一種任意波形發(fā)生器幅度校準(zhǔn)時(shí)校準(zhǔn)頻點(diǎn)選取方法*

摘要：相比普通信號(hào)發(fā)生器，任意波形發(fā)生器在通道數(shù)、可擴(kuò)展性、波形輸出靈活性等方面極具優(yōu)勢(shì)，是信號(hào)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(yīng)用于常規(guī)信號(hào)發(fā)生器、芯片電路測(cè)試、量子通信測(cè)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(zhǔn)時(shí)校準(zhǔn)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(yīng)的差異性，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)頻率位置選取，提升校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

*本論文受到國(guó)家重大科學(xué)儀器專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2017YFF0106600）以及裝備預(yù)研領(lǐng)域基金重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：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(fù)雜波形和信號(hào)輸出提供輸出的硬件平臺(tái)^[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(hào)采集分析設(shè)備得到的信號(hào)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(chǔ)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(hào)調(diào)理、模擬放大/ 衰減電路后輸出中頻或者射頻信號(hào)^[2]。

任意波形發(fā)生器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，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(biāo)，信號(hào)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(duì)信號(hào)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(zhǔn)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)生器儀器開發(fā)設(shè)計(jì)。

1   常用幅度校準(zhǔn)

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(dá)13 dB）、模擬電路對(duì)信號(hào)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(jiǎn)稱控制參數(shù)。幅度校準(zhǔn)時(shí)，任意波形發(fā)生器控制參數(shù)變化會(huì)改變輸出信號(hào)的幅度，任意波形發(fā)生器通過遠(yuǎn)程連接（通常使用高速網(wǎng)口）讀取接收機(jī)信號(hào)輸出幅度，通過對(duì)比存取有效校準(zhǔn)數(shù)據(jù)到硬盤文件。下次儀器啟動(dòng)后將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)讀取，參與幅度計(jì)算和控制^[3-5]。

校準(zhǔn)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(shù)；

2）校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量，包括頻率校準(zhǔn)點(diǎn)和幅度校準(zhǔn)點(diǎn)；

3）接收機(jī)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(zhǔn)頻點(diǎn)的同時(shí)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(duì)較少的校準(zhǔn)點(diǎn)，達(dá)到準(zhǔn)確控制信號(hào)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(zhǔn)方案是等間隔選取校準(zhǔn)頻率點(diǎn)F0、F1、F2……Fm 和校準(zhǔn)幅度點(diǎn)A0、A1、A2……An，F(xiàn)p-Fq=(p-q)×(Fmax-Fmin)/m，Ap-Aq=(p-q)×(Amax-Amin)/n。其中p 和q 均為整數(shù)，F(xiàn)max 為最大輸出頻率，F(xiàn)min 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(diào)節(jié)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(zhǔn)過程如下：

1）任意波形發(fā)生器切換通道狀態(tài)為Cx （0 ≤ x ≤ t）；

2）設(shè)置輸出頻率為校準(zhǔn)樣點(diǎn)頻點(diǎn)Fy（0 ≤ y ≤ m）；

3）設(shè)置DAC 電流為Et，讀取此時(shí)接收機(jī)的測(cè)量值EAt（0 ≤ t ≤ p）；

4）若|EAt-Az| ≤誤差閾值（0 ≤ z ≤ n），且該校準(zhǔn)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為0 時(shí)，記錄此時(shí)的微調(diào)控制量EAt，并設(shè)置該數(shù)據(jù)有效標(biāo)識(shí)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(zhǔn)數(shù)據(jù)，第1 列為選取的校準(zhǔn)幅度點(diǎn)，第2 列為DAC電流控制參數(shù)，第3 列為誤差標(biāo)識(shí)，即誤差范圍超過閾值時(shí)為0，反之則為1。

2   改進(jìn)幅度校準(zhǔn)

常用的幅度校準(zhǔn)方法中校準(zhǔn)頻率點(diǎn)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(dāng)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(shí)，常用的人為等間隔選取校準(zhǔn)頻率點(diǎn)方法也能較為真實(shí)地反應(yīng)硬件實(shí)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(duì)通頻段矢量信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)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(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(zhǔn)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(zhǔn)誤差大小。

圖5 等間隔校準(zhǔn)頻點(diǎn)誤差

本文改進(jìn)方法采用自動(dòng)選取校準(zhǔn)頻率點(diǎn)，選取原則是不能遺漏頻率響應(yīng)曲線中的“峰點(diǎn)”和“谷點(diǎn)”，統(tǒng)稱為校準(zhǔn)頻率關(guān)鍵點(diǎn)，本方法先對(duì)讀取的模擬通道頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行密集抽樣來抓取這些“關(guān)鍵點(diǎn)”，并圍繞這些關(guān)鍵點(diǎn)插入部分中間校準(zhǔn)頻率點(diǎn)，使校準(zhǔn)數(shù)據(jù)量處于一個(gè)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(jī)；

2) 任意波形發(fā)生器輸出頻率掃描信號(hào)，并通過遠(yuǎn)程連接獲取接收機(jī)實(shí)測(cè)的最大保持頻率響應(yīng)曲線；

3) 通過密集抽樣獲取m1 個(gè)極值頻點(diǎn)F0、F1……Fm1-1，如圖6 所示。假設(shè)常規(guī)校準(zhǔn)方法中等間隔選取校準(zhǔn)頻率點(diǎn)數(shù)為m，通常（m1<<m），新方法在極值頻點(diǎn)數(shù)組中“插入”m-m1 個(gè)非極值頻點(diǎn)。

圖6 頻響曲線密集抽樣

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(nèi)插入極值頻點(diǎn)，初步組成輸出幅度校準(zhǔn)頻率點(diǎn)數(shù)組F， 即[Fmin，F(xiàn)0，F(xiàn)1， …，F(xiàn)m1-1，F(xiàn)max] 共m1+2個(gè)校準(zhǔn)頻點(diǎn)，并在該組中插入m-m1-2 個(gè)中間校準(zhǔn)樣點(diǎn)，ΔF 為常用校準(zhǔn)方案中人為選擇校準(zhǔn)頻率點(diǎn)的頻率間隔大小，執(zhí)行步驟如下：

a．依次找出Ft-Ft-1（1 ≤ t ≤ m1+1）中的最大值，對(duì)（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(zhǔn)頻點(diǎn)，即Ft+ΔF，F(xiàn)t+2ΔF…，F(xiàn)t+N×ΔF；

c．若N ≤ 1，在Ft-1~Ft 之間插入1 個(gè)校準(zhǔn)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(zhǔn)頻點(diǎn)插入完畢。

5) 任意波形發(fā)生器啟動(dòng)校準(zhǔn)流程，具體執(zhí)行步驟參考上文所述常用校準(zhǔn)過程。

本改進(jìn)校準(zhǔn)方法誤差統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)方法，本方法是選取與等間隔校準(zhǔn)樣點(diǎn)方法相同數(shù)量的校準(zhǔn)樣本頻點(diǎn)，所以在時(shí)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(diǎn)”，所以在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度上相比上文的常用幅度校準(zhǔn)方法有極大改善。

圖7 頻響預(yù)估校準(zhǔn)誤差

3   結(jié)束語(yǔ)

在校準(zhǔn)任意波形發(fā)生器輸出幅度時(shí)，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(zhǔn)方法將很好地解決上述兩個(gè)問題，尤其是模擬通道幅度平坦度較差時(shí)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度將有很大提升。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）