Generar una señal: Tipos de generadores de funciones, consideraciones de DAC y otra terminología común

La amplia categoría de generadores de señales puede incluir muchos tipos diferentes de dispositivos. En un nivel superior, hay dos grupos principales: (1) generadores de señales, también llamados generadores arbitrarios/de funciones y generadores de forma de onda arbitraria y (2) fuentes lógicas, también conocidas como generadores de pulso o patrones. Los generadores de señales crean formas de onda con características analógicas y las fuentes lógicas generan formas de onda digitales que se utilizan comúnmente para probar buses de PC. Este artículo se enfoca en los generadores de señales.

Generadores de funciones

Los generadores de funciones producen un número limitado de formas de onda periódicas predefinidas a frecuencias precisas. Los generadores de funciones más recientes emplean una tecnología llamada síntesis digital directa (DDS), que le da al dispositivo la capacidad de producir las formas de onda en frecuencias precisas. Los generadores de funciones que utilizan DDS pueden cambiar su frecuencia de forma de onda de salida durante la generación con un tiempo corto de respuesta. Para leer más sobre DDS, consulte la nota técnica de Síntesis Digital Directa (DDS) en la serie fundamentos de instrumentos. Los generadores de funciones por lo general tienen un tamaño de memoria muy limitado, porque almacenan solo una pequeña cantidad de formas de onda periódicas. Las formas de onda comunes como sinusoidal, cuadrada, pulso, rampa y barrido se incluyen en la memoria de un generador de funciones; sin embargo, dependiendo del dispositivo, puede haber disponibles más o menos opciones de formas de onda. Los generadores de funciones son dispositivos rentables para aplicaciones como pruebas de estímulo-respuesta, caracterización de filtros y simulación de fuente de reloj, que solo requieren formas de onda periódicas.

Generadores de funciones arbitrarias

Los generadores de funciones arbitrarias (AFG) son similares a los generadores de funciones con una capacidad adicional importante: espacio de memoria interna y dedicada para una forma de onda definida por el usuario. Esto le brinda la capacidad de definir una forma de onda, almacenarla en la memoria interna del AFG y luego generar la forma de onda usando DDS. Al igual que los generadores de funciones, los AFGs también tienen conjuntos predefinidos de formas de onda almacenadas en la memoria interna del dispositivo que se pueden generar mediante DDS. Por lo tanto, los AFGs son dispositivos extremadamente valiosos si usted está trabajando con el mismo tipo de aplicaciones adecuadas para generadores de funciones, pero se beneficia al definir una forma de onda más única que las formas de onda predefinidas por el proveedor. Antes de comprar, siempre verifique que su forma de onda definida por el usuario se ajuste a la memoria del dispositivo disponible para el usuario.

Generadores de formas de onda arbitrarias

Los generadores de formas de onda arbitrarias (AWGs) pueden producir formas de onda estándares, así como formas de onda grandes y complejas definidas por el usuario. Algunos AWGs también tienen la capacidad adicional de vincular y enlazar combinaciones de formas de onda para producir de manera efectiva secuencias de formas de onda a la salida. Para generar formas de onda complejas o secuenciadas, los AWGs deben usar una gran cantidad de memoria interna para almacenar estas formas de onda. Por lo tanto, si planea usar una forma de onda compleja específica para su aplicación, asegúrese de comprar un AWG con suficiente memoria para almacenar las formas de onda aplicables. Además de mayor espacio de memoria, los AWGs también emplean un esquema de reloj diferente al de los generadores de funciones o AFGs que usan DDS. El esquema de reloj de un AWG permite que el dispositivo envíe puntos solo en el orden en que se colocan en la memoria; por lo tanto, no pueden cambiar la frecuencia de salida en poco tiempo.

Resolución de bits

La resolución de bits, o resolución vertical, de un generador de señales se define por la resolución del convertidor digital a analógico (DAC) utilizado. Un DAC solo puede producir una forma de onda de salida utilizando niveles o pasos de voltaje discreto. Puede encontrar la cantidad de niveles de voltaje discretos que puede producir un DAC elevando dos a la potencia de la resolución del DAC. La Figura 1 muestra la diferencia entre las distintas resoluciones de DAC al comparar una onda sinusoidal creada por un DAC teórico de 3 bits con una onda sinusoidal creada por un DAC de 16 bits. 

Figura 1: Diferencias de dos resoluciones DAC diferentes en la creación de señales analógicas 

La Tabla 1 muestra el número de niveles de voltaje discreto que puede producir cada DAC y la ecuación 1 muestra cómo se calcula el número de niveles de voltaje discreto para un DAC.

Ecuación 1: Calcular los niveles de voltaje discreto para un DAC 

Tabla 1: Niveles de voltaje discreto de DAC de 3 y 16 bits

El DAC de 3 bits solo puede generar ocho niveles de voltaje discreto; por lo tanto, si el DAC tiene un rango de señal de 0 V a 10 V, puede producir voltajes en incrementos de solo 1.25 V, como se ve en la Figura 1. El DAC de 16 bits puede producir voltajes en incrementos de 152.6 μV y es por eso que la señal parece mucho más suave. La Ecuación 2 muestra la fórmula general y cómo se calcula el incremento de voltaje, o comúnmente conocido como ancho de código, para el DAC de 16 bits.

Ecuación 2: Fórmula general de ancho de código y ejemplo de cálculo de ancho de código para un DAC de 16 bits

Tenga en cuenta que si se acerca a una escala lo suficientemente pequeña, la onda sinusoidal producida por el DAC de 16 bits también exhibirá una apariencia escalonada pero con incrementos de 152.6 μV.

Ancho de banda

El ancho de banda de un AFG o AWG describe la frecuencia máxima que los circuitos analógicos del dispositivo pueden emitir sin una atenuación significativa. La frecuencia máxima para la especificación de ancho de banda se define como la frecuencia en la que una señal de salida sinusoidal se atenúa al 70.7% de la amplitud original de la señal. Esta frecuencia también se conoce como el punto -3 dB en un diagrama de Bode.

La especificación de ancho de banda determina la frecuencia máxima de salida sinusoidal y otras especificaciones como sobreimpulso y tiempo de subida del instrumento. Esto se vuelve crítico cuando se generan ondas cuadradas o señales de pulso con el generador de señales. Como se ve en la Figura 2, un generador de señales con un mayor ancho de banda puede producir ondas cuadradas con un menor sobreimpulso y tiempos de subida más rápidos.

Figura 2: Un mayor ancho de banda del generador de señales permite una mejor representación de la señal. En esta figura, la señal es una onda cuadrada.

Los generadores de señales están diseñados para producir formas de onda en una variedad de rangos de voltaje y pueden cambiar rápidamente entre estos rangos de voltaje. Dependiendo de los rangos de voltaje admitidos y cómo se implementan, es posible que un cambio en el rango de voltaje requiera un interruptor de relé para cambiar el enrutado físico de una señal. Esto afecta a la señal de salida y se puede observar una falla. Para realizar esta tarea, los generadores de señales pueden emplear las siguientes técnicas.

Atenuación

Atenuar la señal de salida del DAC le da al generador de señales la capacidad de alterar la amplitud de la señal generada al usar el rango dinámico del DAC. Para ilustrar esto, considere una situación en la que se usa un DAC de 16 bits con un rango de 0 a 10 V pero la señal de salida deseada varía de 0 a 1 V. Para producir la señal de salida deseada, los datos digitales se escriben en el DAC en el rango completo de 0 a 10 V, y luego la señal analógica en la salida del DAC se atenúa 10 veces. Esto reduce efectivamente la resolución de voltaje a 15.26 μV porque se usó la resolución completa del DAC de 16 bits. Si la señal de 0 a 1 V se produjo solo escribiendo palabras digitales en el DAC que representaron valores entre 0 y 1 V en el rango de 0 a 10 V, la resolución de voltaje se mantendría en 152.6 μV como se muestra en la Ecuación 2. Aunque la atenuación utiliza la resolución completa del DAC, generalmente es una técnica más lenta porque involucra combinaciones de conmutación de redes de resistores.

Ganancia digital

La ganancia digital es una técnica que implica multiplicar los datos digitales de la forma de onda por un factor antes de que los datos lleguen al DAC. Debido a que la ganancia digital se aplica durante la generación de la forma de onda mientras los datos digitales se transfieren desde la memoria del generador de señales, el retraso asociado con aplicar la ganancia digital es mínimo en comparación con los métodos de ganancia analógica. Sin embargo, la resolución de salida del DAC es una función de la ganancia digital, lo que significa que solo la ganancia analógica usa la resolución completa del DAC.

Para generar una señal con la frecuencia adecuada, la velocidad de actualización del dispositivo, o velocidad de muestreo, debe ser el doble del componente de frecuencia máxima de la señal generada. Seguir estrictamente este criterio lo dejaría solo con una señal generada con la frecuencia correcta, pero para generar la representación más precisa de la forma de onda, se debe tener en cuenta la operación del DAC. Los DACs utilizan una técnica de muestreo y retención, que introduce imágenes de alta frecuencia incluso en una forma de onda muy sobremuestreada. La salida de muestreo y retención se puede ver visualmente en la Figura 3 en el dominio del tiempo cuando se muestrea una sinusoide a 20 veces la frecuencia de onda sinusoidal. La salida de muestreo y retención da la apariencia de forma de onda escalonada. 

Figura 3: Esta gráfica en el dominio del tiempo de la forma de onda sinusoidal generada muestra la técnica de muestreo y retención utilizada por los DAC.

La señal en el dominio del tiempo todavía se parece a una onda sinusoidal; sin embargo, la inspección del dominio de la frecuencia revela las imágenes de alta frecuencia creadas por el DAC. Estas imágenes ocurren en múltiplos enteros de la velocidad de muestreo más o menos el tono fundamental. Por ejemplo, una onda sinusoidal de 20 MHz generada por un reloj de muestreo de 100 MHz tiene imágenes a 80 MHz, 120 MHz, 180 MHz, 220 MHz, etc. La Figura 4 muestra el dominio de frecuencia de una onda sinusoidal generada con imágenes de alta frecuencia.

Figura 4: Esta gráfica de dominio de frecuencia de la onda sinusoidal generada muestra las imágenes de alta frecuencia.

Los generadores de señales pueden usar una combinación de filtros digitales y analógicos para eliminar estas imágenes y crear una señal más pura espectralmente.

Interpolación y filtrado digital

Un generador de señales puede usar un filtro digital de respuesta de impulso finito (FIR) para proporcionar puntos que se interpolan entre los muestreos generados. Esto aumenta la frecuencia de muestreo efectiva, que a su vez altera la ubicación de las imágenes de alta frecuencia en el dominio de la frecuencia. Para una explicación de este concepto, piense en el ejemplo original de una onda sinusoidal de 20 MHz generada por un reloj de muestreo de 100 MHz. Si el filtro FIR interpola la señal 4 veces, ahora usted puede encontrar las imágenes usando 400 MHz como frecuencia de reloj de muestreo, produciendo así imágenes a 380 MHz, 420 MHz, 780 MHz, 820 MHz, y así sucesivamente cuando estaban originalmente, en la Figura 4, en 80 MHz, 120 MHz, 180 MHz, 220 MHz, etc. Como ilustra la Figura 5 a continuación, la interpolación no elimina las imágenes espectrales, pero las desplaza más lejos del tono fundamental.

Figura 5: En esta gráfica de dominio de frecuencia de la onda sinusoidal generada, el filtrado digital ha alejado las imágenes de alta frecuencia del tono fundamental

Filtrado analógico

Para producir la señal más pura espectralmente, se puede aplicar un filtro analógico después de la señal interpolada. Debido a que el filtro FIR digital ha alejado las imágenes de alta frecuencia del tono fundamental, los requisitos para el filtro analógico se han relajado. El filtro analógico no necesita una frecuencia de corte tan pronunciada, lo que habría dado al circuito una uniformidad pobre de pasobanda. Como se ve en la Figura 6, después de aplicar el filtro FIR digital y el filtro analógico, las imágenes de alta frecuencia se eliminan del dominio de frecuencia. 

Figura 6: Esta es la gráfica en el dominio de la frecuencia de la onda sinusoidal generada después de aplicar el filtrado digital y analógico.

Debido a que el filtro FIR digital y el filtro analógico han eliminado de manera efectiva las imágenes de alta frecuencia, puede inspeccionar la forma de onda sinusoidal, en la Figura 7, en el dominio del tiempo una vez más.

Figura 7: Esta es la gráfica en el dominio del tiempo de la forma de onda sinusoidal generada después del filtrado digital y analógico.

Observe que la apariencia de la forma de onda escalonada creada por las imágenes de alta frecuencia se elimina y la señal sinusoide generada parece ser una forma de onda sinusoide más pura en comparación con la sinusoide en la Figura 1.

Ahora ha visto cómo la resolución de bits, el ancho de banda, la atenuación, la ganancia y el filtrado afectan la señal de salida de un generador de señales. Al consultar la hoja de especificaciones de su generador de señales, asegúrese de tener en cuenta estas especificaciones y hacerlas coincidir con los requisitos de su aplicación. 

• Los generadores de funciones producen un conjunto limitado y predefinido de formas de onda periódicas a frecuencias precisas.
• Los generadores de funciones arbitrarias (AFG) tienen las mismas capacidades que un generador de funciones con el beneficio adicional de que usted puede usar la memoria interna para agregar una forma de onda definida por el usuario.
• Los generadores de formas de onda arbitrarias (AWG) producen formas de onda estándares, así como formas de onda grandes, complejas y definidas por el usuario, y lo hacen utilizando una memoria interna mucho más grande en comparación con los generadores de funciones y los AFGs.
• La resolución de bits, también la resolución vertical, de un generador de señales define el número de niveles de voltaje discreto que el DAC puede producir.
• El ancho de banda describe el rango de frecuencias que puede generar un generador de señales. Se define por la frecuencia a la que una señal de entrada sinusoidal se atenúa al 70.7% de su amplitud original, que también se conoce como el punto -3 dB.
• La atenuación es una técnica que altera la amplitud de las señales generadas sin sacrificar el rango dinámico o perder bits digitales de representación.
• La ganancia digital es una técnica que implica multiplicar los datos digitales de la forma de onda por un factor antes del DAC. Esto le da a la señal generada la capacidad de cambiar la amplitud casi instantáneamente; sin embargo, es posible que no utilice la resolución completa del DAC.
• La interpolación y el filtrado analógico se pueden utilizar para aumentar la frecuencia de muestreo efectiva y eliminar las imágenes de alta frecuencia de una señal generada por un DAC. 

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