一種任意波形發(fā)生器幅度校準時(shí)校準頻點(diǎn)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、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(gè)重要方向。目前任意波形發(fā)生器已廣泛應用于常規信號發(fā)生器、芯片電路測試、量子通信測試和復雜電磁環(huán)境再現等領(lǐng)域。本文介紹一種任意波形發(fā)生器輸出幅度校準時(shí)校準頻率點(diǎn)選取方法，該方法充分考慮到不同模擬通道狀態(tài)頻率相應的差異性，動(dòng)態(tài)實(shí)現校準頻率位置選取，提升校準數據準確度。

*本論文受到國家重大科學(xué)儀器專(zhuān)項計劃項目（項目編號：2017YFF0106600）以及裝備預研領(lǐng)域基金重點(diǎn)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(gè)為復雜波形和信號輸出提供輸出的硬件平臺^[1]。用戶(hù)可以將自己編輯的任意感興趣的波形數據或者通過(guò)信號采集分析設備得到的信號數據通過(guò)高速數據總線(xiàn)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(guò)一定采樣速率讀取波形數據并送入高性能DAC 前端，經(jīng)過(guò)數模轉換、信號調理、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、數據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(jiǎn)介：滕友偉（1987—），男，碩士，工程師，主要研究方向任意波形發(fā)生器儀器開(kāi)發(fā)設計。

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、DAC 芯片電流調節范圍（本任意波形發(fā)生器選用ADI 公司AD9162 高性能數模轉換芯片，輸出調節范圍可達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 芯片有效位數是固定的，可以靈活調節的就是DAC 電流和模擬通道中的放大器/ 衰減器狀態(tài)，本文統稱(chēng)為幅度輸出控制參數，簡(jiǎn)稱(chēng)控制參數。幅度校準時(shí)，任意波形發(fā)生器控制參數變化會(huì )改變輸出信號的幅度，任意波形發(fā)生器通過(guò)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(guò)對比存取有效校準數據到硬盤(pán)文件。下次儀器啟動(dòng)后將校準數據讀取，參與幅度計算和控制^[3-5]。

校準時(shí)間主要取決于3 個(gè)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；

2）校準點(diǎn)數量，包括頻率校準點(diǎn)和幅度校準點(diǎn)；

3）接收機響應速度。

在模擬通道固定的情況下，如何在選取較少校準頻點(diǎn)的同時(shí)滿(mǎn)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(wèn)題。

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

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(diǎn)F0、F1、F2……Fm 和校準幅度點(diǎn)A0、A1、A2……An，Fp-Fq=(p-q)×(Fmax-Fmin)/m，Ap-Aq=(p-q)×(Amax-Amin)/n。其中p 和q 均為整數，Fmax 為最大輸出頻率，Fmin 為最小輸出頻率，Amax 為輸出幅度上限，Amin 為輸出幅度下限。DAC 電流的可調節范圍為E0、E1……Es 共s+1 個(gè)檔位，通道狀態(tài)為C0、C1…...Cw，共w+1 種狀態(tài)。

常用校準過(guò)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）設置輸出頻率為校準樣點(diǎn)頻點(diǎn)Fy（0 ≤ y ≤ m）；

3）設置DAC 電流為Et，讀取此時(shí)接收機的測量值EAt（0 ≤ t ≤ p）；

4）若|EAt-Az| ≤誤差閾值（0 ≤ z ≤ n），且該校準數據標識為0 時(shí)，記錄此時(shí)的微調控制量EAt，并設置該數據有效標識為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)。

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

2   改進(jìn)幅度校準

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

當任意波形發(fā)生器模擬通道頻率響應曲線(xiàn)非常平坦，或者呈現較好的線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，常用的人為等間隔選取校準頻率點(diǎn)方法也能較為真實(shí)地反應硬件實(shí)際輸出情況。但由于任意波形發(fā)生器應用越來(lái)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、函數信號發(fā)生器的替代，使模擬通道越來(lái)越復雜，這就使模擬通道輸出頻率響應也更加復雜，再加上制造工藝及其他不可控因素，通道真實(shí)品相往往如圖4 中左圖所示，存在很多“峰點(diǎn)”和“谷點(diǎn)”，且起伏不定。普通方法校準數據誤差如圖5 右下部分所示，其陰影面積即反應校準誤差大小。

圖5 等間隔校準頻點(diǎn)誤差

本文改進(jìn)方法采用自動(dòng)選取校準頻率點(diǎn)，選取原則是不能遺漏頻率響應曲線(xiàn)中的“峰點(diǎn)”和“谷點(diǎn)”，統稱(chēng)為校準頻率關(guān)鍵點(diǎn)，本方法先對讀取的模擬通道頻率響應曲線(xiàn)進(jìn)行密集抽樣來(lái)抓取這些“關(guān)鍵點(diǎn)”，并圍繞這些關(guān)鍵點(diǎn)插入部分中間校準頻率點(diǎn)，使校準數據量處于一個(gè)合理方位。

具體執行步驟如下：

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(guò)遠程連接獲取接收機實(shí)測的最大保持頻率響應曲線(xiàn)；

3) 通過(guò)密集抽樣獲取m1 個(gè)極值頻點(diǎn)F0、F1……Fm1-1，如圖6 所示。假設常規校準方法中等間隔選取校準頻率點(diǎn)數為m，通常（m1<<m），新方法在極值頻點(diǎn)數組中“插入”m-m1 個(gè)非極值頻點(diǎn)。

圖6 頻響曲線(xiàn)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(diǎn)范圍內插入極值頻點(diǎn)，初步組成輸出幅度校準頻率點(diǎn)數組F， 即[Fmin，F0，F1， …，Fm1-1，Fmax] 共m1+2個(gè)校準頻點(diǎn)，并在該組中插入m-m1-2 個(gè)中間校準樣點(diǎn)，ΔF 為常用校準方案中人為選擇校準頻率點(diǎn)的頻率間隔大小，執行步驟如下：

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(gè)校準頻點(diǎn)，即Ft+ΔF，Ft+2ΔF…，Ft+N×ΔF；

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

d．返回步驟a，直到m-m1-2 個(gè)中間校準頻點(diǎn)插入完畢。

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

本改進(jìn)校準方法誤差統計如圖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(diǎn)方法相同數量的校準樣本頻點(diǎn)，所以在時(shí)間復雜度上并沒(méi)有增加，但由于沒(méi)有遺漏頻率響應曲線(xiàn)上的“關(guān)鍵點(diǎn)”，所以在校準數據準確度上相比上文的常用幅度校準方法有極大改善。

圖7 頻響預估校準誤差

3   結束語(yǔ)

在校準任意波形發(fā)生器輸出幅度時(shí)，應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(gè)問(wèn)題，尤其是模擬通道幅度平坦度較差時(shí)校準數據準確度將有很大提升。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）