Wie SiFi II-Technologie eine genauere Signalgeneration ermöglicht

Beide Generatoren sind in Bild 1 dargestellt. Sie generieren Signale mit einer Auflösung von 16 Bit, was die Genauigkeit für jede einzelne Wellenformabstufung erhöht. Anpassbare Filter erhöhen die Optionen, wie die einzelnen Punkte des Signals zusammenlaufen.

Bild 1: Die AWGs DG832 und DG952 mit SiFi-II-Technologie. Rigol

Ohne dass die einzelnen Punkte der Wellenform noch einmal generiert werden müssen, muss bei den Geräten nur die Bandbreite des Signals über die präzisen Hochfrequenzgrenzwerte angepasst werden. Das ist die Essenz der SiFi-II-Technologie und macht diese AWG-Generatortypen zu den flexibelsten Geräten, die es auf dem Markt gibt.

Hohe Auflösung mit 16 Bit

Bild 2: Arbiträr-Signal mit 8192 Werten. Rigol

Die Auflösung der Wellenform ist ein wichtiges Merkmal von jedem arbiträren Funktions-Generator. Bei modernen Generatoren wird die Auflösung in Bit gemessen. Wenn zum Beispiel ein Generator ein Signal mit 10 V_SS ausgibt, dann können die Werte innerhalb der 10 V bei 14 Bit mit 214 oder 16.384 Werten ausgegeben werden. Der kleinste Einzelabstand zum benachbarten Wert liegt bei 10 V, dividiert durch 16.384 Werte, was einen minimalen Abstand von 610 µV ergibt. Wenn ein benötigter Spannungswert zwischen den Abstandswerten liegt, dann wird dieser auf den näherliegenden n × 610-µV-Wert verschoben. Somit wird ein kleiner Fehler zum gewünschten Spannungswert generiert.

Über die Zeit kann dieser Fehler einen substanziellen Unterschied zur Signalgenauigkeit hervorrufen und hat letztlich Auswirkung auf das Test-Device. Mit einem 16-Bit-Generator lässt sich derselbe Spannungswert von 10 Vpp in 65.536 Werte unterteilen. Jedes der zusätzlichen Bit hat zwei Zustände (0 oder 1) und somit lassen sich viermal mehr Werte als in einem 14-Bit-Generator ausgeben. Somit ist der oben beschriebene Fehler viermal geringer und wurde somit deutlich reduziert. Aber das ist nicht der einzige Effekt. Sobald mehr Spannungswerte erzeugt werden, wird auch der Geschwindigkeitsvorteil des Gerätes besser genutzt, da das Gerät öfter in der Lage ist die Ausgangsspannung anzupassen.

Um diese Funktionen zu beschreiben, wurde in Bild 2 ein Arbiträr-Signal mit 8192 Punkten erzeugt. Das Signal besteht aus einer langsam ansteigenden Rampe gefolgt von einem Puls mit -5 V und danach +5 V.

Bild 3: Darstellung eines 14-Bit-(violett)- und eines 16-Bit-(gelb, DG900 Serie)-Signals. Rigol

Die Absicht der Pulsaktivität wurde in dem Signal gewählt, um sicherzustellen, dass die getesteten Generatoren den Ausgangswert korrekt auf 10 V_SS eingestellt haben. Dieses Signal wurde in zwei unterschiedliche Generatoren geladen. Ein Generator ist eine 14-Bit-Variante und der andere Generator ist ein 16-Bit-Generator der Serie DG900. Beide Generatoren wurden miteinander synchronisiert und bei beiden Generatoren wurde die Abtastrate auf 1 MS/s eingestellt. Dadurch wird der minimale Schrittabstand von 1 µs erreicht. Beide Signale wurden dann mit einem Rigol-Oszilloskop der Klasse MSO7054 vermessen. Die Mittelwerteinstellung (Average) wurde am Oszilloskop genutzt, um das Rauschen zu minimieren und somit die einzelnen Ausgangsschritte der Generatoren darzustellen. Die Oszilloskopmessung ist in Bild 3 dargestellt.

Der 14-Bit-Generator ist als violettes Signal dargestellt. Dieses Signal ändert alle 6 µs den Spannungswert. Nach der Einstellung der Abtastrate wäre eine Spannungsänderung jede Mikrosekunde zu erwarten, aber die Spannungsrampe ist so langsam, dass sich der Spannungszustand nur alle 6 µs ändert. Der 16-Bit-Generator (gelbes Signal) ändert sich alle 1 bis 2 µs, da die Spannungsschrittweite viermal kleiner ist. In diesem Test ist klar zu erkennen, dass sich das Ausgangssignal des 16-Bit-Generators DG900 viermal schneller ändert und die Auflösung viermal höher ist als bei einem 14-Bit-Generator.

Bild 4: RMS-Fehlerberechnung 14 Bit (blau) und dem DG8/DG9 (16 Bit, rot) zu einem idealen Signal (grün). Rigol

Bild 4 zeigt eine weitere Visualisierung der Eigenschaften. In diesem Bild wurden die zwei Kurven aus dem Oszilloskop extrahiert und übereinandergelegt. Außerdem ist (grün) die ideale Spannungsrampe zu sehen.

Für die jeweiligen Kurven wurde der Fehler der mittleren quadratischen Abweichung (RMS-Fehler) zur Idealkurve berechnet und dargestellt. Der 16-Bit-Generator reduziert den RMS-Fehler des Signals um mehr als den Faktor 2. Somit ist der Fehler kleiner (um die Hälfte) als bei einem 14-Bit-Generator. In Anwendungen, bei denen eine hohe Signalgenauigkeit wichtig ist, bieten die 16-Bit-Generatoren von Rigol somit deutlich mehr Möglichkeiten als die traditionellen 14-Bit-Generatoren an.

Flexibilität bei Filterung mit SiFi II

Bild 5: Vergleich der unterschiedlichen SiFi-II-Filterungen im Frequenzbereich. Rigol

Während die 16-Bit-Auflösung die Signalgenauigkeit verbessert, ist es ebenfalls wichtig, wie sich ein Gerät zwischen den Punkten verhält. Dieses Verhalten hat eine dramatische Auswirkung sowohl auf die Charakteristik im Zeitbereich als auch auf das Frequenzspektrum des Signals. Die AWGs mit der SiFi-II-Technologie ermöglichen eine erweiterte Flexibilität für die Erzeugung von dynamischen Signalen. Die Geräteklassen beinhalten eine Sequenzfunktion, bei der unterschiedliche Signalformen zu einer Sequenz zusammengeführt werden. In dem Sequenzmenü kann der Nutzer für die Verwendung des Filters zwischen Interpolation, Schrittabstand oder einer feinen Filterung auswählen. Diese Filtermethoden können je nach Auswahl das Aussehen der Wellenform im Zeitbereich und im Frequenzbereich auf eine Art ändern, die nicht einfach zu kopieren ist, ohne dass eine neue Wellenform erstellt werden muss. Als Beispiel wurde ein 1-kHz-Rechtecksignal betrachtet. Dieses Signal nutzt im Sequenzmode 8192 Abtastpunkte. Das Gerät wurde in diesem Modus auf 8192 MS/s eingestellt um eine Signalwiederholung von 1 ms zu erreichen. Jetzt kann man dieselben Amplituden-/Punktewerte verwenden und mit den unterschiedlichen Filtereinstellungen anpassen. In Bild 5 sind die unterschiedlichen Filterungen mit dem oben beschriebenen Signal in einem Spektrum-Analysator dargestellt.

Mittels der Max-Hold-Funktion im Echtzeitspektrum-Analysator RSA5000 kann man das Frequenzverhalten der jeweiligen Filtereinstellung vermessen. Auch wenn das Basissignal eine Frequenz von 1 kHz hat, erzeugt das Rechtecksignal höherfrequente Signalanteile – bis in den MHz-Bereich hinein. Mit der Änderung der Filterung kann der Anwender einen stärkeren Flankenabfall im Frequenzbereich erzeugen, um das Signal in der Bandbreite zu limitieren. Diese Eigenschaft ist sehr nützlich um zu betrachten, welchen Einfluss ein breitbandiges Signal gegenüber einem bandbreitenbegrenzten Signal auf die zu entwickelnde Schaltung hat. In Bild 6 ist dasselbe Signal mit den jeweiligen Filtereinstellungen in einem 500-MHz-Oszilloskop der Rigol-Serie MSO7054 dargestellt.

Bild 6: Vergleich der unterschiedlichen SiFi-II-Filterungen im Zeitbereich. Rigol

Der Schrittabstandsfilter (Step) zeigt eine fast ideale Sprungantwort mit limitiertem Überschwingen, was sich auf einem geringeren Bandbreitenbedarf auswirkt. Die feine Filterung hingegen (Smooth) glättet den Übergang, besitzt aber ein Überschwingen, was sich in einem moderat höheren Frequenzbedarf bemerkbar macht. Die Interpolationsfilterung ermöglicht einen linearen Schritt am Übergang der wesentlich mehr Bandbreite benötigt als die zwei vorherigen Filtermethoden. Die Anstiegszeit lässt sich für eine weitere Optimierung bei dieser Filtervariante einstellen (Bild 7).

Bild 7: Einstellbarer Variation der Anstiegszeit bei dem Interpolationsfilter (SiFi II). Rigol

Hierfür wurde bei dem Oszilloskop MSO7054 das unendliche Nachleuchten eingeschaltet, um die Anstiegszeit von 8 ns bis 90 ns darzustellen. Diese Einstellung gibt dem Systemingenieur ein nützliches Werkzeug für eine Feineinstellung der Signalantwort in die Hand, um seine Designparameter zu verifizieren. Mit allen diesen Filteroptionen kann das generierte Signal für fast alle benötigten Signalcharakteristiken optimiert werden.

(jj)