任意波形ジェネレータ(AWG)の基礎知識

多くの電子設計には、入力信号を監視または測定し、その入力信号に基づいて別のタスクや機能を実行する能力が組み込まれています。簡単な例として、特定の電圧がある値を超えると、別のアクションをトリガーする回路が挙げられます。このような場合、既知またはシミュレートされた信号を設定して提供できることは、設計の性能をテストするための重要な追加となります。信号を測定する取得機器とは異なり、信号源を使用して入力信号を作成できます。これはDC電源のように単純なものから、RFベクトルソースによって提供されるデジタル通信信号のように複雑なものまでさまざまです。今日入手可能な中で最も柔軟で有用な信号源の1つが、任意波形ジェネレータ（AWG）です。

この一連のノートでは、AWGが非常に有用である理由となるいくつかの機能を紹介し、それらがどのように動作するのかを少し詳しく説明します。

今日市場に出回っている信号源の種類は何ですか？

基本から始めましょう。ほとんどの信号源は、デジタルとアナログの2つの大きな用途カテゴリに分けることができます。

デジタル用途向けに特別に作られた信号源は、しばしばロジックソースと呼ばれます。ロジックソースは大まかにパルスジェネレータとパターンジェネレータの2つに分けられます。パルスジェネレータは、方形波やパルス列を出力できます。パルスジェネレータの出力周波数は一般的に非常に高く、デジタルデバイスのテストに使用されます。パターンジェネレータ、別名ロジックソースまたはデータジェネレータは、少しユニークです。この種の機器は一般に8または16の出力チャネルを持ちますが、より多くのチャネル数が利用可能です。各出力は、通常0-5Vなどの低電圧から高電圧まで、さまざまなタイプの同期デジタルパルス列を生成できます。パターンジェネレータは、コンピュータバス、デジタル通信ユニット、およびその他のシリアル通信リンクの励振信号としてよく使用されます。

アナログジェネレータは通常、1つまたは2つの出力を持ち、デジタルソースよりも広範囲の出力レベル、波形、および周波数を提供します。高周波用途向けのより専門的なアナログジェネレータも存在しますが、ここでは詳細には触れません。一般的な種類には、RF信号ジェネレータ、マイクロ波信号ジェネレータ、ベースバンド信号ジェネレータなどがあります。

この記事では、最も汎用性の高い信号源である任意波形ジェネレータに焦点を当てます。簡単に言うと、任意波形ジェネレータは、一連の離散的な出力サンプルポイントから作成されたデジタル波形ファイルに基づいて出力信号を作成し、そのファイルの内容をジェネレータのソース出力で「再生」する装置です。このサンプリングの原理を使用して、方形波、正弦波、ランピング出力などの基本的な波形を含む、ほぼすべてのタイプの波形を作成できます。

任意波形ジェネレータには、外部機器の同期のための出力トリガやシステムクロック信号など、より高度な機能も備わっています。以下の図1に示すようなSIGLENT SDG2000Xシリーズファンクション/任意波形ジェネレータがその一例です。

Figure 1: SIGLENT SDG2000X シリーズ　任意波形ファンクションジェネレータ

任意波形ジェネレータは何に使用されますか？

前述したように、ほとんどの任意波形ジェネレータには、正弦波、方形波、三角波などの基本的なファンクションタイプが含まれています。さらに、波形ジェネレータは、アナログおよびデジタル変調信号を生成し、線形/対数スイープ信号やパルストレインの出力をサポートすることもできます。SIGLENTのSDGシリーズの多くのジェネレータは、AM、FM、PM、FSK、ASK、DSB-AMなどのアナログおよびデジタル変調機能をサポートし、豊富な標準ライブラリに任意波形関数が含まれています。

任意波形ジェネレータの用途は何百もありますが、電子テストおよび測定の分野では、主に次の3つのタイプに分けられます：検査、検証、および限界/マージンテスト。設計の試運転段階では、エンジニアは製品が関連する設計仕様を満たしているかどうかを確認するために、製品のパラメータをテストする必要があります。このプロセスでは、波形ジェネレータを使用して、設計仕様に指定された信号を生成することができます。ここで、エンジニアは設計の応答を観察し、結果を仕様と比較し、必要に応じて設計に調整を加えることができます。さらに、新しく開発された産業用制御モジュール、データ調整モジュールなどはすべて、その線形性と単調性を徹底的にテストするために任意波形ジェネレータを使用する必要があります。多くの場合、波形ソースは、提供する信号に既知の、再現可能な歪みを量および種類で追加する必要があります。多くのジェネレータでは、信号にノイズとプログラムされた歪みを追加し、設計が特定の現実の信号問題に対処する能力を直接テストできます。

任意波形ジェネレータの主な指標は何ですか？これらの指標は何を意味しますか？

オシロスコープには、一般的な主要仕様があり、それは帯域幅、メモリ深度、サンプリングレートです。適切なオシロスコープを選択する際、これらの3つの主要指標が最初に考慮されることが多いです。

では、任意波形ジェネレータにもいわゆる3つの主要指標があるのでしょうか？答えはイエスです。任意波形ジェネレータのカテゴリには、帯域幅、サンプリングレート、およびメモリ深度の概念もあります。

帯域幅

任意波形ジェネレータの帯域幅は、しばしば正弦波の最大周波数として定義されます。残念ながら、正弦波に適用されるものが他の波形タイプにも適用されるとは限りません。たとえば、SIGLENT SDG2122Xの最大正弦波出力周波数は120 MHzですが、方形波の最大周波数は25 MHzです。この違いの理由は、方形波形が非常に速く一つの電圧値から別の電圧値に遷移するためです。高速な遷移には、滑らかに遷移する正弦波よりもはるかに多くの高周波成分が含まれる必要があります。方形波出力の立ち上がりエッジの歪みを大幅に抑えるためには、任意波形ジェネレータが方形波を出力する際、これらの高調波成分を含む帯域幅範囲を持つ必要があります。

サンプリングレート

波形ジェネレータのサンプリングレートは、通常メガサンプル毎秒（MSa/s）またはギガサンプル毎秒（GSa/s）で表されます。たとえば、SDG2000Xシリーズファンク