Każdy elektronik prędzej czy później spotka się w swojej pracy z generatorem funkcji. Czasem przez wiele lat nie będzie takiej konieczności, jednak w końcu ten moment nadejdzie. W niniejszym artykule postaramy się przedstawić zasadę działania generatorów, opiszemy zastosowanie i cechy charakterystyczne oraz zaproponujemy polecane modele.

Generator – co to jest?

Wiele dziedzin nauki i techniki wymaga wytwarzania sygnałów elektrycznych o ściśle określonych własnościach. Najprostszym urządzeniem do generowania takiego sygnału to zasilacz. (O zasilaczach pisaliśmy już w serii innych artykułów: Cz. I - Wprowadzenie / Cz. II - Normy i bezpieczeństwo / Cz. III - Propozycje modeli. Jednak często zdarza się tak, że laboratoria i/lub warsztaty wymagają zupełnie innych właściwości takiego sygnału. Do tego celu wykorzystuje się generatory elektrycznych sygnałów pomiarowych.

Generator wykorzystuje układ sprzężenia zwrotnego, gdzie na jego wejście doprowadzana jest część sygnału jego wyjścia. Dzięki temu następuje poprawa parametrów pracy wzmacniacza, ale też pojawia się możliwość pracy niestabilnej. Podtrzymując tę niestabilność uzyskuje się sygnał o częstotliwości równej częstotliwości drgań wzmacniacza. Warunek generacji drgań jest opisany wzorem, który jest niezwykle prosty:

^[1]
 

Gdzie:

• K_U – to wzmocnienie napięciowe wzmacniacza
  ^[2]
• U_WY – napięcie wyjściowe wzmacniacza
• U_WE – napięcie wejściowe wzmacniacza
• Β – to współczynnik sprzężenia zwrotnego

Poniżej znajduje się schemat układu wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym:

Generatory sygnałowe można podzielić, jak wszystko, na wiele sposobów. Jednak podstawowe parametry definiujące użyteczność generatora są zawsze takie same. Są to mianowicie:

• Wartość napięcia międzyszczytowego (Vpp)
• Częstotliwość sygnału okresowego (f)

Maksymalna wartość napięcia międzyszczytowego zawiera się zazwyczaj w zakresie od kilku do kilkudziesięciu woltów, rzadko osiągając wartości setek woltów. Natomiast maksymalna częstotliwość sygnału zawiera się zazwyczaj w zakresach od herców (Hz) (choć najczęściej od kiloherców (kHz) do gigaherców (GHz).

Generatory funkcyjne można podzielić na kilka sposobów, jednak najpowszechniejszym z nich jest podział w zależności od zakresu częstotliwości wytwarzanych przebiegów. Podział wygląda następująco:

• Generatory małej częstotliwości
  - Generatory audio – wytwarzające sygnał sinusoidalny o częstotliwościach akustycznych
  - Generatory funkcyjne – wytwarzające sygnał o wybranym przez użytkownika kształcie
    - Generatory analogowe
    - Generatory z bezpośrednią syntezą cyfrową (ang. DDS)
• Generatory wysokiej częstotliwości (generatory sygnałowe)

W niniejszym artykule skupimy się głównie na generatorach funkcyjnych.

 

Generatory audio

Generatory audio, jak sama nazwa wskazuje, są przeznaczone do prac projektowych i badawczych sprzętu audio. Generatory te wytwarzają tylko sygnał sinusoidalny o częstotliwości audio (20Hz ~ 20kHz), choć nowsze konstrukcje generują również sinusoidy o częstotliwościach daleko wykraczających poza zakres częstotliwości słyszalnych.
Generatory audio oparte są o oscylatory RLC.

Rozróżnia się trzy konstrukcje:

• Generatory LC – oparte o częstotliwość rezonansową układu cewki i kondensatora
• Generatory RC – oparte o częstotliwość rezonansową układu rezystora i kondensatora
• Generatory dudnieniowe – otrzymywany jest przez zmieszanie dwóch sygnałów o różnych częstotliwościach

Powyższe konstrukcje generują sygnały o jednej, ustalonej częstotliwości. Aby wprowadzić możliwość zmiany częstotliwości sinusoidy używa się nieco bardziej skomplikowanych układów, jak na przykład przedstawionych na rysunku poniżej:

Najczęściej stosowany jest układ oznaczony literą A – mostek Wiena. Częstotliwość sygnału wyjściowego można regulować za pomocą jednoczesnej zmiany pojemności C1 i C2 lub jednoczesnej zmiany rezystancji R1 i R2.

Obwód B przedstawia przesuwnik fazowy. Wzmacniacz przesuwa fazę o 180°. Również o 180° fazę przesuwa obwód sprzężenia zwrotnego. Liczba par RC decyduje o przesunięciu fazowym każdej pary. Jeśli są trzy pary to 180°/3 = 60°, jeśli są 4 pary RC, to: 180°/4 = 45° itd. Regulację częstotliwości uzyskuje się poprzez równoczesne zmiany wszystkich elementów tego układu. Obwód C przedstawia obwód typu T. Przebiegi tego generatora charakteryzują się małymi zniekształceniami oraz sporą stabilnością częstotliwości.

Generatory analogowe

Analogowy sposób kształtowania sygnału jest bardzo często wykorzystywany w tańszych generatorach. Cechują się przeciętną stabilnością częstotliwości i amplitudy generowanego sygnału.
Poniżej przedstawiono schemat blokowy najprostszego generatora analogowego.

Podstawowym elementem jest oscylator sterowany napięciem, który generuje sygnał prostokątny. Częstotliwość przebiegu zależy od wartości napięcia doprowadzonego bezpośrednio na wejście tego modułu. Stąd podawany jest sygnał prostokątny bezpośrednio na wyjście urządzenia.

Aby uzyskać sygnał trójkątny wystarczy użyć układu integratora i wykonać całkowanie na sygnale prostokątnym. Częstotliwość oraz wartość szczytowa będą takie same jak w sygnale prostokątnym. W celu otrzymania sygnału sinusoidalnego, sygnał trójkątny jest poddany dalszej „obróbce” w układzie kształtującym przebieg sinusoidalny.

Jak można łatwo zaobserwować, uzyskanie sygnału sinusoidalnego wymaga najwięcej układów przetwarzających sygnał, stąd też zniekształcenia takiego sygnału są stosunkowo duże.

Generatory DDS

Punktem zwrotnym w konstrukcjach generatorów było pojawienie się specjalizowanych układów scalonych. Zwiększenie szybkości działania układów cyfrowych, ich dokładność, oraz co istotne obniżenie kosztów produkcji wpłynęło pozytywnie na rozwój tych generatorów.
Bezpośrednia synteza cyfrowa jest całkowicie cyfrowa metodą generowania sygnału.
Poniżej przedstawiono najprostszy układ generatora DDS

Funkcje każdego bloku są w generatorze DDS są następujące:

• Licznik adresowy – wybieranie odpowiedniej wartości z pamięci
• Pamięć próbek – umieszczone są tam poszczególne wartości sygnałów
• Przetwornik cyfrowo-analogowy, który zmienia sygnał zapisany w postaci cyfrowej na sygnał w postaci analogowej.

Dzięki temu możliwe staje się uzyskanie dowolnego przebiegu, nie tylko sinusoidy, prostokąta i trójkąta. Generatory, które mogą wygenerować dowolny stworzony przez użytkownika przebieg nazywa się GENERATORAMI ARBITRALNYMI.

Kształt przebiegu jest ustalany poprzez wgrywanie odpowiednich wartości do komórek pamięci. W układzie pamięci może być zapisanych kilka różnych przebiegów, a wybór kształtu sprowadza się do wyboru odpowiedniej komórki pamięci.

Na wyjściu układu DDS uzyskuje się przebieg schodkowy, co zostało przedstawione na rysunku poniżej.

Im liczba schodków większa, tym przebieg jest lepiej odtworzony. Liczba schodków zależy od liczby bitów przetwornika. Im więcej-bitowy jest przetwornik, tym więcej jest w stanie wygenerować stanów pośrednich. Ponadto na wyjściu stosowany jest filtr dolnoprzepustowy dodatkowo wygładzający przebieg.

Bity informują użytkownika o liczbie możliwych stanów do uzyskania, zgodnie ze wzorem: 2ⁿ-1, gdzie n – liczba bitów przetwornika.

Przykładowo mając przetwornik dwubitowy i maksymalna wartość napięcia 5V jesteśmy w stanie wygenerować tylko 3 stany inne od zera. Poniżej zamieszczono przykładowe równania dla przetwornika 4, 8, 10, 14 i 16 bitowego (najczęściej stosowanych w generatorach) i napięcia Vpp = 10V. Przykładowo dla przetwornika 10-bitowego, kolejne wartości napięcia różnią się między sobą o 9,8mV (Równanie 3).
^[3]

Tabela 1. Przedstawienie najmniejszej wartości zmiany napięcia w zależności od rozdzielczości przetwornika C/A dla napięcia Vpp = 10 V

Powyższa tabela w jasny sposób pokazuje, że im więcej bitów ma przetwornik, tym większa jest dokładność odtworzonego sygnału.

Układ przedstawiony na Rysunku 4 jest jednak rzadko stosowany, ponieważ problematyczne staje się przestrajanie częstotliwości. Aby móc przestrajać częstotliwość sygnału wejściowego, niezbędna jest możliwość przestrajania sygnału taktującego. Z tego powodu najczęściej stosuje się generatory DDS z akumulatorem fazy (rys. 6). Schemat blokowy takiego generatora jest niemal identyczny jak zwykłego generatora DDS, jednak licznik adresowy jest zastąpiony bardziej złożonym układem rejestru akumulatora fazy.

Mimo, że układ akumulatora fazy sam w sobie jest złożony, to jego zasada działania jest już prosta do zrozumienia. Rejestr akumulatora fazy jest taktowany sygnałem prostokątnym o stałej częstotliwości i wysokiej stabilności. Dostarczając do rejestru słowo przestrajające, następuje inkrementacja wartości akumulatora o wartość słowa przestrajającego. Dzięki temu pojawia się możliwość zmiany częstotliwości generowanego sygnału.

Częstotliwość aktualizacji zawartości rejestru akumulatora fazy określa jeden z najważniejszych parametrów określających takie generatory. Mowa o szybkości odtwarzania próbek przebiegu wyrażonej w liczbie próbek na sekundę: Sa/s, kSa/s, MSa/s, GSa/s. Im większa wartość, tym szybciej generator odtwarza próbki przebiegu.

Cechy charakterystyczne generatorów

Jak każde urządzenie, generatory posiadają kilka parametrów charakterystycznych dla swojej grupy. Poza wspomnianą maksymalną wartością napięcia międzyszczytowego, częstotliwością i rozdzielczością przetwornika (bity), występują takie pojęcia jak impedancja wejściowa, przemiatanie czy tajemniczo brzmiące skróty jak na przykład PM, FSK, PSK itd.

Impedancja wyjściowa generatorów funkcyjnych zazwyczaj wynosi 50Ω. Aby uniknąć zniekształceń sygnałów wyjściowych, których przyczyną jest niedopasowanie impedancji – kabel łączący generator z obciążeniem powinien mieć również impedancję równą 50 Ω. Dlatego też wraz z nowo zakupionymi generatorami dołączany w zestawie jest dokładnie taki kabel. Jednak sam kabel to nie wszystko. Obciążenie również powinno cechować się impedancją o wspomnianej wartości 50Ω. W praktyce jest to rzadko spotykane, dlatego też producenci umożliwiają deklarowanie rzeczywistej impedancji obciążenia, tym samym gwarantując, że wartość napięcia wyświetlana na ekranie, rzeczywiście dociera do obciążenia.

Warto dodać, że wartość impedancji determinuje maksymalne napięcie Vpp możliwe do uzyskania na wyjściu. Napięcie wyjściowe jest zgodne z wzorem:
^[4]

Gdzie:

• U_wyj – Napięcie wyjściowe [V]
• U_ust – Napięcie ustawione [V]
• R – impedancja obciążenia [Ω]

Dlatego też gdy impedancja obciążenia jest równa 50Ω, a ustawione napięcie jest na Vpp =10Vpp, to napięcie na wejściu obciążenia również jest równe 10Vpp
^[5]

Natomiast gdy impedancja obciążenia jest równa 1MΩ, a ustawione napięcie jest na Vpp=10Vpp, to napięcie na wejściu obciążenia jest równe 20Vpp.
^[6]

Synchronizacja – generatory funkcyjne wyposażone są w wyjście synchronizacji w standardzie TTL. Generowany na tym wyjściu sygnał może być wykorzystywany do wyzwalania toru oscyloskopu, co pomaga w uzyskaniu stabilnego obrazu w przypadku gdy sygnał wyjściowy generatora jest modulowany.

Modulacja – w przypadku generatorów jest to celowa zmiana parametrów sygnału (amplitudy, częstotliwości, fazy). W generatorach uzyskuje się ją poprzez dynamiczne modyfikowanie słowa przestrajającego.

Najczęściej spotykanymi modulacjami są:

• AM (ang. Amplitude Modulation) – modulacja amplitudy
• FM (ang. Frequency Modulation) – modulacja częstotliwości
• PM (ang. Phase Modulation) – modulacja fazy
• ASK (ang. Amplitude Shift Keying) – kluczowanie amplitudy
• FSK (ang. Frequency Shift Keying) – kluczowanie częstotliwości
• PSK (ang. Phase Shift Keying) – kluczowanie fazy
• PWM (ang. Pulse Width Modulation) – modulacja szerokością impulsu
• SUM – sumowanie przebiegów

Dodatkowo bardzo często spotyka się takie formy zmian generowanego sygnału jak:

• Przemiatanie (ang. Sweep)
• Paczka impulsów (ang. Burst)
• Sprzężenie (ang. Coupling)

Poniżej pokrótce zostanie zaprezentowany każdy ze wspomnianych sposobów modulacji. Aby poznać szczegóły zachęcamy do zapoznania się z literaturą naukową.

Modulacja amplitudy

Jest to jedna z trzech głównych modulacji, polegająca na kodowaniu sygnału w chwilowych zmianach amplitudy. Sygnał modulujący (ten niosący informacje) zmienia amplitudę sygnału modulowanego (nośnego). Poniżej przedstawiono wygląd sygnału zmodulowanego amplitudowo.

Modulacja częstotliwości

Jest to kodowanie informacji poprzez chwilową zmianę częstotliwości sygnału. Ten rodzaj modulacji stosuje się jako sygnał transmisji przy sygnału radiowego UKF. Stąd potoczna nazwa fal krótkich jako FM. Poniżej przedstawiono wygląd sygnału zmodulowanego częstotliwościowo.

Modulacja fazy

Modulacja fazy, to kodowanie informacji poprzez chwilową zmianę fazy sygnału. Używana już coraz rzadziej, niemniej wiele generatorów wciąż oferuje generowanie takiego sygnału.

Kluczowanie amplitudy

Kluczowanie amplitudy polega na reprezentowaniu sygnału cyfrowego (binarnego) za pomocą zmian amplitudy. W najprostszym przypadku wartość logiczna zero jest reprezentowana przez brak amplitudy, zaś wartość logiczna 1 przez sygnał o ściśle określonej amplitudzie.

Kluczowanie częstotliwości

Cel kluczowania częstotliwości jest taki sam jak ASK – przedstawienie sygnału cyfrowego, za pomocą zmian sygnału analogowego. W tym wypadku sygnał cyfrowy zależy od zmian częstotliwości. W najprostszym przypadku są dwie określone częstotliwości sygnału. Częstotliwość mniejsza odpowiada logicznemu 0, zaś sygnał o wyższej częstotliwości odpowiada logicznej 1.

Kluczowanie fazy

Celem modulacji PSK jest przedstawienie sygnału cyfrowego za pomocą zmian parametrów sygnału analogowego. W tym przypadku kodowanie danych odbywa się przy pomocy zmiany fazy. Każda zmiana fazy powoduje zmianę stanu logicznego z 0 na 1 i odwrotnie.

Modulacja szerokości impulsu

Jest to metoda która opiera się na porównaniu sinusoidalnego przebiegu odniesienia do trójkątnego sygnału nośnego. Uzyskany sygnał pozwala na wysterowanie kluczy tranzystorowych, tym samym pozwalając na wygenerowanie przebiegu sinusoidalnego.

Sumowanie

Powyższa modulacja jest niczym innym jak sumą sygnałów generowanych przez dwa kanały.

Przemiatanie

Polega na modyfikacji częstotliwości sygnału przebiegiem czasowym opisanym funkcją liniową lub logarytmiczną. Osoba pracująca z generatorem wybiera częstotliwość początkową, końcową oraz czas w jakim funkcja się zmienia od wartości dolnej do wartości górnej. Funkcja ta jest przydatna do wyznaczania charakterystyk Bodego filtrów i wzmacniaczy, zwłaszcza charakterystyki częstotliwościowej.

Paczka impulsów

Większość obecnych na rynku generatorów umożliwia wygenerowanie paczki impulsów. Jest to seria kilku sygnałów okresowych, gdzie użytkownik określa liczbę okresów w serii, okres całości sygnału, fazę, źródło sygnału wyzwalającego oraz ewentualne opóźnienie wyzwolenia.

Nasze propozycje generatorów funkcyjnych

Generatorów na rynku jest niezliczona ilość. Jako Merserwis polecamy zwłaszcza generatory marki GW Instek. Firma ta stanowi udany kompromis pomiędzy ceną, a jakością i możliwościami.
W katalogu GW Instek znajduje się kilka serii generatorów, a są to:

• Seria AFG-125 – Generatory arbitralne przeznaczone do oscyloskopów serii GDS-2000A
• Seria AFG-2000
  AFG-20xx/21xx – Podstawowa seria generatorów arbitralnych o częstotliwości do 25MHz
  AFG-2225 – Rozszerzenie serii AFG-2000 zapewniające lepsze parametry
• Seria AFG-3000
  AFG-303x/302x – Seria bardziej zaawansowanych generatorów arbitralnych o częstotliwości do 30MHz
  AFG-3051/3081 – Seria bardziej zaawansowanych generatorów arbitralnych o częstotliwości do 80MHz
• Seria MFG-2000 – Wielofunkcyjne i wielokanałowe generatory arbitralne
• Seria SFG – Najprostsze generatory o bezpośredniej syntezie cyfrowej
• Seria GFG-8200A – Seria generatorów analogowych
• Seria GAG – Generatory audio
• Seria USG - Generatory sygnałów RF

Aby przeczytać pełny, szczegółowy przegląd serii i modeli kliknij w przycisk:

Materiały źródłowe

^[1] http://www-old.wemif.pwr.wroc.pl/lue/pliki/cwiczenie6.pdf
^[2] https://elportal.pl/pdf/k04/04_07.pdf
^[3] http://imeia.elektr.polsl.pl/files/materials/lzm/1/GEN.pdf 
^[4] https://kener.elektr.polsl.pl/epedlab/lect.php?no=a2
^[5] Materiały GW Instek
^[6] Materiały własne