任意波形ジェネレータの基本的な出力波形と関連するパラメータ

伝統的なファンクションジェネレータは、サイン波、方形波、三角波といった標準的な波形を出力することができます。しかし、実際のテストシナリオでは、製品の実際の使用状況をシミュレートするために、人工的に「不規則」な波形を作成したり、特定の歪みを波形に追加する必要があることがよくあります。伝統的なファンクションジェネレータではこの要求を満たすことができず、任意波形ジェネレータが良い選択肢となる場合があります。

 

任意波形ジェネレータは簡単にファンクションジェネレータを置き換えることができます。標準的なファンクションジェネレータのように、サイン波、方形波、三角波を出力することができます。さらに、パルス、ノイズ、DC信号、変調信号、スイープ、およびバーストも出力可能です。現在市場に出回っている多くの任意波形ジェネレータには、任意波形描画ソフトウェアが装備されています。このソフトウェアを通じて、理論的には任意波形ジェネレータをリモートで制御し、テストプロセスで必要なすべての信号を出力することができます。

 

では、任意波形ジェネレータはどのような種類の波形を出力できるのでしょうか？

任意波形にはどのようなパラメータがあるのでしょうか？

出力波形の品質をどのように測定するのでしょうか？

 

サイン波 / コサイン波

図1 サイン波 / コサイン波

 

サイン波とコサイン波は、電子工学で最も馴染みのある波形の2つです。

サイン波/コサイン波は次のように定義されます。

（式１＆２）

 

ここで、Aはサイン波の振幅を表し、は角周波数を表し、は初期位相を表しますが、一般的な計算では省略されることがあります。サイン波とコサイン波は本質的に同じですが、初期位相が90°異なります。

図2に示すように、これらの3つのパラメータは任意波形ジェネレータで設定できます。

 

 

角周波数に関連する周波数と周期を任意波形ジェネレータで設定でき、それらの間の変換関係は次のようになります。

（式3）

例えば、SIGLENT SDG2122Xファンクション/任意波形ジェネレータでは、サイン波の周波数を最大120 MHzに設定できます。通常、任意波形ジェネレータの公称最大出力周波数は、サイン波出力の最大周波数を指すことが多いです。

また、振幅Aも設定できます。出力インピーダンスを「高インピーダンス」状態に設定すると、SDG2122Xの最大出力振幅は20 Vppに達します。

初期位相は[Phase]メニューで対応するボタンをクリックすることで設定できます。初期位相の範囲は-360°から+360°の間で設定できます。

時間領域の観点から見ると、サイン波とコサイン波のパラメータと波形は比較的シンプルです。しかし、すべての電子デバイスには多かれ少なかれ歪みがあり、任意波形ジェネレータも例外ではありません。サイン波とコサイン波を周波数領域で観察してみましょう。

式1で表される時間領域関数に対応するフーリエ変換は次のようになります。

（式4）

 

式4で表されるスペクトラム図は以下の図のようになります。

図3: コサインスペクトラム/周波数領域

図3に示すコサインスペクトラム（振幅対周波数を示す）を見てみると、サイン波/コサイン波の周波数はスペクトラム上で一本の線で表されることがわかります。単一の周波数を占める信号は「単音」と呼ばれます。これは一つの周波数成分しか持たないためです。

工学的には、回路の非線形性などの非理想的な特性により、生成されたサイン波は理想的な単音信号ではなく、他の周波数を含むことがあります。これらの「不要な」周波数は一般的に歪みと呼ばれます。歪みの一般的な原因には、ハーモニクスやスプリアスがあります。

ハーモニック歪み
信号の基本周波数は周期信号の最も低い周波数成分です。ハーモニクスは信号の基本周波数の整数倍の周波数成分です。歪みは信号電力と最大ハーモニック電力の比率で測定され、通常dBで表されます。以下の図に示すように、これは次のようになります。

図4: ハーモニック歪み

 

ハーモニック歪みの性能を測定するための別の指標として、総合ハーモニック歪み（THD）があり、これは各ハーモニックの振幅の二乗平均平方根（工学的には通常6次ハーモニックまでを考慮）と信号振幅の比率を表します。これは通常%で表されます。SDG2000Xが0 dBm、10 Hz ～ 20 kHzのサイン波を出力するとき、総合ハーモニック歪みは最大0.075%です。

（式5）

非ハーモニックスプリアス
ハーモニクスに加えて、非線形性によって引き起こされる歪みには、信号（またはそのハーモニクス）とクロック信号のインターモジュレーション生成物など、他のスペクトル成分も含まれることがあります。これを測定するために、他の指標として非ハーモニックスプリアスを定義する必要があります。

スプリアスの大きさは通常、スプリアスフリーダイナミックレンジ（SFDR）で表され、これは信号電力と最大スプリアス電力の比率を指します。単位は通常dBです。なお、スプリアスの定義には、ハーモニックスプリアスと非ハーモニックスプリアスの両方が含まれることがありますが、任意波形ジェネレータでは、スプリアスはハーモニクス以外の歪みを指します。