Генераторы сигналов: основа точных измерений в радиоэлектронике

Для инженера точность и надежность измерений являются краеугольным камнем обеспечения качества и производительности разрабатываемых устройств и систем. Однако, в условиях огромного разнообразия представленных на рынке генераторов сигналов, выбор оптимального решения может стать непростой задачей, сравнимой с поиском иголки в стоге сена.

Именно поэтому глубокое понимание функциональных возможностей и характеристик генераторов сигналов приобретает первостепенное значение. Это позволит вам принять взвешенное решение, полностью соответствующее уникальным требованиям ваших проектов и испытаний.

Что такое генератор сигналов?

Генератор сигналов – это электронное устройство, предназначенное для формирования повторяющихся или однократных электрических сигналов заданной формы, частоты и амплитуды. Эти сигналы используются для тестирования и оценки характеристик различного радиоэлектронного оборудования. Генератор имитирует реальные сигналы и условия, позволяя инженерам проводить всестороннюю проверку работоспособности и поведения электронных систем.

Генераторы сигналов находят широкое применение в самых разных областях, включая телекоммуникации, аудиотехнику, медицинскую электронику и многие другие.

История развития генераторов сигналов: от 1920-х до 5G

История генераторов сигналов берет свое начало в 1920-х годах, когда были разработаны первые простые генераторы синусоидальных колебаний. С течением времени эти устройства претерпели значительную эволюцию, обзаведясь возможностями генерации более сложных форм сигналов, повышенной точностью и гибкостью настроек.

Современные генераторы сигналов предлагают широкий спектр выходных сигналов, опций модуляции и диапазонов частот, что позволяет предельно точно адаптировать тестовые сигналы под конкретные задачи.

Пример: благодаря сочетанию возможностей, современный инженер может, сгенерировать сигнал стандарта 5G NR на частоте 28 ГГц с модуляцией 256QAM и полосой 100 МГц, добавить к нему калиброванный шум и интерферирующий сигнал Wi-Fi на частоте 5.8 ГГц, чтобы максимально точно имитировать реальные условия работы тестируемого приемника.

Принцип работы генератора сигналов

Основными функциональными блоками генератора сигналов являются генератор опорной частоты (осциллятор), модулятор, усилитель и выходной каскад. Процесс генерации сигнала начинается с осциллятора, который формирует стабильный и периодический сигнал, например, синусоидальной формы.

Рисунок: упрощенная структурная схема генератора сигналов

Сформированный сигнал поступает на модулятор, где происходит его преобразование в требуемый тип сигнала, такой как прямоугольный или треугольный. Здесь же осуществляется добавление необходимой модуляции: амплитудной, частотной или фазовой. Далее сигнал усиливается до заданного уровня и подается на тестируемое устройство (DUT – Device Under Test).

Генераторы сигналов поставляемые НТЦ "СПЕКТР" способны формировать разнообразные формы сигналов, включая синусоидальные, прямоугольные, треугольные, пилообразные и сигналы произвольной формы. Синусоидальные сигналы широко используются при тестировании аудиотехники, в то время как прямоугольные и треугольные сигналы применяются для проверки цифровых схем. Пилообразные и сигналы произвольной формы незаменимы при тестировании сложных электронных систем, поскольку позволяют имитировать реальные условия эксплуатации.

Методы формирования сигналов

Выбор метода генерации сигнала зависит от задачи, доступной информации об исследуемом устройстве и требуемых характеристик сигнала (включая необходимость внесения искажений). Современные генераторы предлагают несколько основных подходов:

• Создание (Creation): Разработка полностью новых, уникальных сигналов для специфических задач моделирования или тестирования.
• Репликация (Replication): Воспроизведение ранее захваченных реальных сигналов (например, с помощью осциллографа или логического анализатора), которые сложно или невозможно синтезировать стандартными методами.
• Генерация (Generation): Формирование эталонных сигналов (идеальных или с контролируемыми искажениями) в строгом соответствии с требованиями промышленных стандартов и заданными допусками.

Сложности использования генераторов сигналов

Несмотря на свою универсальность, они имеют определенные ограничения и могут создавать некоторые трудности при использовании:

• Точность. Одним из ключевых аспектов является точность генерируемого сигнала. Даже незначительные отклонения могут повлиять на результаты измерений.
• Шум. Наличие шумов в выходном сигнале может исказить полезную информацию и ограничить применимость генератора.
• Искажения. Нелинейные искажения, вносимые генератором, могут привести к неправильной оценке характеристик тестируемого устройства.

Для минимизации влияния этих факторов необходимо тщательно подходить к выбору генератора сигналов, учитывая специфику приложения и технические характеристики устройства. Правильная эксплуатация, в соответствии с рекомендациями производителя, также играет важную роль.

Применение генераторов сигналов

Функциональность охватывает три фундаментальные задачи: проверку работоспособности компонентов и систем, измерение их точных характеристик и стресс-тестирование для определения пределов устойчивости.

Проверка компонентов и систем

Тестирование ВЧ-компонентов: При разработке цифровых передатчиков и приемников для беспроводных систем необходимо эмулировать модулирующие IQ-сигналы. Генераторы позволяют создавать как идеальные, так и модифицированные (с искажениями) сигналы для проверки соответствия устройств актуальным или специализированным стандартам связи. Современные генераторы сигналов произвольной формы (AWG) обеспечивают формирование высокоточных IQ-сигналов с низким уровнем искажений на скоростях до 1 Гбит/с по независимым каналам I и Q.

Прямой синтез ВЧ: В случаях, когда для тестирования приемника требуется реальный радиочастотный сигнал, AWG с частотой дискретизации до 200 Гвыб/с позволяют синтезировать его напрямую.

Измерение характеристик

Анализ ЦАП и АЦП: Новые цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи требуют тщательного анализа для определения их реальных параметров: линейности, монотонности, динамического диапазона и уровней искажений. Продвинутые AWG способны генерировать синхронизированные аналоговые и цифровые сигналы (со скоростями до 1 Гбит/с), необходимые для комплексного тестирования этих критически важных компонентов.

Тестирование в предельных режимах (Стресс-тест)

Оценка устойчивости коммуникационных систем: Инженерам, работающим с высокоскоростными последовательными цифровыми интерфейсами (например, в шинах данных, системах хранения), необходимо оценивать их надежность. Это достигается подачей на вход тестируемого устройства сигналов с преднамеренно внесенными искажениями – в частности, с джиттером (фазовым дрожанием) или нарушениями временных параметров. Современные генераторы сигналов оснащены мощными встроенными инструментами для генерации и прецизионного редактирования джиттера, позволяя управлять временным сдвигом фронтов сигнала с разрешением до 200 фемтосекунд (0.2 пс), что значительно упрощает процесс стресс-тестирования.

Области применения генераторов сигналов

Генераторы сигналов являются незаменимым инструментом в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Они используются для тестирования и измерения характеристик широкого спектра оборудования – от бытовой электроники до сложных телекоммуникационных систем и аудио/видео аппаратуры. Рассмотрим некоторые ключевые области применения:

Как видно, генераторы сигналов являются универсальным и ценным инструментом для инженеров и техников, предоставляя широкий спектр сигналов для тестирования и оценки электронных систем в самых разных отраслях.

Типы генераторов сигналов

На рынке представлено множество типов генераторов сигналов, от простых функциональных генераторов до сложных генераторов сигналов произвольной формы. Рассмотрим основные типы:

• Аналоговые генераторы
• ВЧ генераторы
• Векторные генераторы сигналов
• Генераторы сигналов произвольной формы (AWG)
• Генераторы радиочастотных сигналов
• Генераторы импульсов

Аналоговые генераторы

Аналоговые генераторы сигналов — это устройства, генерирующие непрерывные сигналы с заданными параметрами, такие как синусоидальные, прямоугольные или треугольные волны. В отличие от цифровых генераторов, они формируют сигналы с помощью аналоговых компонентов, обеспечивая плавное изменение амплитуды, частоты и смещения. Аналоговые генераторы поддерживают базовые виды модуляции, включая амплитудную (AM) и частотную (FM), что делает их универсальными для решения широкого спектра задач.

Основная задача аналоговых генераторов — создание стабильных и точных сигналов для тестирования базовых компонентов электронных систем: аудиоустройств, радиоприемников, аналоговых фильтров и датчиков. Они идеально подходят для учебных лабораторий, ремонта оборудования и проверки простых схем благодаря интуитивному управлению и минимальным задержкам.

ВЧ генераторы

Генераторы радиочастотных (ВЧ) сигналов формируют высокочастотные сигналы в радиочастотном спектре, обычно в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких гигагерц. ВЧ генераторы используются для тестирования и оценки характеристик ВЧ компонентов и систем, таких как антенны, фильтры, усилители и системы связи.

Основная функция ВЧ генератора – обеспечение стабильного и надежного источника сигнала для тестирования и оценки электронных схем и устройств, работающих на высоких частотах. В состав ВЧ генератора обычно входят гетеродин, модулятор и усилитель мощности.

ВЧ генераторы поставляемые НТЦ "СПЕКТР" часто находят применение в телекоммуникациях, военной и оборонной промышленности, а также в промышленной электронике, играя ключевую роль в обеспечении соответствия ВЧ компонентов и систем заданным требованиям.

Векторные генераторы сигналов

Векторный генератор сигналов (VSG) способен генерировать сигналы как с амплитудной, так и с фазовой модуляцией, известные как векторные сигналы. В отличие от традиционных генераторов, формирующих сигналы с постоянной амплитудой, VSG может создавать сигналы с переменной амплитудой и фазой, что необходимо для тестирования современных систем связи, включая сотовые и спутниковые сети.

Основная задача VSG – генерация сложных сигналов для тестирования и оценки систем связи и электронных устройств, таких как фильтры, усилители и модемы. Векторные генераторы хорошо себя зарекомендовали при разработке и производстве современного телекоммуникационного оборудования.

Генераторы сигналов произвольной формы

Генератор сигналов произвольной формы (AWG) может воспроизводить практически любую форму сигнала в пределах своего частотного диапазона. В отличие от генераторов, формирующих стандартные формы сигналов (синус, прямоугольник, треугольник), AWG позволяет генерировать пользовательские, программируемые формы сигналов. 

Формирование сигнала в AWG осуществляется путем цифрового синтеза последовательности отсчетов, хранящихся в памяти, которые затем преобразуются в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

AWG широко используются в электронных измерениях, телекоммуникациях, аудио- и видеотехнике, автомобильной промышленности, военно-промышленном комплексе, а также в научных исследованиях и разработках.

Генераторы радиочастотных сигналов

Генераторы радиочастотных сигналов генерируют электрические сигналы с заданными частотой, амплитудой и модуляцией. Они необходимы для тестирования, настройки и калибровки радиоэлектронного оборудования, такого как приемники и передатчики, в разработке, производстве и обслуживании беспроводных систем связи, радиолокации и навигации. Современные генераторы обладают широким набором функций, включая различные формы сигналов и виды модуляции, обеспечивая точность и гибкость для решения разнообразных инженерных задач.

Функциональные генераторы

Функциональный генератор предназначен для формирования стандартных электрических сигналов, таких как синусоидальные, прямоугольные, треугольные и пилообразные, в широком диапазоне частот. Основная функция такого устройства – обеспечение удобного и универсального источника сигналов для тестирования и оценки электронных схем и устройств.

Функциональные генераторы от НТЦ "СПЕКТР" находят применение в тестировании электроники, образовании и научных исследованиях. Они являются незаменимым инструментом для инженеров, техников и студентов при изучении и проверке электронных схем.

Генераторы импульсов

Генератор импульсов формирует электрические импульсные сигналы с точно заданными временными параметрами (длительностью, частотой следования, амплитудой). Такие генераторы используются для тестирования и оценки различных электронных схем и устройств, включая цифровые и импульсные схемы, а также системы связи.

Лучшие модели генераторов импульсов широко применяются инженерами-электронщиками, техниками, исследователями и студентами для решения разнообразных задач в области электроники.

Сравнение типов генераторов сигналов

Ключевые характеристики генераторов сигналов при выборе устройства

При выборе генератора сигналов необходимо учитывать ряд ключевых характеристик, чтобы обеспечить соответствие устройства вашим потребностям и ожиданиям:

• Диапазон частот. Определяет диапазон частот, которые может генерировать устройство. Этот параметр критически важен, так как влияет на возможность тестирования различных устройств и систем. Генераторы сигналов НТЦ "СПЕКТР" предлагают широкий выбор моделей с различными диапазонами частот.
• Диапазон амплитуд. Характеризует диапазон уровней выходного сигнала. Более широкий диапазон амплитуд обеспечивает большую универсальность и точность.
• Выходная мощность. Определяет уровень мощности, которую может обеспечить генератор. Этот параметр важен для корректного тестирования различных нагрузок.
• Возможности модуляции. Включают различные виды модуляции (амплитудная, частотная, фазовая), позволяющие тестировать широкий спектр устройств и систем связи.
• Функции свипирования и формирования пачек импульсов. Позволяют генерировать сигналы с плавно изменяющейся частотой или последовательности импульсов заданной длительности, что полезно при тестировании радиочастотных передатчиков и других устройств.
• Форма генерируемых сигналов. Определяет типы сигналов, которые может формировать генератор (синус, прямоугольник, треугольник и т.д.).
• Опции запуска (триггеры). Позволяют синхронизировать генерацию сигналов с внешними событиями или другими сигналами, что важно при тестировании синхронных систем.
• Объем памяти для хранения произвольных форм сигналов. Актуально для генераторов сигналов произвольной формы, позволяет сохранять часто используемые сигналы.

Как правильно выбрать генератор сигналов для ваших задач

Перед тем как приобрести генератор сигналов, крайне важно определить предполагаемую область его применения. Различные задачи предъявляют совершенно разные требования к таким ключевым параметрам, как диапазон частот, выходная мощность, возможности модуляции и набор дополнительных функций.

Ниже приведены общие рекомендации от специалистов НТЦ "СПЕКТР", которые помогут вам сориентироваться при выборе подходящего оборудования для различных сфер деятельности.

Рекомендации по выбору генератора сигналов для различных применений

Универсальное тестирование

Для задач общего назначения оптимальным выбором станет генератор сигналов с широким диапазоном частот и высокой выходной мощностью. Также необходимо обратить внимание на возможности модуляции, включая амплитудную (AM) и частотную (FM) модуляции, а также функции свипирования (sweep) и формирования пачек импульсов (burst). Эти функции позволят проводить всестороннее тестирование периодических сигналов.

Телекоммуникации

Для приложений в области телевидения и коммуникаций ключевыми характеристиками являются высокий верхний предел частотного диапазона и низкий уровень фазовых шумов. Это обеспечивает возможность точного тестирования телекоммуникационных систем и генерацию сигналов с минимальным уровнем помех. Кроме того, следует учитывать поддержку сложных видов модуляции, используемых в телекоммуникациях, таких как частотная манипуляция (FSK) и фазовая манипуляция (PM).

Тестирование аудио- и видеооборудования

При тестировании аудио- и видеоаппаратуры одним из важнейших параметров является низкий уровень гармонических искажений. Низкие искажения гарантируют высокое качество генерируемого сигнала и отсутствие нежелательных артефактов. Также необходимо учитывать возможности модуляции, включая амплитудную манипуляцию (ASK), частотную манипуляцию (FSK), импульсно-кодовую модуляцию (PCM) и квадратурную модуляцию (QAM).

Автомобильная промышленность

Для тестирования электронных систем в автомобильной индустрии необходим генератор сигналов с широким диапазоном частот и высокой выходной мощностью. Учитывая суровые условия эксплуатации автомобильной электроники, крайне важна способность генератора обеспечивать высокую точность и надежность генерируемых сигналов.

Заключительные мысли от НТЦ "СПЕКТР"

Специалисты нередко воспринимают задачи диагностики оборудования и верификацию схем как сугубо измерительные процедуры, ошибочно полагая, что осциллографа или логического анализатора достаточно для решения таких задач.

Однако ключевым элементом этой системы выступает генератор тестовых сигналов — активный инструмент, формирующий управляемые воздействия. Синергия генераторов с пассивными регистрирующими устройствами создает комплексную платформу, способную одновременно генерировать реалистичные входные стимулы и фиксировать реакцию тестируемой системы.

В то время как осциллограф остается базовым инструментом мониторинга, именно генераторы обеспечивают критически важный контроль входных параметров. Без точного управления входящими сигналами анализ выходных характеристик теряет смысл — инженер видит лишь следствия, не понимая причинно-следственных связей.

Эта связка оборудования становится незаменимой при стресс-тестировании и оценке рабочих пределов устройств. Комбинируя программируемые генераторы с измерительными инструментами, разработчики могут:

• Моделировать критические условия работы (экстремальные частоты, перегрузки, помехи);
• Автоматизировать проверку соответствия отраслевым стандартам;
• Фиксировать аномалии в реальном времени с привязкой к триггерам ошибок.

От проектирования систем хранения данных до сертификации телекоммуникационного оборудования — тандем генераторов сигналов и измерительных устройств формирует замкнутый цикл проверки. Такой подход не просто выявляет неисправности, но и прогнозирует поведение устройств в реальных эксплуатационных условиях, становясь основой инженерной аналитики нового уровня.

Наши специалисты в НТЦ "СПЕКТР" понимают, что инженерам необходимо надежное оборудование для качественного выполнения задач. Именно поэтому, на протяжении многих лет, НТЦ "СПЕКТР" является надёжным партнёром для тех, кто ищет экономически эффективные решения без компромисса в отношении точности и надежности. Наша приверженность качеству и инновациям гарантирует, что ваши потребности в генераторах сигналов будут полностью удовлетворены.