8. Vybrané přístroje pro laboratorní měřicí systémy

8. Vybrané přístroje pro laboratorní měřicí systémy

8. Vybrané přístroje pro
laboratorní měřicí systémy
Část b)
Generátory
Generátory měřicích signálů
Analogové signály (ale vnitřní obvody generátoru analog. i dig.):
• NF Sinusové a NF Funkční
• NF generátory progr. průběhu (Arbitrary)
• S nízkým zkreslením (low THD)
• Vysokofrekvenční
Digitální (logické) (buzení sběrnic apod.):
• Pulsní (viz též TDR aplikace)
• Pattern generator (data generator)
– paralelní bitové výstupy: 4, 8, 16, …, 96 výstupů
Základní typy: přednášky A3B38SME
Typické použití generátorů:
• Verifikace – ověření, že stimulovaný obvod
správně reaguje na předložené vstupy, včetně
vložených poruch (často komplexní signály –
např. u nových komunikačních standardů). Měření
v basebandu nebo i v RF („na anténě“)
• Charakterizace – proměření odezvy obvodu:
linearita, monotonicita, zkreslení, …
• Stress testy – např. ověřování reakce
komunikačních obvodů sériových dat na jitter,
narušení pravidel „správného“ signálu, atd…
Nízkofrekvenční generátory (sin)
Opakování: A3B38SME Senzory a měření
Ideální představa generátoru
Rvýst = 50Ω
VS
VO
Rzát
VO = VS pokud Rzát >> 50Ω
VO = ½ VS pokud Rzát = 50Ω
(obvykle již zohledněno v zobrazení na displeji –
nastavení OutImp = HiZ / 50Ω)
Nedokonalosti a specifikace
A [V]
Ideální čistá sinusovka
f [Hz]
A [V]
Chyba amplitudy
f [Hz]
Chyba frekvence
Nedokonalosti a specifikace
A [V]
Vyšší harmonické složky
(násobky f1), viz THD dále
f1
A [V]
2f1
3f1
f [Hz]
Spurious (nekoherentní,
neharmonické) složky
(jiné než násobky f1)
Původ spurious: např. vnitřní obvody a způsob generování,
přeslech nebo modulace napájecího kmitočtu, …
f [Hz]
Nedokonalosti a specifikace
A [V]
Nedokonalá stabilita frekvence
=> blízká postranní pásma
f [Hz]
Ve specifikaci generátoru se uvádí jako
• Reziduální FM modulace nebo
• Fázový šum
Specifikace generátorů
• dBc – decibely oproti nosné (carrier): např. odstup
harmonických složek min. –75 dBc
• dBm – decibely oproti 1 mW (obvykle s udáním
impedance): např. výstupní výkon až 10dBm (50Ω)
X dB = 10 log10 (x/ref.) pro výkony,
po přepočtu (P = U2 / R => kvadrát U odpovídá 2x log10)
X dB = 20 log10 (x/ref.) pro napětí
Modulace – obvyklé pojmy
•
BB, Baseband – základní pásmo: typ. DC-100 kHz nebo méně
A [V]
f [Hz]
•
IF, Intermediate f. – mezifrekvenční pásmo: typ. 100 kHz - 10 MHz
A [V]
f [Hz]
•
RF, Radiofreq (+ microwave) – rádiové kmitočty: GHz
A [V]
f [Hz]
Použití v komunikaci
Vysílač:
RF (výkon.)
BB
Zdroj signálu
(audio, video,
data, …)
Přijímač:
IF
RF
Modulátor (IF),
často
vícestupňový
Upconverter
RF zesilovač
(RF modulátor)
(+ vysílač)
LO (MHz)
LO (GHz)
RF (utlumený)
RF
RF
předzesilovač
(+ filtr)
BB
IF
Downconverter
(RF
demodulátor)
LO (GHz)
Demodulátor
(IF), často
vícestupňový
LO (MHz)
Vyhodnocení
signálu
(audio, video,
data, …)
Modulace
AM:
Obálka = informace (200 Hz)
Zde 80% modulace
Nosná (5kHz)
100% modulace = variace amplitudy 0-max.
A [V]
A [V]
f [Hz]
BW
Šířka pásma po modulaci je 2x BW
Carrier nosná
Postranní pásma
(symetricky kolem fc)
fc
f [Hz]
Modulace
FM:
Informace = zde lineární rampa 1 Hz
Zde: lineární přeladění (sweep)
50 Hz až 5 kHz za 1 s
100% modulace = variace frekvence o max. deviaci (max. frekvenční zdvih)
Carrier nosná
A [V]
A [V]
Postranní pásma
(symetricky kolem fc)
f [Hz]
BW
deviace
fc
Šířka pásma po modulaci je typicky mnohem širší než 2x BW a je
2x(deviace + BW). Frekv. zdvih je často mnohonásobek základní šířky
pásma. Pozn: u FM rádia se používá složitější schema modulace pásem
f [Hz]
Modulace
FSK, frequency shift keying: - speciální případ FM modulace
binárním signálem
0
1
0
1
Sweep: - speciální případ FM modulace
- lineární rampou (tj. v čase: 10, 20, 30, 40, 50 … Hz) nebo
- exponenciální rampou (10, 100, 1000, 10 000, 100 000 Hz)
Používá se např. při proměřování odezvy filtrů apod.
Modulace SSB
A [V]
A [V]
f [Hz]
Carrier nosná
Postranní pásma
(symetricky kolem fc)
fc
BW
f [Hz]
Často modulace s potlačenou nosnou a/nebo jedním
postranním pásmem
A [V]
A [V]
f [Hz]
BW
fc
SSB – single side band / SSB-SC – suppressed carrier:
obvykle se ponechává horní pásmo
f [Hz]
Modulace SSB
Může být problém, pokud BB sahá až dolů k DC (0Hz)
Zádrž nosné a spodního
pásma
A [V]
Carrier nosná
A [V]
f [Hz]
fc
Obtížné potlačit nosnou a spodní postranní pásmo bez
narušení části horního pásma => odstranění problému
doplňkovou předmodulací do IF (posunutí nad DC)
f [Hz]
tzv. Scan modulace
Speciální PAM, pulse amplitude modulation – simulace
signálu pulsního radaru pro testování přijímačů
Sled impulsů s proměnnou amplitudou – přeběh hlavního
(a postranních) laloků rotující antény přes sledovaný cíl
Obr.: Agilent (Product Note 8360-3)
IQ modulace
I (in phase) x Q (quadrature) – myšleno relativně k nosné z LO
LO
LO
Dnes (ve spojení s modulacemi jako OFDM)
základ téměř všech digitálních
komunikačních systémů (WiFi, WiMax,
LTE, UWB, DVB-T, DVB-C, …)
IQ modulace – constellation diagram
Obvykle (ne výhradně) čtvercové schema
Obvykle 1 symbol (z 2N) = N bitů (tj. 4QAM, 16QAM, …, 256QAM)
Vyšší modulace = rychlejší přenos dat x menší rozestup symbolů (horší odolnost
proti šumu při stejném vyzářeném výkonu)
Obr.: Agilent Tech. White Paper - publ. 5991-1100EN
Použití IQ modulace v komunikaci
Obr.: Agilent Tech. White Paper - publ. 5991-1100EN
IQ – RF spektrum
(potlačení nosné-LO a spodního pásma)
Obr.: Tektronix – App. Note: Characterization of IQ Modulators
NF generátory funkcí
Často omezená spektrální
čistota kvůli nedokonalosti
tvarovače (THD)
Opakování: A3B38SME Senzory a měření
Přechod k AFG/AWG
Dnes kromě nejlevnějších generátorů téměř pro
všechny aplikace přechod k:
• AFG – arbitrary function generator (typicky DDS)
(sine, square/rect., triangle, saw, sweep, AM, FM, …, + často user)
+ levnější, + stabilní frekvence, + rychlá a hladká změna f, +rychlá změna
tvaru vlny
• AWG – arbitrary waveform generator (trueArb)
(+ univerzálnější, + mnohem širší možnosti, + nezbytné pro komplexní
testy
-dražší, -složitá změna f, -složitá definice signálu = nutný SW editor
(Matlab nebo custom SW výrobce AWG))
Moderní AFG/AWG zvládají BB, IF a částečně dokonce i RF
Základní principy digitální syntézy
1. Spektrum vzorkovaného
signálu je PERIODICKÉ
2. V realitě je výstupem DAC
signál schodový
3. Spektrum musí být omezeno
rekonstrukčním (anti-alias) filtrem.
(+ symetrické kolem Fs)
= tzv. 0th - order hold
Teoreticky (Nyquist) je třeba potlačit
vše nad Fs/2
Spektrum je omezeno funkcí
sinc (tj. sin(x)/x )
Obr.: Agilent
Fourier
transform
(The ABC of Arbitrary
Waveform Generation)
t
Prakticky (konečný roll-off filtru) je
pásmo LP filtru asi 40% Fs
(1 GSa/s => 400 MHz pásmo)
f
Nedokonalosti digitální syntézy
Vytvářený signál
(sinus)
SFDR = spurious free
dynamic range, rozsah
oproštěný od vlivu
spurious složek
Obr.: Agilent
(The ABC of Arbitrary
Waveform Generation)
Spurs = spurious
složky (mimo
násobky fsig)
Harmonics: vyšší
harmonické složky
(násobky fsig)
Obrazy (tj. aliasované
signály), potlačené
výstupním LP filtrem
Clock feed-trhu: průnik
hodinového signálu
Noise floor: práh šumu,
daný ostatní elektronikou.
Mez smysluplného
potlačení rušení
Nedokonalosti digitální syntézy
• Vertikální rozlišení – ENOB = efektivní počet bitů DAC
• Zhruba: +1bit rozlišení = +6dB dynamického rozsahu
12bit ~ 74 dB
13bit ~ 80 dB
14bit ~ 86 dB
15bit ~ 92 dB (nereálné)
ALE: v realitě bude ENOB nižší než nominální rozlišení o 2-4 bity (přítomnost
spurious a dalších složek, v limitu: noise floor)
Poznámka - varianty oscilátoru (hodin):
TCXO — Temperature-compensated crystal oscillator
OCXO — Oven-controlled crystal oscillator (= termostatovaný krystal)
GPSDO — Global positioning system disciplined oscillator (= navázaný na GMT)
DDS a další metody
•
DDS:
+ přesnost f (krystal)
- Rychlost určuje fázový inkrement ve střadači fáze
- Podle kombinace počtu vzorků v paměti a požadované f => vynechávání
(vysoké f) /opakování (nízké f) některých vzorků
- fázový šum (jitter) a/nebo nepredikovatelné mizení částí průběhu
-
PPC (point per clock):
+ vždy se čte celá paměť (fázový inkrement je vždy = 1)
- změna f => nutná změna hodinového taktu (složité)
- Složitá filtrace rekonstrukčním filtrem na výstupu, drahé
-
PxP (point by point) / Trueform (Agilent)
+ nevynechává vzorky, low jitter
+ levnější (jako DDS): virtual variable clock, advanced filtering
Přímá digitální syntéza (fun/arb)
DDS – Direct Digital Synthesis
paměť
a)
b)
a)
b)
Obr.: Tektronix App. Note: XYZ of Signal Generators
V paměti je uložen průběh např. sinusovky s pevným počtem bodů, hodinový signál je fixní (např. 10MHz)
Fázový registr určuje aktuální fázi (0-360°) a odpovídající adresu v paměti průběhu
Fáze se pokaždé zvyšuje o fázový inkrement (Delta Phase): čím menší inkrement, tím pomaleji se prochází
cyklem průběhu v paměti => nižší výstupní frekvence. Čím vyšší inkrement, tím vyšší frekvence
Změna frekvence je triviální = jeden zápis do registru inkrementu, navíc fáze je spojitá i po změně
DAC běží fixní (maximální) rychlostí, výstupní rekonstrukční LP filtr potlačuje vyšší složky (aliasy)
Často lze v paměti uložit i uživatelské průběhy (částečná Arbitrary funkčnost)
Nevýhody DDS
Které konkrétní body z paměti se čtou, záleží na inkrementu. Je obtížné predikovat, které body
budou použity v DAC.
Inkrement (PIR neboli Delta Phase) může být velmi malý – pak se několikrát použije stejná adresa
(stejný bod průběhu)
Je-li inkrement velký, některé body se přeskakují – navíc v následujících cyklech se mohou použít
jiné body než v předchozím. To může vadit, je-li třeba konzistentně generovat drobné poruchy v
signálu (reprezentované málo body v paměti)
Principiálním důsledkem DDS technologie je třas fáze signálu (jitter) – několik následujících
realizací průběhu může mít pokaždé jinou fázi
Phase truncation harmonics – chyba zavlečená přeskakováním vzorků: PTH = -20.log10 (Npts) dBc
(čím delší vlna, tj. počet bodů v paměti Npts tím menší zkreslení)
Problémy lze odstranit použitím trueArb generátoru (- ale mnohem dražší) nebo pokročilou
technologií předzpracování signálu jako Trueform (Agilent)
Příklad DDS AFG generátoru
Agilent 33120a
Technologie ~ 1995
15 MHz (sine), 40 MSa/s (fixed), 12bit x 16 000 points
Vnitřní rozlišení PIR 48bitů => vnitřní krok frekvence = Fclk/248 = 142nHz
Vertikální rozlišení 12bit => 74dBc ~ noise floor
Výstupní filtr:
Pro sinus: eliptický filtr 17MHz 9.řádu
jinak: Besselův filtr 10MHz 10.řádu
(pomalejší roll-off, ale lineární fáze
pro zachování tvaru)
Obr.: Agilent
Příklad DDS AFG generátoru
Agilent 33120a
Možnosti modulace: AM, FM, FSK, Sweep, Burst
Interní (zabudovaným průběhem) nebo uživatelským (import po GPIB nebo RS232)
Pro modulaci se používá sekundární, méně výkonný zabudovaný AWG
2048-4096 pts, 8-bit, variable point clock (nikoliv DDS)
Změna nastavení (i fMOD) znamená přepočítání uložené vlny (nová interpolace)
AM:
Variable point
clock
FM:
Modulation data
Modulation
Analog multiplier
Carrier data
(nosná)
Hlavní DDS
(nosná)
Obr.: Agilent
DSP obvody
(součást DDS)
Příklad DDS AFG generátoru
Agilent 33120a
Specifikace (výtah):
Sinus 100 uHz – 15 MHz (resolution 10uHz)
Ramp 100 uHz – 100 kHz
Arb: 8 - 8 192 pts:
100 uHz – 5 MHz
12 288 - 16 000 pts: 100 uHz – 200 kHz
Obr.: Agilent
Squarewave (obdélník):
Rise/fall time: < 20ns
Overshoot: < 4%
Sinusová spektrální čistota:
Duty cycle: 20-80%
Harmonics: DC-20kHz: -70dBc
20 kHz - 100 kHz: -60dBc
100 kHz - 1 MHz: -45dBc
1 MHz - 15 MHz: -35dBc
THD (DC-20kHz): < 0.04%
Spurious: (DC to 1 MHz): < -65dBc
(> 1 MHz): < -65 dBc + 6 dB/octave
Fázový šum: < -55 dBc v pásmu 30 kHz
Výstup: 50 mVpp – 10 Vpp
Přesnost (1kHz): +/- 1%
Flatness (rovnoměrnost amplitudy):
< 100 kHz: 1% (0.1 dB)
100 kHz to 1 MHz: 1.5% (0.15 dB)
1 MHz to 15 MHz: 2% (0.2 dB) pro Ampl >3Vrms
TrueArb AWG
Proměnná hodinová frekvence (ne DDS)
Složitější obvody a výstupní filtrace
Nutno pečlivě plánovat průběhy
(obvykle import ze SW editoru průběhů)
+ umožňuje maximální variabilitu
Sekvencér umožňuje statické i
dynamické řazení segmentů průběhu
(nutnost pro komplexní testy zařízení)
Pro IQ-modulaci:
Obr.: Agilent
(The ABC of Arbitrary
Waveform Generation)
Sekvenování
Dlouhá paměť vzorků umožňuje realizovat rychlé vzorkování (a tudíž detaily
průběhu) a zároveň dlouhé průběhy s variacemi signálu (vf + nf)
Pro testování složitých systémů je třeba velmi dlouhých průběhů – nepraktické
(a někdy nemožné) definovat dostatečně dlouhý průběh (rychlé změny a
dlouhá opakovací frekvence)
Používání sekvencí s operacemi: smyček, skoků, počitadel průchodů,
vyhodnocení externích událostí (podobně jako v počítačovém programu).
Paměť sekvencí odlišná od paměti vzorků.
Možno vytvořit sekvence s mnohokrát opakovanými částmi průběhu a několika
atypickými segmenty (např. řídce se vyskytující chyby v mnoha normálních
datech)
Obr.: Tektronix – App. Note:
XYZ of Signal Generators
Příklad AWG
Agilent 81180B
Technologie ~ 2013
2GHz IQ modulation BW, nebo přímo RF 1.5 GHz
10 MSa/s – 4.6 GSa/s, 12bit x 16 Mpoints (až 64 Mpts)
2 diferenční kanály (lze i jako 4 kanály)
Externí hodiny: 10 MHz nebo 100 MHz
Až 16 000 průběhů (také zabudované standardní průběhy)
Sekvenční tabulka: až 49 tis. kroků
Smyčky: až 16 M segmentů, až 1 M sekvencí
Obr.: Agilent
AWG - sekvence
Agilent 81180B
Obr.: Agilent
Příklad Trueform AFG/AWG
Agilent 33500B
Technologie ~ 2012 (vylepšená DDS)
30 MHz BW
1 uSa/s - 250 MSa/s , 16bit x 1 Mpoints (až 16Mpts)
1-2 kanály
Vybrané modely umí Arb
512 kroků sekvencí
PRBS (pseudorandom bit sequence PN7 - PN23)
IQ výstupy
Obr.: Agilent
Technologie Trueform (Agilent)
+ Zachovává jádro DDS (se
všemi výhodami)
Ale: mezi pamětí a DAC běží v
DSP několikanásobnou rychlostí
interpolátor
(oversampling + LP + decimace)
⇒ Pokud žádaná hodnota fáze
padne „mezi vzorky“ v paměti,
použije se interpolovaná hodnota
⇒ U DDS může jitter dosáhnout
až 1x Ts
⇒ U Trueform je jitter omezen
na 1x Toversample << Ts
Obr.: Agilent Tech. White Paper
publ. 5991-1100EN
DDS x Trueform – stejná data
Obr.: Agilent
DDS x Trueform – stejná data
DDS: jitter 54 ps
Trueform: jitter 4.1 ps
Obr.: Agilent
Generátory s nízkým zkreslením
• Požadavek: nízké THD - obvykle cca -100dB a lepší
• Realizace:
– generátory využívající RC oscilátor
– generátory využívající ČA převodník
Požadavek: nízké zkreslení
Parametry, které se udávají zkreslení:
a) THD - Total Harmonic Distortion
- popisuje celkové harmonické zkreslení)
- je dáno poměrem výkonů vyšších harmonických složek ku základní harmonické
H 22 + H 32 + L + H n2
THD (−) =
H12
Kde Hi je efektivní hodnota i-té harmonické složky.
- THD se obvykle vyjadřuje v dB:
THD (dB ) = 20 log THD ( − )
- pokud jsou harmonické složky uvedeny v dB, je nutné je před výpočtem THD převést užitím vztahu
H i (dB ) = 20 log
b) celkové zkreslení
H i (V )
H FS (V )
zahrnuje i subharmonické (SHj) a významné neharmonické složky (tzv. spurious – Sk)
n
TD (dB ) = 20 log
∑ H + ∑ SH + ∑ S
i =2
2
i
2
j
j
k
H12
2
k
Určování míry zkreslení generátoru
Přímé měření spektrálním analyzátorem – není obvykle možné – pro tento případ
obvykle nemají spektrální analyzátory dostatečné dynamické rozsahy.
Je nutné potlačit základní harmonickou generovaného signálu pomocí pásmové zádrže.
1
Generátor
Spektrální
analyzátor
2
PZ
1. Generátor se nastaví na frekvenci odpovídající použité pásmové zádrži
2. Přepínač se přepne do polohy 1, na spektrálním analyzátoru se nastaví úroveň vstupního
signálu 0 dB.
3. Přepínač se přepne do polohy 1, frekvence generátoru se dostaví tak, aby základní
harmonická byla co nejvíce potlačena.
4. Změří se vyšší harmonické složky (je třeba respektovat, že pásmová zádrž částečně potlačí i
druhou resp. třetí harmonickou - je nutná korece).
a) Realizace s RC oscilátorem
•
Dva základní bloky:
– blok generování signálu – laděný obvod složen ze dvou odporů a dvou
kondezátorů zapojeních jako T-článek
– blok stabilizace amplitudy signálu
•
Typický příklad: KROHN-HITE 4402B
Obr.: Krohn-Hite
Struktura:
b) S DDS generátorem
• generovaní signálu s použitím přímé číslicové syntézy DDS (Direct Digital Synthesis)
• ČA převodník s vysokým rozlišením
• kaskáda filtrů (obvykle dolní propust druhého řádu), které slouží k potlačení rušivých složek
vyšších harmonických.
generovaní signálu
s použitím přímé
číslicové syntézy
kaskáda
filtrů
ČA převodník
s vysokým
rozlišením
Výstupní
výkonový
zesilovač a
útlumový člen
Synchronizace
Výhody: Přesné nastavení kmitočtu (krystal), možnost synchronizace
Nevýhody: Obvykle vyšší neharmonické složky popř. fázový šum (krátkodobé kolísání kmitočtu) - jitter
b) DDS generátor
Stanford Reasearch Systems DS360 Function Generator
10 mHz - 200 kHz (přesnost 25 ppm)
<-100 dBc distortion (do 20 kHz)
Sinus, obdélník,
bílý šum, růžový šum
20 µVpp - 40 Vpp
10 MHz ref. input
Obr.: Stanford Research Systems
THD vs. f
VF generátory harmonického signálu
Rozdělení podle principu
1. Signální generátory pracující na heterodynním principu, kde je
modulace aplikována na mezifrekvenční signál a potom převeden do
požadovaného frekvenčního pásma
2. Signální generátory s „přímou“ modulací pomocí IQ modulátoru.
Výhody a nevýhody:
• Heterodynní architektura snadněji vytváří signály (směšovačem),
avšak vyžaduje filtrování signálu na výstupu směšovače pro získání
požadovaného signálu (pásma).
• Tzv. architektura modulace „direct-at-RF“ zjednodušuje RF konverzi,
ale vyžaduje širokopásmový IQ modulátor.
Signální generátory na heterodynním principu
Generování nosné
• přeladitelné LC oscilátory
•
krystalem řízené oscilátory s nastavením kmitočtu pomocí PLL
Přepínání frekvenčních rozsahů
Laditelný
VF osc.
U ladící
Zdroj
ladícího
napětí
Nastavení
frekvence
Čísl. dělič
kmitočtu
Tvarov.
obvod
FM
Měření frekvence
výstupního signálu
GMN
Nastavení
úrovně
modulace
AM
Amplitud.
modulátor
Čítač
Laděný
filtr
ŠZ
Měření
úrovně
výstupního
napětí
VA
VÝSTUP 50 Ω
Syntezátory RF frekvencí
Rozsahy např. 0.01 GHz – 20 GHz:
• CW – continuous wave, stálá vlna (LO pro
downconvertery při testech přijímačů, LO pro testy
směšovačů, LO pro upconvertery)
• Sweepers – přelaďované: fstart – fstop (testování filtrů,
zesilovačů, kompresní testování (gain vs. power))
• Signal gen. – signálové generátory (testování
Dopplerovských radarů, simulace radarových cílů, skenu
antény, …)
Příklad RF syntezátoru
Agilent 83731B
Technologie ~ 1980-1990
Obr.: Agilent
Rozsah f = 0.01 GHz – 20 GHz, výstup do +10 dBm
Harmonics < -55 dBc
Modulace (interní): lin. AM, log. AM, high-index FM (radar chirp), FM,
pokročilé pulsní (dublety – simulace dvou radarových cílů blízko sebe, scan
modulace = rotující anténa)
RF syntezátor – regulace výkonu
ALC – automatic level control
• Interní (měří se výkon na výstupním konektoru)
• Externí diodou
• Externím měřičem výkonu
Obr.: Agilent
Principy syntezátorů
Několik přístupů: vždy základem referenční oscilátor např. 10 MHz
• Direct synthesis (nikoliv DDS), přímá syntéza – vytváří se sada zdrojových
frekvencí a jejich kombinacemi se vytváří cílová frekvence. HW náročné,
složité, drahé.
• Indirect synthesis, nepřímá s. – pomocí PLL, phase locked loop, fáz. závěsu
• Fractional-N synthesis, neceločíselná syntéza – k dosažení jemnějšího
rozlišení frekvence, PLL běží na neceločíselném násobku fclk, nutné
doplňkové triky (složitější), ale univerzálnější
Indirect synthesis, nepřímá syn.
Zde jen nejjednodušší varianta
VCO – napětím řízený osc.
10 MHz
13 MHz
1/10
Dělitel (13)
1/13
Progr. dělička
1 MHz
Smyčkový
filtr
Fázový detektor
DDS
jemné
nastavení
frekvence
dělička
16:1
0.5-1.5 MHz
nastavení
frekvence
8-24 MHz
VCO1
PLL1
PP
termostat
OCXO
100 MHz
1.48-2.48 GHz
100.5-101.5 MHz
dělička
64:1
PIN
ATT
AM
DP
1.5625
MHz
DP
FM
VCO2
PLL2
DP
1.48 GHz
1.48
GHz
pevná frekvence
1.48 GHz
proměnná frekvence
1.48-2.48 GHz
f2
18 dB
f1
fv
0-1 GHz
DP
ATT
0-30 dB
ATT
0-56 dB
1000 MHz
2X
1-2 GHz
fv = ( 1.48 až 2.48 ) - 1.48 GHz = 0 až 1 GHz
RF OUT
50 Ohm
14 dB
14 dB
nastavení výkonu
ATT
0-56 dB
Signální generátory s „přímou“ modulací
pomocí IQ modulátoru
•
Blokové schéma v případě IQ modulátoru je v dokumentacích výrobců často
značeno jako „signal flow“ (příklad: Rohde & Schwarz SMU200A).
Obr.: Rohde & Schwarz
Vector Signal Generator
Rohde & Schwarz SMU200A
• 100 kHz - 6 GHz
• I/Q modulator: 200 MHz RF bandwidth
Obr.: Rohde & Schwarz
Vector Signal Generator 44 GHz
Agilent E8267
Obr.: Agilent
Poznámky:
Impairment generation. Slouží ke generaci signálu, jako by prošel nebo byl
generován zařízením s příslušnou chybou. Upravena jsou číslicová data před
uložením do paměti.
Nejčastěji se implementují tyto nedokonalosti:
• fázový šum,
• tepelný šum,
• průnik signálu z vedlejších kanálů,
• nedokonalosti IQ modulátoru (imbalance - nestejný zisk v obou větvích,
quadrature error - fázový posun jiný než 90°).
Obslužný software – aplikace.
• grafická prostředí, které uživatele vedou pře tvorbě nového signálu a jeho
rozkladu do kvadraturních složek,
• existují knihovny pro práci např. s Matlabem,
• aplikace umožňující generovat velké množství analogových i číslicových
modulací a standardů, např. standard mobilních komunikací 2G, 2.5G, 3G, a
WLAN, běžný harmonický signál CW, multitón, burst, PSK, QAM, FSK,
MSK, FM a další.
Pulsní generátory
Generují posloupnost pravoúhlých (v ideálním případě) nebo lichoběžníkových
pulsů s nastavitelnými parametry:
- amplitudou A,
- frekvencí f (nebo periodou T),
- činitelem plnění t+/T (angl. duty factor),
- dobou náběhu tn (nebo je zaručeno, že tn < tn,max)
- dobou doběhu td (nebo je zaručeno, že td < td,max)
- zpožděním proti okamžiku spuštění,
T
u Př
Zaručované parametry:
t-
t+
- max. hodnota překmitu Př
A
0,9 A
- max. hodnota podkmitu Pd
0,5 A
0,1 A
0
tN
tS
Pd
t
Základní blokové schéma
VNITŘNÍ
GENERÁTOR
VNĚJŠÍ
SPOUŠTĚNÍ
•
•
•
ZPOŽDĚNÍ
ŠÍŘKA
STRMOST
HRAN
ss
SLOŽKA
SPOUŠTĚCÍ
SIGNÁL
Nejjednodušší generátory - pouze kladné pulsy.
Dokonalejší umožňují nastavení stejnosměrného ofsetu.
Možnost generovat definované skupiny pulsů (pattern generators),
Delay/Pulse/Pattern generátor
Stanford Research Systems DG645
4 pulse outputs - 8 delay outputs (opt.)
<25 ps rms jitter, Trigger rates to 10 MHz, Fast transition times (<2 ns),
Precision rate generator, Ovenized or Rb timebase (opt.)
Obr.: Stanford Research Systems
Zrychlení hran
• Pro TRISE < 100 ps
• step recovery diode
• Podobně nutné u TDR aplikací
(reflektometrie)
Obr.: Stanford Research Systems
Pulse pattern gen.
Agilent 81130A
1kHz – 400MHz
1-2 kanály, difer. výstupy, nastavení hran 800ps-1.6ns
Lze i data (+paměť sekvencí) a PRBS
Agilent 81134A
15MHz – 3.5GHz
1-2 kanály, difer. výstupy, nastavení hran 60ps-120ps
Lze i data: paměť 12Mbit (+paměť sekvencí) a PRBS
Obr.: Agilent
Datové, logické generátory
• Pulse pattern gen. – série pulsů s definovaným tvarem,
někdy bez informačního obsahu, malý počet výstupů
• Data timing gen.
– simulace datových proudů např. ze zatím chybějících zařízení
- větší počet výstupů: 8, 16, 32 (kombinací synchr. jednotek až 96)
- podobně jako AWG dovolují generovat velké množství dat včetně
sekvencí a podmíněných smyček záznamů. Obsahují generátor
adres, rozsáhlou paměť vzorků (zde binárních), ale bez DAC
- Na rozdíl od AWG jsou jen dvoustavové (log. 0, log. 1), je ale
možné změnit úroveň výstupu (jen staticky) – např. pro stress testy
podpětím logiky
– také dovolují jemné (<ps) nastavení hran – např. pro simulaci
jitteru, volbu rychlosti náběžných hran apod.
- agregace skupin signálů do skupin (např. DATA, ADDRESS,
CTRL) a společné nastavování vlastností pro celou skupinu
Příklad Tektronix DTG5334
rychlost 3.35 Gb/s, delay resolution 0.2 ps, 1-96 kanálů (3 přístroje x
32kan.), modulární výstupy (podle typu logiky)
Paměť 64 Mb na kanál
Obr.: Tektronix – App. Note: XYZ of Signal Generators
Typy binárních (logických)
výstupů
• Formáty signálů:
–
–
–
–
NRZ (Non return to zero)
DNRZ (Delayed NRZ)
RZ (Return to zero)
R1 (Return to 1)
Obr.: Agilent
• PRBS = pseudorandom bit stream
/ PRWS – pseudorandom word stream
PRBS – generování
pseudonáhodných dat
PRBS – pseudorandom bit sequence je generovánaa lineárním
zpětnovazebním registrem délky N s nastavitelnými zpětnovazebními
(xor) odbočkami. Z posledního bitu registru se odebírá PRBS.
Při správném nastavení vzniká sekvence délky 2N-1
Obr.: Agilent
Některé konfigurace jsou normalizované – např.:
Binární polynom X9 + X5 + 1 generuje posloupnost délky 29-1
a odpovídá doporučení CCITT 0.153/ITU-T V.52