AWG Agilent 33220A の構成とその信号発生原理

第 3 章 AWG 由来の 3 次高調波測定

3.2 AWG による ADC テスト信号の生成

3.2.1 AWG Agilent 33220A の構成とその信号発生原理

今回、ADCテスト用の信号発生器のAWGとしてAgilent33220Aを用いた。この信号発生器の構成を下図3.1に示す。AWGにはDDS(Direct Digital Synthesis：直接デジタル合成)と呼ばれる信号発生技術が用いられている。下図3.1に示すようにAWGは主に位相アキュムレータ回路と任意アナログ波形生成回路により構成される。更に、33220Aは50MHz でサンプリング周波数が固定である点に注意をしておく。

図3.1 AWG Agilent33220Aの構成

下図3.2により詳細なアナログ波形を生成する任意アナログ波形生成回路ブロックを示す。

任意アナログ生成回路は波形メモリを内蔵し、そのメモリ内に生成したいアナログ信号を書きこむ。その書き込んだ信号を後段のDACによりアナログ変換を行う。更に、次段のアンチエイリアスフィルタとして設定されているアナログフィルタを通過し AWG の出力信号として出力される。

波形メモリに関して、16,384(14K)ポイント分のメモリ容量があり、16,384ポイントの離散的な電圧レベルによって振幅値を表す。この振幅値の分解能はDACの分解能で決定され、

本AWGでは14ビットDACが内蔵されている。

Agilent 33220A

DAC

CLK

Waveform Memory

Low Pass Filter 14-bits

Programable

50MHz

Accumulator

Phase Resister Phase

Increment Resister

CLK

任意アナログ波形生成回路位相アキュムレータ回路

図3.2 任意アナログ波形生成回路

ここで、下図3.3に示す正弦波1周期分の波形が波形メモリに書き込まれている場合について考える。この波形データの1サイクルがちょうど波形16,384ポイント分のメモリを埋めるようにサンプルに分けられる。つまり、ちょうど16,384ポイントに含まれない波形を生成すると、同じサンプルポイントを繰り返す、あるいは必要に応じて既存のポイントを補間することにより、波形は自動的に「拡張」される。このように、波形メモリ全体が 1 つの波形サイクルで埋まるので、メモリ内の各アドレスはそれぞれ位相角の2π/16,384ラジアンに相当する。

図3.3波形メモリ内の正弦波

また、アンチエイリアスフィルタはローパス特性になっておりサンプリングに起因するスプリアス信号の除去のために使用される(下図3.4)。また、サンプリング定理より、AWG によりサンプリングされる周波数をfsとするとAWGが表現できる最高周波数はfs/2までとなり、これによりAWGの周波数帯域が決まる。

For anti-aliasing

DAC

CLK Waveform

memory

Internal Wave Input

Arbitrary Wave

9-th order Cut off freq. 23.5MHz

7-th order Cut off freq. 12.5MHz 14-bits

Output Analog

Linear phase filter Elliptical filter Programable

任意アナログ波形生成回路

Address

50MHz

メモリ・アドレス

（位相）

+8191

-8191

D A C コード

0

4096

（π/2）

8192

（π）

12288

（3π/2）

16363

（2π）

図3.4 AWGのサンプリングに起因する不要信号とローパスフィルタによる低減

このアナログフィルタに関しては9次楕円フィルタで23.5MHzのカットオフ周波数を持つフィルタと7次の線形位相フィルタで12.5MHzにカットオフ周波数を2種類のフィルタが内蔵されている。楕円フィルタに関しては単一正弦波以外の波形に関しては激しいリンギングを示すため内部に内蔵されている正弦波信号のみに使用される。一方、AWGユーザーが波形メモリに波形を書き込んだ場合は自動的に 7 次線形位相フィルタが選択される。

今回、従来信号、位相差切り替え信号をこの波形メモリに書き込んだため図3.2に示したように 7 次線形位相フィルタが使用される。この線形位相フィルタの特徴はフィルタの周波数特定において位相の遅延量を一定に保つことから、時間領域で波形を見た時にその波形の形状を保つことが可能になるという特徴がある。単一の正弦波の場合は、このようなフィルタを使用する必要性は特にないが、様々な周波数を含む波形を構成した場合、このようなフィルタを用いない場合、フィルタの入力前後で周波数毎に遅延量が異なるため波形が崩れてしまう恐れがある。そのため、任意波形発生器は様々な波形に対応できるように、

このような線形位相のフィルタが用いられることが多い。それぞれのフィルタに関して仕様書に与えられた情報を基にMATLABにて設計し特性の見積もりを行った。おおよそのフィルタの周波数特性を下図3.5に示す。今回は線形位相フィルタの方が選択されるため、信号が低減されずに出力可能な周波数帯域は10MHz程度までである。

サンプリングに起因する不要信号

周波数

・・・

AWGサンプリング周波数：fs AWG内部

ローパスフィルタ

DC AWG 周波数帯域

図3.5 AWG, Agilent33220A内部のアンチエイリアスフィルタ特性の推定

位相アキュムレータ回路を下図3.6に示す。DDSは図3.6に示す位相アキュムレータ回路による位相蓄積技術を用いて後段の波形メモリのアドレッシングを制御している。各クロック・サイクルで位相インクリメントレジスタ(Phase Increment Resister : PIR)にロードされた定数(増分)が位相アキュムレータ内の現在の結果に加算される。波形メモリのアドレッシングには位相アキュムレータ出力の最上位ビットが使用される。PIR 定数を調整することで波形メモリ全体をステップ・スルーするために必要なクロック・サイクルの数が変化することで波形周波数を調整することが可能になる。例えば、低周波の信号を生成したい場合はPIR の増分を小さく設定する。そうすると回路全体の位相の進みが遅くなることで低周波の信号が DACへ送信されることになる。逆に PIR の増分を大きく設定することで波形データを飛び飛びに読ませることで高い周波数の信号を生成することが可能になる。

-250 -200 -150 -100 -50 0

Magnitude (dB)

10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹

-900 -720 -540 -360 -180 0

Phase (deg)

Bode Diagram

Frequency (Hz)

Linear phase filter_7

^th

-order 12.5MHz cut off Freq.

Elliptical filter_9