Funktionsgenerator

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 ... 30 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.
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.
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.
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.
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.