Generatory firmy Keysight 33500B Trueform

Porównując przyrządy pomiarowe różnych producentów, zauważymy, że są one do siebie bardzo zbliżone pod względem funkcjonalnym. Podobieństwa są widoczne w zastosowanych rozwiązaniach elektrycznych, mechanicznych, a nawet w obsłudze. Specjalnie nas nie dziwią niemal identyczne interfejsy użytkownika. Zjawisko to obserwujemy na przykładzie oscyloskopów, multimetrów cyfrowych czy generatorów.

Charakterystyka generatora 33522B

Fot. 1. Płyta czołowa generatora Keysight 33522B

Generator Keysight 33522B jest dobrym przykładem przyrządu wysokiej klasy, mającym budowę typową dla urządzeń tej grupy. To najsilniejszy przedstawiciel rodziny 33500B, w której poszczególne modele różnią się niektórymi parametrami technicznymi. Płytę czołową generatora przedstawiono na fotografii 1.

Znakomitą czytelność interfejsu użytkownika zapewnia duży kolorowy wyświetlacz o przekątnej 4,3" z matrycą TFT 480×272 punkty. Oprócz parametrów elektrycznych generowanego sygnału jest na nim wyświetlany również przybliżony kształt przebiegu wyjściowego. Dolną część ekranu przeznaczono do obsługi menu (rys. 2).

Zasada działania większości generatorów arbitralnych oparta jest na technice bezpośredniej syntezy cyfrowej (DDS - Digital Direct Synthesis), która oprócz wielu zalet ma też niestety pewne ograniczenia. Keysight opracował własne rozwiązanie - Trueform, wykorzystujące zalety techniki DDS, pozwalające jednocześnie ominąć jej wady.

Rys. 2. Zakładki zawierające komendy wykorzystywane do ustawiania parametrów generatora

Metodę oparto na cyfrowym próbkowaniu exclusive. Zastosowano tu 16-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy. Dzięki takiej rozdzielczości osiągnięto 1-mikrowoltowy krok zmian napięcia wyjściowego, co jest wartością spotykaną tylko w urządzeniach najwyższej klasy. Poprawa niektórych parametrów generowania techniką Trueform w porównaniu z DDS jest znacząca.

Na przykład w 30-megahercowym generatorze 33511B Keysighta uzyskano jitter na poziomie 40 ps, podczas gdy w typowym 25-megahercowym generatorze DDS jest on na poziomie 500 ps. Generator Trueform zapewnia też 5 razy mniejsze zniekształcenia harmoniczne (0,04% w porównaniu z 0,2% generatora DDS). Uwagę zwracają ponadto krótkie czasy narastania i opadania impulsów, równe 8,4 ns (rys. 3). Generator 33522B wytwarza dwa przebiegi dostępne na gniazdach wyjściowych zamontowanych na płycie czołowej.

Rys. 3. Zbocza przebiegu prostokątnego

Wszystkie parametry przebiegów wyjściowych są regulowane poleceniami: "Frequency", "Amplitude", "Offset" i "Phase". Ustawione dla każdego kanału wartości tych parametrów są wyświetlane na przypisanych im zakładkach. Wyjścia sygnałowe generatora pracują niezależnie, ale podczas pracy z jednakową częstotliwością możliwe jest szybkie wyrównanie faz w obu kanałach komendą "Sync Internal".

Generator Keysight 33522B przystosowano do synchronizowania urządzeń zewnętrznych. Wykorzystywany jest do tego sygnał z gniazda "Sync" dostępny na płycie czołowej. Wyposażenie przyrządu w liczne interfejsy komunikacyjne (LAN, GPIB, USB) ułatwia organizację stanowiska pomiarowego współpracującego z komputerem.

Generator może być zdalnie sterowany z poziomu przeglądarki internetowej. Rodzina 33500B zawiera razem 8 modeli pogrupowanych ze względu na trzy cechy. Są to: zakres częstotliwości (do 20 lub do 30 MHz), liczba kanałów (1 lub 2) i możliwość generowania przebiegów arbitralnych (lub brak takiej możliwości).

Modulacja

Modulacja jest jedną z trzech typowych funkcji generatorów arbitralnych. Producenci implementują zbliżone zestawy modulacji. W przyrządach Keysighta są to: AM, FM, PM, FSK, BPSK, PWM i Sum. Modulacja Sum polega na dodawaniu znormalizowanego przebiegu modulującego do przebiegu modulowanego. Na rysunku 4 przedstawiono kilka przykładów tego typu modulacji. Nie ma tu znaczenia amplituda przebiegu modulującego, a jedynie jego kształt, faza i częstotliwość (rys. 4a). Znormalizowana amplituda modulująca przemnożona przez parametr "Sum Ampl" decyduje o wielkości danej dodawanej do przebiegu modulowanego. W efekcie generowane są przebiegi, na przykład takie, jak na rysunku 4b.

Rys. 4a. Generowanie przebiegów z zastosowaniem funkcji Sum: niezależność przebiegu wyjściowego od amplitudy modulującej

Rys. 4b. Generowanie przebiegów z zastosowaniem funkcji Sum - przebiegi wyjściowe dla różnych wartości parametru "Sum Ampl"

Dzięki funkcji sumowania przebiegów generator może być wykorzystywany na przykład do symulacji zniekształceń oraz testowania pracy urządzeń w zaszumionym środowisku. Możliwe jest też tworzenie sygnałów dual-tone (składających się z dwóch zsumowanych przebiegów sinusoidalnych), niezajmujące jednak obu kanałów. Oznacza to, że w jednym urządzeniu można wytworzyć dwa takie przebiegi.

Oprócz pracy ciągłej i pracy z modulacją, generator Keysight 33522B ma również tryb przemiatania częstotliwości (Sweep) i generowania paczek impulsów (Burst). Możliwe jest również bramkowanie wyjścia.

Przebiegi arbitralne

Rys. 5. Przykłady wbudowanych przebiegów generatora Keysight 33522B

Keysight 33522B należy do grupy generatorów arbitralnych. Oprócz wbudowanej, dość licznej kolekcji zdefiniowanych fabrycznie przebiegów, możliwe jest tworzenie własnych kształtów użytkownika. Cechą wyróżniającą przyrządów rodziny 33500B jest bardzo duża pamięć przebiegów. Standardowo mieści się w niej milion próbek. Po zakupieniu opcji rozszerzającej liczba ta wzrasta nawet do 16 milionów. Kilka przykładowych przebiegów przedstawiono na rysunku 5.

Jedną z zalet generatorów rodziny 33500B jest możliwość ustalania szerokości widma szumu. Zmieniając ją, użytkownik może wpływać na koncentrację energii sygnału w określonym zakresie częstotliwości. Na rysunku 6 przedstawiono wyniki pomiaru szerokości widma szumu generowanego przez generator Keysight 33522B.

Pomiar wykonano analizatorem widma. Widmo szumu z rysunku 6a jest ok. 10 razy szersze niż widmo szumu z rysunku 6b. W obu przypadkach ustawiono marker w punkcie odpowiadającym częstotliwości 50 kHz i za jego pomocą zmierzono poziom sygnału. Dla szumu o szerszym widmie uzyskano wynik o około 10 dB mniejszy niż dla szumu o wąskim widmie.

Definiowanie własnych przebiegów jest trudnym problemem dla producentów generatorów arbitralnych. Użytkownik musi mieć możliwość wykonywania tej operacji samodzielnie, ale też należy udostępnić mu możliwie dużą kolekcję gotowych definicji. Zazwyczaj oprogramowanie firmowe generatorów zawiera odpowiednią funkcję, ale dużo wygodniej i bardziej precyzyjnie przebiegi definiuje się w polecanym do tego programie komputerowym.

Rys. 6. Wpływ szerokości widma szumu na koncentrację energii sygnału: a) szum szerokopasmowy, b) szum wąskopasmowy

Niezależnie od wbudowanego edytora przebiegów arbitralnych, do generatora 33522B dostarczany jest program Keysight BenchLink Waveform Builder Basic, umożliwiający taką edycję na komputerze. Jest to narzędzie o bardzo dużych możliwościach, co może nie wynika z jego nazwy. Program zawiera definicje wszystkich wbudowanych fabrycznie przebiegów, które mogą być wykorzystywane podczas definiowania własnych kształtów.

Dokonuje się tego, wykonując rysunek odręczny (myszką po ekranie), składanie przebiegu z odcinków, wklejanie gotowych szablonów, definiowanie przez wprowadzanie parametrów liczbowych lub generowanie funkcji matematycznych (rys. 7). Fragmenty wykresu mogą być kopiowane, przycinane, normalizowane, odwracane, dodawane, odejmowane, mnożone itp.

Rys. 7. Przykładowe metody tworzenia przebiegów arbitralnych w programie

Określane są oczywiście parametry czasowe, szybkość próbkowania, liczba próbek itd. Wymienione cechy w połączeniu z dużą pamięcią stwarzają możliwość definiowania złożonych przebiegów, składających się z sekwencji mniejszych fragmentów, np. sygnał telewizyjny. Przebiegi są zapisywane na dysku komputera, a jeśli generator jest do niego dołączony, próbki można bezpośrednio wgrywać do pamięci przyrządu.

Zapominamy o aliasingu, pamiętamy o zaletach

Rys. 8. Przebieg z zakłóceniami szpilkowymi

W generatorach wykorzystujących technikę DDS niektóre próbki są pomijane przy wysokich częstotliwościach. W 33522B przypadek taki nie występuje jednak nigdy, zawsze przebieg jest generowany ze wszystkich definiujących go próbek. Pierwsza, wynikająca z tego korzyść to zabezpieczenie przed aliasingiem. Drugą korzyścią jest możliwość tworzenia sygnałów z symulowanymi zakłóceniami szpilkowymi. Każda taka szpilka będzie obecna w sygnale wyjściowym bez względu na częstotliwość (rys. 8).

Opisane cechy funkcjonalne generatorów rodziny 33500B Keysighta upoważniają do sklasyfikowania tych przyrządów jako jednych z najnowocześniejszych obecnie na rynku. Dostępne modele spełniają potrzeby większości użytkowników. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że nie wszystkie są generatorami arbitralnymi. W modelach 33509B, 33510B, 33519B i 33520B nie ma możliwości definiowania własnych przebiegów.

Generatory rodziny 33500B mają nienaganny design, charakteryzują się cichą pracą i ergonomiczną obsługą. Biorąc pod uwagę zastosowane w nich innowacyjne ro związania techniczne i doskonałe parametry, można stwierdzić, że są to urządzenia idealnie nadające się do pracowni profesjonalnego elektronika zajmującego się złożonymi pomiarami.

Jarosław Doliński, EP
AM Technologies Polska Sp. z o.o.
www.amt.pl