Signal Generator : terminologie et spécifications

La bande passante d'un Signal Generator est la fréquence à laquelle le signal en sortie est atténué 3 dB par rapport à l'amplitude d'un signal CC ou basse fréquence. La bande passante d'une source de signal est limitée par la conception de l'amplificateur de sortie ou par les filtres du circuit de sortie analogique. La bande passante est l’un des facteurs qui déterminent la fréquence de sortie maximale du Signal Generator.

^{Figure 1}

Par exemple, la figure 1 montre la réponse en fréquence du générateur de signaux arbitraires NI PXIe-5433. Comme indiqué, la bande passante du PXIe-5433 est de 80 MHz, ce qui signifie que le générateur peut générer des signaux fiables avec une gamme de fréquence de 0 à 80 MHz avec une atténuation inférieure à 3 dB. Les composantes fréquentielles supérieures à 80 MHz de tout signal en sortie seront atténuées à plus de 3 dB.

La fréquence d'échantillonnage est la vitesse à laquelle les données numériques sont transférées de la mémoire au convertisseur numérique-analogique (CNA). Une waveform numérique doit être mise à jour au moins deux fois plus vite que la fréquence la plus élevée du signal désiré pour être générée avec précision. Idéalement, cependant, une fréquence d’échantillonnage beaucoup plus élevée que la fréquence la plus élevée du signal produit des signaux précis. Une fréquence d'échantillonnage plus élevée capture également plus de détails de waveform.

^{Figure 2}

Par exemple, la figure 2 illustre un signal sinusoïdal de 1 MHz généré par un convertisseur numérique-analogique idéal de 20 Méch./s. La ligne noire représente le signal sinusoïdal réel, tandis que la ligne rouge représente le signal réel en sortie du convertisseur numérique-analogique. Notez que le convertisseur numérique-analogique maintient sa tension de sortie jusqu'à ce qu'elle soit mise à jour. En général, la fréquence d'échantillonnage plus élevée définit plus précisément la forme du signal.

La résolution d'un Signal Generator est un facteur limitant pour déterminer la précision du signal généré. Plus de détails sont présents dans la waveform si la résolution du convertisseur numérique-analogique est augmentée. Un convertisseur numérique-analogique 3 bits divise sa gamme verticale en huit niveaux discrets. Avec une gamme verticale de 0 à 10 V, le convertisseur numérique-analogique 3 bits ne peut pas générer des différences de tension inférieures à 1,25 V. En comparaison, avec une gamme de sortie de 0 à 10 V, un convertisseur numérique-analogique 16 bits avec 65 536 (ou 216) niveaux discrets peut générer des différences de tension aussi petites que 153 μV.

^{Figure 3}

Par exemple, la figure 3 montre la différence entre deux waveforms. La waveform avec une résolution de 16 bits ressemble à un signal sinusoïdal continu, mais avec un zoom avant, il y aurait des incréments discrets de 153 μV. Les deux waveforms sont composées d'étapes de tension discrètes, la version 16 bits étant beaucoup plus proche d'une waveform sinusoïdale à temps continu « pure ».

Pour trouver le plus petit pas discret d'une waveform en sortie d'un signal generator, utilisez la formule suivante où R est la gamme de tension pic à pic du convertisseur numérique-analogique et N est la résolution :

Pour illustrer, le générateur arbitraire NI PXIe-5433 a une résolution de 16 bits et peut émettre un signal avec une gamme de tension pic à pic de 0,00564 V lorsque l’atténuation de sortie maximale est appliquée. Le PXI-5421 peut donc émettre des signaux avec des incréments de tension discrets aussi petits que 0,116 μV.

La plupart des signal generators offrent à la fois des gammes de tension de sortie pic à pic variables et des offsets qui permettent à l’utilisateur de tirer pleinement parti du convertisseur numérique-analogique.

^{Figure 4}

Comme le montre la figure 4, pour émettre un signal sinusoïdal pic à pic de 1 V allant de 1 V à 2, la gamme de tension et l’offset optimaux seraient respectivement de 1 V et 1,5 V.

La profondeur de mémoire d'une source de signal spécifie la quantité de mémoire disponible pour stocker les waveforms en sortie ainsi que les instructions pour les séquencer.

Les générateurs de fonctions utilisent la synthèse numérique directe (DDS) pour générer précisément des waveforms standard de nature répétitive, y compris des waveforms sinusoïdales, TTL, carrées et triangulaires. Les générateurs de fonctions ont généralement ces waveforms standard prédéfinies dans leur mémoire et ont en outre une faible profondeur de mémoire qui permet à l'utilisateur de définir une période de sa propre waveform en sortie.

Les générateurs de signaux arbitraires, en revanche, ont souvent des mémoires embarquées profondes qui permettent aux utilisateurs de générer des signaux complexes. Par exemple, la profondeur de mémoire embarquée du PXIe-5433 varie de 256 Mo à 1 Go. Grâce à ces profondeurs de mémoire embarquées, vous pouvez stocker des waveforms vastes et complexes définies par l’utilisateur ou acquises à partir de numériseurs à mémoire profonde. Avec une profondeur de mémoire de 256 millions d’échantillons, l’utilisateur peut émettre un signal de 2,56 secondes, 16 bits à 100 Méch./s !

La mémoire profonde d'un générateur de signaux arbitraires peut stocker plusieurs segments de signaux différents ainsi que des instructions sur la façon de séquencer la sortie de ces segments et combien de fois renvoyer chaque segment.

La gamme dynamique quantifie la relation entre le plus grand signal et le plus petit signal qui peut être généré en même temps. Imaginez trois personnes dans une pièce où une personne crie, une chuchote et la troisième écoute. La gamme dynamique quantifierait la plus grande gamme entre les cris et les chuchotements que l'auditeur pourrait entendre. À un moment donné, les cris « noient » le chuchotement et l’auditeur n’entend plus ce qui est chuchoté. À ce stade, la gamme dynamique a été dépassée. Il en va de même avec l’électronique qui génère ou acquiert des signaux électriques.

La gamme dynamique sans bruit est la gamme dynamique utilisable avant que le bruit parasite n’interfère ou ne déforme le signal fondamental. SFDR est le rapport entre le signal fondamental et le plus grand spur harmoniquement ou non harmoniquement lié de CC à la moitié de la fréquence d'échantillonnage.

^{Figure 5}

Pour mesurer la gamme dynamique libre parasite d'un Signal Generator, un ton est généré à une fréquence donnée. Un analyseur de spectre est ensuite utilisé pour mesurer l'amplitude du ton fondamental et l'amplitude du ton le plus élevé suivant.

Étant donné les décibels, il est facile de calculer SFDR :

Dans la figure 5, la deuxième harmonique est le deuxième ton le plus élevé et le SFDR est d’environ 70 dBc. Le SFDR est le plus souvent mesuré en unités de « dBc » signifiant « dB référencé à un niveau de porteuse ». Dire que SFDR est 70 dBc implique que les signaux parasites seront toujours 70 dB de moins que la fréquence porteuse, et dans ce cas, la fréquence fondamentale du signal sinusoïdal. Pour mettre cela en perspective, les signaux parasites seront toujours inférieurs à 0,000000001 fois la fréquence fondamentale.

Étant donné les tensions efficaces, le SFDR peut être calculé avec la formule suivante :

Toute l'électronique analogique a une distorsion harmonique. Essentiellement, générer un ton à une fréquence donnée fait résonner (ou fredonner) l'électronique à des multiples entiers du ton. La distorsion harmonique totale additionne la puissance dans chacune des harmoniques et la divise par la puissance dans la fondamentale. Lorsque la DHT d'un signal approche -30 dB, le signal temporel apparaît déformé visiblement.

^{Figure 6}

Il est plus pratique de calculer la DHT lorsqu'on donne les amplitudes efficaces de la fréquence fondamentale, Af, et des harmoniques du 2e au Nième ordre, An, en utilisant la formule suivante :

Rapport signal/bruit et distorsion (SINAD) est le rapport entre l'amplitude efficace du signal et la somme efficace de toutes les autres composantes spectrales, y compris les harmoniques, mais à l'exclusion du CC. SINAD est généralement exprimé en dB.

Le rapport signal/bruit (SNR) est le rapport entre l'amplitude désirée du signal et l'amplitude du signal de bruit à un moment donné. Le rapport S/B, comme le SINAD, est généralement exprimé en dB. SINAD, en fait, est la somme du rapport S/B et de la DHT.

SINAD peut être calculé en utilisant la formule suivante en utilisant l'amplitude efficace du signal en sortie ASignal et la somme efficace de toutes les composantes spectrales inférieures à la fréquence de Nyquist, bruit + distorsion :

Naturellement, plus le SINAD est élevé, meilleure est la qualité du signal en sortie.

Le nombre effectif de bits (ENOB) mesure les performances réelles du convertisseur numérique-analogique au sein d'une source de signal une fois ses différentes sources de bruit et sa non-linéarité incluses et peut être calculé directement à partir du SINAD. Par exemple, un générateur de signaux 16 bits idéal aurait un ENOB de 16 bits. Cependant, les générateurs de signaux du monde réel souffrent du bruit et de la distorsion causés par diverses raisons, notamment le convertisseur N/A, le multiplexage, les différences d’impédance et les temps de stabilisation des condensateurs.

La façon la plus simple de mesurer ENOB est d’utiliser SINAD mesuré en dB :

Idéalement, lorsqu’un ton est généré, toute l’énergie se trouve exactement à la fréquence. Cependant, en raison du jitter de l’horloge d’échantillonnage, l’énergie « saigne » dans les fréquences adjacentes au ton. Avec le jitter, parfois l’horloge d’échantillonnage est un peu trop rapide ce qui augmente la fréquence de la waveform et parfois c’est un peu trop lent ce qui diminue la fréquence. Ceci provoque la distribution des fréquences autour de la fondamentale comme le montre la figure 7.

Toute l'électronique tend à amplifier ou atténuer certaines fréquences. Si un signal occupe plusieurs fréquences différentes sur une large gamme, le signal sera déformé car différentes fréquences seront atténuées ou amplifiées par différents facteurs. Étant donné que les signaux de communication peuvent occuper de grandes gammes de fréquences (par exemple, 10 MHz), ils sont particulièrement sensibles à ce type de distorsion.

La planéité de la bande passante est un terme exprimé en dB pour spécifier les limites dans lesquelles l'amplitude d'un signal varie dans une gamme de fréquences donnée. Idéalement, un Signal Generator aurait une planéité de bande passante de 0 dB sur toute sa bande passante, mais les meilleurs générateurs peuvent atteindre 0,25 dB sur la majeure partie de leur bande passante.

Comme expliqué précédemment, une waveform numérique doit être mise à jour au moins deux fois plus vite que la fréquence la plus élevée du signal analogique désiré pour être générée avec précision. Même si l’exigence théorique de l’horloge d’échantillonnage, fé, est deux fois supérieure à celle de la bande passante du signal, fé, des images sont introduites dans le signal de sortie à |fé ± fé|, comme le montre la figure 8. Les images dégradent la pureté spectrale du signal, créant la nécessité de filtrer ces images hors du signal.

^{Figure 8}

Pour créer des signaux de qualité, la plupart des générateurs de signaux ont la capacité de filtrer passe-bas le signal généré. Un filtre passe-bas est utilisé pour lisser la sortie brute du convertisseur numérique-analogique. Le filtre supprime les composantes repliées haute fréquence introduites par la génération numérique du signal. Vous pouvez implémenter le filtre passe-bas à travers des filtres analogiques et numériques.

Concevoir un filtre analogique qui rejette les images tout en obtenant la bande passante de sortie maximale (0 à 0,43fs) est difficile et presque impossible, et est représenté à la figure 9 par la CURVE, Filtre analogique 1. Filtre analogique 2 représente un filtre plus pratique. Ce filtre n'est pas aussi agressif que Filtre analogique 1. Filtre analogique 2 ne filtre pas les images proches de fé, mais rejette toutes les autres. Les filtres analogiques présentent des compromis entre le décalage de l'atténuation après le point 3 dB et la planéité de l'atténuation avant le point 3 dB.

^{Figure 9}

Le troisième filtre, Filtre analogique 3, a un point de 3 dB beaucoup plus élevé que les deux premiers filtres analogiques. En raison du point supérieur de 3 dB, le filtre est très presque plat dans la bande passante (0 à 0,43fs). Analog Filter 3 ne filtre pas du tout les images produites à fé et 2fé, mais cette lacune peut être atténuée avec un filtre d'interpolation numérique.

Pour alléger les exigences du filtre analogique et obtenir plus de bande passante de sortie, les générateurs de signaux utilisent souvent des filtres numériques pour interpoler les données entre les données waveform stockées. Par exemple, dans une interpolation 2x, le convertisseur numérique-analogique interpolerait 1 point entre chaque échantillon numérique. La plupart des générateurs de signaux NI offrent des options d'interpolation 2x, 4x et 8x. Pour générer les signaux les plus purs spectralement en utilisant le filtre numérique, vous devez utiliser le facteur d'interpolation le plus élevé possible.

^{Figure 10}

Dans la figure 10, le filtre d’interpolation à deux fois est utilisé et la fréquence d’échantillonnage effective du convertisseur numérique-analogique est de 2fs. Les images à fs ± f0 ne posent plus de problème et sont maintenant à |2fs ± f0|.

Maintenant, Analog Filter 2 peut facilement filtrer toutes les images en raison de la génération numérique du signal. Ce comportement est observé dans la représentation du domaine fréquentiel et dans le domaine temporel.

Les clients qui ont lu ce tutorial se sont également intéressés aux produits NI suivants :

• Générateurs de signaux fonctionnels, arbitraires et RF
• Autres instruments modulaires (multimètres numériques, numériseurs, commutation, etc...)
• Environnement de développement graphique LabVIEW