для импульсного сигнала  - выбор длительности импульса или скважности; для установки амплитуды сигнала выбор среднеквадратического значения (Vrms), пикового значения (Vp-p) или уровня в относительный единицах по мощности (dBm). 
  • 2 группа кнопок предназначена для ввода числовых данных о значениях частоты (периода, длительности), амплитуды, постоянного смещения, параметров модуляции или свипирования. Единицы размерности после ввода данных вводятся группой кнопок 1. Такой способ ввода данных очень удобен для непосредственного задания значений параметров сигнала или их изменения на некратные значения. Например, при первоначальном значении частоты выходного сигнала 23,567 кГц и необходимости перехода к частоте 47,8309 кГц наиболее предпочтительно пользоваться прямым цифровым вводом.   
  • 3 группа органов управления предназначена для плавного изменения заданных параметров в выбранном разряде. Например, если при первоначальном значении частоты выходного сигнала 23,567 кГц возникает необходимость плавной перестройки частоты с дискретностью 1 Гц, то это, бесспорно, более рационально производить вращающимся регулятором.

Очевидно, что при необходимости у пользователя иметь «под рукой» ряд собственных настроек и каждый раз производить перенастройку генератора - не очень удобно. Для решения этой задачи генератор АКИП-3402 имеет возможность запоминать во внутреннюю память до 4 профилей настроек органов управления. При этом есть возможность присвоить собственное имя каждому профилю, используя буквы латинского алфавита и цифры, например «PRIST 1». Кроме 4-х основных настроек, может быть сохранён ещё один, - 5-й профиль, который вызывает заводские установки генератора (по умолчанию).

Графический матричный дисплей генератора АКИП-3402 предназначен не только для отображения численных значений параметров выходного сигнала, но, так же, может быть переведён в режим «Графика». В графическом режиме на дисплее отображаются упрощённые пиктограммы выходных сигналов с установленными или предельными параметрами, в зависимости от типа выбранного сигнала. При формировании модулированного сигнала, на графическом дисплее отображается вся контекстная информация о сигнале, включая параметры модулирующего и  модулируемого колебания.

Возможность корректной работы на нагрузки с разным номиналом.

По традиции, низкочастотные генераторы работают на нагрузку с сопротивлением 600 Ом, принятым как стандарт для акустических измерений. Высокочастотные генераторы работают на нагрузку 50 Ом. Для телевизионной техники в качестве согласованной нагрузки принято сопротивление 75 Ом. Помимо этого, в телекоммуникации широко используются тракты с сопротивлением 25 Ом и 135 Ом. Поскольку большинство современных, но простых генераторов сигналов специальной формы рассчитаны для работы только на нагрузку 50 Ом. Некоторые генераторы, например ГСС-05… ГСС-120 рассчитаны для работы как на нагрузку 50 Ом, так и для работы на высокоомную нагрузку 1 МОм. Очевидно, что теоретически генераторы имеют возможность работы практически на любую нагрузку (естественно при этом не должна превышается допустимая выходная мощность) но корректное соотношение между отображаемым уровнем на индикаторе генератора и  истинным значением напряжения на нагрузке, отличной от 50 Ом, не будет обеспечено. Пояснения этого «явления» приведены ниже. На рисунке 4 приведена схема полной цепи генератора сигналов, имеющего подключённую внешнюю нагрузку 50 Ом.

Рисунок 4.

Рисунок 4.

Напряжение на внешней нагрузке в этом случае будет определяться формулой:

[1]

 

Это согласованный режим и для него, как видно, индицируемое напряжение на дисплее генератора в 2 раза меньше, чем напряжение на внешней нагрузке. Это значение напряжения автоматически рассчитывается при индикации выходного уровня генератора.

Формула напряжения на внешней нагрузке с учётом сопротивления этой нагрузки имеет вид:

, где

[2]

50 Ом – внутренне сопротивление генератора
R – сопротивление внешней нагрузки.

Так на рисунке 5 приведён пример подключения генератора к высокоомной нагрузке 1 МОм (например, вход универсального вольтметр или 1 МОм вход осциллографа). 

Рисунок 5.

Рисунок 5.

Очевидно, что в этом случае, если не произвести перерасчёт амплитуды выходного сигнала уровень сигнала, отображаемый на индикаторе генератора будет в 2 раза меньше, чем уровень  сигнала,  измеренный на нагрузке 1 МОм. При внешней нагрузке, находящейся в пределах от 50 Ом до 1 МОм, в зависимости от значения нагрузки  показания индикатора уровня генератора буду отличаться от истинного значения на нагрузке от 0 до 100% в сторону увеличения. И наоборот – при нагрузке меньшей, чем 50 Ом, уровень на индикаторе генератора будет больше, чем на самом деле.

Для исключения этого недостатка в генераторе АКИП-3402 пользователь имеет возможность задать номинал внешней нагрузки в пределах от 1 Ом до 10 кОм или выбрать фиксированное значение нагрузки 1 МОм.

Однако не следует забывать, что всё вышеизложенное предназначено только для корректного пересчёта уровня выходного сигнала, но не для изменения реального волнового сопротивления генератора сигналов. Значение согласованной нагрузки всегда составляет 50 Ом, для которой и нормируются  все выходные параметры генератора – погрешность установки опорного уровня, неравномерность АЧХ, время нарастания импульсного сигнала, выброс на вершине и другие параметры.        

Формирование сигналов произвольной формы (СПФ).

Возможность генераторов сигналов произвольной формы воспроизводить сигналы сложной и произвольной форм дает пользователю очень широкие возможности. В генератор АКИП-3402 отсутствует ручной режим формирования сигналов произвольной формы (при помощи  органов управления передней панели), поскольку это способ формирования выходного сигнала весьма трудоёмок и «мучителен» для пользователя в силу того, что длина внутренней памяти генератора достаточно большая и позволяет  создавать длительные посылки. Формирование сигналов произвольной формы осуществляется только с помощью программного обеспечения Wavepatt, входящего в комплект поставки.

Программное обеспечение просто в использовании, имеет удобную конфигурацию меню, понятный пользовательский интерфейс и позволяет формировать сигналы различными способами:

  1. Создание стандартных форм и их модификаций. На рабочем столе ПО Wavepatt есть набор таких форм сигнала как – синусоидальная, прямоугольная, треугольная, пилообразная, кардиограмма, экспоненциальная и шумовая. Пользователю необходимо выбрать одну из таких форм и задать длину сегмента (число точек), амплитуду, фазу, уровень смещения и число циклов для формирования этого сигнала. Полученный сегмент можно редактировать карандашом, изменяя его форму, применять к сегменту  математические действия сложение вычитание, умножение и деление изменять его амплитуду или число точек составляющих этот сегмент. Можно также инвертировать, создавать зеркальные образы и применять фильтры. Далее к этому сегменту можно пристегнуть второй, третий и так далее сегменты, созданные таким же образом. В частности, используя математическую функцию сложения двух форм сигнала очень просто получить амплитудно-модулированный сигнал. Пример формирования формы сигнала в программе и результат воспроизведения на осциллографе приведены на рисунке 6.

    Рисунок 6a Рисунок 6b

    Рисунок 6
    (щелчок по изображению - увеличение)

  2. Загрузка форм из внешних файлов. столе ПО Wavepatt позволяет подгружать файлы данных созданных  ранее в собственной оболочке, а так же файлы с расширением «csv». Файлы «csv» позволяют создавать собственные, «замысловатые» сигналы абсолютно любой формы. Файлы «csv» могут создаваться с помощью математических формул, описывающих различные процессы или в ручном режиме, исходя из требований пользователя. Файлы «csv»  могут создаваться с помощью программы Excel, входящей в стандартный пакет Microsoft Office или с помощью программы MATLAB, имеющей более широкие возможности по моделированию произвольных форм сигналов. Загруженные файлы могут отдельно редактироваться средствами Wavepatt, описанными выше. Пример приведён на последовательности рисунков 7a, 7b, 7c.

    Рисунок 7a

    Рисунок 7a
    (щелчок по изображению - увеличение)


    Рисунок 7b

    Рисунок 7b
    (щелчок по изображению - увеличение)


    Рисунок 7c

    Рисунок 7c
    (щелчок по изображению - увеличение)

  3. Интересным в этом случае для практических приложений является связка цифрового осциллографа и генератора сигналов произвольной формы. Цифровой осциллограф, отображая  входной сигнал  - аналоговый или цифровой, способен записать  его в файл с расширением «csv», далее этот файл открывается в программе Wavepatt и данные передаются в генератор АКИП-3402. Генератор формирует в точности такой же сигнал, какой отображается на экране осциллографа. Это весьма полезно при необходимости, когда осциллограф захватывает в реальных условиях редкий или одиночный сигнал и есть необходимость многократного воспроизведения  этого специфического сигнала.  Так на рисунке 8 приведён пример захвата первых четырёх строк видео сигнала, верхняя осциллограмма красного цвета –это «оригинальный» сигнал, нижняя осциллограмма жёлтого цвета – это осциллограмма последующего «клонирования» этих строк с использованием возможностей ПО и генератора АКИП-3402. 

    Рисунок 8

    Рисунок 8
    (щелчок по изображению - увеличение)

  4. Помимо аналоговых сигналов программное обеспечение Wavepatt позволяет создавать и сигналы 16-ти разрядной цифровой шины (они выводятся на отдельный разъём расположенный на задней панели генератора). Логические сигналы привязаны к тактовому генератору, частота которого, в свою очередь, задается пользователем в оболочке программы. Пример изображения при конструировании цифровой шины в оболочке ПО Wavepatt приведён на рисунке 9.

    Рисунок 9

    Рисунок 9
    (щелчок по изображению - увеличение)

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 того или иного генератора, считая при формировании достаточно простых и  «традиционных» сигналов все генераторы воспроизводят сигналы одинаково. Но это не так, ряд генераторов обладает особенностями при формировании сигналов, которые могут снизить производительность использования генератора, 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 или 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

[3]

Vампл – установленное значение амплитуды импульса;
±Vсмещ – значение внутреннего смещения генератора,
полярность смещения  «+» или «-» выбираются из необходимости
формирования положительного или отрицательного импульса

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

Рисунок 10

Рисунок 10
(щелчок по изображению - увеличение)

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

Рисунок 11

Рисунок 11
(щелчок по изображению - увеличение)

Импульсный сигнал смещён 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 подключённого к генератору устройства – см. рис 12, но и амплитуда полезного импульсного сигнала, по отношению к нулевой линии увеличивается всего на ½ установленного приращения.    

Рисунок 12

Рисунок 12
(щелчок по изображению - увеличение)

В сигнале присутствует паразитная отрицательная составляющая.

В этом случае требуется очередная коррекция постоянного смещения. Каждый раз при необходимости постоянного изменения амплитуды импульса, потребуется отслеживать уровень постоянного смещения этого импульса, всё 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 случая приведённого выше - нижний уровень будет 0 Вольт, а изменение амплитуды импульса производится изменением верхнего уровня сигнала. В этом случае компенсации постоянного составляющей не требуется, что приводит к значительному росту производительности использования генератора. Так на рисунке 13 приведён пример формирования положительного импульса (аналогично рисунку 11). А на рисунке 14 приведён пример увеличения амплитуды импульса (аналогично рисунку 12), как видно из рисунков 13 и 14 паразитные постоянные составляющие не появляются.

Рисунок 13

Рисунок 13
(щелчок по изображению - увеличение)

 

Рисунок 14

Рисунок 14
(щелчок по изображению - увеличение)

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 на сегодняшний день массовые генераторы сигналов произвольной формы, например ГСС-120, позволяют формировать импульсы со скважностью 0,1%. Генераторы сигналов произвольной формы серии AFG3000 компании Tektronix , позволяют формировать импульсы со скважностью 0,01%. Генератор сигналов АКИП-3402 позволяет формировать импульсы со скважностью 0,0000002%! Это означает, что при формировании импульса с самой минимальной длительность 20 нс, период повторения составляет 10 с! Короткие импульсные сигналы, с параметрами указанными выше, обладают сверх широким спектром частот, зави