一種任意波形發生器幅度校準時校準頻點選取方法*

摘要：相比普通信號發生器，任意波形發生器在通道數、可擴展性、波形輸出靈活性等方面極具優勢，是信號發生領域一個重要方向。目前任意波形發生器已廣泛應用于常規信號發生器、芯片電路測試、量子通信測試和復雜電磁環境再現等領域。本文介紹一種任意波形發生器輸出幅度校準時校準頻率點選取方法，該方法充分考慮到不同模擬通道狀態頻率相應的差異性，動態實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儀器專項計劃項目（項目編號：2017YFF0106600）以及裝備預研領域基金重點項目(項目編號：61400030201）的資助。

0   引言

任意波形發生器本質上是一個為復雜波形和信號輸出提供輸出的硬件平臺^[1]。用戶可以將自己編輯的任意感興趣的波形數據或者通過信號采集分析設備得到的信號數據通過高速數據總線下載到任意波形發生器高速DDR 存儲器中暫存。任意波形發生器通過一定采樣速率讀取波形數據并送入高性能DAC 前端，經過數模轉換、信號調理、模擬放大/ 衰減電路后輸出中頻或者射頻信號^[2]。

任意波形發生器的關鍵性能指標，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鍵技術之一。

作者簡介：滕友偉（1987—），男，碩士，工程師，主要研究方向任意波形發生器儀器開發設計。

1   常用幅度校準

任意波形發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，本文統稱為幅度輸出控制參數，簡稱控制參數。幅度校準時，任意波形發生器控制參數變化會改變輸出信號的幅度，任意波形發生器通過遠程連接（通常使用高速網口）讀取接收機信號輸出幅度，通過對比存取有效校準數據到硬盤文件。下次儀器啟動后將校準數據讀取，參與幅度計算和控制^[3-5]。

校準時間主要取決于3 個方面：

1）模擬通道硬件電路通道狀態，即放大器、可控衰減器狀態數；

2）校準點數量，包括頻率校準點和幅度校準點；

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的同時滿足任意波形發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，選用相對較少的校準點，達到準確控制信號輸出是本文所要討論的重點。

任意波形發生器常用幅度輸出校準方案是等間隔選取校準頻率點F0、F1、F2……Fm 和校準幅度點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 個檔位，通道狀態為C0、C1…...Cw，共w+1 種狀態。

常用校準過程如下：

1）任意波形發生器切換通道狀態為Cx （0 ≤ x ≤ t）；

2）設置輸出頻率為校準樣點頻點Fy（0 ≤ y ≤ m）；

3）設置DAC 電流為Et，讀取此時接收機的測量值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，記錄此時的微調控制量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。

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

2   改進幅度校準

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

當任意波形發生器模擬通道頻率響應曲線非常平坦，或者呈現較好的線性關系時，常用的人為等間隔選取校準頻率點方法也能較為真實地反應硬件實際輸出情況。但由于任意波形發生器應用越來越廣泛，在很多領域已經完成對通頻段矢量信號發生器、函數信號發生器的替代，使模擬通道越來越復雜，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，通道真實品相往往如圖4 中左圖所示，存在很多“峰點”和“谷點”，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 等間隔校準頻點誤差

本文改進方法采用自動選取校準頻率點，選取原則是不能遺漏頻率響應曲線中的“峰點”和“谷點”，統稱為校準頻率關鍵點，本方法先對讀取的模擬通道頻率響應曲線進行密集抽樣來抓取這些“關鍵點”，并圍繞這些關鍵點插入部分中間校準頻率點，使校準數據量處于一個合理方位。

具體執行步驟如下：

1) 按圖1 所示連接任意波形發生器與接收機；

2) 任意波形發生器輸出頻率掃描信號，并通過遠程連接獲取接收機實測的最大保持頻率響應曲線；

3) 通過密集抽樣獲取m1 個極值頻點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數為m，通常（m1<<m），新方法在極值頻點數組中“插入”m-m1 個非極值頻點。

圖6 頻響曲線密集抽樣

4) 將Fmin、Fmax 即任意波形發生器輸出起始、終止頻點范圍內插入極值頻點，初步組成輸出幅度校準頻率點數組F， 即[Fmin，F0，F1， …，Fm1-1，Fmax] 共m1+2個校準頻點，并在該組中插入m-m1-2 個中間校準樣點，ΔF 為常用校準方案中人為選擇校準頻率點的頻率間隔大小，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 個校準頻點，即Ft+ΔF，Ft+2ΔF…，Ft+N×ΔF；

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

d．返回步驟a，直到m-m1-2 個中間校準頻點插入完畢。

5) 任意波形發生器啟動校準流程，具體執行步驟參考上文所述常用校準過程。

本改進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方法相同數量的校準樣本頻點，所以在時間復雜度上并沒有增加，但由于沒有遺漏頻率響應曲線上的“關鍵點”，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

在校準任意波形發生器輸出幅度時，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問題，尤其是模擬通道幅度平坦度較差時校準數據準確度將有很大提升。

參考文獻：

[1] 張學峰,胡長江.功能各異的各種任意波形發生器[J].國外電子測量技術,2000(4):17-18.

[2] 滕友偉.基于多語言混合編程的任意波形發生器軟件系統設計[J].電子產品世界,2020(9):53-54.

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[4] 國家質量監督檢驗檢疫總局.中華人民共和國國家計量檢定規程，JJG490—2002 脈沖信號發生器檢定規程[S]．

[5] 梁志國,孫王景宇.任意波發生器應用及校準述評[J].測試技術學報,2006(2):102-108.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年6月期）