Signalerzeugung - Carl-Engler

Carl-Engler-Schule Karlsruhe
Signalerzeugung
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Signalerzeugung
1.1
Gerätetypen-Übersicht
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
R-C-Generator
Synthesizer
Funktionsgenerator
Signalgenerator
Sweep-Generator (Wobbelgenerator)
Pulsgenerator
Arbitrary-Generator
Vektor-Signalgenerator
Rauschgenerator
Random-Generator
Pattern-Generator
Delay-Generator
Gerätetypen
1.2.1 R-C-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.
1.2.2 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 SynthesizerGeneratoren 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 DigitalAnalog-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.
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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).
1.2.3 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.
1.2.4 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.
1.2.5 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.
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1.2.6 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).
1.2.7 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.
1.2.8 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
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



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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.
1.2.9 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).
1.2.10 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.
1.2.11 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.
1.2.12 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..
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Eigenschaften des Signalausgangs
1.3.1 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).
1.3.2 Kontinuierliche Ausgabe
Das eingestellte Signal liegt dauernd am Ausgang an.
1.3.3 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.
1.3.4 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
1.3.5 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.
1.3.6 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.
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1.3.7 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
1.4.1 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.
1.4.2 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).
1.4.3 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.
1.4.4 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)
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