一種任意波形發(fā)生器幅度校準時校準頻點選取方法

摘 要：相比普通信號發(fā)生器，任意波形發(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。目前任意波形發(fā)生器已廣泛應(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。本文介紹一種任意波形發(fā)生器輸出幅度校準時校準頻率點選取方法，該方法充分考慮到不同模擬通道狀態(tài)頻率相應(yīng)的差異性，動態(tài)實現(xiàn)校準頻率位置選取，提升校準數(shù)據(jù)準確度。

關(guān)鍵詞：任意波形發(fā)生器；差異性；掃描；校準；頻率響應(yīng)

*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。

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]。

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。

5）返回步驟1直到遍歷所有的通道狀態(tài)。

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頻率響應(yīng)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。

當任意波形發(fā)生器模擬通道頻率響應(yīng)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頻率響應(yīng)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。

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)生器輸出頻率掃描信號，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；

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。

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差異性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.