Générer un signal : Types de générateurs de fonctions, considérations relatives à la conversion numérique-analogique et autre terminologie courante

La grande catégorie des générateurs de signaux peut inclure de nombreux types de périphériques différents. À un niveau plus élevé, il y a deux groupes principaux : (1) les générateurs de signaux, également appelés générateurs arbitraires ou de fonction and générateur de signaux arbitraires, et (2) les sources logiques, également appelées générateurs d’impulsions ou de motifs. Les générateurs de signaux créent des signaux avec des caractéristiques analogiques et les sources logiques génèrent des signaux numériques qui sont couramment utilisés pour tester les bus informatiques. Cet article se concentre sur les générateurs de signaux.

Générateurs de fonctions

Les générateurs de fonctions produisent un nombre limité de signaux périodiques prédéfinis à des fréquences précises. Les générateurs de fonctions plus récents utilisent une technologie appelée synthèse numérique directe (DDS), qui donne au périphérique la capacité de produire des signaux à des fréquences précises. Les générateurs de fonctions utilisant la DDS peuvent modifier la fréquence de leurs signaux de sortie pendant la génération avec un temps de réponse court. Pour en savoir plus sur la DDS, reportez-vous à l’article sur la synthèse numérique directe (DDS) de la série Principes fondamentaux des instruments. Les générateurs de fonctions ont souvent une taille de mémoire très limitée car ils ne stockent qu’une petite quantité de signaux périodiques. Les signaux courants tels que la sinusoïde, le carré, l’impulsion, la rampe et le balayage sont inclus dans la mémoire d’un générateur de fonctions ; cependant, en fonction du périphérique, il peut y avoir plus ou moins d’options de signaux disponibles. Les générateurs de fonctions sont des périphériques rentables pour des applications telles que les tests de réponse aux stimuli, la caractérisation des filtres et la simulation des sources d’horloge, qui ne nécessitent que des signaux périodiques.

Générateurs de fonctions arbitraires

Les générateurs de fonctions arbitraires (AFG) sont similaires aux générateurs de fonctions avec une capacité supplémentaire importante : un espace mémoire embarqué dédié à un signal défini par l’utilisateur. Cela vous permet de définir un signal, de le stocker dans la mémoire embarquée de l’AFG, puis de l’éditer à l’aide de la DDS. Tout comme les générateurs de fonctions, les AFG disposent également d’ensembles prédéfinis de signaux stockés sur la mémoire embarquée du périphérique, qui peuvent être émis à l’aide de la DDS. Par conséquent, les AFG sont des périphériques extrêmement utiles si vous travaillez avec le même type d’applications que celles qui conviennent aux générateurs de fonctions, mais il vous est avantageux de définir un signal plus unique que les signaux prédéfinis par le fournisseur. Avant d’acheter, vérifiez toujours que le signal défini par l’utilisateur est compatible avec la mémoire disponible du périphérique.

Générateurs de signaux arbitraires

Les générateurs de signaux arbitraires (AWG) peuvent produire les signaux standard ainsi que des signaux complexes et de grande taille définis par l’utilisateur. Certains AWG ont également la capacité de relier et de mettre en boucle des combinaisons de signaux afin de produire efficacement des séquences de signaux à renvoyer. Pour générer des signaux complexes ou séquencés, les AWG doivent utiliser une grande quantité de mémoire embarquée pour stocker ces signaux. Par conséquent, si vous prévoyez d’utiliser un signal complexe spécifique pour votre application, assurez-vous d’acheter un AWG doté d’une mémoire suffisante pour stocker les signaux applicables. En plus de l’espace mémoire accru, les AWG utilisent également un schéma d’horloge différent de celui des générateurs de fonctions ou des AFG utilisant la DDS. Le système d’horloge d’un AWG permet au périphérique d’émettre des points uniquement dans l’ordre où ils sont placés dans la mémoire ; ils ne peuvent donc pas changer la fréquence de sortie dans un court laps de temps.

Résolution en bits

La résolution en bits, ou résolution verticale, d’un générateur de signaux est définie par la résolution du convertisseur numérique-analogique (C N/A) utilisé. Un C N/A ne peut produire un signal de sortie qu’en utilisant des échelons de tension discrets, ou niveaux. Vous pouvez trouver le nombre de niveaux de tension discrets qu’un C N/A peut produire en augmentant de deux la puissance de la résolution du C N/A. La Figure 1 illustre la différence de résolutions des C N/A en comparant une onde sinusoïdale créé par un C N/A théorique de 3 bits à une one sinusoïdale créée par un C N/A de 16 bits. 

Figure 1 : Différences entre deux résolutions de C N/A dans la création de signaux analogiques 

Le Tableau 1 indique le nombre de niveaux de tension discrets que chaque C N/A peut produire et l’Équation 1 montre comment le nombre de niveaux de tension discrets d’un C N/A est calculé.

Équation 1 : Calcul des niveaux de tension discrets d’un C N/A 

Tableau 1 : Niveaux de tension discrets de C N/A de 3 et 16 bits

Le C N/A de 3 bits ne peut émettre que huit niveaux de tension discrets ; par conséquent, si le C N/A a une gamme de signaux de 0 V à 10 V, il ne peut produire des tensions que par incréments de 1,25 V, comme le montre la Figure 1. Le C N/A de 16 bits peut produire des tensions par incréments de 152,6 μV et c’est pourquoi le signal apparaît beaucoup plus lisse. L’Équation 2 montre la formule générale et la manière dont l’incrément de tension, communément appelé largeur de code, est calculé pour le C N/A de 16 bits.

Équation 2 : Formule générale de calcul de la largeur de code et exemple de calcul de la largeur de code pour un C N/A de 16 bits

Notez qu’en zoomant à une échelle suffisamment petite, l’onde sinusoïdale produite par le C N/A de 16 bits présenterait également un aspect progressif, mais avec des incréments de 152,6 μV.

Bande passante

La largeur de bande d’un AFG ou d’un AWG décrit la fréquence maximale que le circuit analogique du périphérique peut émettre sans atténuation significative. La fréquence maximale pour la spécification de la largeur de bande est définie comme la fréquence à laquelle un signal de sortie sinusoïdal est atténué à 70,7 % de l’amplitude originale du signal. Cette fréquence est également connue comme le point -3 dB sur un diagramme de Bode.

La spécification de la largeur de bande détermine la fréquence maximale de sortie sinusoïdale et d’autres spécifications telles que le dépassement et le temps de montée de l’instrument. Cela devient critique lorsque l’on génère des ondes carrées ou des signaux d’impulsion avec le générateur de signaux. Comme le montre la Figure 2, un générateur de signaux doté d’une plus grande largeur de bande peut produire des ondes carrées avec un dépassement plus faible et des temps de montée plus rapides.

Figure 2 : Une plus grande largeur de bande du générateur de signaux permet une meilleure représentation du signal. Sur cette figure, le signal est une onde carrée.

Les générateurs de signaux sont conçus pour produire des signaux à diverses gammes de tension et peuvent passer rapidement d’une gamme de tension à l’autre. En fonction des gammes de tension prises en charge et de la manière dont elles sont implémentées, il est possible qu’un changement de gamme de tension nécessite un commutateur à relais pour modifier l’acheminement physique d’un signal. Cela affecte le signal de sortie et peut causer une anomalie. Pour accomplir cette tâche, les générateurs de signaux peuvent utiliser les techniques suivantes.

Atténuation

L’atténuation du signal de sortie du C N/A permet au générateur de signaux de modifier l’amplitude du signal généré tout en utilisant la gamme dynamique du C N/A. Pour illustrer cela, considérons une situation où un C N/A de 16 bits avec une gamme de 0 à 10 V est utilisé mais où le signal de sortie souhaité est compris entre 0 et 1 V. Pour produire le signal de sortie souhaité, les données numériques sont envoyées au C N/A dans la gamme complète de 0 à 10 V, puis le signal analogique à la sortie du C N/A est atténué 10 fois. Cela diminue effectivement la résolution de la tension à 15,26 μV car la résolution complète du C N/A de 16 bits a été utilisée. Si le signal de 0 à 1 V était produit en écrivant uniquement des mots numériques au C N/A qui représentaient des valeurs comprises entre 0 et 1 V dans la gamme de 0 à 10 V, la résolution de la tension resterait à 152,6 μV, comme indiqué dans l’Équation 2. Bien que l’atténuation utilise la pleine résolution du C N/A, il s’agit souvent d’une technique plus lente car elle implique la commutation de combinaisons de réseaux de résistances.

Gain numérique

Le gain numérique est une technique qui consiste à multiplier les données numériques du signal par un facteur avant que ces données n’atteignent le C N/A. Comme le gain numérique est appliqué pendant la génération du signal alors que les données numériques sont transférées depuis la mémoire du générateur de signaux, le délai associé à l’application du gain numérique est minime par rapport aux méthodes à gain analogique. Cependant, la résolution de sortie du C N/A est fonction du gain numérique, ce qui signifie que seul le gain analogique utilise la pleine résolution du C N/A.

Pour générer un signal avec la fréquence appropriée, le taux de mise à jour du périphérique, ou taux d’échantillonnage, doit être le double de la composante de fréquence maximale du signal généré. En suivant strictement ce critère, vous n’obtiendriez qu’un signal généré avec la bonne fréquence, mais pour générer la représentation la plus précise possible du signal, il faut tenir compte du fonctionnement du C N/A. Les C N/A utilisent une technique de Sample & Hold (échantillonnage et blocage), qui introduit des images haute fréquence même dans un signal fortement suréchantillonné. La Figure 3 montre la sortie du Sample & Hold dans le domaine temporel lorsqu’une sinusoïde est échantillonnée à 20 fois la fréquence de l’onde sinusoïdale. La sortie du Sample & Hold donne l’apparence d’un signal échelonné. 

Figure 3 : Ce graphique temporel du signal sinusoïdal généré illustre la technique Sample & Hold utilisée par les C N/A.

Le signal dans le domaine temporel ressemble toujours à une onde sinusoïdale ; cependant, l’inspection du domaine fréquentiel révèle les images haute fréquence créées par le C N/A. Ces images apparaissent à des multiples entiers de la fréquence d’échantillonnage plus ou moins le ton fondamental. Par exemple, une onde sinusoïdale de 20 MHz générée par une horloge d’échantillonnage de 100 MHz a des images à 80 MHz, 120 MHz, 180 MHz, 220 MHz, etc. La Figure 4 montre le domaine fréquentiel d’une onde sinusoïdale générée avec des images haute fréquence.

Figure 4 : Ce graphique du domaine fréquentiel de l’onde sinusoïdale générée montre les images haute fréquence.

Les générateurs de signaux peuvent utiliser une combinaison de filtres numériques et analogiques pour supprimer ces images et créer un signal plus pur sur le plan spectral.

Filtrage numérique et interpolation

Un générateur de signaux peut utiliser un filtre à réponse impulsionnelle finie (FIR) numérique pour fournir des points d’interpolation entre les échantillons générés. Cela augmente le taux d’échantillonnage effectif, qui modifie à son tour l’emplacement des images haute fréquence dans le domaine des fréquences. Pour expliquer ce concept, prenons l’exemple original d’une onde sinusoïdale de 20 MHz générée par une horloge d’échantillonnage de 100 MHz. Si le filtre FIR interpole le signal par 4x, vous pouvez maintenant trouver les images en utilisant 400 MHz comme fréquence d’horloge d’échantillonnage, produisant ainsi des images à 380 MHz, 420 MHz, 780 MHz, 820 MHz, etc. alors qu’elles étaient à l’origine, dans la Figure 4, à 80 MHz, 120 MHz, 180 MHz, 220 MHz, etc. Comme le montre la Figure 5 ci-dessous, l’interpolation n’élimine pas les images spectrales, mais elle les éloigne de la tonalité fondamentale.

Figure 5 : Dans ce graphique du domaine fréquentiel de l’onde sinusoïdale générée, le filtrage numérique a éloigné les images haute fréquence de la tonalité fondamentale.

Filtrage analogique

Pour produire le signal le plus pur sur le plan spectral, un filtre analogique peut être appliqué après le signal interpolé. Le filtre numérique FIR ayant éloigné les images haute fréquence de la tonalité fondamentale, les exigences relatives au filtre analogique se sont assouplies. Le filtre analogique n’a pas besoin d’une fréquence de coupure aussi abrupte, ce qui aurait donné au circuit une mauvaise planéité de la bande passante. Comme le montre la Figure 6, après l’application du filtre numérique FIR et du filtre analogique, les images haute fréquence sont supprimées du domaine fréquentiel. 

Figure 6 : Il s’agit du graphique du domaine fréquentiel de l’onde sinusoïdale générée après application du filtrage numérique et analogique.

Étant donné que le filtre numérique FIR et le filtre analogique ont efficacement supprimé les images haute fréquence, vous pouvez à nouveau examiner le signal sinusoïdal de la Figure 7 dans le domaine temporel.

Figure 7 : Il s’agit du graphique du domaine temporel du signal sinusoïdale générée après filtrage numérique et analogique.

On remarque que l’apparence du signal échelonné créé par les images haute fréquence est supprimée et que le signal sinusoïdal généré semble être un signal sinusoïdal plus pur que la sinusoïde de la Figure 1.

Vous avez maintenant vu comment la résolution en bits, la largeur de bande, l’atténuation, le gain et le filtrage affectent le signal de sortie d’un générateur de signaux. Lorsque vous consultez la fiche technique de votre générateur de signaux, veillez à garder ces spécifications à l’esprit et à les faire correspondre aux exigences de votre application. 

• Les générateurs de fonctions produisent un nombre limité de signaux périodiques prédéfinis à des fréquences précises.
• Les générateurs de fonctions arbitraires (AFG) ont les mêmes capacités qu’un générateur de fonctions, avec l’avantage supplémentaire de pouvoir utiliser la mémoire embarquée accessible pour ajouter un signal défini par l’utilisateur.
• Les générateurs de signaux arbitraires (AWG) produisent des signaux standard ainsi que des signaux complexes et de grande taille définis par l’utilisateur, en utilisant une mémoire embarquée beaucoup plus importante que celle des générateurs de fonctions et des AFG.
• La résolution en bits, ou résolution verticale, d’un générateur de signaux définit le nombre de niveaux de tension discrets que le C N/A peut produire.
• La largeur de bande décrit la gamme de fréquences qu’un générateur de signaux peut émettre. Elle est définie par la fréquence à laquelle un signal d’entrée sinusoïdal est atténué à 70,7 % de son amplitude d’origine, également connue sous le nom de point -3 dB.
• L’atténuation est une technique qui modifie l’amplitude des signaux générés sans sacrifier la gamme dynamique ni perdre de bits numériques de représentation.
• Le gain numérique est une technique qui consiste à multiplier les données numériques du signal par un facteur avant le C N/A. Cela permet au signal généré de changer d’amplitude presque instantanément ; cependant, il se peut qu’il n’utilise pas toute la résolution du C N/A.
• L’interpolation et le filtrage analogique peuvent être utilisés pour augmenter la fréquence d’échantillonnage effective et supprimer les images haute fréquence d’un signal généré par un C N/A. 

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