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          一種任意波形發(fā)生器幅度校準時校準頻點選取方法*

          作者:滕友偉 (中國電子科技集團公司第41研究所,青島 266555) 時間:2021-07-13 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202107/426868.htm

          摘要:相比普通信號發(fā)生器,在通道數(shù)、可擴展性、波形輸出靈活性等方面極具優(yōu)勢,是信號發(fā)生領(lǐng)域一個重要方向。目前已廣泛應(yīng)用于常規(guī)信號發(fā)生器、芯片電路測試、量子通信測試和復(fù)雜電磁環(huán)境再現(xiàn)等領(lǐng)域。本文介紹一種輸出幅度頻率點選取方法,該方法充分考慮到不同模擬通道狀態(tài)頻率相應(yīng)的,動態(tài)實現(xiàn)頻率位置選取,提升校準數(shù)據(jù)準確度。

          *本論文受到國家重大科學(xué)儀器專項計劃項目(項目編號:2017YFF0106600)以及裝備預(yù)研領(lǐng)域基金重點項目(項目編號:61400030201)的資助。

          0   引言

          任意波形發(fā)生器本質(zhì)上是一個為復(fù)雜波形和信號輸出提供輸出的硬件平臺[1]。用戶可以將自己編輯的任意感興趣的波形數(shù)據(jù)或者通過信號采集分析設(shè)備得到的信號數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)總線下載到任意波形發(fā)生器高速DDR 存儲器中暫存。任意波形發(fā)生器通過一定采樣速率讀取波形數(shù)據(jù)并送入高性能DAC 前端,經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理、模擬放大/ 衰減電路后輸出中頻或者射頻信號[2]。

          任意波形發(fā)生器的關(guān)鍵性能指標,如采樣率范圍、數(shù)據(jù)分辨率和模擬輸出帶寬,均取決于DAC 芯片的性能指標,信號輸出幅度范圍則主要由模擬放大電路決定。任意波形發(fā)生器多通道特征對信號同步和幅度精確控制提出了更高的要求,所以輸出幅度校準方案是其關(guān)鍵技術(shù)之一。

          作者簡介:友偉(1987—),男,碩士,工程師,主要研究方向任意波形發(fā)生器儀器開發(fā)設(shè)計。

          1   常用幅度校準

          任意波形發(fā)生器輸出幅度范圍主要受DAC 芯片有效位數(shù)、DAC 芯片電流調(diào)節(jié)范圍(本任意波形發(fā)生器選用ADI 公司AD9162 高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,輸出調(diào)節(jié)范圍可達13 dB)、模擬電路對信號放大或衰減能力等控制,通常情況下DAC 芯片有效位數(shù)是固定的,可以靈活調(diào)節(jié)的就是DAC 電流和模擬通道中的放大器/ 衰減器狀態(tài),本文統(tǒng)稱為幅度輸出控制參數(shù),簡稱控制參數(shù)。幅度校準時,任意波形發(fā)生器控制參數(shù)變化會改變輸出信號的幅度,任意波形發(fā)生器通過遠程連接(通常使用高速網(wǎng)口)讀取接收機信號輸出幅度,通過對比存取有效校準數(shù)據(jù)到硬盤文件。下次儀器啟動后將校準數(shù)據(jù)讀取,參與幅度計算和控制[3-5]。

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          校準時間主要取決于3 個方面:

          1)模擬通道硬件電路通道狀態(tài),即放大器、可控衰減器狀態(tài)數(shù);

          2)校準點數(shù)量,包括頻率校準點和幅度校準點;

          3)接收機響應(yīng)速度。

          在模擬通道固定的情況下,如何在選取較少校準頻點的同時滿足任意波形發(fā)生器控制精度的要求是本方法所要解決的問題。

          在硬件電路不變的條件下,選用相對較少的校準點,達到準確控制信號輸出是本文所要討論的重點。

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          任意波形發(fā)生器常用幅度輸出校準方案是等間隔選取校準頻率點F0、F1、F2……Fm 和校準幅度點A0、A1、A2……An,F(xiàn)p-Fq=(p-q)×(Fmax-Fmin)/m,Ap-Aq=(p-q)×(Amax-Amin)/n。其中p 和q 均為整數(shù),F(xiàn)max 為最大輸出頻率,F(xiàn)min 為最小輸出頻率,Amax 為輸出幅度上限,Amin 為輸出幅度下限。DAC 電流的可調(diào)節(jié)范圍為E0、E1……Es 共s+1 個檔位,通道狀態(tài)為C0、C1…...Cw,共w+1 種狀態(tài)。

          常用校準過程如下:

          1)任意波形發(fā)生器切換通道狀態(tài)為Cx (0 ≤ x ≤ t);

          2)設(shè)置輸出頻率為校準樣點頻點Fy(0 ≤ y ≤ m);

          3)設(shè)置DAC 電流為Et,讀取此時接收機的測量值EAt(0 ≤ t ≤ p);

          4)若|EAt-Az| ≤誤差閾值(0 ≤ z ≤ n),且該校準數(shù)據(jù)標識為0 時,記錄此時的微調(diào)控制量EAt,并設(shè)置該數(shù)據(jù)有效標識為1,返回步驟3 直到遍歷所有DAC電流值。

          5)返回步驟1 直到遍歷所有的通道狀態(tài)。

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          圖3 所示是某通道狀態(tài)下,輸出頻率50 MHz 的校準數(shù)據(jù),第1 列為選取的校準幅度點,第2 列為DAC電流控制參數(shù),第3 列為誤差標識,即誤差范圍超過閾值時為0,反之則為1。

          2   改進幅度校準

          常用的幅度校準方法中校準頻率點的選取存在一定的隨意性,沒有考慮到硬件電路特性,也沒有考慮到任意波形發(fā)生器不同輸出通道之間的差異,且自適應(yīng)能力較差。

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          當(dāng)任意波形發(fā)生器模擬通道曲線非常平坦,或者呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系時,常用的人為等間隔選取校準頻率點方法也能較為真實地反應(yīng)硬件實際輸出情況。但由于任意波形發(fā)生器應(yīng)用越來越廣泛,在很多領(lǐng)域已經(jīng)完成對通頻段矢量信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器的替代,使模擬通道越來越復(fù)雜,這就使模擬通道輸出也更加復(fù)雜,再加上制造工藝及其他不可控因素,通道真實品相往往如圖4 中左圖所示,存在很多“峰點”和“谷點”,且起伏不定。普通方法校準數(shù)據(jù)誤差如圖5 右下部分所示,其陰影面積即反應(yīng)校準誤差大小。

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          圖5 等間隔校準頻點誤差

          本文改進方法采用自動選取校準頻率點,選取原則是不能遺漏頻率響應(yīng)曲線中的“峰點”和“谷點”,統(tǒng)稱為校準頻率關(guān)鍵點,本方法先對讀取的模擬通道頻率響應(yīng)曲線進行密集抽樣來抓取這些“關(guān)鍵點”,并圍繞這些關(guān)鍵點插入部分中間校準頻率點,使校準數(shù)據(jù)量處于一個合理方位。

          具體執(zhí)行步驟如下:

          1) 按圖1 所示連接任意波形發(fā)生器與接收機;

          2) 任意波形發(fā)生器輸出頻率信號,并通過遠程連接獲取接收機實測的最大保持頻率響應(yīng)曲線;

          3) 通過密集抽樣獲取m1 個極值頻點F0、F1……Fm1-1,如圖6 所示。假設(shè)常規(guī)校準方法中等間隔選取校準頻率點數(shù)為m,通常(m1<<m),新方法在極值頻點數(shù)組中“插入”m-m1 個非極值頻點。

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          圖6 頻響曲線密集抽樣


          4) 將Fmin、Fmax 即任意波形發(fā)生器輸出起始、終止頻點范圍內(nèi)插入極值頻點,初步組成輸出幅度校準頻率點數(shù)組F, 即[Fmin,F(xiàn)0,F(xiàn)1, …,F(xiàn)m1-1,F(xiàn)max] 共m1+2個校準頻點,并在該組中插入m-m1-2 個中間校準樣點,ΔF 為常用校準方案中人為選擇校準頻率點的頻率間隔大小,執(zhí)行步驟如下:

          a.依次找出Ft-Ft-1(1 ≤ t ≤ m1+1)中的最大值,對(Ft-Ft-1)/ΔF 向下取整為N;

          b.若N >1,在Ft-1~Ft 之間插入N 個校準頻點,即Ft+ΔF,F(xiàn)t+2ΔF…,F(xiàn)t+N×ΔF;

          c.若N ≤ 1,在Ft-1~Ft 之間插入1 個校準樣點,即(Ft-1+Ft)/2;

          d.返回步驟a,直到m-m1-2 個中間校準頻點插入完畢。

          5) 任意波形發(fā)生器啟動校準流程,具體執(zhí)行步驟參考上文所述常用校準過程。

          本改進校準方法誤差統(tǒng)計如圖7 所示,不難看出,其陰影面積明顯小于圖5 所示的普通校準方法,本方法是選取與等間隔校準樣點方法相同數(shù)量的校準樣本頻點,所以在時間復(fù)雜度上并沒有增加,但由于沒有遺漏頻率響應(yīng)曲線上的“關(guān)鍵點”,所以在校準數(shù)據(jù)準確度上相比上文的常用幅度校準方法有極大改善。

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          圖7 頻響預(yù)估校準誤差

          3   結(jié)束語

          在校準任意波形發(fā)生器輸出幅度時,應(yīng)充分考慮到不同通道間輸出電路的和模擬通道的不平坦度。本文提出的校準方法將很好地解決上述兩個問題,尤其是模擬通道幅度平坦度較差時校準數(shù)據(jù)準確度將有很大提升。

          參考文獻:

          [1] 張學(xué)峰,胡長江.功能各異的各種任意波形發(fā)生器[J].國外電子測量技術(shù),2000(4):17-18.

          [2] 滕友偉.基于多語言混合編程的任意波形發(fā)生器軟件系統(tǒng)設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界,2020(9):53-54.

          [3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程,JJG840-2015函數(shù)發(fā)生器檢定規(guī)程[S].

          [4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程,JJG490—2002 脈沖信號發(fā)生器檢定規(guī)程[S].

          [5] 梁志國,孫王景宇.任意波發(fā)生器應(yīng)用及校準述評[J].測試技術(shù)學(xué)報,2006(2):102-108.

          (本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期)



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