Что такое генератор сигналов произвольной формы

Генераторы сигналов

Генераторы сигналов – приборы, позволяющие получать электрические, акустические и иного рода импульсы. Устройства бывают разных видов — обычно прибор подбирают под конкретную цель. Решающими факторами при выборе могут оказаться форма прибора, его статические функции и энергетические показатели. Устройство применяют в разных сферах — как в медицине, так и в быту (стиральные машины, микроволновки).

Историческая справка

Первый генератор был создан в 1887 году немецким физиком Германом Герцем. Прибор разрабатывался на основе индукционной катушки (или катушки Румкорфа). Он был искровым и вырабатывал электромагнитные волны. Потом история развивалась так:

1913 г. Другой немецкий ученый, Александр Мейснер, создал электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом.
1915 г. Появилась ламповая (или индуктивная) схема. Включение контура было автотрансформаторным, что отличало его от ранних изобретений. Идея принадлежала американскому физику Ральфу Хартли.
1919 г. На этот раз идея снова принадлежит американцам. Ученый Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, подключаемое к колебательному контуру посредством емкостного разделителя напряжения.

Это было лишь начало. Позже инженерами разных стран было создано множество вариаций электронных генераторов.

Как устроен генератор сигналов?

Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.

Стандартная модель сигнального генератора состоит из нескольких частей:

Экран на передней панели. Нужен для отслеживания колебаний и управления ими.
Редактор. Расположен в верхней половине экрана. Позволяет выбрать функцию.
Секвенсор. Размещён чуть ниже редактора, дает информацию о частоте колебаний.
Регулятор. Контролирует и настраивает частоту изменений.
Выходы сигналов. Обычно располагаются под экраном в самом низу прибора. Рядом – кнопка включения оборудования.

Смещение сигнала и его амплитуда обычно регулируются 2 кнопками. Работа с файлами происходит через мини-панель. Она дает пользователю просмотреть результаты тестирования или сохранить их для будущего анализа.

Принцип действия

Рассмотрим схему действия на примере простейшего электронного генератора. Есть проводник и магнитное поле, по которому он движется. В качестве проводника обычно используют рамку.

Принцип действия таков:

Рамка крутится внутри поля и пересекает линии магнитной индукции, отчего образуется электродвижущая сила.
Электродвижущая сила воздействует на ток, который начинает двигаться по рамке.
Электроток проникает в наружную цепь за счет контактных колец.

Схема генератора похожа на схему усилителя. Разница в том, что у первого нет источника входного сигнала. Он заменяется сигналом положительной обратной связи (ПОС).

В процессе обратной связи (ОС) часть выходного сигнала направляется на входную цепь. Структура такого импульса задается спецификой цепи обратной связи. Чтобы обеспечить нужную периодичность колебаний, цепи ОС создают на базе LC или RC-цепей. Частота будет зависеть от времени перезарядки конденсатора.

После формировки в цепи ПОС сигнал отправляется на вход усилителя. Там он умножается в несколько раз и поступает на выход. Оттуда часть отправляется на вход посредством цепи ПОС и снова ослабляется, возвращаясь к исходному значению. Благодаря такой схеме внутри устройства поддерживается постоянная амплитуда выходного сигнала.

Как устроен генератор смешанных сигналов?

Принцип действия генератора смешанных импульсов направлен на то, чтобы ускорить образование сигналов и воспроизводить их с максимальной точностью. Передняя панель прибора снабжена органами управления для контроля самых важных и часто изменяемых параметров. Менее востребованные и редко используемые функции можно найти в меню на основном экране.

Регулятором уровня устанавливается амплитуда движения выходного сигнала. Амплитуду и смещение можно регулировать без входа в многоуровневую систему меню.

Отдельный регулятор также позволяет изменить частоту дискретизации путем изменения периодичности выходного сигнала. При этом форму последнего этот настройщик изменить не сможет. Такая функция есть лишь в меню на основном экране редактирования. Форму выбирают при помощи сенсорной панели или мышки. Пользователь открывает нужную страницу и просто заполняет бланк с цифровой клавиатуры или поворотной ручкой.

Виды генераторов сигналов

Приборы различаются по ряду характеристик. Например, по форме сигнала (синусоидальные, прямоугольные, в виде пилы), по частоте (низкочастотные, высокочастотные), по принципу возбуждения (независимое, самовозбуждение). Однако существует несколько основных видов — о них и расскажем подробнее.

Синусоидальный

Прибор усиливает первоначальный синусоидный код в десятки раз. На выходе получается частота до 100 МГц. При этом исходный синус, как правило, не превышает 50 МГц. Генераторы синусоидального импульса активно используют при проверке блоков питания, инверторов и другой высокочастотной техники, а также радиоаппаратуры.

Генератор низкочастотный

Ниже схема самого простого низкочастотного генератора. На ней видно, что в приборе присутствуют переменные резисторы. Они позволяют корректировать форму и частоту сигнала. Изменить силу импульса можно подключенным модулятором KK202.

Такой прибор подойдет для настройки аудиоаппаратуры (звуковых усилителей, проигрывателей). Наиболее доступным вариантом низкочастотного генератора является обычный компьютер. Достаточно скачать драйверы и подключить его к аппаратуре через переходник.

Генератор звуковой частоты

Стандартная конструкция с микросхемами внутри. Напряжение подается в селектор, а сам сигнал генерируется в одной или нескольких микросхемах. Частоту можно настраивать при помощи модуляционного регулятора. Прибор отличается более обширным диапазоном частоты, чем аналоги (до 2000 кГц).

Импульсы произвольной формы

Генераторы с импульсами произвольной формы имеют повышенную точность. Погрешность минимальная — до 3%. Выходной импульс подвергается тонкой регулировке с применением шестиканального селектора. Прибор вырабатывает частоту от 70 Гц.

Устройства делят по степени синхронизации. Зависит она от типа коннектора, который установлен в прибор. Поэтому сигнал может усиливаться за 15-40 ньютон-секунд. Некоторые модели работают на 2 режимах – линейном и логарифмическом. Режим меняется переключателем, за счет чего корректируется амплитуда.

Контроллеры сложных сигналов

В сборке присутствуют только многоканальные селекторы, так как приборы получают импульсы сложной формы. Сигналы многократно усиливаются, режим можно изменить при помощи регулятора. Вариацией такого прибора считается DDS (устройство по схеме прямого цифрового синтеза).

Базовая плата оборудуется микроконтроллерами, которые легко снимаются и ставятся на место. В некоторых моделях можно заменить микроконтроллер одним движением. Если редактор монтированный, ограничители установить нельзя. Прибор генерирует измерительный сигнал мощностью до 2000 кГц с погрешностью до 2%.

Генератор цифрового сигнала

Цифровые генераторы популярны, потому что отличаются высокой точностью. Пользоваться ими удобно, однако они нуждаются в тщательной настройке. Здесь стоят коннекторы KP300, резисторы достигают сопротивления от 4 Ом. Это позволяет добиться предельно допустимого внутреннего напряжения в схеме.

Области применения

Генераторы сигналов используют современные лаборатории разработчиков электронных и измерительных приборов. Одинаковые генераторы могут применяться в кабинетах от начального до продвинутого уровня.

Однако эти функциональные устройства применяют для настройки и тестирования оборудования и в областях, более доступных обывателю. Вот лишь неполный список устройств, которые используют генераторы:

мобильные телефоны, техника для передачи данных, радио- и телеприемники;
вычислительные приборы;
инверторы, источники бесперебойного питания от электричества или импульсов;
бытовые приборы (СВЧ-печи, стиральные и посудомоечные машины);
измерительные приборы (амперметры, вольтметры, осциллографы);
медицинская аппаратура (томографы, электрокардиографы, аппараты УЗИ).

Находчивые пользователи применяют устройства и для иных целей. Например, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а RStamp SMA100A хорошо показал себя в регулировке аэронавигационных систем.

Генератор сигналов произвольной формы

Зачем нужны генераторы сигналов произвольной формы

При тестировании различных систем их разработчики должны исследовать поведение системы при подаче на ее вход как стандартных сигналов, так и сигналов, имеющих различные отклонения от нормы. В реальных условиях работы на систему могут действовать помехи, искажающие форму сигнала, и разработчику необходимо знать, как поведет себя устройство при тех или иных искажениях. Для этого ему необходимо либо моделировать помеху при прохождении стандартного сигнала, либо подать на вход искаженный сигнал, полученный при помощи генератора сигналов произвольной формы (ГСПФ). Первый путь гораздо длительнее и дороже, поэтому чаще всего используется второй путь.

Генераторы сигналов произвольной формы используются также в случаях, когда для отладки и испытания устройств нужно подавать на их вход сигналы нестандартной формы, получение которых без использования таких генераторов крайне затруднено.

Концепция построения ГСПФ

В основе построения ГСПФ лежит синтез аналогового сигнала по его образу, записанному в ОЗУ генератора. Типовая структура ГСПФ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая структура генератора сигналов произвольной формы

Генератор фазового угла (ГФУ) генерирует периодическую линейно нарастающую последовательность адресов ячеек ОЗУ (фазу сигнала). Крутизна нарастания последовательности зависит от частоты, задаваемой блоком управления (БУ).

В соответствии с изменением адресов на входе ОЗУ, меняются и данные на его выходе. Последовательность выдаваемых данных образует цифровой образ генерируемого сигнала. Он преобразуется в аналоговую форму при помощи цифро-аналогового преобразователя, затем сигнал ослабляется в соответствии с заданной амплитудой, и в него вводится нужное постоянное смещение. После усиления получается выходной сигнал нужной формы, частоты, амплитуды, с требуемым постоянным смещением.

Технические характеристики генератора

Частота генерируемого сигнала 0,0001…22000 Гц

Амплитуда выходного сигнала 0…10 В

Постоянное смещение выходного сигнала -5…+5 В

Выходной ток до 100 мА

Количество отсчетов на период 8192

Температурная относительная нестабильность частоты менее 10 -5 1/ ° С

Долговременная относительная нестабильность частоты менее 10 -5 1/1000 ч

Точность установки частоты 7 * 10 -6 Гц

Напряжение питания 10…12 В

Потребляемая без нагрузки мощность 0,9 Вт

Габаритные размеры платы генератора 125x100x15 мм

Структура комплекса ГСПФ

Программно-аппаратный комплекс генерации сигналов произвольной формы состоит из собственно генератора, подключаемого к ЭВМ через последовательный порт RS-232C, и программы управления генератором, работающей под Windows 95/98, Windows NT 4.0.

Структура аппаратной части генератора

Аппаратная часть выполнена в соответствии со структурой, приведенной на рис. 1. Единственное отличие состоит в том, что блок управления разработанного генератора подключен через блок сопряжения к ЭВМ. Из ЭВМ при помощи программы управления задаются форма и другие параметры сигнала.

Блок управления генератором построен на базе микроконтроллера AT89C52. Он принимает от ЭВМ команды изменения параметров сигнала и выдает соответствующие команды другим блокам генератора. Кроме того, генератор имеет SPI-подобный интерфейс для подключения управляющего устройства, отличного от ЭВМ. Наличие такого интерфейса позволит использовать генератор в составе мобильного компактного комплекса для снятия частотных характеристик, разработка которого ведется в настоящий момент.

Блок управления принимает и устанавливает частоту, смещение и амплитуду сигнала. Данные о форме выходного напряжения также проходят через блок управления. Стандартные формы (пила, меандр, белый шум и синусоида) рассчитываются непосредственно микроконтроллером.

Усилитель сигнала построен на малошумящем операционном усилителе MAX427 и позволяет получить выходной ток до 100 мА.

ЦАП постоянного смещения AD7943 – умножающий 12-разрядный ЦАП с последовательным вводом данных, позволяющий получить смещение сигнала в диапазоне от –5 В до +5 В с дискретностью 2,44 мВ.

ЦАП амплитуды AD7943 – умножающий 12-разрядный ЦАП с последовательным вводом данных. Позволяет задавать амплитуду выходного сигнала в диапазоне от 0 до 10 В с дискретностью 2,44 мВ.

ЦАП MX565A – быстродействующий 12-разрядный ЦАП с параллельным вводом данных. Время установления с точностью до половины младшего разряда не более 250 нс.

ОЗУ UM6264 содержит цифровой образ формы. Форма хранится в виде 8192 12-разрядных отсчетов. Это позволяет получить выходной сигнал достаточно высокого качества.

Генератор фазового угла построен на основе ПЛИС EPF8282 фирмы ALTERA. Структура, записываемая в ПЛИС, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема конфигурации ПЛИС

Схема может работать в трех режимах:

Загрузки данных в блок ОЗУ.

В режиме нормальной генерации (на входе Mode единица) регистр приращения фазы (РПФ) загружается из БУ значением, соответствующим частоте.

При нормальной генерации содержимое РПФ суммируется с младшими разрядами регистра фазы (РФ), и сумма записывается в РФ по приходу SI . Тринадцать старших разрядов РФ подаются на адресные входы блока ОЗУ. Таким образом, частота переполнения РФ соответствует частоте генерируемого сигнала.

При ждущем режиме (на входе Mode ноль) ГФУ ожидает прихода стробирующего сигнала на вход Strob . По приходу этого сигнала генерируется сигнал с начальной фазы, записанной в регистре начальной фазы (РНФ), и до конца периода. После окончания периода ГФУ снова переходит в состояние ожидания строба.

При загрузке данных в ОЗУ они сначала последовательно записываются в регистр данных (РД), а затем, при подаче сигнала InRAMOE , выставляются на входы данных блока ОЗУ. Это сделано для экономии числа используемых выводов микроконтроллера и упрощения топологии печатной платы.

Как видно из структуры ПЛИС, реализация такого операционного автомата на микросхемах малой степени интеграции потребовала бы большого количества разнотипных элементов (более 30 корпусов), что привело бы к увеличению габаритов и уменьшению надежности системы. Поэтому удобно применять ПЛИС.

Опытный образец генератора

Опытный образец был собран на двусторонней печатной плате размером 175 x 110 мм. Потребление опытного образца без нагрузки составляет 0.9 Вт.

Внешний вид опытного образца генератора приведен на рис. 3.

Рис. 3. Вид опытного образца платы генератора

Программа управления генератором

Программа управления генератором создана в среде Delphi 4.5. Программа предназначена для работы под Windows 95/98 или Windows NT 4.0.

Вид главного окна программы, которое позволяет использовать все возможности аппаратной части генератора, представлен на рис. 4.

Рис. 4. Главное окно программы управления генератором

Программа позволяет задавать параметры сигнала: частоту, амплитуду, постоянное смещение. Кроме стандартных форм: меандра, пилы, синусоиды и белого шума, можно загрузить в генератор и произвольную форму. Для ввода произвольной формы сигнала можно нарисовать ее при помощи мыши или задать форму при помощи формулы. Созданную форму можно сохранить и восстановить впоследствии.

Существует режимы последовательного изменения параметров сигнала: амплитуды, частоты и смещения. При этом изменение может быть плавным, при этом задаются начальное и конечное значения параметра, шаг приращения, период приращения. Возможно также изменение одного из параметров сигнала по форме, записанной в файле. Это позволяет генерировать частотно- и амплитудно-модулированные сигналы. При этом форма модулируемого и модулирующего сигнала могут быть абсолютно произвольными.

Автор проекта: Волович Александр ([email protected])

C этой схемой также часто просматривают:

Генератор видеосигнала на микроконтроллере PIC16F84
Генератор телевизионных сигналов на простых микросхемах
ПРОСТОЙ ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ НЧ И ВЧ
ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НА PIC-КОНТРОЛЛЕРЕ
Измерение частоты сигналов с большим периодом
Устройство передачи абонентского номера телефона
Игровая приставка для велотренажера
Микро-АТС 1х5 и мини-АТС 2х8
Как сделать считыватель ЖК дисплея

Многофункциональные генераторы произвольных сигналов

Все усложняющиеся функции современных электронных устройств потребовали разработки нового вида генераторов — произвольных сигналов (функций). Наряду с произвольными сигналами, форма которых задается и редактируется пользователем, такие генераторы генерируют множество сигналов стандартных форм. Ныне такие устройства разработаны и производятся рядом фирм. Подобные генераторы широко применяются в сервисных центрах, в научных и учебных лабораториях и др.

Рис. 1. Внешний вид двухканального генератора серии AFG3000

Компанией Tektronix — одним из лидеров в области разработки и производства высококачественных измерительных приборов — была выпущена серия генераторов произвольных сигналов AFG3000. Ныне эта серия представлена шестью моделями: AFG3021, AFG3022, AFG3101, AFG3102, AFG3251, AFG3252. Буквы «AFG» являются сокращениями слов Arbitrary Function Generator (генератор произвольных функций).

Таблица 1. Основные характеристики генераторов серии AFG3000

Виды выходного сигнала

Синус, меандр, импульс, пила, треугольник, Sin х/х, нарастающая и спадающая экспонента, функции Гаусса, Лоренца, Хевисайда, шум

Выходной уровень на нагрузке 50 Ом

50 мВ.5 В (до 200 МГц) 50 мВ.4 В (свыше 200 МГц)

Погрешность установки частоты

Погрешность установки уровня на 1 кГц

±0,15 дБ (до 5 МГц) ±0,3 дБ (до 20 МГц) ±0,5 дБ (до 25 МГц)

±0,15 дБ (до 5 МГц) ±0,3 дБ (до 25 МГц) ±0,5 дБ (до 100 МГц)

±0,15 дБ (до 5 МГц) ±0,3 дБ (до 25 МГц) ±0,5 дБ (до 100 МГц) ±1,0 дБ (до 200 МГц)

Перестраиваемое время нарастания

Полоса шумового сигнала

Частота дискретизации и объем памяти

250 МГц: 2.64 кбайт

250 МГц: 16.128 кбайт 1 ГГц: 2.16 кБ

250 МГц: 16.128 кбайт 2 ГГц: 2.16 кбайт

Разрешение по вертикали

АМ (0.120%). ЧМ (девиация до 120 МГц), ФМ (0.180°), ЧМн, модуляция длительности импульса (0-50% от периода, ИМ, ГКЧ (линейное/логарифмическое, время качания 10 мс . 100 с)

Все виды сигналов, исключая импульс, шум и постоянное напряжение

Частота: 2 мГц.50 кГц. Синус, меандр, пила, шум, произвольный сигнал

Последняя цифра в названии приборов указывает на число каналов: 1 — одноканальные приборы и 2 — двухканальные. Двухканальные генераторы способны формировать независимые сигналы по обоим каналам, в том числе и синхронные (например, дифференциальные). Две средние цифры приближенно указывают на максимальную частоту генерации синусоидальных сигналов: 02-25 МГц, 10-100 МГц и 25-240 МГц. Минимальное значение частоты, генерируемой этими приборами — 0,001 Гц (1 мГц). Приборы используют новейшие методы генерации множества сигналов с помощью одной СБИС и методы прямого цифрового синтеза частот, обеспечивая при этом максимальную нестабильность частот выходных сигналов не более 1-10-6 (или 0,0001%) за год работы.

Генераторы серии AFG3000 являются комбинацией функционального генератора (генератора стандартных функций), программируемого генератора сигналов произвольной формы и генератора импульсов с регулируемой длительностью фронтов. Но фактически они сочетают в себе функции множества устройств, нередко выпускаемых как отдельные приборы:

• высокостабильного широкодиапазонного генератора синусоидального сигнала с несколькими видами модуляции;

• генератора прямоугольных и пилообразных импульсов с изменяемым в широких пределах коэффициентом заполнения и различными видами модуляции;

• функционального генератора шести типовых временных зависимостей с возможностью генерации сигналов с любой математически заданной зависимостью;

• программируемого генератора сигналов произвольной (заданной пользователем) формы;

• генератора шума, который можно добавлять к другим сигналам;

• генератора трапецеидальных импульсов с раздельно регулируемыми длительностями полочки фронтов;

• генератора качающейся частоты. Внешний вид одного из генераторов серии AFG3000 показан на рис. 1. Все приборы выполнены в небольшом корпусе (для настольной конфигурации, он имеет высоту 156,3 мм, ширину 329,6 мм и глубину 168,0 мм). Вес прибора 4,5 кг (в упаковке — 5,9 кг). Диапазон рабочих температур — от 0 до +50°C, температура хранения от -30°C до +70°C. Охлаждение прибора — активное с помощью вентилятора на боковой стенке.

Основные технические характеристики разных моделей генераторов серии AFG3000 представлены в табл. 1. Приборы отличаются числом каналов (1 или 2), максимальной частотой синусоидального напряжения (25, 100 и 240 МГц) и вдвое более низкой максимальной частотой повторения импульсного напряжения (прямоугольного, импульсного и произвольного). Импульсы с дополнительными формами, определяемыми математическими функциями, можно формировать в диапазоне частот от 1 мГц до 1 МГц.

Управление генератором, в основном, кнопочное, но есть и удобная поворотная ручка универсального манипулятора с кнопками направления (в правом верхнем углу передней панели). Эти кнопки используются для перемещения по разряду числа того или иного параметра, например частоты, после чего поворотная ручка позволяет быстро менять число в выбранном разряде. Это очень удобно при имитации плавного изменения того или иного параметра.

Рис. 2. Дисплей серии генераторов AFG3000

Генераторы имеют самый простой и наглядный интерфейс, подобный интерфейсу современных цифровых осциллографов. Большой жидкокристаллический цветной дисплей (только у модели AFG3021 он черно-белый) с размером по диагонали 5,6 дюйма отображает крупными знаками основные параметры сигналов и режимы работы генераторов и представляет форму создаваемых сигналов — рис. 2.

Рис. 3. Осциллограммы сигналов на основном выходе (верхняя кривая) и выходе запуска (нижняя кривая): синусоидальный сигнал (а), синусоидальный сигнал с амплитудной модуляцией (б), прямоугольные импульсы (в) и пилообразный сигнал (г)

Генераторы имеют интерфейс (надписи на передней панели) на 8 языках, включая русский. Для изменения языка надписей на передней панели поставляется накладка, которая крепится на передней панели.

Основные выходы (или выход в одноканальной модели)изолированы от земли приборов, так что генератор может использоваться как «подвешенный» источник сигналов. Максимальное напряжение (постоянное плюс импульсное) относительно его внутренней земли не должно превышать ±42 В. Возможно изменение фазы синусоидального сигнала от -180 до +180° и осуществление амплитудной, частотной и фазовой модуляции, а также частотной манипуляции. Для импульсных сигналов возможна еще и широтно-им-пульсная модуляция, которая широко используется в преобразовательных устройствах для управления мощностью в нагрузке, например, для изменения яркости све-тодиодов подсветки в сотовых телефонах.

В качестве генератора синусоидальных сигналов AFG3000 генерируют сигналы с частотой от 0,001 Гц (1 мГц) до 25, 100 или 240 МГц. Этот диапазон намного перекрывает диапазон частот звуковых генераторов и обычных аналоговых ВЧ-генераторов стандартных сигналов старых аналоговых моделей. Возможна модуляция синусоидальных и других сигналов (кроме сигнала шума и постоянного напряжения). Основные формы генерируемых сигналов представлены на рис. 3.

У генератора AFG3000 на частотах до 20 кГц коэффициент гармоник не превышает 0,2%. На более высоких частотах при двойной амплитуде выходного сигнала 1 В уровень подавления паразитных составляющих у первых четырех моделей генераторов более 60 дБ на частотах до 1 МГц и 50 дБ (на частотах от 1 до 100 МГц).

Двойная амплитуда синусоидального напряжения (кстати, как и напряжения других форм) на нагрузке 50 Ом может изменяться от 10, 20 и 50 мВ для групп генераторов, представленных на рис. 3 до 10 В (и 5 В у приборов AFG3251/3252). Это обстоятельство является одним из немногих недостатков генераторов — их нельзя использовать в качестве генераторов стандартных сигналов малой амплитуды (ГСС) без применения внешних делителей напряжения (аттенюаторов). Установка амплитуды производится с разрешением в 0,1 мВ. Возможна установка уровня как двойной амплитуды, так и среднеквадратичного значения и уровня мощности в дБ. Предусмотрена работа на нагрузку 50 Ом и на высокоомную нагрузку, причем в последнем случае предельный уровень напряжения удваивается. Предусмотрено смещение выходного сигнала по постоянному уровню в пределах его размаха и с разрешением в 1 мВ. Погрешность установления уровня и смещения около 1% (более точные значения указаны в фирменной спецификации).

Амплитудная неравномерность при уровне двойной амплитуды в 1 В мала. Для всех генераторов она характеризуется следующими данными (в пределах указанного диапазона частот для каждой модели) — см. табл. 2.

Таблица 2. Неравномерность АЧХ генераторов AFG3000

Для чего нужен генератор сигналов

Генераторы сигналов – это приборы, позволяющие получать электрические, акустические и т.д. импульсы. Устройство может быть различного типа, но, обычно, прибор выбирают под какую-то определённую цель. При выборе решающую роль может играть форма, статические функции и энергетические показатели прибора. Устройство используют в медицинской сфере, а также в быту.

Цифровые генераторы https://digamma.by/katalog/generatory-signalov/ весьма популярны, так как являются приборами высокой точности. Первый генератор появился в 1887 году, его создал немецкий физик по имени Герман Герц. Он работал на основе индукционной катушки, был искровым и производил электромагнитные волны. В 1913 году другой немецкий учёный по имени Александр Мейснер произвёл электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом. В 1915 году учёным Ральфом Хартли была разработана ламповая или индуктивная система. А в 1919 году американский учёный Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, которое подключалось к колебательному контуру при помощи ёмкостного разделителя напряжения. Позже учёными многих стран было произведено большое количество других вариантов электронных генераторов.

Виды генераторов сигналов

Приборы можно различить по форме сигнала. Они бывают синусоидальные, прямоугольные и в виде пилы. Помимо этого, они различаются по частоте. Бывают низкочастотные, либо высокочастотные. Устройства классифицируются также по принципу возбуждения, и делятся на независимые и самовозбуждение.

Генераторы синусоидального импульса, преимущественно, применяют во время проверки блоков питания, инверторов, а также других типов высокочастотной техники, в том числе, и радиоаппаратуры.

В низкочастотных генераторах присутствуют переменные резисторы. Они нужны для корректирования формы и частоты сигнала. Данный низкочастотный прибор подходит для настройки аудиоаппаратуры. Это может быть звуковой усилитель, проигрыватель и т.д. Ярким примером низкочастотного генератора является примитивный компьютер. Необходимо скачать драйверы, а затем подключить его к аппаратуре посредством переходника.

Стандартная система генератора звуковой частоты с микросхемами внутри. Напряжение подаётся в селектор, а сигнал генерируется в микросхеме, либо в нескольких микросхемах. Частота, при этом, настраивается с помощью модуляционного регулятора. Устройство отличается достаточно обширным диапазоном частоты, в отличие от аналогов.

Самыми точными приборами принято считать генераторы с импульсами произвольной конструкции. Прибор способен вырабатывать частоту от 70 Гц. Устройство подразделяют по степени синхронизации. Она зависит от вида коннектора, установленного в приспособление. Поэтому сигнал может быть усилен за 20-35 ньютон-секунд. Определённые виды генераторов работают в линейном и логарифмическом режимах одновременно. Режим можно поменять с помощью переключателя.

Контроллеры сложных сигналов получают импульсы сложной формы, поэтому в сборке имеются только многоканальные селекторы. Сигналы периодически усиливаются, а режим можно поменять с помощью регулятора. Примером такого прибора можно считать DDS (устройство по принципу прямого цифрового синтеза). Базовая плата оборудована микроконтроллерами, которые легко снимаются и устанавливаются на место. В некоторых типах генераторов такого рода микроконтроллер заменяется одним движением. В случае монтированного редактора, установить ограничители невозможно.

Чтобы пользоваться устройством, особых усилий прилагать не придётся, но важно заметить, что главное, тщательно и правильно его настроить. Принцип действия генератора сигнала основан на ускорении образования сигналов и воспроизведении их с максимальной точностью.

Практическое применение генераторов сигнала

Эти устройства используют в современных лабораториях разработчики электронных и измерительных приборов. Одни и те же генераторы могут быть применены в кабинетах от начального до продвинутого уровня. Генераторы используются в мобильном телефоне, технике для передачи данных, в радиоприёмниках, телеприёмниках, вычислительных машинах, инверторах, бытовых приборах, измерительных устройствах, медицинской аппаратуре. Находчивые обыватели нашли применение для иных целей. К примеру, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а для регулировки аэронавигационных систем использовали RStamp SMA100A.

Генераторы сигналов: наведение мостов над пропастью

В статье описываются современные виды генераторов сигналов: недорогие простейшие функциональные генераторы (Arbitrary Function Generators, AFG) и высокоточные дорогие генераторы сигналов произвольной формы ( Arbitrary Waveform Generators, AWG). Новая серия Wonder Wave от Tabor сочетает лучшие характеристики обоих видов генераторов.

Традиционные функциональные генераторы

Традиционные функциональные генераторы (FG или SFG) являлись аналоговыми приборами, основанными на управляемых напряжением аналоговых источниках треугольных колебаний, которые обеспечивали ограниченный набор стандартных форм сигнала. Различные виды сигналов могли быть получены изменением формы базового сигнала треугольной формы. Например, меандр получается путем подачи треугольного сигнала на компаратор-ограничитель, который переключается в заданной верхней точке треугольного сигнала в высокое состояние и в заданной нижней точке в низкое состояние, образуя таким образом прямоугольный сигнал (рис.1). Другим примером является пропускание треугольного сигнала через диодную схему фильтрации для получения чистого синусоидального колебания. Хотя аналоговые генераторы могут выдавать все стандартные сигналы в полном диапазоне частот, они имеют свои ограничения. Одни из этих ограничений – малая разрешающая способность и большая погрешность (рис.2) . Другие – ограниченные возможности по генерированию произвольных сигналов, которые не позволяют пользователю захватывать, создавать и воспроизводить реальные сигналы, встречающиеся на практике.

Рисунок 1. Принципиальная схема аналогового функционального генератора

Рисунок 2. «Разрыв» на вершине треугольного сигнала, вызванный искажениями при коммутации ключа в схеме формирования сигнала

Функциональные генераторы произвольной формы (Arbitrary Function Generators)

Функциональные генераторы произвольной формы (AFG) являются цифровыми устройствами, основанными на принципе прямого цифрового синтеза (DDS) и характеризуются фиксированной частотой дискретизации (что позволяет использовать только один выходной фильтр) и фиксированную длину внутренней памяти (так называемую таблицу памяти, в которой заложена форма одного периода колебания) для формирования цифровых отсчетов сигнала. Схема адресации в этих приборах работает с применением фазового аккумулятора (рис.3). При такой схеме увеличение частоты достигается путем пропуска некоторых точек в таблице, а уменьшение частоты – за счет повторения точек. Пропуски или повторения точек могут происходить не на каждом цикле, но эти точки не являются всегда одними и теми же (эффект «разрыва фазы»). Что может приводить при формировании периодического сигнала к эффектам амплитудной модуляции в выходном сигнале, а также к увеличению джиттера и фазовых шумов (рис.4). Более того, по своей архитектуре AFG всегда будут иметь маленькую память и отсутствие возможностей по формированию отдельных сегментов памяти для формирования длинных «живых» сигналов или последовательно повторяющихся посылок.

Рисунок 3. Принципиальная схема генератора AFG на основе DDS

Рисунок 4. Джиттер в низкочастотном сигнале типа «меандр», вызванный повторением точек

Генераторы сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generators)

Генераторы сигналов произвольной формы (AWG) — цифровые генераторы, основанные на применении памяти, со способностью передачи через цифро-аналоговый преобразователь любой формы сигнала, включая нарисованную от руки или восстановленную путем захвата реального сигнала с помощью цифрового осциллографа. При его возможностях и способностях AWG позволяет пользователю увеличивать или уменьшать амплитуду и частоту, повторять сигналы так частот как это необходимо или изменять сигналы различными способами. Основной чертой AWG является переменная частота дискретизации, что позволяет генерировать превосходно повторяемые выходные сигналы сложной формы (рис.5). Частота сигнала будет определяться по используемой частоте дискретизации и количества точек в таблице памяти по следующей формуле:

Либо частота дискретизации, либо длина таблицы памяти, либо они вместе могут быть настроены для получения желаемой частоты выходного сигнала. Поэтому с AWG, любой сигнал повторяется точно, без наложений. Будучи основанным на использовании памяти, AWG дает возможность пользователю программировать свою память путем деления ее на сегменты данных и использовать каждый сегмент индивидуально (рис. 6). Кроме того, генераторы сигналов произвольной формы обычно оснащены последовательным режимом, который позволяет связывать или повторять сегменты любым образом по выбору пользователя. Несколько расширенных режимов обеспечивают различные пути по формированию выходного сигнала: непрерывный, пошаговый, однократный, смешанный и т.д. В отличие от AFG, генераторы AWG могут быть синхронизированы для обеспечения многоканальных решений (рис. 7). Однако, использование различных частот дискретизации в AWG затрудняет реализацию стандартных видов модуляции и быстрой перестройки частоты выходного сигнала.

Рисунок 5. Принципиальная схема AWG

Рисунок 6. Воспроизведение сигнала с использованием сегментов: синус, меандр, треугольник, экспонента, шум, повторение сегмента меандра

Рисунок 7. Мультигенераторная синхронизация

Tabor и его новая серия Wonder Wave

В новой серии Wonder Wave, компания Tabor решила объединить лучшее из обоих миров, взяв наиболее лучшие черты и возможности от каждого типа генераторов. Являясь полнофункциональными генераторами сигналов произвольной формы с возможностью управления памятью для создания сложных сигналов, новые приборы построены с применением передового дизайна от Tabor и позволяют также работать в режиме DDS для формирования всех стандартных форматов модуляции и осуществлять быструю перестройку частоты. Дизайн серии Wonder Wave запатентован и характеризуется высоким уровнем интеграции, позволяющим в одном приборе реализовать генераторы для различных приложений: сигнальный, функциональный, импульсный, цифровых последовательностей, модуляции, качания частоты, шума, видеосигналов, поскольку AWG-генераторы теоретически могут воспроизвести все формы сигналов.

Сравнение

Многие производители пытаются убедить пользователей, что генераторы AFG, построенные по технологии DDS, с очень высокой частотой дискретизации являются на сегодня лучшим решением, но так ли это? Необходимо понимать, что эти приборы не являются традиционными функциональными генераторами, как не являются и генераторами сигналов произвольной формы. Когда рассматриваются традиционные функциональные генераторы, то они устроены так, что сигнал проходит через аналоговые цепи и позволяет воспроизводить колебания во всем диапазоне частот генератора. В этой связи, все AFG-генераторы являются только цифровым подражанием функциональным генераторам. Другими словами, пользователь, имеющий в своем распоряжении AFG-генератор с максимальной частотой 100 МГц, может наблюдать только синусоидальный сигнал этой частоты, но прямоугольный сигнал уже будет ограничен частотой 50 МГц, а более сложный сигнал, например треугольный, вообще будет иметь максимальную частоту 1 МГц. Причина этого явления состоит в том, что для цифрового AFG-генератора частота выходного сигнала рассчитывается исходя из фиксированной частоты дискретизации, деленной на количество точек памяти.

Являясь цифровым прибором, значит ли это, что AFG — полнофункциональный генератор произвольных сигналов? Ответ — НЕТ. Почему? Потому что AFG-генератор имеет фиксированную частоту дискретизации и архитектуру DDS, не позволяющую оснастить их длинной памятью и режимами ее управления, что необходимо для формирования «живых» и сложных сигналов.

В настоящем AWG-генераторе частота и память связаны, поэтому каждая точка памяти оцифровывается ЦАП и выходной сигнал состоит из точно повторяющихся шаблонов для каждого периода. Поскольку при этом не используется пропуск или повторение точек сигнала (как в случае использования фазового аккумулятора), джиттер и фазовые шумы выходного сигнала минимальны.

Заключение

Возникает вопрос: является ли AWG-генераторы прибором мечты, который необходим на рынке? К сожалению, тоже нет. Дело в том, что AWG-генераторы выпускается долгие годы и хотя они могут воспроизводить любой «живой» сигнал, но имеют существенные ограничения по генерации модулированных сигналов. Кроме этого, обычно они являются очень дорогостоящими. Так какое же будет компромиссное решение?

До настоящего времени, пользователи были практически принудительно ориентированы на различные генераторы, которые предлагали не полное и не идеальное решение для их задач. Теперь, с появлением генераторов серии Wonder Wave производства компании Tabor, пользователи не будут ориентироваться на что-либо меньшее, чем предлагающее идеальное решение. Генераторы Wonder Wave сочетают в себе как достоинства AFG-генераторов, так и преимущества AWG-генераторов, избавляя пользователей от недостатков этих двух типов генераторов. Серия генераторов Wonder Wave, представленная 7 моделями, разработана для решения тысяч задач – от простых по формированию стандартных сигналов до сложных по формированию длинных, сложных, определяемых пользователем сигналов. И все это по приемлемой цене, соизмеримой со стоимостью простых AFG-генераторов.

Ваш выбор

После того, как пользователь поймет ограничения в возможностях AFG и AWG, предлагаемых на рынке, станет видно, что лучшие и наиболее необходимые функции уже встроены в модели Wonder Wave. При этом важно помнить, что обычно приборы используются не для решения сиюминутной задачи, от них ожидают гибкости и способности выполнять широкий круг задач и отвечать требованиям возникающими при решении будущих задач.

Простое создание сигналов произвольной формы без программирования

Создавать сигналы произвольной формы с помощью современного генератора сигналов стандартной формы или генератора сигналов произвольной формы (AWG) проще, чем кажется. Многие инженеры любой ценой стараются обойти процедуру создания сигналов произвольной формы. При одном лишь упоминании сигналов произвольной формы у них возникают ассоциации с утомительным изучением процедур с использованием программного обеспечения для формирования сигналов и, хуже того, необходимостью создания программ для генерации сигналов определенной формы с последующим удаленным подключением к генератору сигналов произвольной формы для загрузки в него данных. Современные генераторы сигналов произвольной формы позволяют создавать сигналы нужной формы без особых сложностей.

Рассмотрим два простых примера создания сигнала произвольной формы и его передачи на генератор сигналов произвольной формы.

Создание нового сигнала произвольной формы с помощью Excel с последующей его передачей на генератор сигналов произвольной формы.
Запись сигнала с помощью цифрового осциллографа с последующей его передачей на генератор сигналов произвольной формы.

В обоих примерах используются два общих элемента — карта памяти USB и формат файлов с разделением запятыми (Comma Separated Value, CSV).

Создание сигнала произвольной формы в Excel с последующей его передачей на генератор сигналов произвольной формы

Для создания новых сигналов произвольной формы большинство инженеров используют либо инженерные программные среды, такие как Matlab, LabVIEW или VEE, либо специализированные программные пакеты сигналов произвольной формы, которые могут быть как бесплатными, так и платными. Бесспорно, это — прекрасные инструменты, однако при отсутствии потребности в их регулярном использовании подобное решение может быть связано со значительными затратами денег и времени. Альтернативным вариантом, который упускают из виду большинство специалистов, является Excel. Табличный редактор Excel может служить мощным средством для создания новых сигналов произвольной формы, поскольку он предоставляет расширенные встроенные математические функции, может работать с большими объемами данных (точек сигнала) и уже установлен на большинстве компьютеров.

Однако здесь возникает закономерный вопрос о передаче данных сигнала из Excel на генератор сигналов произвольной формы. У Excel и современных генераторов сигналов произвольной формы имеется общий формат файлов — CSV. В Excel можно открывать файлы формата CSV, а таблицы Excel можно сохранять в формате CSV. Современные генераторы сигналов произвольной формы могут читать файлы формата CSV и генерировать сигналы на их основе. Для загрузки данных в формате CSV в генератор сигналов произвольной формы достаточно передать соответствующий файл с ПК на переднюю панель генератора и загрузить его в память сигналов.

Рассмотрим пример. В Excel создан сигнал произвольной формы, состоящий из основного синусоидального сигнала, сигнала шума на третьей гармонике и случайного шума. Ниже представлена таблица Excel с этим сигналом (см. рис. 1). Заметьте, что на экране отображается результирующий сигнал, а красной рамкой отмечена область с функциями, используемыми для создания этого сигнала.

Рис. 1. Сигнал произвольной формы в Excel

Затем таблица Excel была сохранена в файле формата CSV. Наконец, с помощью карты памяти USB этот файл был загружен в генератор сигналов произвольной формы. По этим данным генератор сигналов произвольной формы воссоздал сигнал, и этот сигнал был отображен на экране осциллографа (см. рис. 2).

Рис. 2. Сигнал произвольной формы, созданный с помощью генератора сигналов произвольной формы 33600A Trueform и отображаемый на экране осциллографа InfiniiVision серии 2000X

Как видно из этого примера, Excel предлагает простой и не требующий дополнительных затрат способ создания сигналов произвольной формы, а файловый формат CSV дает возможность легко переносить данные на генератор сигналов произвольной формы. Если для создания сигналов произвольной формы предпочтительнее использовать определенную программную среду или если требуется применение более сложных математических функций, отсутствующих в Excel, вы также можете обойтись без создания удаленного подключения и программирования генератора сигналов произвольной формы. В большинстве программных сред, таких как Matlab и LabView, имеются интерфейсы API для создания и чтения файлов CSV. Достаточно создать сигнал нужной формы в имеющейся программе, сохранить его данные в файл CSV и передать их по сети на генератор сигналов произвольной формы.

Запись сигнала на осциллограф с последующей его передачей на генератор сигналов произвольной формы

Во втором примере сигнал оцифровывается и записывается с помощью осциллографа, и эти данные передаются на генератор сигналов произвольной формы. Ранее для этого обычно использовались определенные программные пакеты для работы с сигналами произвольной формы, позволяющие создать удаленное подключение к осциллографу, записать оцифрованный сигнал и подключиться к генератору сигналов произвольной формы для воссоздания нужного сигнала. Современные осциллографы упрощают эту процедуру. В рассматриваемом примере для записи слова данных сигнала Mil-Std-1553 использовался осциллограф смешанных сигналов серии 3000X компании Keysight (модель MSOX3054A). Записанный сигнал представлен на рис. 3.

Рис. 3. Сигнал слова данных Mil-Std-1553 на экране осциллографа

В нижней части рис. 3 синей рамкой выделен тип сигнала Mil-Std-1553 5F67, который представляет собой шестнадцатеричное декодированное значение слова данных. В данном примере также используется генератор сигналов произвольной формы серии 33600A. Ниже описана процедура записи сигнала на осциллограф с последующей его загрузкой в генератор сигналов произвольной формы.

Установите карту памяти USB в разъем на передней панели осциллографа.
Сохраните оцифрованный сигнал на карту памяти USB в виде файла формата CSV.
Перенесите данные на карте памяти USB с осциллографа на переднюю панель генератора сигналов произвольной формы.
Импортируйте файл CSV в память генератора сигналов произвольной формы.

Это действительно очень просто! Для тестирования приемника сигнал произвольной формы Mil-Std-1553 с генератора сигналов произвольной формы серии 33600A был промодулирован импульсами низкой частоты для моделирования связанных переходных шумов в сигнальном тракте. Ниже представлен модулированный сигнал произвольной формы (см. рис. 4).

Рис. 4. Осциллограмма сигнала слова данных при модуляции сигнала произвольной формы Mil-Std-1553 импульсами низкой частоты для моделирования связанных переходных шумов

Смоделированные переходные шумы видны в начале и середине осциллограммы сигнала произвольной формы. Обратите внимание на символы в рамках красного и синего цвета в нижней части экрана. Они означают, что приемник не может декодировать сигнал слова данных из-за переходных шумов.

Два приведенных выше примера помогут вам приступить к созданию собственных сигналов произвольной формы с передачей их данных на генератор сигналов произвольной формы. Для более эффективного тестирования также можно создавать сигналы произвольной формы и автоматически загружать их в генератор сигналов произвольной формы с помощью ПО BenchVue.

Создание сигналов произвольной формы в ПО BenchVue

BenchVue — это программная платформа для ПК, позволяющая легко выполнять подключение оборудования, запись и наблюдение за результатами измерений, выполняемых с помощью различных измерительных приборов, без программирования. Функциональность Plug-and-Play позволяет подключать имеющиеся приборы к ПК и немедленно приступать к контролю их показаний в ПО BenchVue. Приложение TestFlow ПО BenchVue предоставляет удобный способ создания специальных последовательностей тестирования с помощью интерфейса с перетаскиванием мышью объектов на экране.

При запуске ПО BenchVue и подключении ПК к генератору сигналов произвольной формы на экране появляется окно графического управления этим генератором, как показано ниже на рис. 5. С помощью графического интерфейса пользователя можно легко выбрать такие сигналы, как синусоида, сигнал прямоугольной формы, перепад, импульс, сигнал треугольной формы, шум, псевдослучайная двоичная последовательность и постоянный ток с нужными параметрами.

Рис. 5. Приложение Function Generator (Генератор сигналов стандартной формы) ПО BenchVue

Для создания сигнала произвольной формы в ПО BenchVue нажмите кнопку Create Arb (Создать сигнал произвольной формы). Затем имеющийся сигнал произвольной формы может быть загружен с ПК или генератора сигналов произвольной формы. Также можно создать новый сигнал произвольной формы с помощью редактора формы сигнала.

При нажатии кнопки Create Arb откроется окно редактирования Waveform Builder (Конструктор формы сигнала), как показано ниже на рис. 6. Конструктор позволяет создавать сигналы как стандартной, так и сложной формы и даже рисовать мышью на экране сигналы специальной формы.

Рис. 6. Окно Waveform Builder (Конструктор формы сигнала) Keysight (33503A)

При желании для создания сигналов нужной формы можно также воспользоваться функцией Equation editor (редактор функций) (см. рис. 7). Для создания математического выражения достаточно выбрать нужные математические функции и операторы, а затем можно выполнить оценку и предварительный просмотр в графическом формате полученной формулы перед ее загрузкой в генератор сигналов произвольной формы.

Рис. 7. Редактор функций в приложении Waveform Builder

Одним из преимуществ работы с сигналами произвольной формы в ПО BenchVue является возможность создания последовательностей сигналов различной формы. Вы можете установить порядок сигналов определенной формы и задать повтор фрагментов нужное количество раз. Процесс передачи данных созданного сигнала произвольной формы также достаточно прост. Создавать файл CSV и передавать его на генератор сигналов произвольной формы вручную не требуется. Необходимые данные передаются с помощью ПО BenchVue с помощью нескольких щелчков мышью.

Создание сигналов произвольной формы — это совсем не сложно

На самом деле, при использовании современных генераторов сигналов произвольной формы создавать сигналы произвольной формы достаточно просто. Для быстрого создания собственных сигналов произвольной формы можно воспользоваться программой Excel. Если требуется воссоздать или изменить уже существующий сигнал, его можно записать и сохранить с помощью осциллографа. Затем с помощью карты флеш-памяти полученный файл CSV можно загрузить в генератор сигналов произвольной формы без необходимости в каком-либо программировании.

Если требуется регулярно создавать сигналы произвольной формы или использовать более широкие функции создания сигналов, обратите внимание на ПО BenchVue. Дополнительную информацию о генераторах сигналов стандартной и произвольной формы Keysight можно получить у специалистов компании «Диполь».