- Створення імпульсів напруги за допомогою функціонального генератора
- Використання вбудованої в функціональний генератор опції формування та генерації імпульсів
- Використання опції синтезу сигналів довільної форми
- висновок
- література:
27 Февраля 2018
Інженери для створення імпульсів напруги, необхідних їм для отримання тих чи інших характеристик цифрових, та й не тільки, пристроїв, як правило використовують імпульсні генератори. Генератори імпульсів добре підходять для перевірки додатків, що вимагають оцінки реакції у вигляді перехідних процесів на вплив імпульсів напруги з високою швидкістю наростання, особливо для тих додатків, які для тестування вимагають прецизійних імпульсів і частот проходження вище 50 МГц. При цьому спеціалізований генератор імпульсів може мати кілька каналів і забезпечувати генерацію спеціальних імпульсів по шаблонах, формувати здвоєні імпульси (використовуються в системах зв'язку і являють собою два коротких імпульсу генеруються протягом одного періоду), імпульси з поверненням до нуля (return-to-zero pulse , RZ, такі імпульси, зокрема, використовуються при кодуванні переданих даних) і можливість додавання в послідовності генеруючих імпульсів джиттера - фазового тремтіння фронтів. Коли ви тестируете складну логіку, такі функції надають вам найширші можливості, необхідні для оцінки виконуваного вами проекту.
Однак, якщо ваше додаток не вимагає для перевірки його функціонування спеціалізованого генератора імпульсів, то для формування необхідних імпульсів напруги ви цілком можете використовувати відносно недорогий функціональний генератор загального призначення. Такі генератори включають в себе створення сигналів із заданим умовою запуску (наприклад, з синхронізацією або із затримкою по одному з фронтів), тактових сигналів і містять відповідну керуючу логіку.
Деякі сучасні функціональні генератори пропонують також і генерацію імпульсів напруги. Пошукайте кнопку завдання параметрів імпульсу (як правило вона позначена «Pulse») на передній панелі такого генератора. Вона дозволяє вам задати базові характеристики імпульсів напруги і перевіряти технічні характеристики будь-якого приладу. В цьому випадку в специфікації або керівництві з експлуатації приладу в частині завдання можливих параметрів імпульсу повинні бути вказані такі характеристики:
- Найменший і найбільший доступний період проходження імпульсів;
- Найменша і найбільша доступна тривалості генеруються імпульсів, виражена в секундах або у відсотках від робочого циклу;
- Найменше та найбільше доступне установки часу наростання і спаду фронтів імпульсу;
- Максимальне значення можливого перерегулирования, у відсотках;
- Джиттер (тремтіння фази), виражений в процентах або в ppm (тобто 1 × 10-6, в даному випадку від тривалості імпульсу);
- Амплітуда імпульсів.
У цій статті будуть описані кілька методів, які ви можете використовувати для створення імпульсів за допомогою функціонального генератора. Для ілюстрації ми будемо використовувати вимірювальний прилад 33250A [2] компанії Keysight Technologies, Inc. (США), який є новою версією, досить добре зарекомендував себе, але знятого з випуску, функціонального генератора 33120А [1], що випускається компанією Agilent Technologies до її трансформації в Keysight Technologies. Генератор 33250A є сучасним генератор сигналів стандартної і довільної форм, що має вбудований генератор імпульсів з частотою проходження до 50 МГц (33120A до 15 МГц).
Межі завдання характеристик імпульсів напруги доступні за допомогою генератора 33250A наведені в Таблиці 1.
Таблиця 1. Генератор 33250A, можливі для установки параметри імпульсів напруги
Період проходження імпульсів Від 20,00 нс до 2000,0 з Ширина імпульсу Від 8,0 нс до 1999,9 з Час наростання фронту імпульсу Від 5,00 нс до 1,00 мс Перерегулювання Не більше 5% Джиттер (СКЗ.) 100 ppm + 50 пс
Створення імпульсів напруги за допомогою функціонального генератора
За допомогою використання функціонального генератор є кілька варіантів формування і генерації імпульсів напруги.
Зміною шпаруватість при генерації імпульсів прямокутної форми
Найбільш поширеним способом синтезу імпульсів напруги є зміна їх скважности або як це ще називають - робочого циклу послідовності прямокутних імпульсів. Базова послідовність у вигляді симетричних прямокутних імпульсів, звана меандр, за визначенням, має шпаруватість дорівнює одиниці або 50-відсотковий робочий цикл. Це означає, що амплітуда імпульсів в такій послідовності половину періоду дорівнює деякому заданому значенню, а в другій половині періоду їх амплітуда дорівнює нулю або при наявності, так званої підпірки у вигляді постійної напруги, його рівню. Функціональний генератор, як правило, може змінювати робочий цикл в послідовності імпульсів від 20 до 80 відсотків. Використовуючи пакетний режим вигляді послідовності пачок імпульсів з більш високою частотою проходження (тобто, генерації радіоімпульсів), ви можете досягти більш низького значення робочого циклу. Цей простий спосіб створення імпульсів і імпульсних послідовностей описаний в [3]. Можливість генерувати імпульси напруги, змінюючи робочий цикл прямокутної послідовності або використовуючи режим генерації пачок імпульсів передбачена в більшості функціональних генераторів.
Використанням наявної в новітніх функціональних генераторах вбудованої функції генерації імпульсів
Цей метод, який буде описаний нижче, простий і забезпечує більшу гнучкість, але не всі функціональні генератори мають такі вбудовані опції.
Використання можливості генерації сигналів довільної форми
Для того щоб синтезувати необхідну форму і параметри імпульсу напруги, ви можете, використовуючи спеціальні можливості, конструктивно закладені в генераторі для формування базових імпульсів і імпульсів довільної форми, що дозволяє вам згенерувати досить широкий спектр необхідних для конкретного додатка імпульсів і імпульсних послідовностей. Хоча це підхід далеко не найпростіший, але він пропонує велику гнучкість, оскільки обмежений тільки об'ємом вбудованої в використовуваний вами приладі пам'яті. У більшості сучасних функціональних генераторів передбачена можливість формування необхідної довільній хвильової функції. Цей метод також буде описаний нижче.
Використання вбудованої в функціональний генератор опції формування та генерації імпульсів
Можливість генерації імпульсів напруги, вбудована в функціональний генератор, дозволяє вам створювати імпульси із заданими параметрами. Для цього ви просто вибираєте і задаєте такі основні параметри імпульсу, як: період або частота слідування, тривалість імпульсу і час наростання / спаду його фронтів - переднього і, відповідно, заднього (Малюнок 1).
Малюнок 1. Параметри імпульсу і імпульсної послідовності, що визначаються для функціонального генератора
Що стосується розглянутого нами функціонального генератора 33250A, то тут імпульс напруги задається майже так само, як і в спеціалізованому генераторі імпульсів. Однак тут потрібно невелике уточнення, необхідне для усунення різночитань. Спеціальний генератор імпульсів має на увазі під тривалістю (іншого її називають шириною) імпульсу час від початку переднього фронту (зазвичай за рівнем 10%) імпульсу до початку спаду його заднього фронту (теж, як правило за рівнем 10%, але зі знаком і мінус). Оскільки тут використовується таке визначення, ви можете встановити час наростання і спаду незалежно, не впливаючи на час між початком переднього і заднього фронтів, зберігши встановлену тривалість імпульсу.
Функціональний генератор 33250A також дозволяє вам змінювати час наростання фронту, не впливаючи на тривалість імпульсу, використовуючи однакову швидкість наростання / спаду для обох фронтів. Тут необхідно брати до уваги, що функціональний генератор 33250A, на відміну від спеціалізованих імпульсних генераторів, встановлює тривалість імпульсу по половинному часу тривалості фронтів, іншими словами тривалість синтезованого імпульсу встановлюється за рівнем 0,5 від його амплітуди. І оскільки час наростання і спаду, як було вже сказано, однакові, то значення тривалості імпульсу буде однаковим, незалежно від того, виміряна воно від початку формування фронтів (за рівнем 10%) або виміряна між їх центрами (за рівнем 0,5) .
Крім того, необхідно враховувати, що коли ви використовуєте імпульсний генератор для створення імпульсу з різними часом наростання і спаду, то в цьому випадку значення тривалості імпульсу, виміряний осциллографом, не буде відповідати налаштувань імпульсного генератора. Це пов'язано з тим, що осцилографи вимірюють тривалість імпульсу по їх передньому і задньому фронтах на рівні 50% амплітуди імпульсу.
Здатність функціонального генератора точно відтворювати заданий імпульс буде, природно, залежати безпосередньо від самого інструменту. З одного боку, функціональний генератор, як прилад, призначений для відтворення найрізноманітніших хвильових функцій - від синусоїдальних коливань до імпульсів довільних форм. Однак з іншого боку, генератор імпульсів розроблений спеціально для генерації саме імпульсних сигналів. Сучасні ж функціональні генератори зазвичай формують сигнали, використовуючи технологію прямого цифрового синтезу (direct digital synthesis, DDS). Основною перевагою DDS, в порівнянні з іншими технологіями генерації сигналів складної форми, полягає в тому, що вона дає можливість безпроблемно змінювати частоту (або період, як кому більше подобається) генерується сигналу, не змінюючи при цьому його форми. Природно, якщо вона відповідає обраній частоті проходження таких імпульсів.
При цьому для того щоб зберегти синтезовану форму сигналу на майбутнє тут використовується більше чи менше число вибірок (визначається формою імпульсу), що забезпечує ефективне семплірованіє (створення зразка-еталона хвильової функції). Амплітуда вибірок перетвориться в цифрову форму за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АУП) та вирушає на зберігання з метою можливості подальшого використання. При синтезі дані про вибірках амплітуд витягуються з пам'яті, і форма сигналу відновлюється вже за допомогою цифро-аналогового перетворювача (АЦП) і відповідного фільтра, що згладжує. Технологія DDS добре працює для сигналів з плавними переходами, але вона не завжди придатна для синтезу імпульсів, що мають фронти з великими швидкостями наростання. Так при використанні технологія DDS для синтезу імпульсних сигналів при їх виведенні для кожного імпульсу доводиться звертатися до пам'яті, в якій зберігаються його хвильова функція у вигляді вибірок, що природно при крутих фронтах призводить до джиттеру - фазового тремтіння сигналу з частотою вибірки, тобто, в кращому випадку з тактовою частотою генератора. Щоб подолати ці проблеми, в генераторі 33250A використовує спеціальне апаратне рішення, що дозволяє більш точно генерувати імпульси напруги.
Рішення полягає в тому, що для генерації сигналів імпульсної форми в даному приладі, для того щоб синтезувати задані період проходження і тривалість імпульсів, використовується їх точна прив'язка до тактовим імпульсам (див. Малюнок 2). Для досягнення високої точності синтезу тактова частота змінюється в межах від 100 МГц до 200 МГц і підтримується на заданому рівні за допомогою системи фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ), а по задньому фронту імпульсу застосована регульована аналогова затримка тривалістю від 0 до 10 нс. Часом наростання і спаду імпульсу управляє схема, яка зачеплений відповідні струми заряду конденсатора (в цьому випадку, як відомо, напруга на конденсаторі змінюється лінійно, а не по експоненті). Так, завдяки використання в генераторі 33250A спеціально розроблених внутрісхемних рішень, ви маєте можливість незалежно задавати необхідний період проходження імпульсів, їх тривалість, а також їх швидкість наростання і спаду.
Малюнок 2. Схема синтезу імпульсних сигналів, застосована в генераторі 33250A
Використання опції синтезу сигналів довільної форми
Для оцінки функціонування тих чи інших ваших додатків імпульси ви можете синтезувати необхідні вам імпульси з використанням властивої самій природі функціональних генераторів можливості формувати сигнали заданої довільної форми. На низьких частотах використовувана тут технологія DDS не представляє проблем. Однак на більш високих частотах, як вже було сказано раніше, джиттер, який дорівнює одному періоду тактової частоти, і перехідні процеси і вже стають досить серйозною проблемою, що обмежує продуктивність генератора з точки зору точності синтезу імпульсів. Однак якщо не заходити в критично високу з точки зору забезпечення точності відтворення форми імпульсу, область частот, то дана технологія цілком прийнятна. Одна при, синтезі імпульсу напруги або послідовності імпульсів із записом хвильової функції у вигляді семпли в пам'ять функціонального генератора, дозволяє реалізувати будь-які ваші фантазії, а можливості по вибору форми імпульсу тут обмежені тільки доступним в конкретному приладі об'ємом пам'яті. Для досягнення найкращих результатів ви, як правило, захочете використовувати максимально можливе число вибірок для опису і записи форми імпульсу. І це має сенс, тому що більше число вибірок забезпечує краще тимчасовий дозвіл, а, отже, і більш високу точність в передачі форми.
Істотно спростити завдання синтезу імпульсів може використання персонального комп'ютера (ПК) та спеціальних додатків для синтезу і наступної генерації довільних хвильових функцій. З цією метою компанія Keysight пропонує розробникам безкоштовний додаток IntuiLink Waveform Editor спеціально розроблене для створення і завантаження форм довільних сигналів. Користувач може збільшити можливості програми IntuiLink Wаveform Editor допомогою однієї або декількох додаткових програм. Так є додаткове (add-in) безкоштовне програмне забезпечення для створення імпульсів з різним часом наростання і спаду фронтів. При цьому функції описує поведінку переднього і заднього фронтів імпульсу можуть бути лінійними (наростання і спад відбуваються з постійною швидкістю, використовується в моделюванні в якості ідеального сигналу), експонентними (імітують ємнісне навантаження, наприклад, лінії зв'язку), полукосінусоідальной (мінімізує швидкість наростання і спаду імпульсу, використовується в системах зв'язку для мінімізації смуги пропускання.) або гауссових (використовується для моделювання кумулятивних ефектів випадкових подій). Але тут є одне обмеження, згадане доповнення програмного забезпечення призначене для використання з відносно повільними (більше 100 нс) по тривалості фронтами.
Після того, як ви сконфигурировали свій функціональний генератор для генерації бажаного імпульсу або послідовності імпульсів напруги, то для їх генерації в строго заданий момент часу ви можете використовувати вхід зовнішнього запуску. Використовуючи цю опцію, ви зможете згенерувати поодинокі імпульс напруги або пачку імпульсів, так званий радіоімпульс. Більшість функціональних генераторів не тільки запускатися від зовнішнього сигналу, але і здатне генерувати сигнал запуску для управління зовнішніми пристроями, наприклад, осциллографом. Ви також можете встановити компенсуючу затримку запуску. Останнє можна зробити програмно або безпосередньо з передньої панелі.
висновок
Функціональні генератори дають в руки розробникам самих різних додатків досить таки широкі можливості і необхідну гнучкість в частині синтезу імпульсів напруги - від простих модифікованих прямокутний імпульсів до генерації сигналів довільної форми. Крім того, деякі функціональні генератори призначені і для генерації дуже точних імпульсів стандартної форми. Однак для роботи з високошвидкісними імпульсними сигналами і на високих частотах, все ж необхідно використовувати спеціальний імпульсний генератор, в якому є необхідні вам опції для створення імпульсів і їх послідовностей, що задовольняють вимоги до конкретного устаткування.
література:
- Agilent 33120A 15 MHz Function / Arbitrary Waveform Generator. User's Guide. Edition 6, March 2002. Agilent Technologies, Inc. 1994-2002
- Keysight 33250A Function / Arbitrary Waveform Generator. Data Sheet. May 21, 2015 5968-8807EN
- 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
