Generatori di segnali e funzioni arbitrarie

Generatori di segnali e funzioni arbitrarie
L’avvento della tecnologia di campionamento digitale e delle tecniche di elaborazione dei segnali
digitali ha portato allo sviluppo di una nuova classe di sorgenti di segnali per le generazione di
segnali come quelli che si utilizzano nelle applicazioni reali: i generatori di funzioni arbitrarie.
Questo articolo descrive la tecnologia utilizzata in questo tipo di strumenti e spiega il suo uso in
diverse applicazioni.
Introduzione
Durante la progettazione e la produzione di dispositivi elettronici, si devono provare circuiti o
sottosistemi complessi e spesso sono necessari segnali addizionali come quelli che dovrebbero
essere forniti da un componente o da un sensore mancanti o difficilmente reperibili. Questi segnali
possono essere semplici, come segnali ad audio frequenza o segnali di clock, oppure più
complessi come un flusso di dati seriali o il segnale proveniente dal sensore di un airbag durante
una prova d’urto. Sorgenti di segnali in grado di generare e simulare questi segnali sono già
disponibili da diversi anni, ma solo recentemente il loro sviluppo ha subito una rapida
accelerazione.
Storicamente, il compito di produrre forme d’onda differenti è stato svolto da varie sorgenti di
segnale dedicate, dai generatori di onde sinusoidali audio prive di distorsioni, ai generatori di
segnali RF a frequenze di svariati gigahertz. Ora, tuttavia, l’avvento della tecnologia di
campionamento digitale e le tecniche di elaborazione dei segnali digitali hanno portato ad una
soluzione che risponde a quasi tutte le necessità di generazione di segnali con un solo strumento,
il generatore di funzioni arbitrarie.
Tipi di sorgenti di segnali
Il termine ‘sorgente di segnali’ comprende generatori di funzioni, generatori di impulsi, sorgenti RF,
generatori di forme d’onda arbitrarie e altri ancora. Tipicamente, una sorgente di segnali fornisce
un segnale controllato di caratteristiche note. Il segnale attiva gli elementi di un circuito e la
risposta a questo segnale di ‘stimolo’ consente di verificare le prestazioni del circuito.
Le moderne sorgenti di segnali devono essere in grado di produrre una varietà di forme d’onda,
sia analogiche che digitali, e questi strumenti, generalmente conosciuti come generatori di
funzioni, sono diventati fondamentali per effettuare test sia in laboratorio sia in produzione.
Generalmente, questi strumenti sono in grado di scegliere tra diverse funzioni (forme d’onda
basate su algoritmi matematici) comprese onde sinusoidali, quadre, impulsive, triangolari e altre
ancora.
Uno strumento ancora più versatile è il generatore di forme d’onda arbitrarie, conosciuto come
‘arb’ oppure AWG (Arbitrary Waveform Generator). Questo strumento dalle caratteristiche
complete può produrre qualsiasi forma d’onda immaginabile, o perfino replicare un segnale
acquisito da un oscilloscopio. Il campionamento digitale è l’architettura che sta alla base dell’AWG.
Una terza architettura di sorgente di segnali fa da ponte tra il generatore di funzioni e l’AWG. Si
tratta del generatore di funzioni arbitrarie o AFG (Arbitrary Function Generator) il cui nome denota
un generatore di funzioni con capacità di generazione di forme d’onda arbitrarie. Generalmente,
questi strumenti sono meno costosi e hanno prestazioni inferiori ad un AWG, ma sono
estremamente versatili e utilizzabili in una vasta gamma di applicazioni.
Un moderno generatore di funzioni arbitrarie utilizza sia la tecnologia di campionamento digitale
sia la sintesi digitale diretta (DDS) per produrre una varietà pressoché infinita di forme d’onda,
transitori e distorsioni intenzionali. La DDS è una metodologia prettamente digitale sviluppata per
produrre forme d’onda analogiche. E’ una tecnologia ‘agile’, in grado di commutare rapidamente
da una frequenza di uscita ad un’altra e di offrire un’eccellente risoluzione in frequenza ad un
costo inferiore a quello dei convenzionali generatori di forme d’onda arbitrarie.
Un dispositivo DDS ha un’architettura semplice costituita da un accumulatore di fase, una ‘lookup
table’ (tabella di comparazione residente in una memoria), un convertitore digitale/analogico
(DAC), oltre ad alcune funzioni accessorie. La Fig.1 riporta un diagramma a blocchi semplificato di
una tipica implementazione DDS.
Fig.1. Diagramma a blocchi semplificato di un generatore di segnali basato su tecnologia DDS
Il segnale di uscita DDS è costituito dal clock di sistema in ingresso (a frequenza fissa), dal valore
binario memorizzato nel registro di frequenza esterno e dai contenuti della memoria di forma
d’onda. Il registro di frequenza fornisce un numero binario noto come ‘tuning word’ (parola di
sintonizzazione) che arriva all’accumulatore di fase passando da un buffer locale chiamato registro
di fase. Per generare un segnale, il registro di frequenza aggiunge durante ciascun ciclo di clock
un incremento costante di fase all’accumulatore di fase che immagazzina la successione dei valori
in ingresso, con il valore più recente che opera come un puntatore alla lookup table.
La natura della lookup table è fondamentale per le capacità complessive dello strumento. Un
semplice generatore di funzioni avrà una scelta fissa di tipi di forme d’onda. Al contrario, un
generatore di funzioni arbitrarie è dotato di uno spazio di memoria addizionale, programmabile
dall’operatore, dove si possono memorizzare e riprodurre forme d’onda realizzate su misura.
Dopo che il corretto campione è stato letto sulla lookup table, il DAC converte il valore binario in
una tensione analogica.
Sebbene sia l’AWG con reali capacità arbitrarie sia l’AFG basato sulla DDS utilizzino una memoria
di campionamento, essi differiscono enormemente nel modo in cui stabiliscono la loro frequenza di
uscita. L’AWG legge sempre la memoria in modo lineare e semplicemente accelera il clock per
produrre frequenze di uscita più elevate. Al contrario, l’AFG mantiene fissa la frequenza di clock
del sistema. I 360° del ciclo di una forma d’onda sono distribuiti sull’intera capacità della memoria
della forma d’onda (fino a 131.072 posizioni in alcuni strumenti). Se gli incrementi di fase sono
ampi, l’AFG esamina rapidamente tutti i 360°, leggendo ciascun campione, e genera un segnale
ad alta frequenza. Se gli incrementi sono ridotti, l’accumulatore di fase richiederà più passi e
addirittura ripeterà singoli campioni per completare i 360°, producendo una forma d’onda in uscita
di frequenza più bassa.
L’architettura DDS offre un certo numero di vantaggi fondamentali. Essa combina la precisa
frequenza controllata digitalmente e la capacità di sintonia di fase con un’eccellente ‘agilità’ di
frequenza e coerenza di fase. La risoluzione di sintonizzazione costante assicura caratteristiche
del segnale di uscita prevedibili entro una vasta gamma di frequenze. Grazie a questi vantaggi, gli
strumenti per la generazione di segnali basati sulla DDS sono sempre più utilizzati in una miriade
di applicazioni di misura.
Applicazioni
Uno dei vantaggi del generatore di forme d’onda arbitrarie è che, oltre a consentire la creazione di
forme d’onda utilizzando il software appropriato, può sostituire una sorgente ‘reale’ non disponibile
durante un test. Talvolta, il segnale reale è acquisito utilizzando un oscilloscopio e scaricato nella
memoria del generatore, da dove può essere replicato. Il generatore di forme d’onda arbitrarie
consente anche di aggiungere ad un segnale ideale quelle anomalie e impurità che il dispositivo in
prova incontrerà nelle situazioni reali di impiego. I generatori di forme d’onda arbitrarie sono anche
ideali per generare lunghe sequenze di segnali complessi o segnali ad alta frequenza, come quelli
necessari ai test degli impulsi radar compressi ed emessi a frequenza rapidamente variabile.
Le tipiche applicazioni qui riportate sono esempi dei settori automotive, dei bus seriali e dei
semiconduttori:
Segnali del sensore di detonazione in un motore per autotrazione: un sensore di detonazione per il
settore automotive è un piccolo dispositivo piezoelettrico che, accoppiato con il sistema di
controllo del motore può identificare quando avviene una detonazione e ritardare
conseguentemente il tempo di accensione. Poter generare un segnale del sensore di detonazione
con ampiezze e timing diversi permette di accelerare notevolmente il test del sistema di controllo
del motore, in quanto elimina la necessità di attendere la detonazione del motore per effettuare un
test accurato del sistema. Senza l’uso di una sorgente in grado di produrre questo segnale,
sarebbe molto più arduo valutare la validità del dispositivo in fase di progettazione.
Per catturare un segnale non distorto senza attendere che avvenga la detonazione nel motore, è
possibile rimuovere dal motore un sensore di qualità certa e batterlo in modo da simulare la
detonazione. La forma d’onda risultante viene catturata con un oscilloscopio e modificata
utilizzando un software appropriato. Per il test del dispositivo finale in condizioni normali o estreme
di lavoro, si possono facilmente aggiungere rumore o altre anomalie alla forma d’onda prima di
trasferirla all’AFG. Il dispositivo di controllo del motore può quindi venire provato con differenti
ampiezze dell’impulso del sensore. Inoltre è possibile attivare una sorgente di rumore variabile,
inserita nel percorso di uscita del generatore, per misurare la quantità di rumore che il sistema è in
grado di tollerare. Per simulare questi effetti su un motore a più cilindri, si possono utilizzare
diversi AFG collegati tra loro in configurazione master/slave.
Bus dati seriali: sviluppati in origine per applicazioni automotive, i bus dati seriali, come CAN e I2C
sono adottati sempre più spesso nelle applicazioni elettroniche tradizionali. Sebbene i segnali su
questi bus si possano catturare facilmente con un oscilloscopio e replicare utilizzando un
generatore di funzioni arbitrarie, per i bus dati seriali può essere più utile creare i segnali di clock e
dati direttamente come segnali logici. Con questo approccio, si possono aggiungere rumore e altre
anomalie per verificare il funzionamento del dispositivo in prova, così come descritto nell’esempio
precedente.
Queste forme d’onda si possono creare iniziando con una forma d’onda c.c. standard e quindi
usare il software di un AWG per creare le forme d’onda logiche e convertirle in forma analogica.
Una volta creata la forma d’onda del clock, è molto facile creare le forme d’onda dei dati (Fig.2).
Se necessario, si possono aggiungere rumore ed altre anomalie prima di inviare i segnali finali
direttamente all’AFG o salvarli su un dispositivo di memoria USB.
Fig.2. Clock e dati di un I2C riportati come forme d’onda analogiche sovrapposte
Per generare l’uscita finale, la forma d’onda del clock è caricata su un canale dell’AFG e la forma
d’onda dei dati sull’altro canale. L’ampiezza e la frequenza dei canali indipendenti si possono
agganciare tra loro in modo che, regolando i parametri di un canale, l’altro ne segua le variazioni
automaticamente.
Caratterizzazione di semiconduttori: le misure di caratterizzazione sono necessarie per quasi tutti i
nuovi progetti di semiconduttori, da un semplice amplificatore operazionale analogico, ad un
commutatore digitale veloce per telecomunicazioni o ad una CPU. Un sistema completo di misura
è in grado di analizzare tutti i parametri digitali e analogici. Questi possono comprendere la
tensione di soglia alla massima frequenza (Fmax), la sensibilità, il guadagno, lo slew rate (Fig.3) e il
tempo di assestamento per quanto riguarda le misure analogiche; il tempo di setup/hold, la
tolleranza sulle aberrazioni, il jitter e le variazioni di timing o fase (skew) per quanto riguarda il
dominio digitale. Inoltre, sono necessari test di stress che sottopongono il dispositivo ad
aberrazioni dei segnali, conflitti di timing, errori di ampiezza, variazioni termiche e altre condizioni
anomale di funzionamento per poter rilevare problemi potenziali.
Fig.3. Caratterizzazione delle prestazioni di slew-rate di un amplificatore operazionale con un AFG che
produce tempi di salita e di discesa di 2.5 ns
L’AFG è uno strumento fondamentale per la caratterizzazione degli attuali semiconduttori poiché
può pilotare il dispositivo in prova con segnali che aiutano a definire i limiti delle prestazioni.
Caratteristiche come la regolazione indipendente dei tempi di salita e di discesa offrono ai tecnici
gli strumenti per rivelare difetti di progettazione nelle prime fasi del processo, quando le revisioni
sono meno costose. Precisione di ampiezza e di frequenza assicurano risultati ripetibili, mentre
un’interfaccia utente ricca di informazioni consente di interpretare facilmente i risultati.
Conclusione
Gli esempi applicativi riportati in questo articolo illustrano solo alcune delle capacità degli attuali
generatori di funzioni arbitrarie con tecnologia DDS. La maggior parte delle applicazioni
elettroniche richiede la capacità di replicare e generare segnali come si presentano nel reale
utilizzo e l’ultima generazione di AFG rende facile replicare questi segnali reali. Di conseguenza,
questi generatori riducono il tempo richiesto da numerosi test operazionali e di stress durante le
qualificazioni di progetti relativi a dispositivi e sistemi.