Rigols Generatorserie DG1000Z nutzt Sifi, um Arbiträrsignale bei jeder Frequenz präzise auszugeben.

Rigols Generatorserie DG1000Z nutzt Sifi, um Arbiträrsignale bei jeder Frequenz präzise auszugeben.Rigol

Die meisten Funktions- und Signalgeneratoren basieren seit vielen Jahren auf DDS (Direct Digital Synthesis) als gemeinsamer Technologie zur Signalgenerierung. Stark vereinfacht lässt sich sagen, dass DDS jedem Phasenwert des Referenztaktes jeweils einen digitalen Amplitudenwert zuordnet. Die Zuordnung (Phase zu Digitalwert) ist meist als Tabelle hinterlegt, so wie bei einem digitalisierten Audiosignal. Soll der Funktionsgenerator beispielsweise einen sinusförmigen Signalverlauf ausgeben, dann sind in der Tabelle die Werte einer Sinusfunktion hinterlegt. Der Digital-zu-Analog-Wandler setzt diese Werte in analoge Spannungswerte um und das Gerät gibt sie nach einer Pegelanpassung aus. Da der Takt feststeht, sind andere Ausgabefrequenzen nur möglich, indem man die Anzahl der auszugebenden Punkte verändert. Die DDS-Technologie hat Generationen von Funktionsgeneratoren ermöglicht, die Signale mit guter Qualität zu einem vernünftigen Preis erzeugen.

Eckdaten

Arbiträrfunktionsgeneratoren speichern das zu erzeugende Signal als Zeitfolge von Funktionswerten. Diese liegen in einer simplen Tabelle. Die traditionelle DDS-Technologie gibt allerdings einen festen Takt vor, mit dem das Gerät die Signale ausgibt. Um den Ablauf schneller abzuspielen und damit die Frequenz zu erhöhen, überspringen diese Generatoren einzelne Werte. Mit der Sifi-Technologie passt Rigol hingegen die Abtastrate an: Der DA-Wandler gibt immer jeden einzelnen Stützpunkt aus und optimiert damit die Signaltreue. Außerdem erzeugen die Geräte auf Wunsch harmonische Oberwellen.

Neu aufkommende Technologien ermöglichen nun Generatoren, welche die Vorteile der DDS integrieren und zusätzlich die Signalreinheit verbessern. Damit eignen sie sich für weitere Anwendungen. Rigol hat die sogenannte Sifi-Technologie in die Generatorserie DG1000Z integriert und verbessert damit die Wiedergabetreue und ermöglicht zusätzlich neue Funktionen. In dieser Instrumentengeneration vereinen sich die Punkt-für-Punkt-Signalerzeugung arbiträrer Signale und eine neu gestaltete Ausgangsstufe zu einem sehr vielseitigen Signalgenerator. Arbiträre Kurven mit hoher Signalintegrität lassen sehr einfach erzeugen.

Rigol hat auch Funktionen wie das interne Aufsummieren von Kurven oder die Generierung von Oberwellen implementiert und einen großen Speicher integriert, der wiederum die Möglichkeiten bei arbiträrer Wellenerzeugung erhöht.

Signaltreue

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Qualität eines Signals zu bewerten. Als die wichtigsten und für Ingenieure kritischsten Schlüsselparameter eines arbiträren Signals sind die Reproduzierbarkeit, die Genauigkeit und der Rauschpegel zu nennen.

Bild 1 zeigt das Spektrum einer 20-MHz-Sinuskurve. Der Fokus liegt auf den Oberschwingungen: Die violette Kurve zeigt die Spitzen des Signales von einem herkömmlichen DDS-Generator, während die blaue Kurve das Spektrum des gleichen Signals von einem DG1000Z-Generator mit Sifi-Funktionalität darstellt. Insgesamt ist der spezifizierte Gesamtklirrfaktor (THD, Total Harmonic Distortion) des DG1000Z um mehr als die Hälfte kleiner als der eines herkömmlichen DDS-Generators.

Bild 1: Im Spektrum einer 20-MHz-Sinuskurve sind die Klirrsignale des herkömmlichen DDS-Generators (violett) zu erkennen. Die Sifi-Variante (blau) erzeugt deutlich weniger Störungen.

Bild 1: Im Spektrum einer 20-MHz-Sinuskurve sind die Klirrsignale des herkömmlichen DDS-Generators (violett) zu erkennen. Die Sifi-Variante (blau) erzeugt deutlich weniger Störungen.Rigol

Während THD viel über das Rauschen und die Genauigkeit eines Generators aussagt, lässt sich mit dem Jitter die Wiederholbarkeit bewerten. Auch hier zeigt der DG1000Z eine etwa zweieinhalbfache Verbesserung im Vergleich zu traditionellen Generatoren.

Qualitätsfragen

Während DDS bei einer festen Abtastrate selektiv nur den nächstbesten Amplitudenwert einer Arbiträrwelle wählt und ausgibt, passt Sifi die Abtastrate an und gibt alle Punkte der Kurve aus. Somit entsteht eine exakte Nachbildung der vorgegebenen Arbiträrkurve. Wenn der Funktionsgenerator zum Beispiel eine 100.000 Punkte lange Arbiträrfunktion mit einer Wiederholfrequenz von 500 Hz ausgeben soll, gilt folgende Gleichung:

  • Anzahl Arbiträrpunkte × gewünschte Frequenz = zu setzende Abtastrate

Für obiges Beispiel ergibt sich so eine Ausgaberate von 50 MSample/s. Aus der Anzahl der arbiträren Kurvenpunkte und der Abtastrate bestimmt sich auch die Frequenz des Ausgangssignals. Der Generator gibt alle Punkte mit ihrem exakten Amplitudenwert zum definierten Zeitpunkt aus.

Sprunghaftes Verhalten

Dagegen ist bei einem DDS-Generator die Abtastrate festgelegt. Abhängig von der gewünschten Ausgabefrequenz muss er Punkte überspringen oder mehrfach ausgeben. Somit ist nicht gewährleistet, dass alle Details der arbiträren Kurve oder die exakt richtige Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgegeben werden.

Bild 2: In diesem Fenster können Anwender Oberwellen künstlich erzeugen und damit neue Signale generieren.

Bild 2: In diesem Fenster können Anwender Oberwellen künstlich erzeugen und damit neue Signale generieren.Rigol

Bei der Betrachtung mit einem Oszilloskop sind einige dieser Fehler gar nicht sichtbar, da die analoge Bandbreite und die limitierte Anstiegszeit der Geräte die Abweichungen verstecken. Das ist einer der Gründe, warum man zum Bewerten der Genauigkeit des Signals die spektrale Reinheit heranzieht (THD, Klirrfaktor). Signaltreue ist entscheidend für Ingenieure, die Wellenformgeneratoren für Tests verwenden. Der Einsatz eines Generators mit Sifi-Technik verbessert die Genauigkeit der reproduzierten Kurvenformen und ermöglicht Entwicklern maximale Flexibilität beim Einstellen der Ausgangsrate ihrer Arbiträrkurven.

Mehr Funktionen und Typen

Neben der besseren Signaltreue ermöglicht die Sifi-Technologie auch, dass DG1000Z-Generatoren auf Wunsch Oberwellen generieren. Hierbei sind Phase und Amplitude jeder dieser harmonischen Frequenzen zu definieren. Bild 2 zeigt die Displaydarstellung des Definitionsfensters der Oberwellen. Entwickler können bis zu acht Oberwellen in Betrag und Phase setzen.

Bild 3: Mit den Werten aus Bild 2 entsteht das hier per Oszilloskop gemessene Spektrum bis hin zur achten Harmonischen.

Bild 3: Mit den Werten aus Bild 2 entsteht das hier per Oszilloskop gemessene Spektrum bis hin zur achten Harmonischen.Rigol

Bei traditionellen Generatoren mussten Anwender diese Oberwellen einzeln definieren, anschließend in eine neue Arbiträrkurve integrieren und diese Kurve dann ausgeben. Jede Änderung zog wieder einen kompletten Erstellungszyklus nach sich. Nun aber lassen sich die Oberwellen viel einfacher erstellen: Anwender müssen nur die Amplitude und Phase der einzelnen Frequenz (bezogen auf die Grundschwingung) einstellen; das Instrument kombiniert diese automatisch und gibt sie wieder.

Bild 3 zeigt das passende Spektrum zum definierten Signal in Bild 2. In Bild 4 ist das Signal im Zeitbereich auf einem Oszilloskop zu sehen. Diese analoge Kurve hätten Benutzer früher händisch erstellen, in den Generator laden und damit ausgeben müssen.

Bild 4: Mit den zusätzlichen Oberwellen aus Bild 3 entsteht aus einem simplen Sinussignal diese Wellenform.

Bild 4: Mit den zusätzlichen Oberwellen aus Bild 3 entsteht aus einem simplen Sinussignal diese Wellenform.Rigol

Den Speicher nutzen

Der tiefe Speicher der DG1000Z-Klasse steigert die Flexibilität des Gerätes weiter. In Kombination mit der Sifi-Technologie können Entwickler längere und präzisere Arbiträrsignale erstellen als mit DDS. Im Anpassbare-Abtastrate-Modus können Benutzer ein Signal definieren, das der Generator mit bis zu 60 MSample/s ausgibt.

Nutzen Anwender die maximale Speichertiefe von 16 Millionen Punkten (DG1kZ-Mem-Option), stellt das Gerät auf die maximale Abtastrate ein und kann immer noch ein 280 ms dauerndes Signal erzeugen. Die Schwierigkeit bei solchen langen Wellenformen liegt in der Bearbeitung. Zum Beispiel stehen im Microsoft Excel 2013 nur etwas über eine Million Zeilen zur Verfügung. Dank Sifi-Technologie können Anwender die ursprünglich geladene Kurvenform beibehalten und müssen lediglich die Ausgabeabtastrate anpassen.

Bild 5: In Ultra-Station können Anwender Signalverläufe per PC-Software eingeben und jeden einzelnen Wert verändern.

Bild 5: In Ultra-Station können Anwender Signalverläufe per PC-Software eingeben und jeden einzelnen Wert verändern.Rigol

Kurven formen

Darüber hinaus ist aber auch eine zuverlässige Methode erforderlich, um lange Wellenformen neu zu erzeugen, zu bearbeiten und ins Gerät zu laden. Die PC-Software Ultra-Station bietet hier eine Lösung zum Editieren der Kurven. Ultra-Station beherrscht das Importieren, Kombinieren und die Freihandbearbeitung sogar von Arbiträrkurven mit vielen Millionen Punkten. Dateien speichert das Programm als TXT, CSV oder RAF. RAF-Dateien können Benutzer auf einen USB-Stick speichern und dann in das Instrument laden, oder sie direkt über LXI oder USB an das Instrument schicken. Bild 5 zeigt die Freihandbearbeitung in Ultra-Station. Zusätzlich zur Zeitbereichsansicht bietet die Software auch eine Frequenzbereichsansicht (Amplituden- und Phasendarstellung) wie in Bild 6 zu sehen.

Bild 6: Die Software aus Bild 5 berechnet zum Zeitverlauf des Signals auch die Spektralansicht mit Amplitude und Phase.

Bild 6: Die Software aus Bild 5 berechnet zum Zeitverlauf des Signals auch die Spektralansicht mit Amplitude und Phase.Rigol

Zusätzliche Fenster- und Filterfunktionen sind als Teil von Ultra-Station Advanced erhältlich. Die oben erläuterten Funktionen sind bereits in der mitgelieferten, kostenlosen Version enthalten. Anwender können ihre Software jederzeit zur Advanced-Variante erweitern. Bild 7 zeigt ein mit der Rigol-Software erzeugtes Acht-Millionen-Punkte-Signal, das der Funktionsgenerator mit der maximalen Rate von 60 MSample/s ausgibt. Die Kombination aus Speichertiefe und Sifi ermöglicht es, flexiblere und präzisere Kurven zu erstellen und auszugeben als mit einem herkömmlichen DDS-basierenden Generator.

Bild 7: Das per Software (Bild 5) erzeugte Signal gibt der Funktionsgenerator originalgetreu wieder.

Bild 7: Das per Software (Bild 5) erzeugte Signal gibt der Funktionsgenerator originalgetreu wieder.Rigol

Fazit

Rigols Sifi-Technologie in der DG1000Z-Serie arbiträrer Funktionsgeneratoren versetzt Entwickler in die Lage, mehr Signale mit verbesserter Signaltreue, Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit zu erzeugen. Die Deep-Memory-Funktionen und das Hardwaredesign der Instrumente arbeiten nahtlos mit der Sifi-Sampling-Technologie zusammen.