Terminologie und Spezifikationen für Signalgeneratoren

Die Bandbreite eines Signalgenerators ist die Frequenz, bei der das Ausgangssignal gegenüber der Amplitude eines Gleich- oder Niederfrequenzsignals um 3 dB gedämpft wird. Die Bandbreite einer Signalquelle wird durch die Schaltung des Ausgangsverstärkers oder durch Filter in der Analogausgangsschaltung begrenzt. Die maximale Ausgangsfrequenz des Signalgenerators wird durch die Bandbreite bestimmt.

^{Abbildung 1}

In Abbildung 1 sehen Sie beispielsweise den Frequenzgang des Arbiträrsignalgenerators NI PXIe-5433. Wie dargestellt, beträgt die Bandbreite des PXIe-5433 80 MHz, was bedeutet, dass der Generator zuverlässig Signale mit einem Frequenzbereich von 0–80 MHz mit einer Dämpfung von weniger als 3 dB ausgeben kann. Die Frequenzanteile über 80 MHz eines Ausgangssignals werden größer als 3 dB gedämpft.

Sample-Rate ist die Rate, mit der digitale Daten vom Speicher zum D/A-Wandler (DAC) übertragen werden. Ein digitaler Signalverlauf muss mindestens doppelt so schnell wie die höchste Frequenz des gewünschten Signals aktualisiert werden, um genau erzeugt zu werden. Im Idealfall erzeugt jedoch eine um ein Vielfaches höhere Sample-Rate als die höchste Frequenz des Signals genaue Signalverläufe. Eine höhere Sample-Rate erfasst auch mehr Signalverlaufsdetails.

^{Abbildung 2}

In Abbildung 2 sehen Sie beispielsweise eine 1-MHz-Sinusschwingung, die von einem idealen 20-MS/s-D/A-Wandler erzeugt wird. Die schwarze Linie stellt die tatsächliche Sinusschwingung dar, während die rote Linie die tatsächliche Signalausgabe des D/A-Wandlers darstellt. Beachten Sie, dass der D/A-Wandler seine Ausgangsspannung bis zur Aktualisierung beibehält. Im Allgemeinen definiert die höhere Sample-Rate die Signalverlaufsform genauer.

Die Auflösung eines Signalgenerators ist ein limitierender Faktor für die Genauigkeit des erzeugten Signalverlaufs. Weitere Details sind im Signalverlauf enthalten, wenn die DAC-Auflösung erhöht wird. Ein 3-Bit-D/A-Wandler unterteilt seinen vertikalen Bereich in acht diskrete Level. Mit einem vertikalen Bereich von 0-10 V kann der 3-Bit-D/A-Wandler keine Spannungsdifferenzen kleiner als 1,25 V erzeugen. Im Vergleich dazu kann ein 16-Bit-D/A-Wandler mit 65.536 (oder 216) diskreten Pegeln bei einem Ausgangsbereich von 0-10 V Spannungsdifferenzen bis zu 153 μV erzeugen.

^{Abbildung 3}

In Abbildung 3 sehen Sie beispielsweise den Unterschied zwischen zwei Signalverläufen. Der Signalverlauf mit einer Auflösung von 16 Bit sieht aus wie eine kontinuierliche Sinusschwingung, aber beim Zoomen würden diskrete Schritte von 153 μV auftreten. Beide Signalverläufe bestehen aus diskreten Spannungsschritten, wobei die 16-Bit-Version einem "reinen" zeitkontinuierlichen Sinussignalverlauf viel näher kommt.

Um den kleinsten diskreten Schritt eines von einem Signalgenerator ausgegebenen Signalverlaufs zu finden, verwenden Sie die folgende Formel, wobei R der Spannungsbereich von Spitze zu Spitze des D/A-Wandlers und N die Auflösung ist:

Der Arbiträrsignalgenerator NI PXIe-5433 hat eine 16-Bit-Auflösung und kann bei maximaler Ausgangsdämpfung ein Signal mit einem Spannungsbereich von Spitze zu Spitze von 0,00564 V ausgeben. Das PXI-5421 kann daher Signale mit diskreten Spannungsstufen bis 0,116 μV ausgeben.

Die meisten Signalgeneratoren bieten sowohl variable Ausgangsspannungsbereiche als auch Offsets, mit denen der Benutzer die Vorteile des D/A-Wandlers voll ausschöpfen kann.

^{Abbildung 4}

Wie in Abbildung 4 dargestellt, beträgt der optimale Spannungsbereich 1 V und der optimale Offset 1,5 V.

Die Speichertiefe einer Signalquelle gibt an, wie viel Speicher zum Speichern von Signalverläufen sowie Anweisungen zum Sequenzieren verfügbar ist.

Funktionsgeneratoren verwenden die direkte digitale Synthese (DDS), um sich wiederholende Standardsignalverläufe wie Sinus-, TTL-, Rechteck- und Dreiecksignalverläufe präzise zu erzeugen. Funktionsgeneratoren haben diese Standardsignalverläufe in der Regel vordefiniert im Speicher und zusätzlich eine geringe Speichertiefe, die es dem Benutzer ermöglicht, eine Periode seines eigenen Ausgangssignalverlaufs zu definieren.

Beliebige Signalverlaufsgeneratoren verfügen dagegen oft über tiefe Onboard-Speicher, die es Benutzern ermöglichen, komplexe Signalverläufe auszugeben. So reicht die karteneigene Speichertiefe für das PXIe-5433 von 256 MB bis 1 GB. Mit diesen internen Speichertiefen können Sie große und komplexe benutzerdefinierte Signalverläufe oder Signalverläufe speichern, die von Tiefspeicherdigitalisierern erfasst wurden. Mit der Speichertiefe von 256 Millionen Samples kann der Benutzer ein 2,56 Sekunden langes 16-Bit-Signal mit 100 MS/s ausgeben!

Der tiefe Speicher eines arbiträren Signalverlaufsgenerators kann mehrere unterschiedliche Signalverlaufssegmente speichern, sowie Anweisungen, wie die Ausgabe dieser Segmente sequenziert und wie oft jedes Segment ausgegeben wird.

Dynamischer Bereich quantifiziert die Beziehung zwischen dem größten Signal und dem kleinsten Signal, das gleichzeitig erzeugt werden kann. Stellen Sie sich drei Personen in einem Raum vor, in dem eine Person schreit, eine flüstert und die dritte zuhört. Dynamischer Bereich würde den größten Bereich zwischen dem Rufen und Flüstern quantifizieren, den der Hörer hören könnte. Irgendwann „übertönte“ das Geschrei das Flüstern und der Hörer konnte das Geflüster nicht mehr hören. Zu diesem Zeitpunkt wurde der dynamische Bereich überschritten. Das Gleiche gilt für Elektronik, die elektrische Signale erzeugt oder erfasst.

Der Spurious-Free Dynamic Range (SFDR) ist der nutzbare dynamische Bereich, in dem das Grundsignal durch keine Störgeräusche gestört oder verzerrt wird. SFDR ist das Verhältnis zwischen dem Grundsignal und dem größten harmonischen oder nicht harmonischen Sporn von DC zur halben Sample-Rate.

^{Abbildung 5}

Zur Messung des gestörten freien Dynamikbereichs eines Signalgenerators wird eine Schwingung mit einer bestimmten Frequenz erzeugt. Mit einem Spektrumanalysator wird dann die Amplitude der Grundschwingung und die Amplitude der nächsthöheren Schwingung gemessen.

In Dezibel ist es einfach, SFDR zu berechnen:

In Abbildung 5 ist die zweite Harmonische die zweithöchste Schwingung und die SFDR beträgt etwa 70 dBc. SFDR wird am häufigsten in der Einheit „dBc“ gemessen, was „dB bezogen auf einen Trägerpegel“ bedeutet. Zu sagen, dass SFDR 70 dBc ist, bedeutet, dass die Störsignale immer 70 dB kleiner als die Trägerfrequenz und in diesem Fall die Grundfrequenz der Sinusschwingung sind. Die Störsignale sind immer kleiner als das 0,00000001-fache der Grundfrequenz.

Bei gegebenen Effektivspannungen kann SFDR mit folgender Gleichung berechnet werden:

Alle analogen Elektroniken haben Klirrfaktor. Grundsätzlich bewirkt die Erzeugung einer Schwingung bei einer bestimmten Frequenz, dass die Elektronik ein ganzzahliges Vielfaches der Schwingung resoniert. Gesamtklirrfaktor addiert die Leistung in jeder der Harmonischen und dividiert diese durch die Leistung in der Grundschwingung. Wenn sich der THD eines Signals -30 dB nähert, wird der Zeitbereichssignalverlauf verzerrt angezeigt.

^{Abbildung 6}

THD lässt sich am einfachsten berechnen, wenn die Effektivamplituden der Grundfrequenz Af und der Harmonischen zweiter bis n-ter Ordnung An mit Hilfe folgender Gleichung ermittelt werden:

Signal-Rausch-Verhältnis (SINAD) ist das Verhältnis der Effektivsignalamplitude zur Effektivsumme aller anderen Spektralanteile, einschließlich der Harmonischen, aber ohne DC. SINAD wird üblicherweise in dB angegeben.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist das Verhältnis der gewünschten Signalamplitude zur Rauschsignalamplitude zu einem gegebenen Zeitpunkt. SNR wird wie SINAD üblicherweise in dB ausgedrückt. SINAD ist die Summe von SNR und THD.

SINAD kann anhand der Effektivamplitude des Ausgangssignals ASignal und der Effektivsumme aller Spektralanteile unterhalb der Nyquist-Frequenz, ANoise+Distortion, nach folgender Formel berechnet werden:

Je höher der SINAD, desto besser ist natürlich die Qualität des Ausgangssignals.

Die Effektive Bitanzahl (ENOB) misst die tatsächliche Leistung des D/A-Wandlers innerhalb einer Signalquelle nach Einbeziehung der verschiedenen Rauschquellen und der Nichtlinearität und kann direkt von SINAD berechnet werden. Ein idealer 16-Bit-Signalverlaufsgenerator hätte beispielsweise einen ENOB von 16 Bit. Signalgeneratoren in der Praxis leiden jedoch unter Rauschen und Verzerrungen, die durch den D/A-Wandler, Multiplexing, Impedanzabweichungen und Einschwingzeiten des Kondensators verursacht werden.

Die einfachste Methode zur Messung von ENOB ist die Verwendung von SINAD gemessen in dB:

Idealerweise liegt bei der Erzeugung einer Schwingung die gesamte Energie genau auf der Frequenz. Aufgrund von Sample-Takt-Jitter „blutet“ jedoch Energie in die Frequenzen neben der Schwingung. Bei Jitter ist der Sample-Takt manchmal etwas zu schnell, was die Frequenz des Signalverlaufs erhöht, und manchmal ist er etwas zu langsam, was die Frequenz verringert. Dadurch werden Frequenzen um die Grundfrequenz verteilt (siehe Abbildung 7).

Die gesamte Elektronik verstärkt oder dämpft bestimmte Frequenzen. Wenn ein Signal über einen weiten Bereich mehrere unterschiedliche Frequenzen belegt, wird das Signal verzerrt, da unterschiedliche Frequenzen durch unterschiedliche Faktoren gedämpft oder verstärkt werden. Da Nachrichtensignale große Frequenzbereiche (beispielsweise 10 MHz) belegen können, sind sie besonders anfällig für diese Art von Verzerrung.

Durchlassebene ist ein Ausdruck in dB, der angibt, innerhalb welcher Grenzen die Amplitude eines Signals in einem bestimmten Frequenzbereich variiert. Im Idealfall würde ein Signalgenerator über seine gesamte Bandbreite eine Durchlassebene von 0 dB aufweisen, aber die besten Generatoren können über den größten Teil ihrer Bandbreite 0,25 dB erreichen.

Wie bereits erläutert, muss ein digitaler Signalverlauf mindestens doppelt so schnell wie die höchste Frequenz des gewünschten analogen Signals aktualisiert werden, um genau erzeugt zu werden. Obwohl die theoretische Anforderung an den Sample-Takt fs doppelt so hoch ist wie die Signalbandbreite f0, werden Bilder in das Ausgangssignal bei |f0 ± nfs| eingefügt (siehe Abbildung 8). Die Bilder verschlechtern die spektrale Reinheit des Signals, wodurch diese Bilder aus dem Signal herausgefiltert werden müssen.

^{Abbildung 8}

Um hochwertige Signale zu erzeugen, können die meisten Signalgeneratoren das erzeugte Signal tiefpassfiltern. Zur Glättung des Ausgangs des Roh-D/A-Wandlers wird ein Tiefpassfilter verwendet. Der Filter entfernt hochfrequente Aliasanteile, die durch die digitale Signalerzeugung eingebracht werden. Der Tiefpassfilter kann sowohl durch analoge als auch durch digitale Filter implementiert werden.

Die Entwicklung eines analogen Filters, der die Bilder unterdrückt und trotzdem die maximale Ausgangsbandbreite (0 bis 0,43 fs) erhält, ist schwierig und nahezu unmöglich. In Abbildung 9 ist dies durch die CURVE Analogfilter 1 dargestellt. Analogfilter 2 stellt einen praktischeren Filter dar. Dieser Filter ist nicht so aggressiv wie Analogfilter 1. Analogfilter 2 filtert die Bilder in der Nähe von fs nicht heraus, aber es verwirft alle anderen. Analogfilter haben Kompromisse zwischen dem Abrollen der Dämpfung nach dem 3 dB-Punkt und der Flachheit der Dämpfung vor dem 3 dB-Punkt.

^{Abbildung 9}

Der dritte Filter, Analogfilter 3, hat einen viel höheren Punkt von 3 dB als die ersten beiden Analogfilter. Aufgrund des höheren Punkts von 3 dB ist der Filter im Durchlassbereich (0 bis 0,43 fs) nahezu flach. Analogfilter 3 filtert die bei fs und 2fs erzeugten Bilder überhaupt nicht, aber dieser Mangel kann mit einem digitalen Interpolationsfilter behoben werden.

Um die Anforderungen an den Analogfilter zu erleichtern und eine größere Ausgabebandbreite zu erhalten, verwenden Signalgeneratoren oft digitale Filter, um Daten zwischen den gespeicherten Signalverlaufsdaten zu interpolieren. Bei einer 2-fachen Interpolation würde der D/A-Wandler beispielsweise 1 Punkt zwischen jedem digitalen Sample interpolieren. Die meisten NI-Signalgeneratoren bieten zwei-, vier- und achtfache Interpolationsoptionen. Um mit dem digitalen Filter die spektral reinsten Signale zu erzeugen, sollten Sie den höchstmöglichen Interpolationsfaktor verwenden.

^{Abbildung 10}

In Abbildung 10 wird der zweifache Interpolationsfilter verwendet und die effektive Sample-Rate des D/A-Wandlers beträgt 2fs. Die Bilder bei fs ± f0 sind kein Problem mehr, und die Bilder befinden sich jetzt bei |2fs ± f0|.

Analogfilter 2 kann nun alle Bilder aufgrund der digitalen Signalerzeugung einfach herausfiltern. Dieses Verhalten zeigt sich in der Frequenzbereichsdarstellung und im Zeitbereich.

Kunden, die sich für dieses Thema interessiert haben, zeigten auch Interesse an den folgenden NI-Produkten:

• Funktions-, Arbiträr- und RF-Signalgeneratoren
• Andere modulare Messgeräte (Digitalmultimeter, Digitalisierer, Schaltmodule usw.)
• Die grafische Programmierumgebung LabVIEW