Funktionsgenerator. Amplitudenmodulation (AM), Frequenzmodulation (FM), Pulsmodulation (PM) und spannungsgesteuerter

Transkript

1 Funktionsgenerator Zur Beschreibung von Signalquellen sind verschiedene Bezeichnungen gebräuchlich, z.b. Signalgenerator, Funktionsgenerator, Pulsgenerator oder Waveformgenerator. Durch diese Unterteilung wird das Anwendungsspektrum der Signalquelle verdeutlicht. Es sei darauf hingewiesen, dass zwischen den einzelnen Generatortypen hinsichtlich ihrer Leistungsmerkmale Überschneidungen existieren. Dies findet seinen Ausdruck in Produktbezeichnungen wie Funktionspulsgenerator oder Funktionswaveformgenerator. Auf Grund seiner vielfältigen Einsatzmöglichkeiten werden der Aufbau und die Arbeitsweise eines Funktionsgenerators beschrieben. Von den genannten Generatoren ist der Funktionsgenerator die vielseitigste elektrische Signalquelle. Kein anderer Generator weist eine ähnliche Vielfalt an einstellbaren Funktionen und Signalparametern auf. Jeder Funktionsgenerator liefert Signale der Kurvenform wie Sinus, Dreieck und Rechteck. Oft werden weitere Signalformen angeboten wie Sägezahn Sinushalbwelle Trapez Rechteck mit wählbarem Tastverhältnis (Puls) Als Betriebsarten werden angeboten: Cont Mode (kontinuierliche Signalerzeugung) Gate Mode (Ausgangssignal nur während internem oder externem eingeschaltetem Gatesignal vorhanden) Burst Mode (Ausgangssignal mit voreinstellbaren Perioden nach internem oder externem Triggersignal) Sweep Mode (Linearer oder logarithmischer Sweep mit einstellbarer Start- Stop- und Markenfrequenz) Das Ausgangssignal kann bei vielen Funktionsgeneratoren auch in modulierter Form erzeugt werden. Es sind verschiedene Modulationsarten teilweise auch gleichzeitig möglich: Amplitudenmodulation (AM), Frequenzmodulation (FM), Pulsmodulation (PM) und spannungsgesteuerter Oszillator (VCO). Frequenzbereich Die Ausgabefrequenz reicht von 0,1 µhz bis 100 MHz Signalformqualität Besonderer Wert wird bei allen Generatoren auf die Signalformqualität gelegt. Bei Sinussignalen ist auf den Harmonischenanteil (Klirrfaktor), bei Dreieckssignalen auf den Linearitätsfehler (besonders zwischen 10 bis 90 % der Signalflanke) zu achten. Rechtecksignale werden durch die Angabe von Anstiegs-/Abfallzeit und das Überschwingen beschrieben. Amplitudenstellbereich Der Einstellbereich der Ausgangsamplitude beträgt bei einigen Generatoren Upp = 0,1 mv V und gilt für alle Signalformen. Die erreichbare Genauigkeit hängt vom gewählten Amplitudenbereich ab. Gute Geräte erreichen eine Genauigkeit von 0,1 % des Einstellwertes. DC-Offset Allen Signalformen kann ein Gleichspannungsanteil überlagert werden. Die Symmetrieeinstellung ermöglicht, dass der aufsteigende oder fallende Teil einer Signalform im Bereich von 5 bis 95 % variiert werden kann.

2 Burst Mode Im Burst Mode wird nach internem oder externem Trigger eine voreinstellbare Zahl von ganzen Signalperioden erzeugt. Der Burst Mode ist für jede Signalform, auch bei beliebiger Symmetrieeinstellung, möglich. Die Start-Phase kann von 90 bis +90 eingestellt werden. Dadurch ist die Stop-Phase festgelegt. Sie ist dann n 2. Gate Mode Im Gate Mode wird das Ausgangssignal für die Dauer des internen oder externen Gate-Signals eingeschaltet. Eine begonnene Periode wird immer beendet. Sweep Mode Interner linearer oder logarithmischer Sweep ist bei frei wählbarer Start- und Stopfrequenz über den gesamten Frequenzbereich möglich. Folgende Sweep-Parameter können eingestellt werden: Start-Stop-Frequenz, Ablaufzeit, Pausenzeit zwischen zwei Abläufen und Markenfrequenzen. Aufbau eines Funktionsgenerators Dreiecksgenerator Zentraler Schaltungsteil dieses Funktionsgenerators ist der Dreiecksgenerator mit den beiden steuerbaren Stromquellen, dem Integrationskondensator C, der Komparatorschaltung und der Rückkopplung über den Diodenbrückenschalter. Abb.: Schaltbild eines Dreiecksgenerators Zur Schaltungsbeschreibung sei der Zeitpunkt betrachtet, in dem der Komparator auf seinem positiven Ausgangswert z.b. +3 V gesprungen ist. Am positiven Komparatoreingang stellt sich über den Spannungsteiler eine Vergleichsspannung von +1,5 V ein. Im Diodenschalter sperren die Dioden D1 und D4, die Stromquelle I+ lädt jetzt den Integrationskondensator. Ist die Schwellspannung von +1,5 V erreicht, schaltet der Komparator auf seinen negativen Wert von z.b. 3V. Damit wird über den Spannungsteiler sein Vergleichswert auf 1,5 V gesetzt und die Dioden D2 und D3 sperren. Die damit am Integrationskondensator erzeugte Dreieckspannung ist nicht nur eine Signalform des Generators, sondern auch das Basissignal für die anderen Signalformen.

3 Da die Frequenz des Dreiecksignals von den Ladeströmen bestimmt wird, erfolgt die Frequenzfeineinstellung über die Ströme I+ und I-. Um den über einige Dekaden reichenden Frequenzbereich abzudecken, sind mehrere Kondensatoren erforderlich, die in Abhängigkeit von der gewählten Signalfrequenz zugeschaltet werden. Das Ausgangssignal des Komparators wird als Basissignal für die Signalform Rechteck genutzt. Durch Potentialverschiebung und Begrenzung auf TTL-Pegel wird das Synchronsignal erzeugt. Für den Gate- und Burstbetrieb ist eine Oszillatorsperre vorgesehen, die die Spannung am Integrationskondensator auf 0 V festhält. Im Gate Mode wird die Oszillatorsperre für ein vorgegebenes Zeitintervall freigegeben. Im Burst Mode wird die Anzahl der erzeugten Perioden gezählt und mit Erreichen der gewählten Perioden die Oszillatorsperre wieder aktiv geschaltet. Im Sinusformer wird über ein Dioden-Widerstandsnetzwerk aus dem Dreiecksignal das Sinussignal gebildet. Abb.: Sinusformer mit Dioden-Widerstandsnetzwerk Für kleine Eingangsspannungen muss das Netzwerk die Verstärkung 1 aufweisen und bei höheren Spannungen des Dreiecksignals muss die Verstärkung kleiner werden. Im dargestellten Netzwerk wird eine stückweise Approximation über das Diodennetzwerk erreicht. Für kleine Eingangsspannungen ist Ua = Ue. Wird Ue größer als U1, so beginnt D1 zu leiten. R1 und R4 bilden mit Rv einen Spannungsteiler. Steigt Ue weiter an, so werden die Dioden D2 und D3 zusätzlich leitend. Entsprechend verhält sich das Netzwerk bei negativen Spannungen von Ue.

4 Programmierbare Amplitude Als Schaltungsdetail eines Funktionsgenerators soll der Amplitudensteller besprochen werden. Das nachfolgende Bild zeigt die Ausgangsschaltkreise. Abb.: Blockschaltbild der Ausgangskreise eines Funktionsgenerators Mit dem 0/20/40dB Stufenabschwächer am Verstärkerausgang wird die Grobeinstellung der Amplitude durchgeführt. Die Feineinstellung der Signalamplitude erfolgt mit dem Amplitudensteller vor dem Ausgangsverstärker. Das nächste Bild zeigt das Funktionsprinzip des Amplitudenstellers. Von den geschalteten 8 Widerstandszweigen sind 7 dual gestuft. Zusammen mit dem achten Zweig, dessen Leitwert 73G ist, ist die Ausgangsspannung Ua - proportional zum geschalteten Leitwert - in 200 gleichen Inkrementen bis zum Maximum einstellbar. Abb.: Schaltung eines Amplitudenstellers. Die gezeichnete Kontaktstellung ergibt maximale Amplitude.

5 Bei realisierten Schaltungen sind die Schalter durch Transistoren bzw. Dioden mit geringer Sperrschichtkapazität verwirklicht. Dadurch werden folgende Zielsetzungen erreicht: größtmögliche Zuverlässigkeit und Lebensdauer sowie geringe Schaltzeiten flacher Amplitudengang und gutes Spannungssprungverhalten für Frequenzen bis 50 MHz durch das Prinzip der Messerde verbindenden Doppelkontakte zu jedem Widerstandszweig mit geringer Kapazität der seriellen Schalter im geöffneten Zustand Neben den angedeuteten Anforderungen an solche Amplitudensteller ist beispielsweise ein stabiles Gleichspannungsübertragungsverhalten besonders wichtig. Da über die Ausgangsschaltkreise auch Signale ultratiefer Frequenz übertragen werden, muss der gesamte Signalweg durchgängig gleichspannungsgekoppelt sein. Für geringe Gleichspannungsdrift des Ausgangssignals ist also ein möglichst temperaturunabhängiges Gleichspannungsübertragungsverhalten des Amplitudenstellers erforderlich. Dieser Forderung wird durch komplementären Aufbau und TK-Kompensation der einzelnen bipolaren Transistorstufen der Schaltung Rechnung getragen. Der Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass der Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1 immer die gleiche Last treiben muss, unabhängig von der Stellung der Schalter (siehe R-2R-Netzwerk bei DAU). Ein weiterer Vorteil der Schaltung besteht darin, dass sowohl Ein- als auch Ausgang der Schaltung niederohmig sind. Daher ist die Störbeeinflussung gering.