Генератор функций

Синусоидальные , квадратные , треугольные и пилообразные формы волн

В электротехнике генератор функций обычно представляет собой часть электронного испытательного оборудования или программного обеспечения, используемого для генерации различных типов электрических сигналов в широком диапазоне частот . Некоторые из наиболее распространенных форм сигналов, создаваемых генератором функций, — это синусоидальная волна , прямоугольная волна , треугольная волна и пилообразная форма . Эти формы сигналов могут быть как повторяющимися, так и однократными (для чего требуется внутренний или внешний источник запуска). ^[1] Еще одной функцией, включенной во многие генераторы функций, является возможность добавления смещения постоянного тока . Интегральные схемы, используемые для генерации сигналов, также могут быть описаны как ИС генератора функций.

Хотя генераторы функций охватывают как аудио , так и радиочастоты , они обычно не подходят для приложений, которым требуются сигналы с низким искажением или стабильной частотой. Когда требуются эти характеристики, другие генераторы сигналов будут более подходящими.

Некоторые генераторы функций могут быть синхронизированы по фазе с внешним источником сигнала (который может быть опорной частотой) или другим генератором функций. ^[2]

Генераторы функций используются при разработке, тестировании и ремонте электронного оборудования. Например, они могут использоваться в качестве источника сигнала для тестирования усилителей или для введения сигнала ошибки в контур управления . Генераторы функций в основном используются для работы с аналоговыми схемами , соответствующие генераторы импульсов в основном используются для работы с цифровыми схемами .

Электронные инструменты

Принципы работы

Простые функциональные генераторы обычно генерируют треугольную волну, частоту которой можно регулировать как плавно, так и пошагово. ^[3] Эта треугольная волна используется в качестве основы для всех других выходов. Треугольная волна генерируется путем многократной зарядки и разрядки конденсатора от источника постоянного тока . Это создает линейно возрастающую и убывающую рампу напряжения. Когда выходное напряжение достигает верхнего или нижнего предела, зарядка или разрядка меняются местами с помощью компаратора , создавая линейную треугольную волну. Изменяя ток и размер конденсатора, можно получать разные частоты . Пилообразные волны можно создавать, заряжая конденсатор медленно слабым током, но используя диод поверх источника тока для быстрой разрядки — полярность диода изменяет полярность результирующей пилы, т. е. медленный подъем и быстрое падение или быстрый подъем и медленное падение.

Прямоугольную волну с рабочим циклом 50% легко получить, отметив, заряжается или разряжается конденсатор, что отражается на выходе коммутационного компаратора тока. Другие рабочие циклы (теоретически от 0% до 100%) можно получить, используя компаратор и пилообразный или треугольный сигнал. Большинство генераторов функций также содержат нелинейную диодную схему формирования , которая может преобразовывать треугольную волну в достаточно точную синусоидальную волну путем скругления углов треугольной волны в процессе, похожем на обрезку в аудиосистемах.

Счетчик шагающего кольца , также называемый счетчиком Джонсона , и (линейная) схема формирования только резистора являются альтернативным способом получения аппроксимации синусоидальной волны. Это, возможно, самый простой генератор с числовым управлением . Два таких счетчика шагающего кольца являются, возможно, самым простым способом создания непрерывной фазовой частотной манипуляции, используемой в двухтональной многочастотной сигнализации и ранних тонах модема . ^[4]

Типичный функциональный генератор может обеспечивать частоты до 20 МГц. Радиочастотные генераторы для более высоких частот не являются функциональными генераторами в строгом смысле, поскольку они обычно вырабатывают только чистые или модулированные синусоидальные сигналы.

Генераторы функций, как и большинство генераторов сигналов , могут также содержать аттенюатор , различные средства модуляции выходной формы волны и часто способность автоматически и повторно «разворачивать» частоту выходной формы волны (с помощью генератора, управляемого напряжением ) между двумя пределами, определяемыми оператором. Эта возможность позволяет очень легко оценить частотную характеристику заданной электронной схемы .

Некоторые генераторы функций также могут генерировать белый или розовый шум . ^{[ требуется ссылка ]}

Более продвинутые генераторы функций называются генераторами произвольных сигналов (AWG). Они используют методы прямого цифрового синтеза (DDS) для генерации любой формы сигнала, которая может быть описана таблицей амплитуд и временных шагов.

Технические характеристики

Типичные характеристики универсального функционального генератора:

Производит синусоидальный, квадратный, треугольный, пилообразный (линейный) и импульсный выход. Генераторы произвольных форм волн могут производить волны любой формы. ^[2]
Он может генерировать широкий диапазон частот. Например, Tektronix FG 502 (около 1974) охватывает диапазон от 0,1 Гц до 11 МГц. ^[5]
Стабильность частоты составляет 0,1 процента в час для аналоговых генераторов ^[5] или 500 ppm для цифрового генератора.
Максимальное искажение синусоиды около 1% (точность диодной схемы формирования) для аналоговых генераторов. ^[6] Генераторы сигналов произвольной формы могут иметь искажения менее -55 дБ ниже 50 кГц и менее -40 дБ выше 50 кГц.
Некоторые генераторы функций могут быть синхронизированы по фазе с внешним источником сигнала, который может быть источником опорной частоты или другим генератором функций.
Могут поддерживаться амплитудная модуляция (АМ), частотная модуляция (ЧМ) или фазовая модуляция (ФМ).
Выходная амплитуда до 10 В от пика до пика .
Амплитуду можно изменять, как правило, с помощью калиброванного аттенюатора с декадными шагами и непрерывной регулировкой в пределах каждой декады.
Некоторые генераторы обеспечивают постоянное напряжение смещения, например, регулируемое в диапазоне от -5 В до +5 В. ^[2]
Выходное сопротивление 50 Ом .

Программное обеспечение

Совершенно иной подход к генерации функций заключается в использовании программных инструкций для генерации формы волны с обеспечением вывода. Например, для генерации формы волны можно использовать универсальный цифровой компьютер ; если диапазон частот и амплитуда приемлемы, звуковую карту, имеющуюся в большинстве компьютеров, можно использовать для вывода сгенерированной волны.

Элементы схемы

Генератор волновых форм

Элемент электронной схемы, используемый для генерации волновых форм в других устройствах, которые могут использоваться в цепях связи и измерительных приборах, а также в приборах-генераторах функций. Примерами являются интегральные схемы Exar XR2206 ^[7] и Intersil ICL8038^{[ требуется ссылка ]} , которые могут генерировать синусоидальные, квадратные, треугольные, пилообразные и импульсные формы волн на частоте, управляемой напряжением .

Генератор функций

Элемент электронной схемы, который обеспечивает выходной сигнал, пропорциональный некоторой математической функции (например, квадратному корню) его входного сигнала; такие устройства используются в системах управления с обратной связью и в аналоговых компьютерах . Примерами являются квадратная трубка Raytheon QK329 ^[8] и логарифмический/антилогарифмический усилитель Intersil ICL8048. ^[9]

Генераторы механических функций

Генераторы механических функций представляют собой рычажные механизмы , кулачковые следящие механизмы или некруглые зубчатые колеса , предназначенные для воспроизведения различных типов функций, как периодических (например, синусоидальных или косинусоидальных функций), так и однократных (логарифмических, параболических, тангенциальных функций и т. д.) ^{[10] .}

Измерительные приборы, такие как манометры, высотомеры и барометры, включают в себя генераторы функций рычажного типа в качестве средств линеаризации. До появления цифровых компьютеров механические генераторы функций использовались в конструкции систем управления огнем орудий и механических калькуляторов .

Четырехзвенный функциональный генератор функции Log(u) для 1 < u < 10.
Генератор кулисных функций функции Log(u) для 1 < u < 10.
Генератор ползунково-качающейся функции Tan(u) для 0 < u < 45°.

Смотрите также

Ссылки

^ cnx.org - Использование базового генератора функций, 2005-08-21
^ abc Бакши, UA; Бакши, AV; Бакши, KA (2008). Электронные измерения и приборы. Пуна, Индия: Технические публикации. стр. 3–26, 3–27. ISBN 978-81-8431-435-9.
^ Зонд, Б.С. (1992). Введение в проектирование систем с использованием интегральных схем. New Age International. С. 244–246. ISBN 978-81-224-0386-2.
↑ Дон Ланкастер. «Кулинарная книга телевизионной пишущей машинки». ( TV Typewriter ). 1976. С. 180-181.
^ ab FG 502 Генератор функций , Руководство по эксплуатации, Бивертон, штат Орегон: Tektronix, 1973, пп=1-7–1-8
^ Искажение FG 502 составляет 0,5 процента.
^ "Exar XR-2206 Monolithic Function Generator" (PDF) . Exar . Получено 16 июня 2013 г. .
^ Миллер, Джозеф А.; Солтес, Аарон С.; Скотт, Рональд Э. (февраль 1955 г.). "Широкополосный аналоговый функциональный умножитель" (PDF) . Электроника . Получено 15 июня 2013 г. .
^ "Intersil ICL8048 Log Amplifier" (PDF) . Intersil . Получено 16 июня 2013 .
^ Simionescu, PA (2016). «Пересмотр оптимального синтеза генераторов функций с примерами плоских четырехзвенных и кривошипно-ползунных механизмов». Международный журнал механизмов и робототехнических систем . 3 (1). Inderscience Publishers (IEL): 60–79. doi : 10.1504/IJMRS.2016.077038 .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Генераторы функций .

Руководство по генераторам функций и генераторам сигналов произвольной формы
Основы генератора формы волны
Основы генератора функций
Ростки, Джордж (13 марта 2001 г.), Классика дизайна: генератор функций, EE Times , получено 31 марта 2012 г.. История генератора функций.