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Arbitrary-Waveform-Generator auswählen

Die perfekte Signalquelle finden

25. Januar 2017, 14:00 Uhr | von Arthur Pini, Oliver Rovini und Greg Tate

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Spezifikationen für Arbitrary-Waveform-Generatoren

Die Spezifikationen für einen Arbitrary-Waveform-Generator unterscheiden sich deutlich von denen für einen Standard-Signalgenerator. Das liegt an der großen Flexibilität bei der Auswahl der auszugebenden Wellenform und am digitalen Layout des AWG.

Bandbreite, Abtastrate und maximale Ausgangsfrequenz

Die wichtigsten Parameter sind – wie bei Digitizern – Bandbreite und Abtastrate. Die Bandbreite bestimmt die höchste Frequenz, mit der der AWG eine Sinuswelle bei einem Verlust von weniger als 3 dB erzeugen kann. Da viele der Wellenformen, die der AWG erzeugen kann, hohe Anteile an Oberschwingungen haben, bestimmt die Bandbreitenbegrenzung die Wellenform mit der höchsten erzeugbaren Frequenz. Bei einer Rechteckwelle sollte z.B. noch die fünfte Oberschwingung für eine korrekte Ausgabe der Signalform enthalten sein. Bei einer bestimmten Bandbreite entspricht die Rechteckwelle mit der höchsten Frequenz einem Fünftel der AWG-Bandbreite.

Die Abtastrate hängt mit der Bandbreite zusammen. In der Theorie muss die Abtastrate mindestens dem Zweifachen der Bandbreite entsprechen. Die Abtastrate bestimmt auch die horizontale Auflösung des AWG. Dadurch wird der kleinste Zeitschritt definiert, der innerhalb der Wellenformen festgelegt werden kann.

Speichertiefe

Die Größe des Speichers bestimmt die längste Wellenform, die ohne Wiederholung (Looping) von Wellenformanteilen ausgegeben werden kann. Die maximale Signaldauer ohne Looping entspricht der Speicherlänge multipliziert mit der Abtastperiode. Das Looping redundanter Wellenformanteile ohne Belegung zusätzlichen Speicherplatzes kann eine deutliche Vergrößerung der maximalen Wellenformlänge bewirken.

Modulare AWGs, die im Streaming-Modus (FIFO) arbeiten, können die Wellenformen durch Nutzung des Speichers ihrer Hostcomputer zusätzlich erweitern. Die Produkte der Baureihe M4i.66xx von Spectrum können beispielsweise Daten mit bis zu 2,8 GB/s vom Host-PC zum AWG übertragen. Der interne AWG-Speicher wird dabei nur als Zwischenspeicher für die hohen Übertragungsraten genutzt. Dadurch unterliegt der AWG nicht mehr den Beschränkungen seines internen Speichers. Die Kombination von FIFO-Streaming mit Looping- und Verknüpfungsfunktionen ermöglicht die Erzeugung einer bislang nicht erreichten Vielfalt langer Wellenformen.

Amplitudenauflösung

Die Amplitudenauflösung gibt den Mindestpegel des Ausgangssignals vor, das der AWG erzeugen kann, sowie den minimalen Amplitudenschritt zwischen zwei nebeneinander liegenden Werten. Die Amplitudenauflösung des AWG wird durch die Anzahl der Auflösungsbits von DAC und Speicher bestimmt. Im Allgemeinen muss man einen Kompromiss zwischen DAC-Auflösung und Abtastrate eingehen. Das bedeutet: je höher die Anzahl der Bits im DAC, desto geringer die maximale Abtastrate.

Ausgangsbereich

Die maximal vom AWG zu erzeugende Ausgangsamplitude wird durch die Ausgangsverstärkerstufe bestimmt. In der Regel ist ein Kompromiss zwischen der Abtastrate des AWG und der Ausgangsamplitude nötig. Schnellere AWGs haben dementsprechend eine geringere maximale Ausgangsamplitude. Der Ausgangsbereich für den minimalen Vollausschlag hängt von den internen Dämpfern der Ausgangsstufe ab. Bei einem beliebigen Vollausschlagbereich liegt der theoretische Mindestwert beim maximalen Ausgangswert geteilt durch die Amplitudenauflösung. So weist z.B. ein AWG mit einem Bereich von 10 V (peak to peak) und einer 16-bit-Auflösung einen minimalen Ausgangsschritt von 10/65.536 = 152,5 µV auf. In der Praxis begrenzen internes Rauschen und nichtlineares Verhalten den minimalen Signalausgang.

Anzahl Ausgangskanäle

Die Anzahl der Ausgangskanäle je Karte beträgt bei AWGs von Spectrum ein, zwei oder vier Kanäle. Bei Verwendung mehrerer Karten und des Star-Hub von Spectrum können bis zu acht Karten angeschlossen werden, wodurch sich maximal 32 vollständig synchronisierte Kanäle ergeben.

Ausgangsfilter

Das Filtern des Ausgangssignals verbessert den Signal-Rausch-Abstand des AWG-Ausgangs. In der Regel lassen sich die Typen und Grenzfrequenzen der Filter vorgeben.

Modulation

Sämtliche AWGs können modulierte Wellenformen analytisch in der Software erzeugen, das heißt durch Nutzung der herstellerseitig bereitgestellten Betriebs-Software, beispielsweise SBench 6 von Spectrum, oder eines Mathematikprogramms eines Drittherstellers. Die auf diese Weise erzeugten Wellenformen werden in den Speicher des AWG geladen.

Trigger

Eine weitere nützliche Funktion stellt der Triggereingang dar, mit dessen Hilfe die Ausgabe initiiert oder eine Weiterschaltung zwischen verschiedenen Segmenten bewirkt werden kann.
AWGs können synchron zum Wellenformausgang auch einen Ausgangstrigger oder Marker-Ausgang erzeugen. Diese Signale können anschließend zum Triggern eines Digitizer, Oszilloskops oder eines anderen Instruments zu geeigneten Zeiten im Verlauf der Wellenform genutzt werden.