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Funktionsgeneratoren

Signalgeneratoren/Funktionsgeneratoren-Generierung von Spannungsverläufen

Funktionsgeneratoren / Erzeugen von Signalen mit frei definierbarem Funktionsverlauf

Das Wort „Funktionsgenerator" besagt bereits, was ein solches Gerät kann: Funktionen generieren.

Dabei werden die vom Funktionsgenerator erzeugten periodischen elektrischen Signale mit unterschiedlichen Kurvenformen als Funktionen bezeichnet. Klassische Funktions- bzw. Signalgeneratoren bieten Funktionen wie Sinus, Rechteck, Puls, Dreieck, Rampe bzw. Sägezahn. Am Ausgang des Funktionsgenerators stehen Signale mit dem gewählten Funktionsverlauf zur Verfügung.

Das Funktionsprinzip

Zum Test oder zur Funktionskontrolle von elektronischen Schaltungen können die genannten Funktionen als Stimulus verwendet werden. Dazu müssen die Funktionen sowohl in der Frequenz als auch in der Amplitude oder bei Pulsen auch die Pulsbreite und die Anstiegszeit variabel sein und bei einer Rampe oder Sägezahn müssen neben der Frequenz und Amplitude auch die Steilheiten der Rampen (Flankensteilheit) einstellbar sein.

Die klassischen, wie auch die im Folgenden beschriebenen Funktionsgeneratoren verfügen über einen Modulationseingang. Meist lässt sich das Ausgangssignal durch eine externe Signalquelle modulieren. Typische Modulationsarten sind:

  • Amplituden-Modulation (AM)
  • Frequenz-Modulation (FM)
  • Pulsbreiten-Modulation (PWM)
  • Amplituden-Shift-Keying (ASK)
  • Frequenz-Shift-Keying (FSK)
  • Phase-Shift-Keying (PSK)
  • Binary-Phase-Shift-Keying (BPSK)
  • Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM)

Es sind nicht zwingend alle Modulationsarten in allen Funktionsgeneratoren realisiert.

Arten von Funktionsgeneratoren

10 MHz DDS-Funktionsgenerator mit Counter, Sweep & AM, FM-Modulation 

Klassische Funktions- / Signalgeneratoren

Als klassischer Funktionsgenerator werden Signalgeneratoren bezeichnet, die die bereits oben beschriebenen einfachen, periodischen Signale (Sinus, Rechteck etc.) erzeugen. Neben den klassischen Funktionsgeneratoren gibt es zwischenzeitlich neue Generationen mit zusätzlichen Möglichkeiten der Generierung von Spannungsverläufen.

20 MHz Arbiträr-Funktionsgenerator mit Trueform-Technologie

Arbiträrgeneratoren

Arbiträrgeneratoren oder auch Arbiträr-Funktions-Generatoren (engl: Arbitrary Waveform Generator oder AWG) genannt, sind Funktionsgeneratoren die, neben den bereits oben erwähnten klassischen Signalen, um die Möglichkeit benutzerdefinierte Verläufe eingeben zu können, erweitert wurden. Realisiert wird die individuelle Funktionserzeugung, indem mehr oder weniger viele Signalpunkte in einem Speicher abgelegt und dann nacheinander in Spannungen umgewandelt werden, die in einer bestimmten Abfolge am Ausgang zur Verfügung stehen.  

Auch bei den Arbiträrgeneratoren sind die Amplitude und die Frequenz veränderbar. Je nach dem wie schnell die Amplitudenwerte aus dem Speicher gelesen werden, verändert sich die Frequenz mit der die Funktion wiederholt wird.

1,2 GHz HF-Synthesizer mit hoher spektraler Reinheit und exzellenter SWEEP-Funktion  

HF-Signalgeneratoren

HF-Signalgeneratoren werden in der Hochfrequenz genutzt. Je nach Modell reicht der Frequenzbereich von einigen kHz bis zu 67 GHz. Für ein angebotenes Gerät in Verbindung mit mm-Wellen-Modulen wird sogar eine Frequenz bis zu 325 GHz erreicht. Der Ausgangspegel liegt bei +14 dBm (Ausgangsleistung an 50 Ω, bezogen auf 1 mW). In den meisten Geräten sind die Basismodulationsarten, wie Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation integriert.

500 MHz Puls-, Funktions-, Arbiträr-Signal- und Rauschgenerator

Datengeneratoren: Pulse-, Pattern-, PRBS- und Bitmuster

In der Telekommunikation, in der zwischenzeitlich die Digitaltechnik dominiert, kommen Pulse-Pattern-, Pseudorandom Binary Sequence- (PRBS) und Bitmuster-Generatoren zum Einsatz, die teilweise speziell für die Telekommunikation entwickelt wurden. Mit ihnen lassen sich die standardisierten Übertragungsprotokolle nachbilden und entsprechende Datenpakete einbinden. Mit derartigen Pulsfolgen lassen sich einzelne Module und Elemente einer Übertragungsstrecke testen. Ihr Frequenzbereich geht bis über 20 GHz bzw. bis über 16 Gb/s (Giga-Bit pro Sekunde). 

Bitmustergeneratoren werden in der Regel eingesetzt um serielle Busstrukturen zu testen. Entsprechend dem Übertragungsprotokoll können entsprechende Parameter gewählt und Datensätze eingebunden werden.  

Ein Beispiel:
Das Elektrokardiogramm (EKG) eines Menschen hat einen bestimmten Funktionsverlauf, der nicht mit den klassischen Funktionen eines Funktionsgenerators nachgebildet werden kann. Wird ein derartiger EKG-Verlauf (Real World Signal) aufgenommen und digitalisiert, können die Daten im Arbiträrgenerator gespeichert und immer wieder abgerufen werden.

Elektrokardiogramm-EKG-mit-Arbitrary-Funktionsgenerator 

Um Anomalien zu erzeugen lässt sich nun die EKG-Signalform leicht modifizieren indem einige Daten innerhalb des Datensatzes geändert werden. Eine Schaltung, die diese Anomalien automatisch erkennen soll, kann nun mit dem im Arbiträrgenerator gespeicherten Verlauf des Real World Signal getestet werden. Übrigens gibt es auch Arbiträrgeneratoren, die speziell für die Medizin-Elektronik ausgestattet sind und in denen bereits einige standardisierte Kurvenformen für die Humanmedizin integriert sind.

Bauformen von Funktionsgeneratoren und deren Einsatzgebiete

Funktionsgeneratoren gibt es in den unterschiedlichsten Bauformen:

Stand Alone

Vorherrschend sind die „Stand Alone-Geräte", autonome Geräte, die hauptsächlich im Bereich der klassischen Generatoren anzusiedeln sind.

Modular

Modulare Bauformen, findet man meist für die Geräte, die für die Telekommunikation und für den Test von digitalen Übertragungsprotokollen entwickelt wurden. Je nach den notwendigen Messerfordernissen lassen sich unterschiedliche Module in ein Gehäuse einbauen.

Mobil und flexibel

USB-Geräte sind meist eine sehr kompakte Bauform für klassische Funktionsgeneratoren, die über eine USB-Schnittstelle mit einem PC verbunden sind und darüber die Parametereinstellung erfolgt. Eine weitere Variante dieser Bauform sind die USB-PC-Oszilloskope mit integriertem Arbiträr-Funktions-Generator.

Optionale Erweiterungen

Für manche Oszilloskope ist eine optionale Erweiterung um einen Arbiträrgenerator erhältlich. Wird diese Option bei einem Oszilloskop mit bestellt, ist werksseitig ein Arbiträrgenerator in das Oszilloskop integriert.

Wertebereiche

Klassische Funktionsgeneratoren gibt es im Frequenzbereich von 1 µHz bis in den Bereich um 500 MHz mit Ausgangsspannungen von ±20 V. Bei den modularen Bauformen wird, aufgrund ihres Einsatzes in der Telekommunikation, nicht mehr von Frequenz gesprochen sondern von der Übertragungsrate, die in b/s (Bit pro Sekunde) angegeben wird. Der Wertebereich kann bis knapp 17 Gb/s reichen.

USB-Geräte sind vor allem im mobilen Service-Umfeld von Interesse, da sie klein und handlich sind. Ihr Frequenzbereich reicht von 1 µHz bis 20 MHz. Allerdings kann es, je nach geforderter Funktion,  Einschränkungen im Frequenzbereich geben, da aufgrund der beteiligten Oberwellen-Anteile, z. B. bei einer Dreiecksfunktion, eine höhere Bandbreite der Ausgangsstufe wie bei einem reinen Sinus notwendig ist. Ausgangsspannungen sind im Bereich bis  5 Vpp (5 Volt Spitze-Spitze).

Kanalzahl

Bei allen Signal- / Funktionsgeneratoren sind Geräte mit zwei oder mehr Kanälen erhältlich. Pro Kanal können unterschiedliche Amplituden und Signalformen gewählt werden. Hierdurch lassen sich Module mit den unterschiedlichsten Parametern wie z. B. Signalform, Amplitude, Frequenz und Offset testen. Selbst der zeitliche Bezug der Kanäle zu einem anderen Kanal kann separat gesteuert werden. So lassen sich Phasenverschiebungen von zwei oder mehreren Kanälen zu einem Referenzkanal erzeugen. Interessant wird es, wenn differenzielle Signale simuliert werden müssen z. B. im Automobilbereich bei den seriellen Bussen wie CAN-fd. Es können Pulssequenzen abgespeichert werden, die gegenüber dem Kanal 1 mit einer Phasenverschiebung von 180 ° auf einem anderen Kanal ausgegeben werden können.

Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist die I/Q-Modulation in der Telekommunikation, bei der zwei gleichartige Signale um jeweils 90° zueinander verschoben sind. Im Idealfall sind diese beiden Signale gleich groß, haben die gleiche Frequenz und zueinander den fixen Phasenbezug. Muss nun eine Schaltung überprüft werden, kann ein Signal entweder im Phasenbezug und/oder in der Amplitude eine Variation erfahren. Die Überlagerung beider Signalvektoren ergibt eine Abweichung vom idealen Ergebnisvektor. Die Telekommunikations-Schaltung kann nun dahingehend überprüft werden, wie tolerant sie bezüglich dieser Signalvariationen ist bzw. ob eine richtige und vollständige Übertragung der Nachricht erfolgt.

Auswahlkriterien für einen Funktionsgenerator

Damit stehen schon einige Auswahlkriterien für einen Funktionsgenerator fest:

  • Einsatzgebiet / Anwendung
  • Welche Signalform soll erzeugt werden
  • Welche Modulationsart ist erforderlich
  • In welchem Frequenzbereich sollen Signale erzeugt werden
  • Wie viele Kanäle werden benötigt

Unsere Spezialisten stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite, um den für Sie richtigen Signal-/Funktionsgenerator zu finden.

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