Простое создание сигналов произвольной формы без программирования

14 декабря 2018

подписаться подписаться

Создавать сигналы произвольной формы с помощью современного генератора сигналов стандартной формы или генератора сигналов произвольной формы (AWG) проще, чем кажется. Многие инженеры любой ценой стараются обойти процедуру создания сигналов произвольной формы. При одном лишь упоминании сигналов произвольной формы у них возникают ассоциации с утомительным изучением процедур с использованием программного обеспечения для формирования сигналов и, хуже того, необходимостью создания программ для генерации сигналов определенной формы с последующим удаленным подключением к генератору сигналов произвольной формы для загрузки в него данных. Современные генераторы сигналов произвольной формы позволяют создавать сигналы нужной формы без особых сложностей.

Рассмотрим два простых примера создания сигнала произвольной формы и его передачи на генератор сигналов произвольной формы.

1. Создание нового сигнала произвольной формы с помощью Excel с последующей его передачей на генератор сигналов произвольной формы.
2. Запись сигнала с помощью цифрового осциллографа с последующей его передачей на генератор сигналов произвольной формы.

В обоих примерах используются два общих элемента — карта памяти USB и формат файлов с разделением запятыми (Comma Separated Value, CSV).

Создание сигнала произвольной формы в Excel с последующей его передачей на генератор сигналов произвольной формы

Для создания новых сигналов произвольной формы большинство инженеров используют либо инженерные программные среды, такие как Matlab, LabVIEW или VEE, либо специализированные программные пакеты сигналов произвольной формы, которые могут быть как бесплатными, так и платными. Бесспорно, это — прекрасные инструменты, однако при отсутствии потребности в их регулярном использовании подобное решение может быть связано со значительными затратами денег и времени. Альтернативным вариантом, который упускают из виду большинство специалистов, является Excel. Табличный редактор Excel может служить мощным средством для создания новых сигналов произвольной формы, поскольку он предоставляет расширенные встроенные математические функции, может работать с большими объемами данных (точек сигнала) и уже установлен на большинстве компьютеров.

Однако здесь возникает закономерный вопрос о передаче данных сигнала из Excel на генератор сигналов произвольной формы. У Excel и современных генераторов сигналов произвольной формы имеется общий формат файлов — CSV. В Excel можно открывать файлы формата CSV, а таблицы Excel можно сохранять в формате CSV. Современные генераторы сигналов произвольной формы могут читать файлы формата CSV и генерировать сигналы на их основе. Для загрузки данных в формате CSV в генератор сигналов произвольной формы достаточно передать соответствующий файл с ПК на переднюю панель генератора и загрузить его в память сигналов.

Рассмотрим пример. В Excel создан сигнал произвольной формы, состоящий из основного синусоидального сигнала, сигнала шума на третьей гармонике и случайного шума. Ниже представлена таблица Excel с этим сигналом (см. рис. 1). Заметьте, что на экране отображается результирующий сигнал, а красной рамкой отмечена область с функциями, используемыми для создания этого сигнала.

Рис. 1. Сигнал произвольной формы в Excel

Затем таблица Excel была сохранена в файле формата CSV. Наконец, с помощью карты памяти USB этот файл был загружен в генератор сигналов произвольной формы. По этим данным генератор сигналов произвольной формы воссоздал сигнал, и этот сигнал был отображен на экране осциллографа (см. рис. 2).

Рис. 2. Сигнал произвольной формы, созданный с помощью генератора сигналов произвольной формы 33600A Trueform и отображаемый на экране осциллографа InfiniiVision серии 2000X

Как видно из этого примера, Excel предлагает простой и не требующий дополнительных затрат способ создания сигналов произвольной формы, а файловый формат CSV дает возможность легко переносить данные на генератор сигналов произвольной формы. Если для создания сигналов произвольной формы предпочтительнее использовать определенную программную среду или если требуется применение более сложных математических функций, отсутствующих в Excel, вы также можете обойтись без создания удаленного подключения и программирования генератора сигналов произвольной формы. В большинстве программных сред, таких как Matlab и LabView, имеются интерфейсы API для создания и чтения файлов CSV. Достаточно создать сигнал нужной формы в имеющейся программе, сохранить его данные в файл CSV и передать их по сети на генератор сигналов произвольной формы.

Запись сигнала на осциллограф с последующей его передачей на генератор сигналов произвольной формы

Во втором примере сигнал оцифровывается и записывается с помощью осциллографа, и эти данные передаются на генератор сигналов произвольной формы. Ранее для этого обычно использовались определенные программные пакеты для работы с сигналами произвольной формы, позволяющие создать удаленное подключение к осциллографу, записать оцифрованный сигнал и подключиться к генератору сигналов произвольной формы для воссоздания нужного сигнала.

Современные осциллографы упрощают эту процедуру. В рассматриваемом примере для записи слова данных сигнала Mil-Std-1553 использовался осциллограф смешанных сигналов серии 3000X компании Keysight (модель MSOX3054A). Записанный сигнал представлен на рис. 3.

Рис. 3. Сигнал слова данных Mil-Std-1553 на экране осциллографа

В нижней части рис. 3 синей рамкой выделен тип сигнала Mil-Std-1553 5F67, который представляет собой шестнадцатеричное декодированное значение слова данных. В данном примере также используется генератор сигналов произвольной формы серии 33600A. Ниже описана процедура записи сигнала на осциллограф с последующей его загрузкой в генератор сигналов произвольной формы.

1. Установите карту памяти USB в разъем на передней панели осциллографа.
2. Сохраните оцифрованный сигнал на карту памяти USB в виде файла формата CSV.
3. Перенесите данные на карте памяти USB с осциллографа на переднюю панель генератора сигналов произвольной формы.
4. Импортируйте файл CSV в память генератора сигналов произвольной формы.

Это действительно очень просто! Для тестирования приемника сигнал произвольной формы Mil-Std-1553 с генератора сигналов произвольной формы серии 33600A был промодулирован импульсами низкой частоты для моделирования связанных переходных шумов в сигнальном тракте. Ниже представлен модулированный сигнал произвольной формы (см. рис. 4).

Рис. 4. Осциллограмма сигнала слова данных при модуляции сигнала произвольной формы Mil-Std-1553 импульсами низкой частоты для моделирования связанных переходных шумов

Смоделированные переходные шумы видны в начале и середине осциллограммы сигнала произвольной формы. Обратите внимание на символы в рамках красного и синего цвета в нижней части экрана. Они означают, что приемник не может декодировать сигнал слова данных из-за переходных шумов.

Два приведенных выше примера помогут вам приступить к созданию собственных сигналов произвольной формы с передачей их данных на генератор сигналов произвольной формы. Для более эффективного тестирования также можно создавать сигналы произвольной формы и автоматически загружать их в генератор сигналов произвольной формы с помощью ПО BenchVue.

Создание сигналов произвольной формы в ПО BenchVue

BenchVue — это программная платформа для ПК, позволяющая легко выполнять подключение оборудования, запись и наблюдение за результатами измерений, выполняемых с помощью различных измерительных приборов, без программирования. Функциональность Plug-and-Play позволяет подключать имеющиеся приборы к ПК и немедленно приступать к контролю их показаний в ПО BenchVue. Приложение TestFlow ПО BenchVue предоставляет удобный способ создания специальных последовательностей тестирования с помощью интерфейса с перетаскиванием мышью объектов на экране.

При запуске ПО BenchVue и подключении ПК к генератору сигналов произвольной формы на экране появляется окно графического управления этим генератором, как показано ниже на рис. 5. С помощью графического интерфейса пользователя можно легко выбрать такие сигналы, как синусоида, сигнал прямоугольной формы, перепад, импульс, сигнал треугольной формы, шум, псевдослучайная двоичная последовательность и постоянный ток с нужными параметрами.

Рис. 5. Приложение Function Generator (Генератор сигналов стандартной формы) ПО BenchVue

Для создания сигнала произвольной формы в ПО BenchVue нажмите кнопку Create Arb (Создать сигнал произвольной формы). Затем имеющийся сигнал произвольной формы может быть загружен с ПК или генератора сигналов произвольной формы. Также можно создать новый сигнал произвольной формы с помощью редактора формы сигнала.

При нажатии кнопки Create Arb откроется окно редактирования Waveform Builder (Конструктор формы сигнала), как показано ниже на рис. 6. Конструктор позволяет создавать сигналы как стандартной, так и сложной формы и даже рисовать мышью на экране сигналы специальной формы.

Рис. 6. Окно Waveform Builder (Конструктор формы сигнала) Keysight (33503A)

При желании для создания сигналов нужной формы можно также воспользоваться функцией Equation editor (редактор функций) (см. рис. 7). Для создания математического выражения достаточно выбрать нужные математические функции и операторы, а затем можно выполнить оценку и предварительный просмотр в графическом формате полученной формулы перед ее загрузкой в генератор сигналов произвольной формы.

Рис. 7. Редактор функций в приложении Waveform Builder

Одним из преимуществ работы с сигналами произвольной формы в ПО BenchVue является возможность создания последовательностей сигналов различной формы. Вы можете установить порядок сигналов определенной формы и задать повтор фрагментов нужное количество раз. Процесс передачи данных созданного сигнала произвольной формы также достаточно прост. Создавать файл CSV и передавать его на генератор сигналов произвольной формы вручную не требуется. Необходимые данные передаются с помощью ПО BenchVue с помощью нескольких щелчков мышью.

Создание сигналов произвольной формы — это совсем не сложно

На самом деле, при использовании современных генераторов сигналов произвольной формы создавать сигналы произвольной формы достаточно просто. Для быстрого создания собственных сигналов произвольной формы можно воспользоваться программой Excel. Если требуется воссоздать или изменить уже существующий сигнал, его можно записать и сохранить с помощью осциллографа. Затем с помощью карты флеш-памяти полученный файл CSV можно загрузить в генератор сигналов произвольной формы без необходимости в каком-либо программировании.

Если требуется регулярно создавать сигналы произвольной формы или использовать более широкие функции создания сигналов, обратите внимание на ПО BenchVue. Дополнительную информацию о генераторах сигналов стандартной и произвольной формы Keysight можно получить у специалистов компании «Диполь».

2.3.3. Генератор синусоидальных сигналов с мостом Вина

Схема генератора синусоидального сигнала представлена на рис.12. Генератор сигнала представляет собой неинвертирующий усилитель с положительной обратной связью (ПОС). ПОС представляет собой полосовой фильтр на элементахR₁, R₂,C₁,C₂с центральной частотойf₀. Полосовой фильтр на частотеf₀сигнал ослабляется в три раза. Для компенсации снижения уровня сигнала, поступающего по цепи ПОС, коэффициент отрицательной обратной связи β делается равным 1/3 (коэффициент усиления неинвертирующего усилителя равен 1/β). В такой схеме коэффициент петлевого усиления равен 1.

Если коэффициент отрицательной обратной связи β = 1/3, схема находится на границе устойчивости, и в ней происходят колебания с частотой f₀с любой, заранее установленной амплитудой. Если β < 1/3, амплитуда колебаний будет расходиться и в конечном итоге установятся периодические несинусоидальные колебания с амплитудой равной напряжению насыщения ОУ.

Если β > 1/3, амплитуда колебаний будет со временем стремиться к 0. Однако, точно установить величину β = 1/3 невозможно. Поэтому необходимо применять систему автоматической стабилизации амплитуды.

Один из вариантов генератора с автоматической стабилизацией амплитуды показан на рис.13. В этой схеме стабилизацию амплитуды обеспечивают два встречно-параллельно включенных диода. Стабилизация осуществляется за счет изменения динамического сопротивления диодов при изменении тока, протекающего через него. Динамическое сопротивление диода определяется по формулеr

д=U_т /I_{д, где} U_т– термический потенциал, который равен 25,5 мВ при комнатной температуре. При увеличении амплитуды выходного сигнала увеличивается ток через диод, уменьшается его динамическое сопротивление, что приводит к увеличению коэффициента обратной связи β и уменьшению амплитуды колебаний. Если амплитуда уменьшается, то уменьшение тока через диод приводит к увеличению динамического сопротивления диода. Коэффициент β уменьшается, а амплитуда сигнала увеличивается.

Схема легко запускается, так как при малых амплитудах динамическое сопротивление диода большое, коэффициент β < 1/3 и в схеме развиваются автоколебания. Резистор обратной связи выбирается так, чтобы ограничить искажения, и может быть выбран экспериментально по наименьшим искажениям.

Частота колебаний генератора определяется из выражения

.

Обычно R₁ =R₂ = К и С₁= С₂= С, т.о.

.

Применение буферного усилителя на выходе необходимо. Временная диаграмма работы генератора показана на рис.14.

Исходные данные:

— схема генератора на рис.13;

Выберем величину емкости равную С

1=C₂=C= 0,001мкФ. Найдем величину резисторовR₁ =R₂ = 1/(2πf₀C) = 1/ (6,28∙100 кГц∙0,001мкФ)=1,592 кОм.

Коэффициент отрицательной обратной связи β < 1/3, т.е. коэффициент усиления равен 3. Положим R₄= 20 кОм, тогда величинаR₃= 40 кОм.

Выполняя моделирование генератора можно заметить, что выходной сигнал постепенно возрастает и обрезается на уровне напряжения насыщения операционного усилителя. Чтобы сигнал на выходе имел синусоидальную форму, необходимо подобрать величину резистора R₃

по наименьшим искажениям. В результате получим величинуR₃= 36 кОм. Временная диаграмма работы генератора показана на рис.14.

3. Задание

3.1. Выполните расчет генератора сигнала прямоугольной формы, схема которого представлена на рис.5. Исходные данные взять из таблицы вариантов 1. Правильность расчета подтвердите результатами моделирования.

Замечания

Для получения правильных результатов при моделировании необходимо подобрать максимальный шаг расчета схемы MaximumTimeStep(например, 0. 00001) и сбросить флагOperatingPointвAnalysisLimits.

Для построения генераторов с относительно большими частотами следует выбирать более быстродействующие ОУ, например, ОР27, LF400Cи др.

Тип стабилитрона выберите из таблицы 2.

3.2. Выполните расчет генератора сигнала треугольной формы, схема которого представлена на рис.10. Исходные данные взять из таблицы вариантов 3. Правильность расчета подтвердите результатами моделирования.

Замечания

Перед расчетом после выбора типа ОУ необходимо измерить напряжение насыщения ОУ. Для этого включите ОУ по схеме компаратора и измерьте напряжение на выходе.

Для получения правильных результатов при моделировании необходимо подобрать максимальный шаг расчета схемы MaximumTimeStep(например, 0.00001) и сбросить флагOperatingPointвAnalysisLimits.

Для построения генераторов с относительно большими частотами, следует выбирать более быстродействующие ОУ, например, ОР27, LF400Cи др.

Генератор синусоиды с перестраиваемым клапаном | Elektor Magazine

Martin Ossmann

9 июля 2020 г.
By Martin Ossmann on Test & Measurement

Подпитываемый ностальгией по дотранзисторной эре, я решил построить еще одну схему с использованием ламп. Конструкций для простых ресиверов и высококачественных усилителей пруд пруди, что побудило меня пойти на что-то более необычное.

Поглощенный этими мыслями, я наткнулся на руководство к генератору частоты биений модели 295A производства Grundig/Hartmann and Braun (см. Рисунок 1 ). Это устройство можно настроить за один раз во всей полосе звуковых частот от 20 Гц до 20 кГц без необходимости менять диапазоны, и такое огромное соотношение частот 1000:1 невозможно с помощью простых генераторов синусоидальных колебаний. И это подводит нас к идее гетеродинирования.

Рисунок 1. Генератор частоты биений модели 295A.

Принцип гетеродина

На рисунке  2 показана основная идея. Генератор 1 создает фиксированную частоту f ₁ , здесь примерно 235 кГц. Генератор 2, напротив, является регулируемым и генерирует частоту f ₂ , которая может варьироваться от 235 кГц до 270 кГц, что составляет менее 20 % изменения частоты. Такой узкий частотный диапазон легко реализовать в простом генераторе с помощью переменного конденсатора.

Рис. 2. Принцип работы гетеродинного генератора сигналов.

Выходные сигналы двух генераторов подаются на микшер. На выходе смесителя среди прочих продуктов находится разностная частота f ₁  – f ₂ . Остальные произведения (сумму f ₁ и f ₂ , а также суммы и разности их целых кратных) можно удалить с помощью подходящего фильтра нижних частот. Наконец, мы усиливаем выходной сигнал, чтобы обеспечить источник с низким импедансом. Также можно использовать гетеродинный принцип для создания перестраиваемых ВЧ-генераторов, работающих в диапазоне до ГГц.

Оригинальный

На рис. 3 показан фрагмент принципиальной схемы, включая два генератора, смеситель, фильтр нижних частот и оконечный усилительный каскад. Клапан с надписью «Rö2» отвечает за генерацию фиксированной частоты. Его анод подключен к резонансному контуру, определяющему частоту колебаний, и имеется трансформатор, обеспечивающий обратную связь с электродом сетки.

Рисунок 3. Выдержка из принципиальной схемы модели 295А.

Переменная частота генерируется таким же образом с помощью триодной секции ECH81 (левая часть клапана с маркировкой «Rö1»). Частота регулируется с помощью переменной катушки индуктивности L5. Затем выходные сигналы двух генераторов передаются на сетки G1 и G3 гептодной секции ECH81, и продукты смешения появляются на гептодном аноде.

Фильтр нижних частот состоит из L1, L2 и L3, а также C1, C2, C3 и C4. Затем отфильтрованный выходной сигнал проходит через потенциометр, чтобы обеспечить регулировку уровня сигнала для клапана с маркировкой «Rö3», который сконфигурирован как катодный повторитель. Выходной синусоидальный сигнал с низким импедансом доступен на катоде этого клапана.

Моя кавер-версия

Чтобы упростить сборку версии этого модуля, я опробовал пару модификаций. Вместо переменной катушки индуктивности для регулировки частоты я использовал переменный конденсатор; и я модифицировал цепь обратной связи в генераторах, чтобы использовать катушки индуктивности вместо трансформаторов. Моя конструкция в произвольной форме, созданная на стенде для испытаний, показана на рис. 4  .

Рисунок 4. Эксперименты на стенде.

На рис. 5 показана полная принципиальная схема для вашего назидания. Триод V1 представляет собой генератор переменной частоты, а его выходной сигнал через потенциометр поступает на сетку G3 смесительного клапана V2. Триодная секция V2 используется для формирования генератора фиксированной частоты, а его выход выведен на сетку G1 семитода. Выход смесителя появляется на аноде гептода.

Рисунок 5. Принципиальная схема моей оптимизированной реплики. Окончательный прототип (кроме блока питания) можно увидеть на рис. 6.

Измерения

Чтобы проверить базовую работу и качество сигнала моего окончательного прототипа (см. , рис. 6 ), я провел несколько измерений.

Рисунок 6. Окончательный прототип генератора синусоидального сигнала.

Я измерил амплитуду сигнала около 200 В _pp на анодах генератора; особый интерес, конечно, представляет сигнал анода на смесительном клапане, показанный на рис. 9.0019 Рисунок 7 .

Рисунок 7. Сигнал на аноде смесительного клапана.

Быстрые колебания представляют собой два высокочастотных тона, а нижняя огибающая представляет собой сгенерированный синусоидальный сигнал: именно его мы впоследствии извлекаем с помощью фильтра нижних частот.

На рис. 8 показан спектр анодного сигнала на смесительном клапане. Легко увидеть множество тонов продукта, генерируемых двумя осцилляторами. Регулировочный потенциометр R5 изменяет амплитуду выходного сигнала, но в то же время изменяет уровень возбуждения смесительного клапана.

Рисунок 8. Спектр выходного сигнала микшера.

Если, например, мы установим R5 так, чтобы амплитуда сигнала 8 В _pp появилась на сетке G3, мы получим выходную амплитуду около 7 В _pp . При таком высоком уровне выходного сигнала мы, конечно, получаем значительные искажения в выходном сигнале: спектр показан на рис. 9 . Вторая гармоника всего на 35 дБ ниже основной, а коэффициент искажения не особенно впечатляет — более 1 %.

Рисунок 9. Выходной спектр при высоком уровне возбуждения микшера.

Если, с другой стороны, мы отрегулируем амплитуду сигнала на G3 всего до 1 В _pp , мы получим амплитуду выходного сигнала 2 В _pp , спектр которого, показанный на рис. 10 , выглядит много здоровее. Вторая гармоника теперь более чем на 50 дБ ниже основной, а коэффициент искажения снизился примерно до 0,3 %, что намного более удовлетворительно. На частотах 235 кГц и 250 кГц все еще присутствуют остаточные тоны, которые емкостно связаны с выходным сигналом через фильтр нижних частот. Это можно уменьшить, улучшив экранирование высокочастотных частей схемы.

Рисунок 10. Выходной спектр при более низком уровне возбуждения микшера.

Итак, в заключение мы видим, что можно построить полезный регулируемый генератор синусоидального сигнала, охватывающий весь диапазон звуковых частот, используя всего три лампы и несколько других компонентов.

 

P ostscript: Возможно, не все любители знакомы с классической радиочастотной терминологией «0V2», используемой радиолюбителями. Первое число указывает количество каскадов предусилителя RF перед детектором, а число после «V» указывает количество каскадов аудиоусилителя. Таким образом, приемник типа «0V2» представляет собой конструкцию «Audion» с одной лампой, без каскадов предусилителя ВЧ и с двумя каскадами аудиоусилителя.

---

Нравится узнавать о генераторе синусоидальных сигналов?   Хотите больше отличного контента Elektor?

Зарегистрируйтесь в Elektor сегодня и не пропустите ни одной статьи, проекта или руководства.

Прочтите полную статью

Скрыть полную статью

Добавить рейтинг к этой статье

★ ★ ★ ★ ★

★ ★ ★ ★

.

Имя *

Фамилия *

Псевдоним

Электронная почта *

Пароль *

Подтвердить пароль *

Насколько хорош ваш генератор синусоидальной волны, и как узнать? | 2018-12-17

Я использую функциональный генератор в качестве источника для стимуляции цепей и измерения их отклика. У меня оказалось три разных синусоидальных генератора по цене 12, 275 и 1200 долларов. Я задавался вопросом, насколько лучше синусоида от более дорогого функционального генератора по сравнению с более дешевыми устройствами. Сколько отдачи вы получаете за свои деньги?

Измерение трех различных функциональных генераторов

С помощью моего осциллографа я смог сравнить эти три источника синусоидального сигнала и разработал простой способ сравнения каждого источника с идеальным источником. Этот метод может быть применен к любой форме волны.

Три доступных мне источника показаны на рис. 1. Недорогой блок представляет собой обычный генератор функций от eBay за 12 долларов. Генератор функций средней ценовой категории на самом деле является генератором сигналов, встроенным в осциллограф Digilent Analog Discovery. Весь 2-канальный прицел с 2-канальным функциональным генератором стоит всего 275 долларов. Генератор функций высокого класса представляет собой Teledyne LeCroy WaveStation, очень похожий на блоки от Keysight и других поставщиков высокого класса.

Рисунок 1. Три разных генератора функций по цене от 12 до 1200 долларов.

Первым шагом в характеристике источников синусоидального сигнала является просмотр их выходного напряжения на осциллографе. На рис. 2 показаны измеренные сигналы, когда каждый из них был настроен на синусоиду 50 кГц с амплитудой 1 В и без смещения. Осциллограф был настроен для измерения сигнала от каждого генератора, все по одной и той же шкале полной шкалы 4 В, согласования 50 Ом и одной и той же временной развертки полной шкалы 50 мкс.

Рис. 2. Измеренные синусоидальные волны от каждого источника на осциллографе Teledyne LeCroy HDO8108. Плоская линия — это напряжение на канале 4 без входа, используемое в качестве эталона для определения уровня шума системы.

Вертикальное разрешение прицела 12-битное. По этой шкале младший значащий бит (LSB) равен 4 В/4095 = 0,98 мВ. Временная база была установлена ​​на 125 млн отсчетов/сек или измерение каждые 8 ​​нс.

На первый взгляд все они одинаковые. Именно тогда мы можем раскрыть всю мощь инструментов анализа для анализа сигналов.

Второй этап анализа: БПФ

Второй этап — использование БПФ. Все современные осциллографы могут брать буфер сбора измеренных данных, выполнять БПФ и отображать сигнал в частотной области. Я изменил шкалу временной развертки, чтобы получить разрешение 100 Гц и частотный диапазон 1 МГц. Легко перепроектировать мои настройки и понять, что я должен был использовать временную базу около 10 мс и частоту дискретизации выше 2 млн отсчетов/с. Это около 20 000 отсчетов, используемых для расчета спектра.

На рис. 3 показано сравнение четырех спектров. В дополнение к измерению трех функциональных генераторов я также измерил шум на канале, к которому ничего не подключено. Это всегда полезная отправная точка, когда мы изучаем мелкие детали сигналов.

Важным передовым методом измерения является ситуационная осведомленность — всегда помните об ограничениях ваших инструментов и о том, насколько близки показатели качества вашего сигнала к ограничениям прибора.

Рис. 3. Рассчитанный спектр для трех источников и канальный шум.

Гармонические искажения генераторов WaveStation и Digilent очень похожи. Амплитуда первой гармоники составляет примерно 60 дБмВ, или амплитуду 1 В, как и ожидалось. Третья гармоника имеет амплитуду около -10 дБмВ или 0,3 мВ. Четные гармоники ниже. Эти высшие гармоники более чем на 70 дБ ниже первой гармоники, но распределение гармоник немного отличается.

Недорогой генератор функций имеет на 30 дБ более высокие гармоники и значительные субгармоники. Ясно, что спектральное качество хуже.

Базовая линия осциллографа показывает аналогичный минимальный уровень шума -40 дБмВ, что эквивалентно амплитуде 10 мкВ. Это следует сравнить с LSB 1000 мкВ. Чтобы получить этот минимальный уровень шума, мы эффективно усредняем более 20 000 измерений во временной области. Ожидаемое снижение шума составляет sqrt(20 000) = 141. Измеренный минимальный уровень шума составляет около 1/100 ^th шума LSB, примерно так, как и ожидалось. Есть только несколько ложных пиков ниже пикового уровня 100 мкВ из-за частот дискретизации в АЦП осциллографа.

Хотя это показывает одинаковое качество гармонических искажений верхних частот и моего функционального генератора Digilent, трудно понять, какое влияние это спектральное искажение оказывает на исходный сигнал во временной области. Остается вопрос, насколько эти реальные сигналы близки к «идеальным» синусоидальным волнам.

Мы можем ответить на этот вопрос, сравнив измеренные синусоидальные волны с смоделированными идеальными синусоидами.

Столкновение двух миров: идеальный мир и реальный мир

Все осциллографы позволяют экспортировать измеренные данные зависимости напряжения от времени в файл csv. Этот файл csv можно импортировать в симулятор SPICE и напрямую сравнить с идеальной синусоидой, чтобы увидеть остаток. На рис. 4 показано меню для сохранения каждого сигнала. В этой области у меня есть шесть различных форматов, из которых можно выбирать. Я использовал формат Excel, csv. После удаления текстовых заголовков в этом файле это именно тот формат, который может прочитать симулятор.

Рис. 4. Шесть различных форматов сохранения данных зависимости напряжения от времени на осциллографе Teledyne LeCroy HDO8108.

Моя любимая бесплатная версия SPICE — Quite Universal Circuit Simulator (QUCS). Для симулятора с открытым исходным кодом он многофункционален и прост в использовании.

Я использовал файловый источник напряжения для чтения данных csv из каждого канала осциллографа. Это иначе известно как кусочно-линейный источник напряжения.

В качестве наилучшей практики анализа важно использовать в моделировании точно такой же временной шаг, для которого были измерены данные. Таким образом, интерполяция не требуется.

Это был интервал в 8 нс между измеренными или смоделированными точками.

Каждая измеренная синусоида была введена в среду моделирования QUCS в виде файлового источника напряжения. Напряжение на выходном узле файлового источника напряжения было измеренным напряжением для каждого канала.

Идеальный источник синусоидального сигнала был смоделирован для сравнения с измеренным синусоидальным сигналом. Идеальная синусоида имеет всего три показателя качества или параметра, которые ее определяют: амплитуда, частота и фаза. Я добавил источник смещения постоянного тока, чтобы обеспечить четвертую добротность для учета реальных смещений постоянного тока в реальных сигналах. Эти четыре члена были параметризованы, поэтому я мог изменять их до тех пор, пока смоделированные и измеренные синусоидальные волны не давали наименьшую остаточную разницу. На рис. 5 показана схема, настроенная для одной из пар синусоиды и оптимизированных параметров.

Рис. 5. Простая схема для сравнения реальной измеренной формы волны с смоделированной идеальной формой волны и параметры для настройки идеальной синусоиды. Остаточная ошибка и некоторые статистические данные рассчитывались автоматически.

Используя эту среду моделирования, я могу столкнуть два мира реальной измеренной синусоиды с идеальной смоделированной синусоидой. Я сделал это для каждой из четырех форм волны, включая опорный канал постоянного напряжения. Я оптимизировал четыре показателя качества для каждой синусоиды, чтобы минимизировать невязку. Остается неидеальная ошибка в каждой измеренной синусоиде. Они представлены на рис. 6.9.0014

Рис. 6. Верхний ряд: Сравнение измеренных синусоид и оптимизированных идеальных синусоид для сигналов трех функциональных генераторов. Нижняя серия графиков — остатки. Обратите внимание, что LSB составляет около 0,001 В. Высокие и низкие значения LSB показаны горизонтальными красными линиями.

Сравнение показывает, что вы получаете за большие деньги с высококлассным генератором функций. Остаточные ошибки измеренной синусоиды почти сравнимы с шумом на канале 1, как видно на крайнем правом рисунке. Стандартное отклонение шума канала составляет 2,03 мВ, а остаточное стандартное отклонение между идеальной синусоидой и сигналом WaveStation составляет 2,56 мВ при амплитуде 1 В.