Меню

Что такое генератор сигналов произвольной формы

Генератор произвольных сигналов

Содержание

Генератором произвольных сигналов называется прибор, с помощью которого можно сгенерировать любой математически описанный сигнал, например, многотональный, импульсный, который будет иметь характеристики, заранее установленные оператором. Ими могут быть форма, энергетические параметры, статистические функции.

Рис. 1. Приборная панель генератора произвольных сигналов

Назначение

Генераторы произвольных сигналов, в основном, используются при разработке и производстве электронных модулей и компонентов. С помощью прибора можно посылать «идеальные» сигналы или наоборот, добавлять к сигналу заранее предусмотренные ошибки нужного в эксперименте типа. Такая функция является одной из важнейших в работе генератора произвольных сигналов, потому что редко когда есть возможность генерировать такие искажения с помощью самой схемы, над которой проводятся исследования. На основе результатов такого анализа можно определить, корректно ли модуль выполняет свои функции.

Классификация

По форме выходного сигнала:

  • Синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов).
  • Прямоугольных импульсов.
  • Функциональный генератор.
  • Генератор линейно-изменяющегося напряжения.
  • Генератор шума.

Принцип работы

Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов произвольных сигналов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.

Рис. 2. Принцип формирования сигнала

Принцип работы генератора произвольных сигналов основан на технологии прямого синтеза. 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. Генератор произвольных сигналов формирует сигнал с изменяемой по времени амплитудой, который подается на тестируемый элемент или высокочастотный модуль, фильтр. Форма сигнала может быть произвольной, а может быть в виде любой периодической функции, например, синусоиды. Может представлять собой цифровой импульс или двоичную последовательность.

Области применения

Генераторы произвольных сигналов используют современные лаборатории разработчиков электронных и измерительных приборов. Одинаковые генераторы могут применяться в кабинетах от начального до продвинутого уровня.

Рис. 3. Упрощенная функциональная схема генераторов произвольных сигналов

Как выбрать

Выбор генератора произвольных сигналов зависит от задач, которые вы преимущественно выполняете или от запросов, что вы ждете от прибора.

Если вам нужен портативный прибор для генерации сигналов самых различных форм, т.е. вам нужно воспроизводить интересующие сигналы и тестировать оборудование при том, что все эти операции нужно делать с незначительной амплитудой вектора ошибок и небольшим уровнем шума, то вам потребуется генератор с разрешением больше 10 бит и частотой дискретизации от 200 Мвыб/с до 50 Гвыб/с.

Рис. 4. Тестирование устройства с использованием сигнала, сформированного генератором произвольного сигнала

Источник

Генераторы сигналов

Генераторы сигналов – приборы, позволяющие получать электрические, акустические и иного рода импульсы. Устройства бывают разных видов — обычно прибор подбирают под конкретную цель. Решающими факторами при выборе могут оказаться форма прибора, его статические функции и энергетические показатели. Устройство применяют в разных сферах — как в медицине, так и в быту (стиральные машины, микроволновки).

Историческая справка

Первый генератор был создан в 1887 году немецким физиком Германом Герцем. Прибор разрабатывался на основе индукционной катушки (или катушки Румкорфа). Он был искровым и вырабатывал электромагнитные волны. Потом история развивалась так:

  • 1913 г. Другой немецкий ученый, Александр Мейснер, создал электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом.
  • 1915 г. Появилась ламповая (или индуктивная) схема. Включение контура было автотрансформаторным, что отличало его от ранних изобретений. Идея принадлежала американскому физику Ральфу Хартли.
  • 1919 г. На этот раз идея снова принадлежит американцам. Ученый Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, подключаемое к колебательному контуру посредством емкостного разделителя напряжения.

Это было лишь начало. Позже инженерами разных стран было создано множество вариаций электронных генераторов.

Как устроен генератор сигналов?

Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.

Стандартная модель сигнального генератора состоит из нескольких частей:

  1. Экран на передней панели. Нужен для отслеживания колебаний и управления ими.
  2. Редактор. Расположен в верхней половине экрана. Позволяет выбрать функцию.
  3. Секвенсор. Размещён чуть ниже редактора, дает информацию о частоте колебаний.
  4. Регулятор. Контролирует и настраивает частоту изменений.
  5. Выходы сигналов. Обычно располагаются под экраном в самом низу прибора. Рядом – кнопка включения оборудования.

Смещение сигнала и его амплитуда обычно регулируются 2 кнопками. Работа с файлами происходит через мини-панель. Она дает пользователю просмотреть результаты тестирования или сохранить их для будущего анализа.

Принцип действия

Рассмотрим схему действия на примере простейшего электронного генератора. Есть проводник и магнитное поле, по которому он движется. В качестве проводника обычно используют рамку.

  1. Рамка крутится внутри поля и пересекает линии магнитной индукции, отчего образуется электродвижущая сила.
  2. Электродвижущая сила воздействует на ток, который начинает двигаться по рамке.
  3. Электроток проникает в наружную цепь за счет контактных колец.

Схема генератора похожа на схему усилителя. Разница в том, что у первого нет источника входного сигнала. Он заменяется сигналом положительной обратной связи (ПОС).

В процессе обратной связи (ОС) часть выходного сигнала направляется на входную цепь. Структура такого импульса задается спецификой цепи обратной связи. Чтобы обеспечить нужную периодичность колебаний, цепи ОС создают на базе LC или RC-цепей. Частота будет зависеть от времени перезарядки конденсатора.

После формировки в цепи ПОС сигнал отправляется на вход усилителя. Там он умножается в несколько раз и поступает на выход. Оттуда часть отправляется на вход посредством цепи ПОС и снова ослабляется, возвращаясь к исходному значению. Благодаря такой схеме внутри устройства поддерживается постоянная амплитуда выходного сигнала.

Как устроен генератор смешанных сигналов?

Принцип действия генератора смешанных импульсов направлен на то, чтобы ускорить образование сигналов и воспроизводить их с максимальной точностью. Передняя панель прибора снабжена органами управления для контроля самых важных и часто изменяемых параметров. Менее востребованные и редко используемые функции можно найти в меню на основном экране.

Регулятором уровня устанавливается амплитуда движения выходного сигнала. Амплитуду и смещение можно регулировать без входа в многоуровневую систему меню.

Отдельный регулятор также позволяет изменить частоту дискретизации путем изменения периодичности выходного сигнала. При этом форму последнего этот настройщик изменить не сможет. Такая функция есть лишь в меню на основном экране редактирования. Форму выбирают при помощи сенсорной панели или мышки. Пользователь открывает нужную страницу и просто заполняет бланк с цифровой клавиатуры или поворотной ручкой.

Виды генераторов сигналов

Приборы различаются по ряду характеристик. Например, по форме сигнала (синусоидальные, прямоугольные, в виде пилы), по частоте (низкочастотные, высокочастотные), по принципу возбуждения (независимое, самовозбуждение). Однако существует несколько основных видов — о них и расскажем подробнее.

Синусоидальный

Прибор усиливает первоначальный синусоидный код в десятки раз. На выходе получается частота до 100 МГц. При этом исходный синус, как правило, не превышает 50 МГц. Генераторы синусоидального импульса активно используют при проверке блоков питания, инверторов и другой высокочастотной техники, а также радиоаппаратуры.

Генератор низкочастотный

Ниже схема самого простого низкочастотного генератора. На ней видно, что в приборе присутствуют переменные резисторы. Они позволяют корректировать форму и частоту сигнала. Изменить силу импульса можно подключенным модулятором KK202.

Такой прибор подойдет для настройки аудиоаппаратуры (звуковых усилителей, проигрывателей). Наиболее доступным вариантом низкочастотного генератора является обычный компьютер. Достаточно скачать драйверы и подключить его к аппаратуре через переходник.

Генератор звуковой частоты

Стандартная конструкция с микросхемами внутри. Напряжение подается в селектор, а сам сигнал генерируется в одной или нескольких микросхемах. Частоту можно настраивать при помощи модуляционного регулятора. Прибор отличается более обширным диапазоном частоты, чем аналоги (до 2000 кГц).

Импульсы произвольной формы

Генераторы с импульсами произвольной формы имеют повышенную точность. Погрешность минимальная — до 3%. Выходной импульс подвергается тонкой регулировке с применением шестиканального селектора. Прибор вырабатывает частоту от 70 Гц.

Устройства делят по степени синхронизации. Зависит она от типа коннектора, который установлен в прибор. Поэтому сигнал может усиливаться за 15-40 ньютон-секунд. Некоторые модели работают на 2 режимах – линейном и логарифмическом. Режим меняется переключателем, за счет чего корректируется амплитуда.

Контроллеры сложных сигналов

В сборке присутствуют только многоканальные селекторы, так как приборы получают импульсы сложной формы. Сигналы многократно усиливаются, режим можно изменить при помощи регулятора. Вариацией такого прибора считается DDS (устройство по схеме прямого цифрового синтеза).

Базовая плата оборудуется микроконтроллерами, которые легко снимаются и ставятся на место. В некоторых моделях можно заменить микроконтроллер одним движением. Если редактор монтированный, ограничители установить нельзя. Прибор генерирует измерительный сигнал мощностью до 2000 кГц с погрешностью до 2%.

Генератор цифрового сигнала

Цифровые генераторы популярны, потому что отличаются высокой точностью. Пользоваться ими удобно, однако они нуждаются в тщательной настройке. Здесь стоят коннекторы KP300, резисторы достигают сопротивления от 4 Ом. Это позволяет добиться предельно допустимого внутреннего напряжения в схеме.

Области применения

Генераторы сигналов используют современные лаборатории разработчиков электронных и измерительных приборов. Одинаковые генераторы могут применяться в кабинетах от начального до продвинутого уровня.

Однако эти функциональные устройства применяют для настройки и тестирования оборудования и в областях, более доступных обывателю. Вот лишь неполный список устройств, которые используют генераторы:

  • мобильные телефоны, техника для передачи данных, радио- и телеприемники;
  • вычислительные приборы;
  • инверторы, источники бесперебойного питания от электричества или импульсов;
  • бытовые приборы (СВЧ-печи, стиральные и посудомоечные машины);
  • измерительные приборы (амперметры, вольтметры, осциллографы);
  • медицинская аппаратура (томографы, электрокардиографы, аппараты УЗИ).

Находчивые пользователи применяют устройства и для иных целей. Например, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а RStamp SMA100A хорошо показал себя в регулировке аэронавигационных систем.

Источник

Современные USB-генераторы сигналов произвольной формы с сегментированной памятью АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405. Часть 1

АКИП АКИП-3403 АКИП-3404 АКИП-3405

В настоящее время широкое применение получают средства измерений на базе персональных компьютеров или «виртуальные приборы». Такие средства измерений не могут функционировать без внешнего компьютера, на котором установлено управляющее программное обеспечение и осуществляется отображение всей информации (но возможна автономная работа без ПК уже после загрузки данных). Такая техническая реализация «прибор и компьютер раздельно» позволяет создавать достаточно сложные средства диагностики и измерений при относительно невысокой цене. К таким типам приборов относятся генераторы сигналов произвольной формы АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405.

В настоящее время широкое применение получают средства измерений на базе персональных компьютеров или «виртуальные приборы». Такие средства измерений не могут функционировать без внешнего компьютера, на котором установлено управляющее программное обеспечение и осуществляется отображение всей информации (но возможна автономная работа без ПК уже после загрузки данных). Такая техническая реализация «прибор и компьютер раздельно» позволяет создавать достаточно сложные средства диагностики и измерений при относительно невысокой цене. К таким типам приборов относятся генераторы сигналов произвольной формы АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405. Особенностью генераторов АКИП-3404 и АКИП-3405 является то, что кроме аналоговых сигналов, они имеют возможность формирования и кодовых цифровых последовательностей.

Основные характеристики генераторов АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405 приведены в таблице 1.

250 МГц – реальное время
1 ГГц – с интерполятором

Максимальная частота сигнала

16 бит – в режиме ARB
36 бит – в режиме DDS

2 М штатно
4 М опция
8 М опция

Число логических каналов (опция)

Максимальный уровень сигнала, 50 Ом

Сразу отметим, что для пользователей, нуждающихся в оперативной регулировке амплитуды или быстром изменении формы выходного сигнала, эти генераторы не подойдут, не будут оптимальным решением в силу специфики формирования выходного сигнала из-за многоуровневых манипуляций. С точки зрения «прямых» настоек USB-генераторы АКИП позволяют в реальном масштабе времени регулировать лишь частоту выходного сигнала. Для пользователей, действительно нуждающихся в сложном по структуре сигнале, который может использоваться для эмуляции различных технологических процессов в телекоммуникации, в протоколах последовательной передачи, для обучения в учебных заведениях, для научных исследований, этот генератор является незаменимым.

USB-генераторы сигналов произвольной формы АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405 являются AWG-генераторами (от английской аббревиатуры Arbitrary Wave Generator – генератор произвольной формы) с возможностью формирования выходного сигнала на принципе сегментированной памяти. Большинство же генераторов сигналов произвольной формы (СПФ), представленных в настоящий момент на российском рынке, являются DDS-генераторами (от английской аббревиатуры Digital Direct Synthesis – прямой цифровой синтез). Отличия принципов работы, достоинства и недостатки генераторов AWG и DDS приведены в публикации по этой теме: «Наведение мостов над пропастью».

Особенности функционирования генераторов АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405 будут рассмотрены на примере генератора АКИП-3405, как обладающего наиболее расширенными функциональными возможностями из всех ранее упомянутых моделей. Данный генератор имеет 4 независимых аналоговых канала и 2 независимых генератора кодовых последовательностей. Для генераторов АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405 термин «независимые каналы» означает, что сигналы на всех его выходах (как аналоговых, так и цифровых) имеют свою индивидуальную частоту дискретизации, что позволяет не только формировать разные по форме выходные сигналы, но и сигналы абсолютно не связанные друг с другом по частоте и амплитуде. Это очень важное достоинство конструкции, поскольку для подавляющего большинства генераторов СПФ (например, Tektronix серии AFG или Tabor) термин «независимость» означает формирование сигналов только разных форм и амплитуды, но при изменении частоты сигнала в одном канале автоматически происходит изменение частоты сигнала во втором (третьем, четвертом) канале.

Программное обеспечение

Ядром управления генератора АКИП-3405 является программное обеспечение (далее ПО) установленное на внешнем компьютере. После инсталляции ПО на рабочем столе появляются две иконки «AWG Quick Start» и «AWG- Navigator».

Программа «AWG Quick Start» предназначена для быстрого формирования стандартных сигналов – синусоидального, треугольного, импульсного и изменения их основных параметров – частоты, амплитуды, постоянного смещения, скважности или фазы. Пример окна управления генератором в этом приложении приведен на рис. 1.

Рисунок 1. Пример окна управления ПО AWG Quick Start

После выбора формы сигнала и ввода соответствующих ей параметров (частота, длительность амплитуда, фаза, постоянное смещение и пр.), необходимо произвести загрузку данных в генератор нажатием на кнопку «START», и на выходе будет сформирован заданный сигнал. Особенностью «AWG Quick Start» является то, что при задании формы сигнала пользователь имеет ограниченные возможности моделирования сигнала для 4-х канальных генераторов — для канала 1 и 2 форма сигнала и его частота будет одинаковой, при других различных параметрах. Аналогично для канала 3 и 4.

Второе программное приложение «AWG- Navigator» уже является «профессиональным» с точки зрения возможностей по моделированию форм сигналов.

Прежде всего, следует отметить ступенчатость в работе приложения «AWG-Navigator» при моделировании форм сигналов. Это следует из назначения генератора АКИП-3405 — формирование сложных сигналов произвольной формы с переменной частотой дискретизации. Здесь имеет смысл разъяснить основное различие при формировании выходного сигнала между «классическими» генераторами произвольной формы и генераторами АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405. Для примера рассмотрим, как будут формировать несложный сигнал, состоящий из трех периодов синусоидального сигнала, двух периодов прямоугольного сигнала и одного периода треугольного сигнала (рис. 2) два разных типа генераторов.

Рисунок 2. Пример несложного сигнала

Для формирования простого сигнала, приведенного на рисунке 2, в память «классического» генератора сигналов произвольной формы должны быть записаны все отсчеты, составляющие эту форму сигнала. Форма сигнала из памяти генератора будет воспроизводиться от первой ячейки памяти до последней, в которой есть информация, и далее все отсчеты будут воспроизводиться по кругу. Поэтому, главное, что оценивается в таких генераторах — это длина памяти, поскольку, чем больше длина памяти такого генератора, тем более сложную форму сигнала он может воспроизвести (или воспроизвести сигнал на большем интервале времени).

Генераторы АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405 эту форму сигнала будут формировать по другому принципу. Форму сигнала, приведенную на рисунке 2, можно разложить на три элементарные формы сигнала — один период синусоиды, один период прямоугольника и один период треугольной формы сигнала. Далее необходимо воспроизвести один период синусоиды три раза, далее перейти к воспроизведению одного периода прямоугольного сигнала два раза, далее воспроизвести один период треугольного сигнала и начать заново цикл воспроизведения по «большому» кругу (см. рис.3).

Рисунок 3. Схема формирования сигнала в USB-генераторах АКИП

Очевидно, что для формирования этого не очень сложного сигнала генератор АКИП расходует в два раза меньше памяти, чем «классический» генератор сигналов произвольной формы. Если предположить, что сигнал, приведенный на рисунке 2, будет иметь не три периода синусоидального сигнала, а 96, то «классический» будет вынужден держать в памяти уже 99 периодов формы сигнала, а генератор АКИП все те же три, только синусоидальная форма сигнала будет воспроизведена по кругу 96 раз. Выигрыш в использовании памяти в этом случае уже составит 33 раза. Если предположить, что сигнал, приведенный на рисунке 2, будет иметь миллион периодов синусоидального сигнала, то может оказаться, что «классический» генератор из-за ограниченной длины памяти уже будет не в состоянии воспроизвести этот сигнал. А ресурсы памяти генератора АКИП останутся на прежнем уровне — три элементарные формы сигнала и воспроизвести сигнал по кругу миллион раз для первой формы, два раза для второй и один раз для третьей не составит никакого труда. При этом генератор АКИП будет иметь еще достаточно большой объем свободной памяти, в который могут быть записаны и воспроизведены и другие формы сигнала. Такой принцип использования памяти при формировании сигнала называется «сегментированной памятью». Он позволяет наиболее рационально использовать память генератора произвольной формы и даже при небольшом объеме памяти формировать достаточно сложные сигналы с большим периодом повторения.

Сложный сигнал, формируемый генератором АКИП-3405, в подавляющем большинстве случаев можно разложить на множество более простых составляющих, подобно кирпичикам, из которых и будет конструироваться выходной сигнал. Поскольку число составляющих «кирпичиков» весьма велико, то их комбинирование по различным законам приводит к практически бесконечному числу возможных выходных форм сигнала. Сама же «элементарная» форма сигнала имеет вполне определенную структуру и является одной из стандартных форм сигнала, задается математической формулой или загружается из внешнего файла.

Перед началом моделирования сигналов с помощью генератора АКИП необходимо создать «Проект» — это группа файлов, содержащих всю информацию о создаваемом сигнале и режимах работы генератора (параметры синхронизации, выходов и др.). После создания проекта необходимо выбрать один из трех режимов работы генератора — AWG (произвольной формы), смешанный (формирование аналоговых и логических сигналов) или формирование кодовой цифровой последовательности.

Режим AWG является основным при формировании 4-х канального сигнала. И имеет два функциональных подрежима — собственно AWG-режим (СПФ) и DDS-режим (прямой цифровой синтез для более быстрого моделирования простых сигналов и сигналов с различной модуляцией).

Как уже отмечалось выше, формирование сигнала сложной формы носит ступенчатый характер. Определение структуры ступенчатого моделирования сигнала происходит от старшего уровня к младшему: Форма сигнала — Сегменты – Компоненты, но рассматривать принцип формирования сигнала лучше в обратной последовательности, начиная с компонентов (т.е. как говорится – «от простого к сложному»).

Формирование компонент

Компонента – это элементарная составляющая сигнала. В качестве компоненты можно выбрать одну из стандартных форм сигнала из предлагаемого списка: постоянное напряжение, синус, косинус, треугольный, прямоугольный, пилообразный, линейно нарастающий, линейно спадающий, импульсный, sin(x)/x, экспоненциальный, качающейся частоты. Также форма компоненты может быть загружена из внешнего файла или задана математической формулой. Для стандартных форм сигнала задаются все параметры, присущие выбранному типу сигнала, а также число отсчетов, составляющих эту форму сигнала (или же как обратную величину, возможно задать общее время длительности компоненты) и число периодов повторения сигнала в заданном временном интервале. Так на рис.4 приведен пример окна программирования для создания 1-й компоненты – синусоидальный сигнал с периодом повторения 20 мкс и амплитудой 3 В.

Рисунок 4. Пример окна программирования на уровне компонент сигнала

Далее добавим вторую компоненту: 8 периодов пилообразного сигнала общей длительностью 20 мкс и амплитудой 2 В (см. рис 5), а затем зададим алгоритм взаимодействия компонент, например, «умножить» (всего возможно одно из следующих действий сложить, вычесть, умножить и разделить). Результирующий сигнал из суммы двух компонент приведен на рисунке 6.

Рисунок 5. Вторая компонента сигнала

Рисунок 6. Результирующий сигнал из суммы двух компонент

Если добавить еще одну компоненту к сигналу, например импульсный сигнал длительность 8 мкс, амплитудой 6 В, постоянным смещение -0,3 В, задержкой фронта 1 мкс и применить функцию сложения, то получится суммарный сигнал, отображенный на рис. 7.

Рисунок 7. Результирующий сигнал из трех компонент

Программная оболочка генератора АКИП-3405 позволяет оперативно изменять любые параметры компонент и в окне просмотра визуально контролировать форму компоненты и сегмента в целом. Для облегчения просмотра и редактирования компоненты возможно использование стандартных функций окна – растяжка, масштабирование отдельных участков сигнала, изменение формата представления, использование курсоров и пр.

Формирование сегментов и Форм сигналов

Сегмент – элемент формы сигнала, который состоит из наложения нескольких компонент. Результирующая из наложения нескольких компонент является одной из последовательных составляющих Формы сигнала.

Форма – итоговый сигнал, состоящий из последовательности одного или нескольких Сегментов. Для упрощения формирования отдельных периодических участков Формы сигнала можно указать число повторений Сегментов. В зависимости от длинны сегмента и установленной в генератор АКИП-3405 опциональной памяти возможно повторение сегмента до 65535 раз. В отличие от ситуации, когда при повторении отдельных участков сигнала оптимизируется использование памяти генератора (рис. 3), на стадии повторения сегментов использование памяти не оптимизируется, поскольку на этом этапе все еще происходит формирование отдельного «кирпичика» для формирования выходного сигнала, и он полностью записывается во внутреннюю память генератора. Так на рисунке 8 приведен пример окна программы формирования Формы 1 сигнала, в которой имеются три сегмента. Сегмент 1 приведен на рисунке 7 и для него задано повторение три раза, Сегмент 2 представляет собой пять периодов синусоидального сигнала, и Сегмент 3 представляет собой семь периодов прямоугольного сигнала.

Рисунок 8. Пример окна программы формирования формы сигнала

При формировании каждой компоненты содержащихся в Форме 1 было использовано 5000 точек памяти, соответственно суммарное использование памяти для формирования Формы 1 составило 25000 точек. Форма 1 сигнала для этого случая представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. Форма сигнала из 3 сегментов

Программная оболочка генератора АКИП-3405 в листинге «Форма-Сегмент-Компонент» (см. рис. 8) позволят компьютерной мышкой переставлять порядок компонент в Сегменте, что приводит к изменению формы Сегмента, перемещать компоненты из одного Сегмента в другой или изменять порядок воспроизведения Сегментов в Форме. Форму сигнала уже можно сохранить в отдельном файле с расширением «.txt» (отдельно сохранить Сегмент или компонент в файл не возможно).

Достаточно интересным представляется формирование компонент на основе математических формул. Для этого достаточно ввести математическую модель выходного сигнала и программная оболочка USB-генератора АКИП-3405 сама произведет все необходимые вычисления и построит необходимый сигнал. Так на рисунке 10 приведен пример моделирования компоненты по формуле 100000*(Exp(-x/350))*Sin(3.141592*x) и ее графическое воспроизведение.

Рисунок 10. Пример моделирования компоненты по формуле

Транслятор формул в программной оболочке имеет возможность интерактивного поиска синтаксических ошибок в формуле, с указанием строки, где имеется ошибка, некорректная запись или ошибка в указании аргументов.

Особое внимание при создании компонент следует обратить на возможность подргузки файлов, содержащих данные о форме сигнала. Эти файлы должны иметь расширение «.csv» и могут быть предварительно созданы в таких приложениях как Excel, MatCad, специализированных программах создания сигналов для генераторов СПФ (Agilent, АКИП, Tektronix, Tabor и пр.) или быть полученными в результате оцифровки запоминающим осциллографом, способным сохранять захваченные данные с расширением «.csv «. Использование цифрового осциллографа дает возможность клонирования генератором АКИП-3405 сигналов реально существующих у пользователя сигналов. К тому же, из-за все более и более широкого распространения генераторов сигналов произвольной формы, в ближайшем будущем стоит ожидать появления платных (или бесплатных) библиотек различных типов сигналов — телекоммуникационных, цифровых, телевизионных, различных протоколов передачи данных, аналоговых и пр., имеющих целью снизить временные затраты пользователя на манипуляции по моделированию такого рода сигналов.

К созданной Форме сигнала можно применить две операции – фильтрацию и наложение шумов.

Использование цифровых фильтров

Фильтрация. Генератор АКИП-3405 обладает достаточно мощным набором фильтрующих инструментов способным решать самый широкий круг современных измерительных задач. Окно просмотра редактора позволяет в «живую» увидеть результат воздействия фильтра на сигнал. В качестве параметров фильтра задаются:

  1. Положение фильтра – по всему сигналу или в заданном маркерами диапазоне.
  2. Вид фильтра – низкочастотный, высокочастотный, полосовой, режекторный, слаживающий.
  3. Частоты среза – нижние, верхние.
  4. Вид импульсной переходной характеристики – бесконечная импульсная характеристика (БИХ), конечная импульсная характеристика (КИХ).
  5. Тип фильтра — Баттерворта, Чебышева, инверсный Чебышева, Эллиптический, Бесселя.
  6. Порядок фильтра – от 0 до 255.

На рисунках 11 и 12 приведен результат воздействия фильтра на свип-сигнал, имеющий диапазон частот от 1 кГц до 10МГц. Фильтр имеет следующий характеристики — воздействие по всему сигналу, полосовой, нижняя частоты среза 1 МГц, верхняя частоты среза 5 МГц, вид ПХ-БИХ, тип фильтра — Баттерворта 20-го порядка. На рисунке 11 фильтр воздействует во всей полосе частот свип-сигнала, на рисунке 12 – только в диапазоне частот ограниченном курсорами.

АЧХ сигнала в окне просмотра привязана не к частоте сигнала, а ко времени свипирования (или к длине памяти), поскольку именно к этим параметрам осуществляется привязка сигнала при его моделировании. АЧХ сигнала представляется только в линейном масштабе.

Рисунок 11. Результат воздействия фильтра на свип-сигнал во всей полосе частот
Рисунок 12. Результат воздействия фильтра на свип-сигнал в диапазоне частот ограниченном курсорами

Цифровые фильтры генератора АКИП-3405 могут применяться и к статическим сигналам. Так, например, на рисунке 13 приведен пример фильтрации импульсного сигнала низкочастотным фильтром Баттерворта 10-го порядка, с фильтрацией в пределах окна. На осциллограмме отчетливо виден «звон» на вершине и спаде (срезе) импульса, характерный при ограничении спектра импульсного сигнала.

Рисунок 13. Пример фильтрации импульсного сигнала НЧ-фильтром Баттерворта

Наложение шума

Генератор АКИП-3405 имеет возможность наложения шума на сигнал. В качестве параметров задаются:

  1. Положение зашумления – по всему сигналу или в заданном маркерами диапазоне.
  2. Вид шума – Гауссовский, постоянный и белый.
  3. Для разных видов шума задаются присущие им параметры. Для Гауссовского шума — масштабный коэффициент и стандартное отклонение. Для постоянного шума — только масштабный коэффициент. Для белого шума — масштабный коэффициент и амплитуда.

Рисунок 14. Пример зашумления части сигнала белым шумом

Формирование последовательности воспроизведения

На этом процесс подготовки к созданию листинга Форм сигнала можно, в основном, считать завершенным и для формирования выходного сигнала генератора необходимо определить последовательность воспроизведения отдельных Форм сигнала и число их повторений. Следует отдельно отметить, что для проекта, содержащего в листинге большое число Форм сигнала, нет необходимости включать их все в последовательность воспроизведения. Пользователь, в зависимости от стоящих задач, формирует последовательность воспроизведения Форм сигнала и задает число их повторений (максимально до 8.589.934.591 однократного повторения одной Формы сигнала в одном шаге последовательности). При этом, если указанного числа повторений недостаточно для однократного воспроизведения Формы сигнала, возможно повторить эту же Форму сигнала на следующем шаге с другим числом повторений. В создаваемой последовательности одни и те же Формы сигнала могут повторяться несколько раз и каждый раз со своим циклом повторений. Всего последовательность повторений может содержать до 511 Форм сигнала. При такой реализации, пользователь имеет возможность получить максимальный период повторения сигнала на выходе генератора равным 4.389.456.576.001 периодам Формы сигнала — это очень большое значение, при котором период повторения сигнала становится практически бесконечным и сигнал действительно может иметь абсолютно произвольную форму. Формирователь последовательности повторений также имеет удобную функцию поиска ошибок и, если пользователь забыл, или не желает указывать последовательность воспроизведения Форм сигналов, то после короткого предупреждения будет воспроизводиться только Форма сигнала стоящая в листинге под номером 1.

Аналогичным образом формируются собственные независимые друг от друга последовательности сигналов на выходах 2, 3 и 4 генератора АКИП-3405. Генераторы АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405 имеют возможность параллельного объединения до 8 генераторов в одну систему, под управлением одной программной оболочки, с общей синхронизацией и одним тактовым генератором. Это позволяет получить 32-х канальный генератор сигналов произвольной формы.

Амплитудная модуляция

Программная оболочка Режима AWG позволяет создавать и амплитудно-модулированные сигналы. Во избежание излишне трудоемких действий для сознания частотно-модулированных и фазово-модулированных сигналов для их моделирования существует программная оболочка «режим DDS». Для создание сложной (или простой) несущей для АМ-сигнала используются все методы описанные выше. Формирование огибающей АМ-сигнала может происходить двумя способами:

  1. Импорт из файла.
  2. Собственное моделирование.

Импорт допускается из файла с расширением «.txt». Файл должен содержать коэффициент амплитуды, имеющий значение от 0.0 до 1.0, и абсолютное значение времени, в течение которого этот множитель коэффициента амплитуды активен для выходного сигнала.

Собственное моделирование огибающей АМ-сигнала производится аналогично основному выходному сигналу (несущей), но только с двумя составляющими элементами – сегмента и ввода постоянной. Конструирование огибающей может производиться из нескольких постоянных, что будет приводить к ступенчатому изменению амплитуды сигнала на выходе генератора. Уменьшая время постоянной, можно создавать «короткие» ступеньки и тем самым получать более сложные формы сигнала огибающей. Но это уже будет сопряжено со значительными временными затратами.

Создание «стандартных» типов огибающих и их последовательное комбинирование возможно при формировании сегментов. Сегмент может содержать одну из следующих форм сигнала:

  1. Синусоидальную
  2. Косинусоидальную
  3. Треугольную
  4. Прямоугольную
  5. Пилообразную
  6. Линейно нарастающую
  7. Линейно спадающую

Для каждого из этих типов сигнала также задаются определенные для них параметры – длительность сегмента, число циклов (в том числе меньше единицы или нецелое число), амплитуда, начальная фала, скважность и постоянное смещение. Как же для каждого сегмента необходимо задать число точек составляющих его форму – чем больше точек, тем более гладкой будет форма огибающей, но для этого необходимо использовать больший объем памяти.

Таким образом, огибающая АМ-сигнала генератора АКИП-3405 также может иметь произвольную форму некоррелированную с произвольной формой несущего колебания.

Так на рисунке 15 приведен пример конструирования огибающей, состоящей из двух постоянных (с коэффициентами 0.7 и 0.5) и трех сегментов – двух периодов синусоиды; линейно нарастающего сигнала и полупериода косинуса. А на рисунке 16 приведена осциллограмма АМ-сигнала с этой огибающей.

Рисунок 15. Пример конструирования огибающей

Рисунок 16. Осциллограмма АМ-сигнала огибающей (рис. 15)

Вышеизложенные режимы редактирования и возможности моделирования сигнала для 2-х и 4-х канальных USB-генераторов АКИП (АКИП-3404 и АКИП-3405) на этом не заканчиваются. В последнее время производители профессиональных импульсных генераторов или генераторов СПФ добавляют в генераторы функцию сложения сигналов с двух выходов.

Это позволяет на выходе 1 получить сигнал по амплитуде в два раза превышающий максимальное значение для одного канала, или получить результат суммирования двух различных форм сигнала, например, моделирование наличия различного рода помех в полезном сигнале и пр. К таким генераторам можно отнести генератор Agilent Technologies 81150A в двух канальном исполнении и импульсный генератор Picosecond 12000-2.

Комбинирование выходов генератора

Генераторы АКИП-3404 и АКИП-3405 также имеют возможность математических действий на выходе, и не только сложение как для генераторов, указанных выше, а сложение и умножение форм сигналов или оба этих действия одновременно; или сложение и умножение с постоянными коэффициентами. Другой отличительной особенностью математики на выходе является то, что результирующим выходом может быть любой из каналов — Канал 1 или Канал 2 (Канал 3 или Канал 4 для генератора АКИП-3405). Пример окна программной оболочки USB-генератора АКИП-3405 для математических действий с выходом приведен на рисунке 17.

Рисунок 17. Пример окна ПО для математических действий с выходом

На рисунках 18, 19 и 20 приведен пример отображения выходных сигналов полученных в этом режиме (не очень сложных, но наглядных).

Рисунок 18. Отображение двух исходных сигналов без математической функции на выходе
Рисунок 19. Функция сложения «вправо», при которой на выходе Канала 1 остается неизменный выходной сигнал, а на выходе Канала 2 получается результирующий сигнал

Рисунок 20. Функция сложения «влево», при которой на выходе Канала 2 остается неизменный выходной сигнал, а на выходе Канала 1 получается результирующий сигнал

Формирование смешанных сигналов

Генераторы сигналов произвольной формы АКИП-3404 и АКИП-3405 имеют режим формирования смешанных сигналов – аналогового и цифрового. Возможности и порядок формирования цифрового сигнала, независимого от аналогового, будут представлены несколько позднее, поскольку это отдельный режим функционирования генераторов АКИП-3404 и АКИП-3405. В режиме AWG есть дополнительная функция – формирования на разъеме логического выхода цифрового сигнала, который формирует аналоговый сигнал на выходе каналов 1 и 3, для генератора АКИП-3405, или только на выходе 1, для генератора АКИП-3404. То есть в этом режиме, выходы внутреннего ЦАП, формирующего выходной сигнал, параллельно выводятся на отдельный выходной разъем. Такого рода смешанные сигналы могут использоваться при разработке и тестировании различного рода цифровых устройств, например ЦАП, или эмулирования протоколов передачи данных. Логическая шина имеет 16 разрядов и возможность регулировки уровня логической единицы в пределах от 1.6 до 3.5 В.

Рисунок 21. Пример формирования аналогового сигнала и логической шины, соответствующей этому аналоговому сигналу

Режимы запуска и синхронизации сигналов

Функциональные возможности столь сложных генераторов были бы не полными без обширного меню комбинирования режимов запуска и синхронизации.
Для сигналов произвольной формы, воспроизведение которых осуществляется по сегментированному принципу, использование различных режимов запуска расширяет возможности моделирования форм сигналов или задание условий при их воспроизведении.

USB-генераторы АКИП-3403, АКИП-3404 и АКИП-3405 имеют следующие режимы запуска:

  1. Однократный
  2. Периодический
  3. Пошаговый
  4. Пакетный

Однократный – режим, при котором после нажатия на кнопку «Запуск», происходит однократный запуск последовательности воспроизведения, последняя в последовательности Форма сигнала будет воспроизводиться периодически до нажатия кнопки «Стоп».

Периодический – режим, при котором после нажатия на кнопку «Запуск» происходит циклический запуск последовательности воспроизведения от первого шага до последнего. При нажатии на кнопку «Стоп» формирование последовательности прекращается.

Пошаговый – режим, при котором после нажатия на кнопку «Запуск» происходит воспроизведение первой Формы сигнала из листа воспроизведения, и воспроизведение происходит столько раз, сколько в листе воспроизведения задано повторений для этой Формы сигнала. После окончания повторения первой Формы сигнала, генератор переходит в ждущий режим, сигнал на выходе генератора отсутствует. При втором нажатии на кнопку «Запуск» происходит воспроизведение второй Формы сигнала с заданным числом повторений и генератор снова переходит в ждущий режим. Третье, четвертое и все последующие нажатия на кнопку «Старт» воспроизводят Формы сигнала из листа с заданным числом повторений. При воспроизведении последней Формы сигнала и при последующем нажатии на кнопку «Запуск» снова воспроизводится первая Форма сигнала. При нажатии на кнопку «Стоп», вне зависимости от шага воспроизведения и последующем нажатии на кнопку «Запуск» формирование последовательности начинается снова с первой Формы сигнала.

Пакетный – режим, при котором после нажатия на кнопку «Запуск» происходит периодическое воспроизведение первой Формы сигнала из листа воспроизведения, оно будет продолжаться до второго нажатия на кнопку «Запуск». После этого генератор перейдет к воспроизведению второй Формы сигнала. Каждое последующее нажатие на кнопку «Запуск» приводит к воспроизведению последующей формы сигнала и т.д. При нажатии на кнопку «Стоп» воспроизведение выходного сигнала прекращается.

При моделировании сигнала АМ, огибающая также имеет свои режимы запуска, независимые от режимов запуска несущей. Это режимы запуска – Однократный и Периодический. Алгоритм функционирования режимов запуска аналогичен описанным выше, но только с той разницей, что при однократном запуске при отсутствии модулирующего сигнала несущая на выходе генератора будет отсутствовать. На рисунке 22 приведен пример формирования АМ-сигнала для рисунка 16, но при однократном запуске.

Рисунок 22. Пример формирования АМ-сигнала для рисунка 16 при однократном запуске

Синхронизация генераторов серии АКИП предназначена для выдачи сигналов, синхронных с запуском и остановкой процесса формирования сигналов (нажатие на кнопку «Запуск» и «Стоп»), маркеров или циклов логических последовательностей или запуска генератора по внешним импульсам. Импульсы синхронизации, в зависимости от установленных настроек, могут поступать на разъемы, расположенные на передней панели управления или передаваться по шине, соединяющей несколько генераторов в одну систему. Запуск второго (третьего и т.д.) генераторов по импульсу окончания последовательности позволяет увеличить общую длину последовательности сигнала в 8 раз или синхронизировать события на различных выходах разных генераторов. Генераторы АКИП, при формировании Формы сигнала, позволяют осуществлять расстановку временных меток (маркеров) на различных участках Формы сигнала. Маркеры в виде импульсов положительной или отрицательной полярности также поступают на выходы синхронизации. Генераторы АКИП дополнительно программируются, какие из сигналов синхронизации (начало, конец, маркеры или логическая шина) будут присутствовать на выходе – один их этих сигналов или их комбинация. Такая реализация значительно разветвляет возможности по внешней синхронизации нескольких генераторов, поскольку запуск второго генератора возможен по импульсу временного маркера, появляющегося на выходе раньше окончания периода повторения первого генератора. В некоторых случаях, например, при исследовании 4-хполюсников, наличие временного маркера облегчает идентификацию преобразованного сигнала на выходе 4-х полюсника.

Поскольку выход синхронизации для одного генератора один, даже для 4-х канального генератора, то внутренние выходы синхронизации каждого из каналов объединяются в один выход по правилам логической математики – «логическая единица», «логический ноль», «и», «или», «не-и», «не-или», сложение по модулю два.

Окончание читайте здесь

Источник

Adblock
detector