一种任意波形发生器幅度校准时校准频点选取方法*

摘要：相比普通信号发生器，任意波形发生器在通道数、可扩展性、波形输出灵活性等方面极具优势，是信号发生领域一个重要方向。目前任意波形发生器已广泛应用于常规信号发生器、芯片电路测试、量子通信测试和复杂电磁环境再现等领域。本文介绍一种任意波形发生器输出幅度校准时校准频率点选取方法，该方法充分考虑到不同模拟通道状态频率相应的差异性，动态实现校准频率位置选取，提升校准数据准确度。

*本论文受到国家重大科学仪器专项计划项目（项目编号：2017YFF0106600）以及装备预研领域基金重点项目(项目编号：61400030201）的资助。

0   引言

任意波形发生器本质上是一个为复杂波形和信号输出提供输出的硬件平台^[1]。用户可以将自己编辑的任意感兴趣的波形数据或者通过信号采集分析设备得到的信号数据通过高速数据总线下载到任意波形发生器高速DDR 存储器中暂存。任意波形发生器通过一定采样速率读取波形数据并送入高性能DAC 前端，经过数模转换、信号调理、模拟放大/ 衰减电路后输出中频或者射频信号^[2]。

任意波形发生器的关键性能指标，如采样率范围、数据分辨率和模拟输出带宽，均取决于DAC 芯片的性能指标，信号输出幅度范围则主要由模拟放大电路决定。任意波形发生器多通道特征对信号同步和幅度精确控制提出了更高的要求，所以输出幅度校准方案是其关键技术之一。

作者简介：滕友伟（1987—），男，硕士，工程师，主要研究方向任意波形发生器仪器开发设计。

1   常用幅度校准

任意波形发生器输出幅度范围主要受DAC 芯片有效位数、DAC 芯片电流调节范围（本任意波形发生器选用ADI 公司AD9162 高性能数模转换芯片，输出调节范围可达13 dB）、模拟电路对信号放大或衰减能力等控制，通常情况下DAC 芯片有效位数是固定的，可以灵活调节的就是DAC 电流和模拟通道中的放大器/ 衰减器状态，本文统称为幅度输出控制参数，简称控制参数。幅度校准时，任意波形发生器控制参数变化会改变输出信号的幅度，任意波形发生器通过远程连接（通常使用高速网口）读取接收机信号输出幅度，通过对比存取有效校准数据到硬盘文件。下次仪器启动后将校准数据读取，参与幅度计算和控制^[3-5]。

校准时间主要取决于3 个方面：

1）模拟通道硬件电路通道状态，即放大器、可控衰减器状态数；

2）校准点数量，包括频率校准点和幅度校准点；

3）接收机响应速度。

在模拟通道固定的情况下，如何在选取较少校准频点的同时满足任意波形发生器控制精度的要求是本方法所要解决的问题。

在硬件电路不变的条件下，选用相对较少的校准点，达到准确控制信号输出是本文所要讨论的重点。

任意波形发生器常用幅度输出校准方案是等间隔选取校准频率点F0、F1、F2……Fm 和校准幅度点A0、A1、A2……An，Fp-Fq=(p-q)×(Fmax-Fmin)/m，Ap-Aq=(p-q)×(Amax-Amin)/n。其中p 和q 均为整数，Fmax 为最大输出频率，Fmin 为最小输出频率，Amax 为输出幅度上限，Amin 为输出幅度下限。DAC 电流的可调节范围为E0、E1……Es 共s+1 个档位，通道状态为C0、C1…...Cw，共w+1 种状态。

常用校准过程如下：

1）任意波形发生器切换通道状态为Cx （0 ≤ x ≤ t）；

2）设置输出频率为校准样点频点Fy（0 ≤ y ≤ m）；

3）设置DAC 电流为Et，读取此时接收机的测量值EAt（0 ≤ t ≤ p）；

4）若|EAt-Az| ≤误差阈值（0 ≤ z ≤ n），且该校准数据标识为0 时，记录此时的微调控制量EAt，并设置该数据有效标识为1，返回步骤3 直到遍历所有DAC电流值。

5）返回步骤1 直到遍历所有的通道状态。

图3 所示是某通道状态下，输出频率50 MHz 的校准数据，第1 列为选取的校准幅度点，第2 列为DAC电流控制参数，第3 列为误差标识，即误差范围超过阈值时为0，反之则为1。

2   改进幅度校准

常用的幅度校准方法中校准频率点的选取存在一定的随意性，没有考虑到硬件电路频率响应特性，也没有考虑到任意波形发生器不同输出通道之间的差异，且自适应能力较差。

当任意波形发生器模拟通道频率响应曲线非常平坦，或者呈现较好的线性关系时，常用的人为等间隔选取校准频率点方法也能较为真实地反应硬件实际输出情况。但由于任意波形发生器应用越来越广泛，在很多领域已经完成对通频段矢量信号发生器、函数信号发生器的替代，使模拟通道越来越复杂，这就使模拟通道输出频率响应也更加复杂，再加上制造工艺及其他不可控因素，通道真实品相往往如图4 中左图所示，存在很多“峰点”和“谷点”，且起伏不定。普通方法校准数据误差如图5 右下部分所示，其阴影面积即反应校准误差大小。

图5 等间隔校准频点误差

本文改进方法采用自动选取校准频率点，选取原则是不能遗漏频率响应曲线中的“峰点”和“谷点”，统称为校准频率关键点，本方法先对读取的模拟通道频率响应曲线进行密集抽样来抓取这些“关键点”，并围绕这些关键点插入部分中间校准频率点，使校准数据量处于一个合理方位。

具体执行步骤如下：

1) 按图1 所示连接任意波形发生器与接收机；

2) 任意波形发生器输出频率扫描信号，并通过远程连接获取接收机实测的最大保持频率响应曲线；

3) 通过密集抽样获取m1 个极值频点F0、F1……Fm1-1，如图6 所示。假设常规校准方法中等间隔选取校准频率点数为m，通常（m1<<m），新方法在极值频点数组中“插入”m-m1 个非极值频点。

图6 频响曲线密集抽样

4) 将Fmin、Fmax 即任意波形发生器输出起始、终止频点范围内插入极值频点，初步组成输出幅度校准频率点数组F， 即[Fmin，F0，F1， …，Fm1-1，Fmax] 共m1+2个校准频点，并在该组中插入m-m1-2 个中间校准样点，ΔF 为常用校准方案中人为选择校准频率点的频率间隔大小，执行步骤如下：

a．依次找出Ft-Ft-1（1 ≤ t ≤ m1+1）中的最大值，对（Ft-Ft-1）/ΔF 向下取整为N；

b．若N >1，在Ft-1~Ft 之间插入N 个校准频点，即Ft+ΔF，Ft+2ΔF…，Ft+N×ΔF；

c．若N ≤ 1，在Ft-1~Ft 之间插入1 个校准样点，即（Ft-1+Ft）/2；

d．返回步骤a，直到m-m1-2 个中间校准频点插入完毕。

5) 任意波形发生器启动校准流程，具体执行步骤参考上文所述常用校准过程。

本改进校准方法误差统计如图7 所示，不难看出，其阴影面积明显小于图5 所示的普通校准方法，本方法是选取与等间隔校准样点方法相同数量的校准样本频点，所以在时间复杂度上并没有增加，但由于没有遗漏频率响应曲线上的“关键点”，所以在校准数据准确度上相比上文的常用幅度校准方法有极大改善。

图7 频响预估校准误差

3   结束语

在校准任意波形发生器输出幅度时，应充分考虑到不同通道间输出电路的差异性和模拟通道的不平坦度。本文提出的校准方法将很好地解决上述两个问题，尤其是模拟通道幅度平坦度较差时校准数据准确度将有很大提升。

参考文献：

[1] 张学峰,胡长江.功能各异的各种任意波形发生器[J].国外电子测量技术,2000(4):17-18.

[2] 滕友伟.基于多语言混合编程的任意波形发生器软件系统设计[J].电子产品世界,2020(9):53-54.

[3] 国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家计量检定规程，JJG840-2015函数发生器检定规程[S]．

[4] 国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家计量检定规程，JJG490—2002 脉冲信号发生器检定规程[S]．

[5] 梁志国,孙王景宇.任意波发生器应用及校准述评[J].测试技术学报,2006(2):102-108.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年6月期）