Генераторы сигналов специальной формы: задачи и требования

Оглавление

• Введение. Роль генераторов сигналов специальной формы в современной измерительной практике
• Основные задачи, решаемые генераторами сигналов специальной формы, сложной формы и произвольной формы
• Ключевые требования, предъявляемые к генераторам специальных сигналов
• Виды специальных и сложных сигналов и особенности их формирования
• Технические параметры и характеристики, определяющие качество генерации
• Нормативная база и метрологические требования
• Практические аспекты применения генераторов сигналов специальной формы
• Критерии выбора генератора сигналов сложной и произвольной формы
• Заключение

Введение. Роль генераторов сигналов специальной формы в современной измерительной практике

Современная измерительная техника и радиоэлектронная аппаратура предъявляют всё более высокие требования к источникам тестовых сигналов. Классические генераторы синусоидальных или прямоугольных колебаний уже не покрывают весь спектр задач, возникающих при разработке, настройке, поверке и диагностике сложных электронных систем. В этих условиях ключевую роль играют генераторы сигналов специальной формы, генераторы специальных сигналов, а также генераторы сигналов сложной формы и генераторы сигналов произвольной формы.

Генератор сигналов специальной формы представляет собой измерительный прибор, способный воспроизводить не только стандартные гармонические и импульсные сигналы, но и сигналы с заранее заданной, часто нестандартной временной или спектральной структурой. Исторически такие приборы относились к классу функциональных генераторов (в отечественной практике часто обозначавшихся как генераторы типа Г6). Современные решения объединяют в одном корпусе функциональный генератор, генератор сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generator) и модулятор, что позволяет решать широкий круг инженерных и метрологических задач.

Принцип работы большинства современных приборов основан на методе прямого цифрового синтеза (DDS — Direct Digital Synthesis) в сочетании с технологией поточечного формирования сигнала. Это обеспечивает высокую стабильность частоты, низкий уровень фазовых шумов и возможность точного воспроизведения сложных форм. В генераторах сигналов произвольной формы серии DG1000Z, например, применяется технология SiFi, которая минимизирует искажения при восстановлении сигнала из дискретных отсчётов. Аналогичные подходы реализованы в приборах серии DG4000 и DG900Pro, где частота дискретизации достигает сотен мегагерц и даже превышает 1 ГГц в старших моделях.

Значение генераторов сложных сигналов невозможно переоценить в таких областях, как тестирование аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, проверка систем связи, исследование переходных процессов, имитация биологических сигналов в медицинской электронике, формирование сложных модулирующих последовательностей для радиолокационных систем и отладка цифровых интерфейсов. Генератор сигналов специальной формы г6 в классическом понимании позволял получать треугольные, пилообразные и прямоугольные сигналы с регулируемыми параметрами, однако современные генераторы сигналов произвольной формы расширяют эти возможности до практически неограниченного набора форм, задаваемых пользователем.

Важным аспектом является метрологическая прослеживаемость. Генераторы сигналов специальной формы, используемые в качестве эталонных или рабочих средств измерений, должны обеспечивать воспроизведение параметров с известной и нормируемой погрешностью. Это требует соответствия государственным поверочным схемам и наличия утверждённого типа средства измерений. Именно поэтому при выборе прибора специалисты обращают внимание не только на функциональные возможности, но и на наличие описания типа, методики поверки и межповерочного интервала.

Приобретите генератор сигналов RIGOL DG922 Pro с поддержкой гармоник до 20-го порядка для сложных измерений.

Основные задачи, решаемые генераторами сигналов специальной формы, сложной формы и произвольной формы

Генератор сигналов специальной формы и генератор сложных сигналов применяются для решения широкого круга инженерных и исследовательских задач. Ниже перечислены наиболее типичные из них.

1. Тестирование и отладка аналоговых и смешанных схем. При разработке усилителей, фильтров, схем автоматической регулировки усиления и других аналоговых узлов необходимо подавать на вход сигналы различной формы — от синусоидальных до сложных импульсных последовательностей с заданными фронтами. Генератор сигналов произвольной формы позволяет воспроизводить реальные искажённые сигналы, зафиксированные осциллографом, и исследовать реакцию схемы на такие воздействия.
2. Проверка динамических характеристик цифровых устройств. Для тестирования быстродействия логических элементов, триггеров, счётчиков и микроконтроллеров требуются импульсные сигналы с точно заданной длительностью фронта и среза, а также пачки импульсов с программируемым числом импульсов. Современные генераторы сигналов специальной формы обеспечивают раздельное управление длительностью фронта и среза, что критично при исследовании переходных процессов.
3. Имитация сигналов датчиков и биомедицинских сигналов. В автомобильной электронике, промышленной автоматике и медицинской технике часто требуется воспроизводить сигналы, имитирующие выход датчиков температуры, давления, скорости вращения, а также электрокардиограммы, электроэнцефалограммы и другие биосигналы. Генератор сигналов сложной формы с большой глубиной памяти позволяет хранить и циклически воспроизводить такие сигналы с высокой точностью.
4. Формирование модулирующих и несущих сигналов для радиотехнических систем. Генераторы специальных сигналов используются для создания сигналов с амплитудной, частотной, фазовой и цифровой модуляцией (AM, FM, PM, ASK, FSK, PSK, PWM и др.). В приборах серии DG4000 и DG900Pro реализованы широкие возможности модуляции, включая многоуровневые манипуляции и наложение шума.
5. Исследование систем автоматического управления и следящих систем. Для проверки переходных характеристик, устойчивости и качества регулирования применяются ступенчатые, пилообразные, треугольные и более сложные тестовые воздействия. Генератор сигналов специальной формы г6 в классическом исполнении уже позволял решать подобные задачи, а современные цифровые приборы значительно расширили диапазон частот и точность установки параметров.
6. Поверка и калибровка средств измерений. Генераторы сигналов произвольной формы, включённые в Государственный реестр средств измерений, применяются в качестве источников опорных сигналов при поверке осциллографов, вольтметров переменного тока, частотомеров и других приборов. В этом случае к ним предъявляются особо жёсткие метрологические требования.
7. Образовательные и научно-исследовательские задачи. В учебных лабораториях и научных экспериментах генератор сигналов сложной формы служит универсальным источником тестовых воздействий, позволяя демонстрировать и исследовать различные физические и технические явления.

Таким образом, генератор сигналов специальной формы, генератор специальных сигналов и генератор сигналов произвольной формы являются многофункциональными инструментами, без которых невозможно современное проектирование, производство и обслуживание электронной аппаратуры.

Ключевые требования, предъявляемые к генераторам специальных сигналов

К генераторам сигналов специальной формы, генераторам сложных сигналов и генераторам сигналов произвольной формы предъявляется комплекс требований, которые можно разделить на функциональные, метрологические, эксплуатационные и конструктивные.

Функциональные требования

Прибор должен обеспечивать:

• воспроизведение стандартных форм сигналов (синусоидальная, прямоугольная, треугольная, пилообразная, импульсная, шум, постоянное напряжение);
• формирование сигналов произвольной формы с достаточной глубиной памяти (от единиц до десятков миллионов точек);
• возможность редактирования формы сигнала как на самом приборе, так и с помощью внешнего программного обеспечения;
• режимы модуляции, свипирования частоты и генерации пачек импульсов;
• синхронизацию нескольких каналов по частоте, фазе и амплитуде;
• наличие входов внешней модуляции, запуска и опорной частоты 10 МГц.

В генераторах сигналов произвольной формы серии DG1000Z глубина памяти достигает 8 млн точек, а в приборах серии DG900Pro частота дискретизации доходит до 1,25 ГГц, что позволяет воспроизводить высокочастотные сложные сигналы с высокой временной разрешающей способностью.

Метрологические требования

Основные нормируемые характеристики включают:

• диапазон частот и пределы допускаемой погрешности установки частоты (типично \(\pm 1 \cdot 10^{-6}\) и лучше);
• диапазон амплитуд и погрешность установки уровня выходного сигнала;
• неравномерность амплитудно-частотной характеристики;
• коэффициент гармоник и уровень негармонических искажений;
• длительность фронта и среза импульсных сигналов;
• нестабильность частоты и амплитуды за заданный интервал времени.

Для генераторов, применяемых в качестве средств измерений, обязательным является соответствие государственным поверочным схемам. В частности, для средств измерений времени и частоты действует приказ Росстандарта от 26.09.2022 № 2360, для средств измерений переменного электрического напряжения — приказ от 18.08.2023 № 1706, для постоянного напряжения — приказ от 28.07.2023 № 1520.

Эксплуатационные и конструктивные требования

Прибор должен работать в заданном диапазоне температур и влажности, иметь защиту от перегрузок по выходу, обеспечивать электромагнитную совместимость и соответствовать требованиям безопасности. Современные генераторы сигналов специальной формы выполняются, как правило, в настольном исполнении с цветным дисплеем, клавиатурой и набором интерфейсов (USB, LAN, иногда GPIB). Наличие интерфейсов дистанционного управления позволяет включать прибор в автоматизированные измерительные комплексы.

Важным требованием является наличие утверждённого типа средства измерений и методики поверки. Межповерочный интервал для большинства современных генераторов сигналов произвольной формы составляет один год.

Виды специальных и сложных сигналов и особенности их формирования

Классификация сигналов, воспроизводимых генераторами специальной формы, традиционно включает несколько основных групп.

Стандартные функциональные сигналы. К ним относятся синусоидальный, прямоугольный (меандр), треугольный, пилообразный и импульсный сигналы. Параметры этих сигналов (частота, амплитуда, смещение, коэффициент заполнения, длительность фронта и среза) регулируются независимо. В классических генераторах типа Г6 формирование осуществлялось аналоговыми методами (интеграторы, компараторы, нелинейные преобразователи). В современных приборах все формы синтезируются цифровым способом.

Сигналы произвольной формы (Arbitrary). Пользователь задаёт последовательность отсчётов (точек), которые прибор выводит с заданной частотой дискретизации. Глубина памяти определяет максимальную длительность и сложность сигнала. В генераторах серии DG4000 объём памяти для произвольной формы составляет 16 тысяч точек с возможностью пошагового вывода, а в серии DG1000Z — до 8 млн точек. Это позволяет воспроизводить длительные последовательности, например, имитировать протоколы передачи данных или сложные биологические сигналы.

Гармонические сигналы. Многие современные генераторы позволяют формировать сигнал, содержащий основную гармонику и набор высших гармоник с индивидуально заданными амплитудами и фазами (до 16-го порядка и выше). Такая возможность полезна при исследовании нелинейных искажений и при тестировании систем, чувствительных к спектральному составу.

Модулированные сигналы. Генератор специальных сигналов поддерживает аналоговую (AM, FM, PM) и цифровую (ASK, FSK, PSK, PWM и др.) модуляцию. Источником модулирующего сигнала может быть внутренний генератор, внешний вход или сигнал произвольной формы.

Шумовые сигналы и наложение шума. Формирование белого шума или наложение шума на основной сигнал используется для исследования помехоустойчивости и для имитации реальных условий работы аппаратуры.

Специальные встроенные формы. В приборах серии DG4000 и аналогичных реализованы десятки готовых форм: \(\operatorname{sinc}(x)\), экспоненциальный рост и спад, гауссова функция, функция Лоренца, ЭКГ, сигналы радара, видеосигналы и др. Это значительно ускоряет подготовку к измерениям.

Особенностью цифрового формирования является необходимость учёта частоты дискретизации \(f_s\) и числа точек \(N\) в периоде сигнала. Частота выходного сигнала связана с этими параметрами соотношением:

При этом вертикальное разрешение (разрядность ЦАП) определяет динамический диапазон и уровень квантования. Типичные значения для современных генераторов сигналов произвольной формы — 14 бит.

При формировании импульсных сигналов критически важны параметры фронта и среза. Длительность фронта \(t_{\text{ф}}\) и среза \(t_{\text{с}}\) в современных приборах может устанавливаться независимо и достигать единиц наносекунд. Выбросы на вершине и в паузе, а также неравномерность вершины нормируются и обычно не превышают нескольких процентов.

Таким образом, генератор сигналов специальной формы, генератор сигналов сложной формы и генератор сигналов произвольной формы обеспечивают практически неограниченные возможности по формированию тестовых воздействий, ограниченные лишь частотой дискретизации, объёмом памяти и разрядностью цифро-аналогового преобразователя.

Технические параметры и характеристики, определяющие качество генерации

Качество работы генератора сигналов специальной формы, генератора сложных сигналов и генератора сигналов произвольной формы определяется совокупностью технических параметров. Эти параметры напрямую влияют на достоверность результатов измерений и испытаний, поэтому их необходимо учитывать как при выборе прибора, так и при разработке методик измерений.

К основным параметрам относятся:

• диапазон частот для различных форм сигналов;
• частота дискретизации и глубина памяти произвольной формы;
• вертикальное разрешение (разрядность ЦАП);
• погрешность установки частоты и амплитуды;
• неравномерность амплитудно-частотной характеристики;
• уровень гармонических и негармонических искажений;
• длительность фронта и среза импульсных сигналов;
• фазовый шум и нестабильность;
• возможности синхронизации каналов.

В таблице ниже приведены типичные значения ключевых характеристик для современных генераторов сигналов произвольной формы, соответствующих уровню приборов серий DG1000Z, DG4000 и DG900Pro.

Частота дискретизации \(f_s\) и число точек \(N\) в одном периоде сигнала связаны с выходной частотой соотношением:

При фиксированной частоте дискретизации увеличение числа точек повышает точность воспроизведения формы, но снижает максимальную частоту сигнала. Поэтому в генераторах сигналов произвольной формы серии DG1000Z реализована технология SiFi, которая оптимизирует восстановление сигнала и снижает искажения даже при относительно небольшом числе точек.

Важным параметром является неравномерность АЧХ. Для качественных приборов она нормируется по диапазонам частот. Например, в диапазоне до 10 МГц неравномерность может составлять \(\pm 0,1\) дБ, а на частотах свыше 100 МГц — до \(\pm 1\) дБ. Это необходимо учитывать при работе с широкополосными сигналами.

Для импульсных сигналов критичны длительность фронта \(t_{\text{ф}}\) и среза \(t_{\text{с}}\), а также величина выбросов. В современных генераторах специальных сигналов эти параметры регулируются независимо, что позволяет точно имитировать реальные условия работы цифровых схем.

Фазовая стабильность и уровень фазовых шумов особенно важны при использовании генератора в качестве источника опорных сигналов для систем синхронизации или при исследовании высокодобротных цепей. В приборах с технологией DDS фазовый шум, как правило, существенно ниже, чем у аналоговых генераторов предыдущих поколений.

Наличие двух и более каналов с возможностью точной установки фазового сдвига между ними расширяет область применения. В генераторах серии DG4000 и DG900Pro реализована независимая регулировка частоты, амплитуды и фазы каждого канала, а также режимы слежения (tracking).

Нормативная база и метрологические требования

Генераторы сигналов специальной формы, применяемые в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, подлежат утверждению типа и поверке. Нормативная база включает государственные поверочные схемы и документы, устанавливающие требования к средствам измерений.

Ключевые нормативные документы:

• Приказ Росстандарта от 26.09.2022 № 2360 «Об утверждении государственной поверочной схемы для средств измерений времени и частоты»;
• Приказ Росстандарта от 18.08.2023 № 1706 «Об утверждении государственной поверочной схемы для средств измерений переменного электрического напряжения до 1000 В в диапазоне частот от \(1 \cdot 10^{-1}\) до \(2 \cdot 10^{9}\) Гц»;
• Приказ Росстандарта от 28.07.2023 № 1520 «Об утверждении государственной поверочной схемы для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы»;
• ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений»;
• ГОСТ 22261-94 «Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия»;
• ГОСТ 2.601-2013 и ГОСТ 2.610-2006 — требования к эксплуатационной документации.

Для генераторов сигналов произвольной формы, включённых в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений, в описании типа указываются:

• назначение и область применения;
• метрологические и технические характеристики;
• методика поверки;
• межповерочный интервал (как правило, 1 год);
• состав комплекта поставки.

При поверке генератора сигналов специальной формы контролируются, в частности:

1. погрешность установки частоты;
2. погрешность установки уровня выходного напряжения;
3. неравномерность АЧХ;
4. коэффициент гармоник (или уровень гармонических составляющих);
5. длительность фронта и среза;
6. выбросы и неравномерность вершины импульсных сигналов.

Методики поверки разрабатываются на основе государственных поверочных схем и учитывают особенности конкретного типа прибора. Для генераторов серии DG900Pro, например, в описании типа прямо указаны ссылки на соответствующие приказы Росстандарта, что обеспечивает метрологическую прослеживаемость результатов измерений.

Эксплуатационная документация должна соответствовать требованиям ГОСТ 2.601-2013 и включать сведения, необходимые для правильной эксплуатации, технического обслуживания и поверки. Это особенно важно для приборов, используемых в аккредитованных лабораториях и на производстве.

Практические аспекты применения генераторов сигналов специальной формы

На практике генератор сигналов специальной формы, генератор сложных сигналов и генератор сигналов произвольной формы применяются в самых разных сценариях. Рассмотрим наиболее характерные.

Разработка и отладка аналоговых трактов. При создании усилителей, фильтров и схем обработки сигналов на вход подаются тестовые воздействия различной формы. Использование сигналов произвольной формы позволяет имитировать реальные условия, включая искажения и помехи, зафиксированные ранее с помощью осциллографа.

Тестирование АЦП и ЦАП. Для проверки динамических характеристик преобразователей требуются сигналы с известным спектральным составом и низким уровнем искажений. Генератор сигналов произвольной формы с высоким вертикальным разрешением и низкой неравномерностью АЧХ обеспечивает необходимые условия.

Исследование переходных процессов. Импульсные сигналы с регулируемыми фронтами позволяют измерять время установления, выбросы и другие параметры переходных характеристик. Возможность генерации пачек импульсов с заданным числом импульсов и периодом повторения расширяет возможности анализа.

Имитация сигналов датчиков. В системах промышленной автоматики и автомобильной электроники генератор сигналов сложной формы воспроизводит выходные сигналы датчиков температуры, давления, скорости, положения и т.д. Это позволяет проводить испытания блоков управления без подключения реальных датчиков.

Радиотехнические измерения. Формирование модулированных сигналов (AM, FM, PM, цифровые виды модуляции) используется при проверке приёмников, модуляторов и систем связи. В приборах серий DG4000 и DG900Pro реализован широкий набор видов модуляции, включая многоуровневые.

Медицинская электроника. Воспроизведение сигналов ЭКГ, ЭЭГ и других биосигналов необходимо при разработке и тестировании медицинской аппаратуры. Глубина памяти современных генераторов сигналов произвольной формы позволяет хранить длительные физиологические последовательности.

При практической работе важно соблюдать следующие рекомендации:

• использовать согласованную нагрузку (как правило, 50 Ом) для минимизации отражений;
• учитывать влияние соединительных кабелей на форму сигнала, особенно на высоких частотах;
• при работе с сигналами произвольной формы контролировать соотношение частоты дискретизации и максимальной частоты сигнала;
• для повышения стабильности использовать внешний опорный генератор 10 МГц при длительных измерениях;
• регулярно проводить поверку прибора в соответствии с установленным межповерочным интервалом.

Критерии выбора генератора сигналов сложной и произвольной формы

Выбор генератора сигналов специальной формы должен основываться на анализе конкретных задач. Основные критерии можно сгруппировать следующим образом.

При выборе также следует учитывать удобство редактирования сигналов произвольной формы. Современные приборы позволяют создавать и редактировать формы как непосредственно на экране, так и с помощью внешнего программного обеспечения. Наличие готовых встроенных форм (ЭКГ, \(\operatorname{sinc}\), гауссовы импульсы и др.) существенно ускоряет подготовку к работе.

Для задач, требующих высокой точности воспроизведения частоты и амплитуды, предпочтительны приборы с технологией прямого цифрового синтеза и нормированными метрологическими характеристиками. Генераторы сигналов произвольной формы серий DG1000Z, DG4000 и DG900Pro охватывают широкий диапазон частот и функциональных возможностей, что позволяет подобрать решение под конкретные требования.

Не менее важным является наличие полной эксплуатационной документации на русском языке и возможности получения технической поддержки. Это снижает риски неправильной эксплуатации и ускоряет ввод прибора в работу.

Заключение

Генераторы сигналов специальной формы, генераторы специальных сигналов, генераторы сигналов специальной формы г6, генераторы сигналов сложной формы и генераторы сигналов произвольной формы занимают центральное место в современной контрольно-измерительной практике. Они решают задачи тестирования, отладки, поверки и исследований в самых разных областях — от радиоэлектроники и промышленной автоматики до медицинской техники.

Ключевые требования к таким приборам включают широкий диапазон частот, высокую точность установки параметров, достаточную глубину памяти произвольной формы, низкий уровень искажений, возможность модуляции и соответствие метрологическим нормам. Современные цифровые генераторы на основе технологии DDS успешно удовлетворяют этим требованиям и значительно превосходят возможности классических аналоговых функциональных генераторов.

При выборе генератора сигналов сложной и произвольной формы необходимо учитывать конкретные задачи, требуемый диапазон частот, объём памяти, метрологический статус и удобство работы. Правильно подобранный прибор обеспечивает достоверность измерений, сокращает время разработки и повышает качество выпускаемой продукции.

Если перед вами стоит задача подобрать и купить генератор сигналов специальной формы или генератор сигналов произвольной формы, соответствующий техническим требованиям вашей лаборатории или производства, обратите внимание на актуальные предложения. Актуальная цена и комплектация позволяют выбрать оптимальное решение под конкретные условия применения.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич