Carl-Engler-Schule Karlsruhe Signalerzeugung 1 (6) Signalerzeugung

Transkript

1 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Signalerzeugung 1 (6) 1.1 Gerätetypen-Übersicht Signalerzeugung Zur Erzeugung elektrischer Signale mit genau festgelegten Eigenschaften werden im Labor Geräte eingesetzt, deren Bezeichnungen vom Funktionsprinzip, vom Anwendungsbereich oder von der Signalform abgeleitet sind. Allen Signalquellen gemeinsam ist die Fähigkeit, sich periodisch wiederholende Signalformen zu erzeugen. Einige Geräte erlauben auch die Ausgabe einer einzelnen Signalperiode oder einer Gruppe von Signalperioden. Den Schaltungsteil einer Signalquelle, der die Schwingungen erzeugt, nennt man auch Oszillator. Die gebräuchlichsten Gerätebezeichnungen sind: 1.2 Gerätetypen R-C-Generator R-C-Generator Synthesizer Funktionsgenerator Signalgenerator Sweep-Generator (Wobbelgenerator) Pulsgenerator Arbitrary-Generator Vektor-Signalgenerator Rauschgenerator Random-Generator Pattern-Generator Delay-Generator Die Bezeichnung R-C-Generator bezieht sich auf das Netzwerk aus Widerständen (R) und Kondensatoren (C), aus dem der Rückkopplungszweig der schwingungserzeugenden Schaltung (Oszillator) aufgebaut ist. Die Frequenz wird durch Veränderung der Widerstände oder der Kapazitäten variiert. Es handelt sich um eine reine Analog-Schaltung, mit der sich besonders reine Sinusschwingungen erzeugen lassen Synthesizer Der Begriff Synthesizer beschreibt ein Funktionsprinzip. Die Schwingungen sind (synthetisch) aus den Schwingungen eines Quarzes abgeleitet. Die Frequenz eines Quarzes weist eine hohe Langzeitstabilität und eine geringe Abhängigkeit von der Temperatur auf. Die unveränderbare Frequenz des Quarzes wird durch digital einstellbare Frequenzteiler heruntergeteilt. Es lassen sich nun drei Arten von Synthesizer- Generatoren unterscheiden: a) Die vom Quarz abgeleiteten Schwingungen werden durch Filterschaltungen auf die gewünschte Kurverform gebracht, verstärkt und an den Geräteausgang geführt. b) Die vom Quarz abgeleiteten Schwingungen werden als Bezugsfrequenz für eine PLL-Schaltung (Phase Locked Loop) verwendet, die einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO: Voltage Controlled Oscillator) in der Frequenz stabilisiert. c) Die vom Quarz abgeleiteten Schwingungen werden als Taktfrequenz benutzt, um einen Digital-Speicher in einem bestimmten Takt auszulesen. In diesem Speicher sind die Funktionswerte der gewünschten Signalform in digitalem Code gespeichert. Durch zyklisches Auslesen und Umsetzen in einem Digital- Analog-Umsetzer (ADU) mit anschliessender Glättung erhält man die digital gespeicherte Kurvenform als Analogsignal am Ausgang des Generators (siehe auch Arbitrary-Generator). Bei dieser Art der Schwingungserzeugung und -stabilisierung (Synthesizer) lässt sich eine Frequenzauflösung von 0.01% erreichen. Die PLL-Schaltung besitzt allerdings grosse Einschwingzeiten (z.b. 100 Signalschwingungen) bei Frequenzänderungen, so dass sich ein Synthesizer nicht für eine getriggerte Signalerzeugung eignet (vgl. Triggerung und Gating). Ergänzung: PLL-Schaltung PLL steht für Phase Locked Loop. Die elektronische Schaltung bildet einen Regelkreis, bei dem die Regelgrösse die Phasenverschiebung zwischen zwei Schwingungen ist. Ein VCO bildet die Regelstrecke. signalerzeugung.odt Nov Seite 1 von 6

2 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Signalerzeugung 2 (6) Eine zur Phasenverschiebung proportionale Steuerspannung regelt die Frequenz des VCO auf die Frequenz des Quarzes ein, wobei im "eingerasteten" Zustand die Phasenverschiebung zwischen beiden Schwingungen sich nicht mehr verändert. Werden zum Phasenvergleich heruntergeteilte Frequenzen des Quarzes bzw. des VCO verwendet, so lässt sich die Frequenz des Ausgangssignals auch auf gebrochene Verhältnisse der Quarzfrequenz stabilisieren (Fractional Frequency Synthesis oder Fractional N) Funktionsgenerator Die Bezeichnung Funktionsgenerator wird verwendet, wenn zwischen mehreren Signalformen gewählt werden kann. Typische Signalformen sind Sinus, Rechteck, Puls, Dreieck und Sägezahn. Häufig werden die Signale durch eine Analogschaltung erzeugt. Ein Oszillator erzeugt eine einzige Signalform, z.b. eine Sinusschwingung. Die weiteren Signalformen werden dann daraus durch elektronische Schaltungen abgeleitet. Am Ausgang eines Schmitt-Triggers ergibt sich dann ein Rechtecksignal und eine anschliessende Integration macht daraus ein Dreiecksignal. Auch der Weg über Sägezahn-Generator, Rechteckformung mit Schmitt-Trigger und Bildung einer sinusähnlichen Kurvenform durch ein Diodennetzwerk ist möglich. Frequenz und Spannung sind durch Potentiometer in Grenzen frei wählbar. Durch Alterung und Temperaturabhängigkeit ergibt sich eine beschränkte Frequenzstabilität und Frequenzgenauigkeit. Neuere Funktionsgeneratoren erzeugen die Analogsignale aus digital berechneten Funktionswerten Signalgenerator Das Ausgangssignal eines Signalgenerators ist eine modulierbare Sinus-Spannung, vom Niederfrequenzbereich (NF-Generator) bis zum Hochfrequenzbereich (HF-Generator). Es werden hohe Anforderungen an die spektrale Reinheit gestellt, d.h. die Schwingungen sollen eine möglicht genaue Sinusform aufweisen. Abweichungen von der reinen Sinusform lassen sich als Oberwellen beschreiben. Diese Sinusschwingung muss von aussen (extern) oder durch einen eingebauten (internen) Modulationsgenerator modulierbar sein. Zu unterscheiden sind hier: Amplitudenmodulation Frequenzmodulation Phasenmodulation Signalgeneratoren arbeitet fast ausschliesslich nach dem Prinzip der Frequenzsynthese mit Ringmischer (Ringmodulator). Einsatzbereiche des Signalgenerators sind HF-Nachrichtenübertragungssysteme, Mikrowellen und Radar Sweep-Generator (Wobbel-Generator) Bei einem Sweep-Generator kann die Frequenz des Ausgangssignals periodisch über einen wählbaren Bereich hin und her verändert werden. Die Frequenz des Generators wird durch eine Spannung eingestellt (VCO: Voltage Controlled Oscillator = spannungsgesteuerter Oszillator). Diese Steuerspannung wird von einem eingebauten Tracking-Generator erzeugt. Dessen Frequenz (Sweep Rate) bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Frequenz des Ausgangssignals variiert. Seine Amplitude legt den Frequenzbereich des Ausgangssignais (Wobbelhub) fest. Ein Wobbelhub von 1 bis 3 Dekaden ist typisch. Der Sweep-Mode legt fest, ob sich die Frequenz des Ausgangssignals linear oder logarithmisch (manchmal zusätzlich sinusförmig oder zufällig möglich) mit der Steuerspannung ändert. Wird diese Steuerspannung zur Horizontalablenkung eines Oszilloskops verwendet, so lässt sich damit der Amplituden-Frequenzgang von Schaltungen direkt auf dem Oszilloskopschirm darstellen. Bei Funktionsgeneratoren findet man häufig einen Eingang für ein externes Wobbeisignal. signalerzeugung.odt Nov Seite 2 von 6

3 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Signalerzeugung 3 (6) Puls-Generator Pulsförmige Signale werden benötigt, um Digitalschaltungen anzusteuern oder um das Verhalten komplexer Systeme (z.b. Regelkreise) zu untersuchen. Meist werden Rechteckpulse erzeugt, bei denen die Pulsfrequenz, die Pulshöhe, der Tastgrad und die Polarität gewählt werden können. Die Ausgabe der Pulse kann kontinuierlich, durch Torsteuerung (Gating) oder durch Triggerung erfolgen. Zusätzliche Funktionen erlauben die Ausgabe von einzelnen Pulsen (Einzelschuss) oder einer Pulsgruppe (Burst) oder auch das Unterdrücken (Supress) einzelner oder mehrerer Pulse zur Fehlersimulation. Typische Anwendungen sind die Steuerung von Experiment-Abläufen, Blitzlampen-Steuerung, Erzeugung von Laserpulsen (Q-Switching) oder die Steuerung von Lumineszenz-Abklingprozessen (Quench Delay Control) Arbitrary-Generator (arbitrary = willkürlich, frei wählbar) Mit dem Arbitrary-Generator lassen sich Signalformen beliebiger Art erzeugen. Die Funktionswerte einer Signalperiode werden digital gespeichert, periodisch ausgelesen und über einen Digital-Analog-Umsetzer ausgegeben. Die Festlegung der Daten kann erfolgen vom Benutzer durch Eingabe von mathematischen Funktionen, durch Tastatureingabe der Funktionswerte durch Einlesen der Daten vom Rechner aus. Willkürlich gestaltbare Signalformen werden benötigt bei der Simulation von Sensor-Signalen, der Simulation von EKG-Signalen und als Steuersignale für Test- und Prüfgeräte Vektor-Signalgenerator Für Test, Analyse und Simulation von drahtlosen Funksystemen werden Signale benötigt, die in den für die Kommunikation wichtigen Eigenschaften sehr präzise eingestellt und variiert werden können. Diese typischen Eigenschaften sind: Amplitude Frequenz Phase Leistung spektrale Reinheit Rauschsignale signalerzeugung.odt Nov Seite 3 von 6

4 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Signalerzeugung 4 (6) analoge Modulation (AM, FM, ΦM) Pulsformen digitale Modulation (FSK, PSK) typische Kommunikationssignale (WLAN, GSM, GRPS, Bluetooth, GPS) Diese Signale lassen sich vom khz- bis zum GHz-Bereich digital mit Signalprozessoren erzeugen Rauschgenerator (Noise Oscillator) Ein Rauschgenerator erzeugt eine zufallsverteilte Folge von Spannungswerten. Die Spannung kann aus der Wärmebewegung der Elektronen in einem Widerstand (thermisches Rauschen) abgeleitet sein, durch einen digitalen Zufallgenerator erzeugt oder durch Rechenverfahren aus einem Startwert gewonnen werden (pseudozufällig). Die Häufigkeit der auftretenden Amplitudenwerte kann gleichverteilt oder durch eine statistische Verteilungsfunktion (z.b. Normalverteilung) bestimmt sein. Das Rauschsignal kann man sich zusammengesetzt denken aus sehr vielen verschiedenen Sinusschwingungen über einen grossen Frequenzbereich. Durch Filterschaltungen oder Rechenverfahren (digitale Filterung) lässt sich die Frequenzverteilung des weissen Rauschens (alle Frequenzen sind mit gleicher Amplitude vertreten) verändern. Eine Filterung durch einen Tiefpass führt zu rosa Rauschen oder bandbegrenztem Rauschen, selektive Filter können z.b. eine Normal- oder Poissonverteilung der Frequenzen ergeben. Rauschgeneratoren werden z.b. benötigt, wenn man Störungen in Nachrichten- oder Datenübertragungseinrichtungen untersuchen will oder zur Steuerung mechanischer Schwingungsanreger (Shaker) Random-Pulse-Generator Im Gegensatz zum Rauschgenerator, bei dem die Zufälligkeit in der Signalhöhe liegt, werden beim Random-Pulse-Generator Pulse gleicher Höhe erzeugt, die bezüglich ihres Erscheinungszeitpunktes zufällig sind Pattern-Generator (Wortgenerator, Mustergenerator) An einem Digital-Ausgang (8 bit, 16 bit, 32 bit) wird einmalig, schrittweise oder periodisch eine Signalfolge erzeugt. Damit lassen sich Digitalschaltungen steuern und testen oder auch Prozessabläufe simulieren Delay-Generator (Verzögerungs-Generator) Im einfachsten Fall besitzt der Generator einen Eingang für Pulse und gibt am Ausgang einen um eine festgelegte Zeit verzögerten Ausgangspuls aus. Getriggert wird auf den Eingangspegel oder die Flankensteilheit des Pulses. Die Form des Ausgangspulses (Pegel, Dauer des Pulses, minimaler Abstand zwischen den Ausgangspulsen, Flankensteilheit) lässt sich bei komfortableren Geräten wählen. Ausserdem muss muss das Verhalten des Gerätes festgelegt sein, für den Fall, dass vor Abschluss eines Ausgangspulses ein neuer Eingangspuls eintrifft. Delay-Generatoren werden z.b. benötigt, um Signal-Laufzeiten auszugleichen, bei der Bestimmung von Korrelationen zwischen Signalen, zur Triggerverzögerung, Ansteuerung von Blitzlampen, Q-Switching (optische Schalter) oder zur Totzeit-Reduktion von Zählern. Die Auflösung im Zeitbereich geht bis zu wenigen ps herunter, die Pulsrate bis zu einer Höhe von etwa 1MHz, die Verzögerungszeit geht typisch bis in den Sekundenbereich.. signalerzeugung.odt Nov Seite 4 von 6

5 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Signalerzeugung 5 (6) 1.3 Eigenschaften des Signalausgangs Ausgänge für das Signal und zur Synchronisation Das Ausgangs-Signal der Signalquelle wird meist auf einem BNC-Anschluss (Bajonett Nut Connector) ausgegeben. Um der Quelle auch eine definierte Leistung entnehmen zu können, besitzt der Ausgang einen definierten Innenwiderstand. Häufig sind auch mehrere Ausgänge mit verschiedenen Innenwiderstaänden anzutreffen. In der Signaltechnik typische Werte sind 50 Ohm und 600 Ohm. Die mit einem Voltmeter oder Oszillokop gemessenen Spannungswerte sind doppelt so gross wie im Fall der maximalen Leistungsabgabe (Leistungs-Anpassung). Um Digitalschaltungen zu synchronisieren, wird oft auf einem separaten Ausgang ein TTL-Signal (Rechteck 0V/5V mit gleicher Frequenz und Phase) ausgegeben. Beim Betrieb mehrerer Generatoren gleicher Frequenz lassen sich von einem Master-Generator aus die anderen Generatoren (Slaves) synchronisieren. Ein Clock-Ausgang stellt das Taktsignal des frequenzbestimmenden Quarzes zur Verfügung. Ein eventuell vorhandener Clock-Eingang ermöglich den Ersatz des internen Quarzes durch einen externen Takt. Die Ausgänge von Generatoren für digitale Signale besitzen die in der Digitaltechnik üblichen Eigenschaften (Signaleigenschaften, serielle oder parallele Ausgabe, Zeitverhalten, Belastungsverhalten, Anschlussstandards) Kontinuierliche Ausgabe Das eingestellte Signal liegt dauernd am Ausgang an Torsteuerung (Gating, gate = Tor) Bei der Torsteuerung ist das Signal nur so lange an den Ausgangsbuchsen verfügbar, wie die Spannung am Gate-Eingang auf High-Pegel liegt. Intern werden die Schwingungen dauernd erzeugt, das Ausgangstor kann jedoch geöffnet und geschlossen werden. Beim Öffnen des Tores wird das Signal in seiner momentanen Phasenlage ausgegeben. Diese ändert sich nicht im Vergleich zu einem kontinuierlich ausgegebenen Vergleichssignal Trigger (trigger=drücker; trigger off = auslösen) Beim Triggern befindet sich die Signalerzeugung in Wartestellung. Erst beim Eintreffen des Triggersignals wird die Schwingungserzeugung gestartet. Dadurch beginnt das Signal immer mit einer festgelegten Phasenlage (Phasenwinkel bzw. Startpolarität ist manchmal wählbar). Im Gegensatz dazu läuft beim Gating das Signal intern weiter. Interne Triggerung bedeutet, dass sich das Gerät beim Einschalten des Bereichs selbst das Auslösesignal gibt. Bei externer Triggerung wird das Auslösesignal von aussen über den Trigger-Eingang zugeführt. Als Startbedingung (Triggermode) kann das über- oder Unterschreiten eines Spannungspegels dienen (Pegeltriggerung), das Überschreiten einer bestimmten Flankensteilheit (positive oder negative Flankentriggerung) oder auch das Vorhandensein eines bestimmten Digitalsignals (digital triggering). Je nach Gerät wird nach dem Triggerereignis die Signalausgabe unterschiedlich lange fortgesetzt: eine einzelne Schwingung eine fest vorgegebene Anzahl von Schwingungen eine festgelegte Ausgabedauer bis zum Eintreffen eines Stop-Signals kontinuierlich Burst (burst = Ausbruch, Explosion) Unter einem Burst versteht man ein Paket von Schwingungen. Am Ausgang erscheint einmalig oder periodisch (mit Pausen) ein Schwingungspaket mit festgelegter Anzahl von Schwingungen. Damit lässt sich das Ein-und Ausschwing-Verhalten von Systemen untersuchen Suppress (suppress = Unterdrückung) Manche Funktionsfehler entstehen durch den Ausfall oder die Verformung kleiner Signalabschnitte. Zur Simulation findet man bei Rechteckgeneratoren (selten) die Funktion, einzelne Pulse in einer kontinuierlichen Folge zu unterdrücken. signalerzeugung.odt Nov Seite 5 von 6

6 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Signalerzeugung 6 (6) Sweep (sweep = Schwung, Bogen) Beim Sweep handelt es sich um ein sinusförmiges Signal konstanter Amplitude, dessen Frequenz kontinuierlich erhöht oder erniedrigt wird. Zur Beschreibung werden Start- und Endfrequenz, sowie die Dauer des Sweeps benötigt. Häufig kann zwischen einer linearen und einer logarithmischen Frequenzänderung in der Zeit gewählt werden. 1.4 Modulation Amplitudenmodulation Wird die Amplitude eines Signals (Trägersignal) im Rhythmus eines Steuersignals (Modulationssignal) verändert, spricht man von Amplitudenmodulation. Dabei bei muss die Frequenz des Modulationasignals (Modulationsfrequenz) deutlich kleiner als die Frequenz des Trägersignals sein und die Modulationsspannung kleiner als die Trägerspannung. Der Modulationsgrad gibt das Verhältnis von Modulationsspannung zu Trägerspannung an Frequenzmodulation Bei der Frequenzmodulation ändert sich die Frequenz des sinusförmigen Trägers in Abhängigkeit von der Modulationsspannung. Die Amplitude des modulierten Signals bleibt dabei konstant. Wie weit sich die Frequenz durch die Modulation nach oben oder nach unter verschieben kann, wird durch die Grösse Frequenzhub (in Hz pro V) angegeben. (--> Chirp, Wobbeln) Phasenmodulation Bei der Phasenmodulation ist die Phasenverschiebung gegenüber einem Bezugssignal (Referenzsignal) die informationstragende Grösse, d.h. die Phasenverschiebung des Trägersignals ändert sich im Rhytmus der Modulationsspannung. Die maximale Abweichung der Phase wird durch den Phasenhub angegeben Modulationsarten bei Pulsen In pulsförmigen Signalen lässt sich Information durch verschiedene Signalparameter übertragen: Puls-Amplituden-Modulation (PAM) Puls-Frequenz-Modulation (PFM) Puls-Phasen-Modulation (PPM) Puls-Dauer-Modulation (PDM) Puls-Code-Modulation (PCM) Delta-Modulation (DM) signalerzeugung.odt Nov Seite 6 von 6