Elektronische Generatoren und Signalerzeugung.

„Signalgenerator“ ist der Oberbegriff für alle signalerzeugenden Geräte in der Messtechnik. In der Regel erfolgt die Einteilung in Untergruppen, zum Beispiel (Arbiträr-) Funktionsgenerator, Vektor-Signalgenerator, Pulsgenerator (auch Impulsgenerator) oder Logikgenerator. Der Funktionsgenerator ist demnach ein Signalgenerator. Ein Funktionsgenerator erzeugt periodische elektrische Signale mit unterschiedlichen Kurvenformen, typischerweise Sinus-, Rechteck-, Dreieck- oder Sägezahn-Schwingungen. Diese Signalformen können in ihrer Amplitude, Frequenz und ihrem Offset benutzerdefiniert eingestellt werden.

Ein digitaler Funktionsgenerator arbeitet mit direkter digitaler Synthese (DDS). Die Genauigkeit hängt primär von der internen Auflösung der DDS ab. Als Taktquelle für die DDS dient im Regelfall ein Quarzoszillator. Über veränderbare Speichertabellen lassen sich auch beliebig programmierbare Kurvenformen erzeugen und periodisch ausgeben. Diese Funktionsgeneratoren werden als Arbiträrgenerator (auch Arbiträr-Funktionsgenerator) bezeichnet.

Ein Arbiträrgenerator (auch Arbiträr-Funktionsgenerator) kann eine benutzerdefinierte Abfolge von Amplituden erzeugen. Ist das Ende der vorgegebenen Liste erreicht, wird die Signalform erneut gestartet. Üblicherweise kommt hierfür eine direkte digitale Synthesetechnik (DDS) zum Einsatz. Man kann aber auch messtechnisch erfasste (reale) Signale in den Generator laden und abrufen. Die Komplexität der Signale ist begrenzt durch die gerätespezifische Abtastrate und Speichertiefe.

Arbiträrgeneratoren kommen als flexible Signalquelle in der Forschung und Entwicklung sowie im Servicebereich zur Fehlersuche, Schaltungsentwicklung und -optimierung oder zu Prüfzwecken zum Einsatz. Komplexere Signale können an einem externen PC mit speziellen Software-Programmen erstellt und über eine Schnittstelle in den Generator geladen werden. So ist es zum Beispiel möglich, ein Testsignal mit definierten Störungen oder Rauschen zu überlagern. Auch Digitalsignale, etwa zum Prüfen einer seriellen Datenübertragung, können mit dem Arbiträrgenerator erzeugt werden.

Beispiel: Das Elektrokardiogramm (EKG) eines Menschen hat einen bestimmten Funktionsverlauf, der mit dem klassischen Funktionsgenerator nicht nachgebildet werden kann. Ein solcher EKG-Verlauf kann zum Beispiel mit dem Oszilloskop aufgenommen und auf einen Arbiträrgenerator übertragen und abgerufen werden. Um Anomalien zu erzeugen, lässt sich die EKG-Signalform nun leicht modifizieren, indem einige Daten innerhalb des Datensatzes geändert werden. Eine Schaltung, die diese Anomalien erkennen soll, kann mit dem im Arbiträrgenerator gespeicherten EKG-Verlauf getestet werden. Es gibt Arbiträrgeneratoren, die speziell für Anwendungen in der Medizintechnik konzipiert und mit standardisierten Kurvenformen für die Humanmedizin ausgestattet sind.

Ein Logikgenerator (auch Logic Pattern Generator oder Digital Pattern Generator) ist ein spezieller Signalgenerator, der für die Erzeugung von digitalen Signalen konzipiert ist. Er kann üblicherweise arbiträr programmiert werden. Je nach Anwendungsgebiet bieten Logikgeneratoren unterschiedliche Signalbreiten (8-, 16-, 32-Bit) und können auf die im Logikbereich typischen Spannungslevel eingestellt werden (z. B. 5 V). Zu den Anwendungen mit dem Logikgenerator gehören unter anderem die Prüfung und Fehlersuche in digitaler Elektronik und eingebetteten Systemen, die Stimulation von Hardware für die digitale Signalverarbeitung oder die Stimulation von Digital-Analog-Wandlern.

Besonders komplexe Kommunikationssignale, beispielsweise im Bereich der Robotik oder Automotive, wiederholen sich in der Regel mehrere Sekunden lang nicht. Funktionsgeneratoren mit eine großen Speichertiefe ermöglichen es, einzelne lange Signalformen zu erzeugen oder diese in kleinere Segmente aufzuteilen. In der Robotik wird dasselbe Signal tausende Male wiederholt, jedoch mit variierenden steigenden und fallenden Flanken. Hier bietet die Segmentierung Vorteile: Sie lässt sich leichter einrichten und flexibel anpassen und erfordert weniger Speicherkapazität.

Mit der Arbiträrfunktion können auch Transienten oder Signalaussetzer eingefügt werden, um beispielsweise die Reaktion einer Schaltung auf seltene Signalereignisse zu testen. Die Segmentierung vereinfacht es, einmalige Zyklen abzuspielen oder das Verhältnis zwischen guten und schlechten Zyklen zu variieren. Die Sequenzierung von Signalformen kann die Testeffizienz erheblich verbessern. Sie ermöglicht vielfältige Signalkombinationen, indem die Reihenfolge und die Anzahl der Zyklen von jedem Segment geändert werden.

Additive Rauschsignale (Summensignale) eignen sich, um die Störfestigkeit eines elektronischen Systems zu testen. Ein Summensignal ist die Überlagerung mehrerer Sinuswellen oder Signalformen, die jeweils ihre eigene Amplitude, Phase und Frequenz haben. In vielen Prüfvorschriften ist ein solches Testsignal vorgegeben, weil sich Schaltungen oder Komponenten hiermit schnell und effizient über die gesamte Bandbreite stimulieren lassen. Zudem kann man den Frequenzgang eines Prüflings für eine gewünschte Auswahl an Frequenzen bestimmen oder Messungen wie eine Intermodulationsverzerrung durchführen. Um ein additives Rauschsignal zu erhalten, bieten sich zwei Methoden an.

Methode 1: Man verbindet zwei (oder mehr) Funktionsgeneratoren parallel miteinander und addiert deren Amplituden zu einer einzigen Wellenform. Taktquelle und Phasensteuerung der Funktionsgeneratoren müssen übereinstimmen, um die Signale synchronisieren zu können.

Methode 2: Die Signalform wird mathematisch erstellt und das Ergebnis in den Arbiträr-Funktionsgenerator geladen. Je nach Testdauer können einzelne Arbiträr-Signalformen oder ein wiederholbares Signalsegment ohne Anomalien erzeugt werden.

Mit einem Funktionsgenerator lassen sich auch Triggersignale, Taktsignale und logische Steuerungssignale erzeugen. Ein spezieller Pulsgenerator ist hierfür nicht erforderlich. Beim Entwurf einer Steuerschaltung kann der Funktionsgenerator als externe Quelle für Triggerverzögerungen dienen. Für die Erzeugung von Pulsen bieten Funktionsgeneratoren in der Regel drei Funktionen: die Rechteckfunktion, die Arbiträrfunktion und den Pulsmodus.

Rechteckfunktion: Erzeugen Sie Pulse, indem Sie das Tastverhältnis (duty cycle) eines Rechtecksignals variieren, üblicherweise zwischen 20 und 80 %. Für ein höheres oder niedrigeres Tastverhältnis verwenden Sie den Burst-Modus. Hiermit lassen sich sowohl Einzelzyklus-Pulse eines Rechtecksignals ausgeben als auch die Wartezeit (Totzeit) vor dem Senden der nächsten Pulssequenz festlegen.

Arbiträrfunktion: Werden vielfältige Pulsfolgen und Muster benötigt, können Sie mit der Arbiträrfunktion benutzerdefinierte Formen und Parameter festlegen. Für eine optimale Zeitauflösung sind möglichst viele Datenpunkte erforderlich, die den Puls beschreiben. Mit entsprechender Software-Unterstützung lässt sich ein Funktionsgenerator über den PC steuern und automatisieren, was die Erstellung von Arbiträrsignalen erheblich vereinfacht.

Pulsmodus: Einige Funktionsgeneratoren verfügen über eine integrierte Pulsfunktion. Über die Eingabe der Hauptparameter wie Periode, Pulsbreite, Anstiegs- und Abfallzeit lassen sich Pulse hiermit besonders einfach und flexibel erstellen. Mit dem Burst-Modus können auch komplexe Pulsfolgen generiert werden. In Kombination mit einer Triggerverzögerung ermöglicht dies hochpräzise Triggersignale, wenn ein externes Gating-Signal verfügbar ist.

Schaltungen, die Signale verstärken, mischen oder modulieren sollen, lassen sich mit einem reinen Sinussignal, das nur eine geringe harmonische Verzerrung aufweist, effizient testen. Je sauberer ein Funktionsgenerator die Sinusfunktion ausgibt, desto präziser können Fehler erkannt und behoben werden. Alle periodischen Signale lassen sich nach Fourier als Summe ihrer Harmonischen mit den jeweiligen Teilamplituden der Grundwelle zerlegen. Signalanteile, die nicht zur idealen Signalform gehören, sind mit einem Spektrumanalysator leicht erkennbar (Verzerrungen, bedingt durch Nichtlinearitäten, Einstreuungen etc.).

Der Rauschpegel eines Funktionsgenerators kann mit einem Spektrumanalysator überprüft werden, indem man testet, ob die angegebene Bandbreite dem 3-dB-Punkt entspricht und ob der Generator Sinuswellen oder auch Rechteckfunktionen bis zur angegebenen Bandbreite ausgeben kann. Bei einer reinen Sinusschwingung ist das Verhältnis der Summe aller Oberschwingungen zur Grundfrequenz (Grundschwingung) die harmonische Verzerrung des Generators (Gesamtverzerrungsfaktor THD / total harmonic distortion).

Die Verkabelung des Messaufbaus kann das Rauschen erheblich beeinflussen. Mit qualitativ hochwertigen, möglichst kurzen Messleitungen und geeigneten Steckern, die nur das gewünschte Signal an den Schaltkreis weiterleiten, lassen sich Störeinflüsse minimieren. Ein doppelt geschirmtes Koaxialkabel verhindert, dass unerwünschte Signale in das Quellsignal einkoppeln. Eine Impedanzanpassung der Signalquelle, Kabel und Schaltung eliminiert Reflexionen und maximiert die übertragene Leistung.

Ob ein Funktionsgenerator für Ihre Anwendung geeignet ist, entscheiden sowohl technische Parameter als auch integrierte bzw. optionale Funktionalitäten, unter anderem:

• Frequenzbereich: höchste und niedrigste benötigte Signalfrequenz (entscheidend für Bandbreite und Abtastrate)
• Ausgangsspannung (Amplitude)
• Anzahl der Ausgangskanäle (analoge und digitale)
• Genauigkeit: Vertikalauflösung, spektrale Reinheit, Frequenz- bzw. Zeitgenauigkeit, Jitter (ergibt sich aus der benötigten Signalqualität)
• Art und Komplexität der Ausgangssignale: entscheidend für Speichertiefe, Sequenzer, Modulationsfunktionen
• Integrierte Signalfunktionen (z. B. Pulsmodus oder Arbiträrfunktion)
• Modulationsarten (typische Modulationsarten: Amplitudenmodulation AM, Frequenzmodulation FM, Pulsbreitenmodulation PWM, Amplituden-Shift-Keying ASK, Frequenz-Shift-Keying FSK, Phase-Shift Keying PSK, Binary Phase-Shift-Keying BPSK, Quadratur-Amplituden Modulation QAM)
• Offset-Bereich: wirkt sich auf die nutzbare Signalamplitude aus, wenn zusätzlich ein Gleichspannungsanteil überlagert werden muss
• Signalausgänge (massebezogen, differentiell)
• Triggereingänge
• Synchronisationsanschlüsse: für die zeitliche Synchronisation der Ausgangssignale mit weiteren Messgeräten
• Software-Optionen (Bedienbarkeit über den PC, Automatisierung, Fernsteuerung etc.)
• Hardware-Schnittstellen (Anschlussmöglichkeiten, Datentransfer etc.)