Использование функционального генератора с опцией формирования сигналов произвольной формы для генерации импульсов напряжения

Инженеры для создания импульсов напряжения, необходимых им для получения тех или иных характеристик цифровых, да и не только, устройств, как правило используют импульсные генераторы. Генераторы импульсов хорошо подходят для проверки приложений, требующих оценки реакции в виде переходных процессов на воздействие импульсов напряжения с высокой скоростью нарастания, особенно для тех приложений, которые для тестирования требуют прецизионных импульсов и частот следования выше 50 МГц. При этом специализированный генератор импульсов может иметь несколько каналов и обеспечивать генерацию специальных импульсов по шаблонам, формировать сдвоенные импульсы (используются в системах связи и представляют собой два коротких импульса генерируемых в течение одного периода), импульсы с возвратом к нулю (return-to-zero pulse, RZ, такие импульсы, в частности, используются при кодировании передаваемых данных) и возможность добавления в последовательности генерируемых импульсов джиттера – фазового дрожания фронтов. Когда вы тестируете сложную логику, такие функции предоставляют вам самые широкие возможности, необходимые для оценки выполняемого вами проекта.

Однако, если ваше приложение не требует для проверки его функционирования специализированного генератора импульсов, то для формирования необходимых импульсов напряжения вы вполне можете использовать относительно недорогой функциональный генератор общего назначения. Такие генераторы включают в себя создание сигналов с заданным условием запуска (например, с синхронизацией или с задержкой по одному из фронтов), тактовых сигналов и содержат соответствующую управляющую логику.

Некоторые современные функциональные генераторы предлагают также и генерацию импульсов напряжения. Поищите кнопку задания параметров импульса (как правило она обозначена «Pulse») на передней панели такого генератора. Она позволяет вам задать базовые характеристики импульсов напряжения и проверять технические характеристики какого-либо прибора. В этом случае в спецификации или руководстве по эксплуатации прибора в части задания возможных параметров импульса должны быть указаны следующие характеристики:

1. Наименьший и наибольший доступный период следования импульсов;
2. Наименьшая и наибольшая доступная длительности генерируемых импульсов, выраженная в секундах или в процентах от рабочего цикла;
3. Наименьшее и наибольшее доступное установки времени нарастания и спада фронтов импульса;
4. Максимальное значение возможного перерегулирования, в процентах;
5. Джиттер (дрожание фазы), выраженный в процентах или в ppm (т.е. 1×10⁻⁶, в данном случае от длительности импульса);
6. Амплитуда импульсов.

В этой статье будут описаны несколько методов, которые вы можете использовать для создания импульсов с помощью функционального генератора. Для иллюстрации мы будем использовать измерительный прибор 33250A [2] компании Keysight Technologies, Inc. (США), который является новой версией, достаточно хорошо зарекомендовавшего себя, но снятого с выпуска, функционального генератора 33120А [1] , выпускаемого компанией Agilent Technologies до ее трансформации в Keysight Technologies. Генератор 33250A представляет собой современный генератор сигналов стандартной и произвольной форм, имеющий встроенный генератор импульсов с частотой следования до 50 МГц (33120A до 15 МГц).

Границы задания характеристик импульсов напряжения доступные с помощью генератора 33250A приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Генератор 33250A, возможные для установки параметры импульсов напряжения

Создания импульсов напряжения с помощью функционального генератора

При помощи использования функционального генератор доступно несколько вариантов формирования и генерации импульсов напряжения.

Изменением скважность при генерации импульсов прямоугольной формы

Наиболее распространенным способом синтеза импульсов напряжения является изменение их скважности или как это еще называют - рабочего цикла последовательности прямоугольных импульсов. Базовая последовательность в виде симметричных прямоугольных импульсов, называемая меандр, по определению, имеет скважность равную единице или 50-процентный рабочий цикл. Это означает, что амплитуда импульсов в такой последовательности половину периода равна некоторому заданному значению, а во второй половине периода их амплитуда равна нулю или при наличии, так называемой подпорки в виде постоянного напряжения, его уровню. Функциональный генератор, как правило, может изменять рабочий цикл в последовательности импульсов от 20 до 80 процентов. Используя пакетный режим виде последовательности пачек импульсов с более высокой частотой следования (то есть, генерации радиоимпульсов), вы можете достичь более низкого значения рабочего цикла. Этот простой способ создания импульсов и импульсных последовательностей описан в [3]. Возможность генерировать импульсы напряжения, изменяя рабочий цикл прямоугольной последовательности или используя режим генерации пачек импульсов предусмотрена в большинстве функциональных генераторов.

Использованием имеющейся в новейших функциональных генераторах встроенной функции генерации импульсов

Этот метод, который будет описан ниже, прост и обеспечивает большую гибкость, но не все функциональные генераторы имеют такие встроенные опции.

Использование возможности генерации сигналов произвольной формы

Для того чтобы синтезировать необходимую форму и параметры импульса напряжения, вы можете, используя специальные возможности, конструктивно заложенные в генераторе для формирования базовых импульсов и импульсов произвольной формы, что позволяет вам сгенерировать весьма широкий спектр необходимых для конкретного приложения импульсов и импульсных последовательностей. Хотя это подход далеко не самый простой, но он предлагает большую гибкость, поскольку ограничен только объемом встроенной в используемый вами приборе памяти. У большинства современных функциональных генераторов предусмотрена возможность формирования необходимой произвольной волновой функции. Этот метод также будет описан ниже.

Использование встроенной в функциональный генератор опции формирования и генерации импульсов

Возможность генерации импульсов напряжения, встроенная в функциональный генератор, позволяет вам создавать импульсы с заданными параметрами. Для этого вы просто выбираете и задаете такие основные параметры импульса, как: период или частота следования, длительность импульса и время нарастания/спада его фронтов - переднего и, соответственно, заднего (Рисунок 1).

Рисунок 1. Параметры импульса и импульсной последовательности, определяемые для функционального генератора

Что касается рассматриваемого нами функционального генератора 33250A, то здесь импульс напряжения задается почти так же, как и в специализированном генераторе импульсов. Однако здесь потребуется небольшое уточнение, необходимое для устранения разночтений. Специальный генератор импульсов подразумевает под длительностью (иного ее называют шириной) импульса время от начала переднего фронта (обычно по уровню 10%) импульса до начала спада его заднего фронта (тоже, как правило по уровню 10%, но со знаком и минус). Поскольку здесь используется такое определение, вы можете установить время нарастания и спада независимо, не влияя на время между началом переднего и заднего фронтов, сохранив установленную длительность импульса.

Функциональный генератор 33250A также позволяет вам изменять время нарастания фронта, не оказывая влияния на длительность импульса, используя одинаковую скорость нарастания/спада для обоих фронтов. Здесь необходимо принимать во внимание, что функциональный генератор 33250A, в отличие от специализированных импульсных генераторов, устанавливает длительность импульса по половинному времени длительности фронтов, другими словами длительность синтезированного импульса устанавливается по уровню 0,5 от его амплитуды. И поскольку время нарастания и спада, как было уже сказано, одинаковы, то значение длительности импульса будет одинаковым, независимо от того, измерено ли оно от начала формирования фронтов (по уровню 10%) или измерено между их серединами (по уровню 0,5).

Кроме того, необходимо учитывать, что когда вы используете импульсный генератор для создания импульса с разными временами нарастания и спада, то в этом случае значение длительности импульса, измеренное осциллографом, не будет соответствовать настройкам импульсного генератора. Это связано с тем, что осциллографы измеряют длительность импульса по их переднему и заднему фронтам на уровне 50% амплитуды импульса.

Способность функционального генератора точно воспроизводить заданный импульс будет, естественно, зависеть непосредственно от самого инструмента. С одной стороны, функциональный генератор, как прибор, предназначен для воспроизведения самых разнообразных волновых функций - от синусоидальных колебаний до импульсов произвольных форм. Однако с другой стороны, генератор импульсов разработан специально для генерации именно импульсных сигналов. Современные же функциональные генераторы обычно формируют сигналы, используя технологию прямого цифрового синтеза (direct digital synthesis, DDS). Основным преимуществом DDS, по сравнению с другими технологиями генерации сигналов сложной формы, заключается в том, что она дает возможность беспроблемно изменять частоту (или период, как кому больше нравится) генерируемого сигнала, не меняя при этом его формы. Естественно, если она соответствует выбранной частоте следования таких импульсов.

При этом для того чтобы сохранить синтезированную форму сигнала на будущее здесь используется большее или меньшее число выборок (определяется формой импульса), что обеспечивает эффективное семплирование (создание образца-эталона волновой функции). Амплитуда выборок преобразуется в цифровую форму при помощи аналого-цифрового преобразователя (АУП) и отправляется на хранение с целью возможности последующего использования. При синтезе данные о выборках амплитуд извлекаются из памяти, и форма сигнала восстанавливается уже при помощи цифро-аналогового преобразователя (АЦП) и соответствующего сглаживающего фильтра. Технология DDS хорошо работает для сигналов с плавными переходами, но она не всегда пригодна для синтеза импульсов, имеющих фронты с большими скоростями нарастания. Так при использовании технология DDS для синтеза импульсных сигналов при их выводе для каждого импульса приходится обращаться к памяти, в которой хранятся его волновая функция в виде выборок, что естественно при крутых фронтах приводит к джиттеру – фазовому дрожанию сигнала с частотой выборки, то есть, в лучшем случае с тактовой частотой генератора. Чтобы преодолеть эти проблемы, в генераторе 33250A использует специальное аппаратное решение, позволяющее более точно генерировать импульсы напряжения.

Решение заключается в том, что для генерации сигналов импульсной формы в данном приборе, для того чтобы синтезировать заданные период следования и длительность импульсов, используется их точная привязка к тактовым импульсам (см. Рисунок 2). Для достижения высокой точности синтеза тактовая частота изменяется в пределах от 100 МГц до 200 МГц и поддерживается на заданном уровне с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а по заднему фронту импульса применена регулируемая аналоговая задержка длительностью от 0 до 10 нс. Временем нарастания и спада импульса управляет схема, которая задет соответствующие токи заряда конденсатора (в этом случае, как известно, напряжение на конденсаторе изменяется линейно, а не по экспоненте). Так, благодаря использования в генераторе 33250A специально разработанных внутрисхемных решений, вы имеете возможность независимо задавать требуемый период следования импульсов, их длительность, а также их скорость нарастания и спада.

Рисунок 2. Схема синтеза импульсных сигналов, примененная в генераторе 33250A

Использование опции синтеза сигналов произвольной формы

Для оценки функционирования тех или иных ваших приложений импульсы вы можете синтезировать требуемые вам импульсы с использованием присущей самой природе функциональных генераторов возможности формировать сигналы заданной произвольной формы. На низких частотах используемая здесь технология DDS не представляет проблем. Однако на более высоких частотах, как уже было сказано ранее, джиттер, который равен одному периоду тактовой частоты, и переходные процессы и уже становятся весьма серьезной проблемой, ограничивающей производительность генератора с точки зрения точности синтеза импульсов. Однако если не заходить в критически высокую с точки зрения обеспечения точности воспроизведения формы импульса, область частот, то данная технология вполне приемлема. Одна при, синтезе импульса напряжения или последовательности импульсов с записью волновой функции в виде семпла в память функционального генератора, позволяет реализовать любые ваши фантазии, а возможности по выбору формы импульса здесь ограниченны только доступным в конкретном приборе объемом памяти. Для достижения наилучших результатов вы, как правило, захотите использовать максимально возможное число выборок для описания и записи формы импульса. И это имеет смысл, так как большее число выборок обеспечивает лучшее временное разрешение, а, следовательно, и более высокую точность в передачи формы.

Существенно упростить задачу синтеза импульсов может использование персонального компьютера (ПК) и специальных приложений для синтеза и последующей генерации произвольных волновых функций. С этой целью компания Keysight предлагает разработчикам бесплатное приложение IntuiLink Waveform Editor специально разработанное для создания и загрузки форм произвольных сигналов. Пользователь может увеличить возможности программы IntuiLink Wаveform Editor посредством одной либо нескольких дополнительных программ. Так имеется дополнительное (add-in) бесплатное программное обеспечение для создания импульсов с различным временем нарастания и спада фронтов. При этом функции описывающая поведение переднего и заднего фронтов импульса могут быть линейными (нарастание и спад происходят с постоянной скоростью, используется в моделировании в качестве идеального сигнала), экспоненциальными (имитируют емкостную нагрузку, например, линии связи), полукосинусоидальной (минимизирует скорость нарастания и спада импульса, используется в системах связи для минимизации полосы пропускания.) или гауссовой (используется для моделирования кумулятивных эффектов случайных событий). Но здесь есть одно ограничение, упомянутое дополнение программного обеспечения предназначено для использования с относительно медленными (более 100 нс) по длительности фронтами.

После того, как вы сконфигурировали свой функциональный генератор для генерации желаемого импульса или последовательности импульсов напряжения, то для их генерации в строго заданный момент времени вы можете использовать вход внешнего запуска. Используя эту опцию, вы сможете сгенерировать одиночные импульс напряжения или пачку импульсов, так называемый радиоимпульс. Большинство функциональных генераторов не только запускаться от внешнего сигнала, но и способно генерировать сигнал запуска для управления внешними устройствами, например, осциллографом. Вы также можете установить компенсирующую задержку запуска. Последнее можно сделать программно или непосредственно с передней панели.

Заключение

Функциональные генераторы дают в руки разработчикам самых различных приложений довольно таки широкие возможности и необходимую гибкость в части синтеза импульсов напряжения - от простых модифицированных прямоугольный импульсов до генерации сигналов произвольной формы. Кроме того, некоторые функциональные генераторы предназначены и для генерации очень точных импульсов стандартной формы. Однако для работы с высокоскоростными импульсными сигналами и на больших частотах, все же необходимо использовать специальный импульсный генератор, в котором имеется необходимые вам опции для создания импульсов и их последовательностей, удовлетворяющих требования к конкретному оборудованию.

Литература:

1. Agilent 33120A 15 MHz Function / Arbitrary Waveform Generator. User’s Guide. Edition 6, March 2002. Agilent Technologies, Inc. 1994-2002
2. Keysight 33250A Function/Arbitrary Waveform Generator. Data Sheet. May 21, 2015 5968-8807EN
3. How to Generate Low Duty-Cycle Pulses with a Function Generator. Application Note 1407. Agilent Technologies, Inc. August 26, 2002 5988-7507EN // https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5988-7507EN.pdf?id=84211