Добавление постоянной составляющей сигнала на выход генератора функций

Максим Писковацков,
руководитель направления измерительного оборудования общего назначения
mvp@dipaul.ru

Подача постоянной составляющей на выход генератора функций необходима при различных испытаниях радиоэлектронной аппаратуры. Результирующий сигнал, подаваемый на испытуемое устройство, представляет собой известную форму волны, наложенную на напряжение постоянного тока. Например, для проверки устойчивости схем к шуму, который может возникнуть на реальных рабочих напряжениях, можно использовать синусоидальную волну, добавленную поверх напряжения смещения. При испытании усилителя смещение транзистора можно производить с помощью постоянного напряжения, переменная составляющая которого располагалась бы поверх этого напряжения. Даже повторяющуюся серию униполярных импульсов, используемую для управления затвором полярного транзистора в DC/DC-преобразователях, принято рассматривать как импульсную последовательность с постоянным смещением. Так или иначе, в каждом из приведенных примеров испытаний необходимо наличие DC+AC-сигнала с различными требованиями к значению тока, напряжения и полосы пропускания.

Существуют разные методы генерации форм сигнала, наложенных поверх напряжения постоянного тока. Генератор функций может создавать форму волны со смещением постоянного тока. В случае необходимости подачи более высокого смещения можно использовать источник питания (ИП) постоянного напряжения, последовательно подключенный к генератору функций. Если требуется более высокая сила тока, можно использовать управляемый генератором функций ИП постоянного тока с клеммами внешнего аналогового программирования. Также возможно применение трансформатора тока, управляемого генератором функций, для формирования сигнала переменного тока на выходе ИП постоянного тока. Наконец, некоторые ИП могут создавать формы переменного тока на собственных выходах постоянного тока.

Метод использования только одного генератора функций

Большинство генераторов функций способны вносить поверх заданной формы сигнала постоянную составляющую (рис. 1). Однако из-за размещенных внутри аттенюаторов некоторые генераторы функций при установке малых значений амплитуды формы сигнала не способны выдать полный диапазон выходного напряжения постоянного тока. У последних моделей генераторов функций Keysight Technologies, Inc. данное ограничение отсутствует. Например, генератор функций/сигналов произвольной формы Keysight 33522B может генерировать форму сигнала с постоянной составляющей в диапазоне от –5 до +5 В на нагрузке 50 Ом (от –10 до +10 В при разомкнутой цепи). То есть, пользователь может выставить на приборе 33522B при выбранном значении нагрузки 50 Ом низкое значение амплитуды формы сигнала, равное 10 мВ пик–пик, и добавить максимально возможную постоянную составляющую 4,995 В. Несмотря на то, что это самый удобный способ получения сигнала с постоянной составляющей, некоторые испытания могут потребовать большее смещение. Поэтому, если необходим сигнал со смещением больше того, которое можно получить на генераторе функции, придется прибегнуть к другим методам.

Рис. 1. Сгенерированный DC+AC-сигнал с использованием только одного генератора функций

Для справки:

Большинство генераторов функций оснащены выходными каналами с 50-Ом нагрузкой, что, по сути, является резистором с номиналом 50 Ом, который последовательно соединен с выходом внутри генератора функций. Такая схема позволяет минимизировать отражение сигнала при подключении коаксиального кабеля с характерным значением импеданса и конечной нагрузкой в 50 Ом. Выходной импеданс 50 Ом и 50-Ом нагрузка образуют делитель напряжения «два к одному». Следовательно, для получения выходного напряжения на 50-Ом нагрузке с величиной, равной заданному значению напряжения, фактическое внутреннее напряжение, воспроизводимое генератором функции, должно вдвое превышать установленное значение напряжения (VSET). Следует учитывать, что если сопротивление нагрузки бесконечно (разомкнутая цепь), результирующее выходное напряжение будет в два раза больше пользовательского значения. И если значение сопротивления нагрузки (RL) отлично от 50 Ом, то фактическое выходное напряжение (VOUT) будет высчитываться по формуле:

VOUT = 2VSET [RL / (50+RL)] (рис. 2)

Рис. 2. Влияние на выходное напряжение выходного 50-Ом импеданса функционального генератора

Метод использования источника питания, управляемого генератором функций

В этом способе для получения сигнала с большим смещением по постоянному току требуется ИП с внешним входом аналогового программирования. Напряжение, подаваемое на этот вход, усиливается ИП и производит пропорциональное напряжение на его выходных клеммах. Таким образом, можно подключить выход функционального генератора ко входу аналогового программирования и модулировать выходное напряжение ИП сигналом функционального генератора (рис. 3). Этот метод обеспечивает наибольшую гибкость установки напряжения смещения и величины тока для необходимой пользователю нагрузки (определяются техническими характеристиками источника питания). Тем не менее, характеристики большинства ИП постоянного тока накладывают существенные ограничения по полосе пропускания. В то время как генераторы функций могут производить формы волн в диапазоне МГц, выход большинства ИП постоянного тока имеет пропускную способность всего в несколько кГц. Таким образом, при использовании данного метода полученный сигнал с добавленной постоянной составляющей на выходе ИП будет иметь полосу пропускания всего в несколько килогерц.

Рис. 3. Сигнал DC+AC, полученный с помощью генератора функций, приводит в действие вход аналогового программирования источника питания постоянного тока

Метод использования трансформатора тока, управляемого генератором функций

Для извлечения всех преимуществ полного выходного напряжения и тока ИП в сочетании с более широкой полосой пропускания сигнала генератора функций, можно подключить трансформатор тока, управляемый генератором функций, последовательно с выходом ИП. При этом необходимо выбрать трансформатор тока, способный поддерживать необходимую пропускную способность. Также следует убедиться, что трансформатор способен поддерживать максимальный постоянный ток, который будет протекать по нему к необходимой пользователю нагрузке. Схема подключения показана на рис. 4.

Рис. 4. DC+AC-сигнал, полученный с помощью источника питания постоянного тока, подключенного последовательно через трансформатор тока и управляемого функциональным генератором

Метод использования генератора функции, подключенного последовательно с источником питания

При необходимости создания сигнала с постоянной составляющей, напряжение смещения которого превышает значение, задаваемое на генераторе функций, можно использовать последовательное соединение ИП постоянного тока с генератором функций (рис. 5). При использовании данного метода, наряду с гибкостью установки уровня постоянного тока, обеспечиваемого источником питания, сохраняются возможности полной пропускной способности генератора функций. Однако этот метод имеет несколько существенных ограничений. Выход генератора функций может иметь изоляцию от корпуса или быть заземленным. При наличии изоляции существует параметр, указывающий на максимальный уровень напряжения, которое разрешено подавать на выход. Например, изолированный от корпуса выход Keysight 33522B выдерживает напряжение до ±42 В. Это означает, что если последовательно подключить источник постоянного тока к выходу функционального генератора, смещение постоянного тока должно быть меньше ±42В. Если выход генератора функций внутренне подключен к заземлению, то выходное напряжение ИП должно быть изолировано от заземления (если не планируется подключение узлов заземления вместе). Подавляющее большинство ИП Keysight имеет изолированные от земли выходы со значением плавающего напряжения ±240 В. Другим ограничением использования этого метода является то, что ток, доступный для пользовательской нагрузки, ограничен выходным током выбранного генератора функций, так как ток нагрузки должен протекать через ИП и генератор функций.

Кроме того, большинство генераторов функций имеют выходной импеданс номиналом 50 Ом, т.е. любой ток нагрузки будет протекать через это сопротивление, которое, в свою очередь, будет формировать делитель напряжения с импедансом нагрузки. Поэтому следует обязательно отрегулировать соответствующее выходное напряжение источника постоянного тока.

Рис. 5. DC+AC-сигнал, полученный с помощью последовательного соединения функционального генератора с источником питания постоянного тока

Метод использования источника питания со встроенным генератором сигналов

Если необходимо обеспечить напряжение или ток со значениями, превышающими максимальные значения на генераторе функций, а требования к частоте невелики (до нескольких килогерц), стоит задуматься об использовании ИП со встроенным генератором сигналов. Анализатор мощности Keysight N6705A DC способен производить произвольные формы сигналов поверх своих выходных напряжений постоянного тока без необходимости использования какого-либо внешнего оборудования (например, генератора функций или трансформатора тока). Поскольку такая возможность полностью интегрирована в продукт, это самый удобный способ для получения сигналов данного типа. Однако, поскольку в действительности выходы являются ИП постоянного тока, пропускная способность также будет ограничена величиной в несколько килогерц.

Вывод

Потребность в добавлении постоянной составляющей на выход функционального генератора возникает при различных испытаниях. Существует несколько способов решения этой задачи, и каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, влияющие на выходное напряжение, ток, пропускную способность и простоту реализации. Генераторы функций Keysight предоставляют возможность задавать смещение постоянного тока по всему диапазону выходного напряжения даже с малым значением амплитуды сигнала. Окончательный выбор метода будет зависеть от конкретных потребностей пользователя, имеющегося оборудование и время.