Генератор сигналов — это один из класса электронных устройств, который генерирует электрические сигналы с заданными свойствами амплитуды, частоты и формы волны. Эти генерируемые сигналы используются в качестве стимула для электронных измерений, обычно используемых при проектировании, тестировании, устранении неполадок и ремонте электронных или электроакустических устройств, хотя он часто имеет и художественное применение. [1]
Существует множество различных типов генераторов сигналов с различными целями и приложениями и с различными уровнями расходов. Эти типы включают в себя генераторы функций , генераторы ВЧ и СВЧ сигналов, генераторы высоты тона, генераторы произвольных форм сигналов , генераторы цифровых шаблонов и генераторы частот. В общем, ни одно устройство не подходит для всех возможных приложений.
Генератор сигналов может быть таким же простым, как осциллятор с калиброванной частотой и амплитудой. Более универсальные генераторы сигналов позволяют контролировать все характеристики сигнала. Современные универсальные генераторы сигналов будут иметь микропроцессорное управление и также могут допускать управление с персонального компьютера. Генераторы сигналов могут быть отдельно стоящими автономными приборами или могут быть включены в более сложные автоматические системы тестирования.
В июне 1928 года General Radio 403 стал первым коммерческим генератором сигналов, когда-либо выпущенным на рынок. Он поддерживал диапазон частот от 500 Гц до 1,5 МГц. [2] Кроме того, в апреле 1929 года первый коммерческий стандарт частоты был выпущен на рынок компанией General Radio с частотой 50 кГц. [3]
Генератор функций — это устройство, которое производит простые повторяющиеся формы волн . Такие устройства содержат электронный осциллятор , схему , которая способна создавать повторяющуюся форму волны . (Современные устройства могут использовать цифровую обработку сигналов для синтеза форм волн, за которой следует цифро-аналоговый преобразователь или ЦАП для создания аналогового выхода.) Наиболее распространенной формой волны является синусоидальная волна , но обычно доступны генераторы пилообразной , ступенчатой ( импульсной ), квадратной и треугольной формы волны, а также генераторы произвольной формы волны (AWG). Если генератор работает выше диапазона человеческого слуха (>20 кГц ), генератор часто будет включать в себя некоторую функцию модуляции, такую как амплитудная модуляция (AM), частотная модуляция (FM) или фазовая модуляция (PM), а также второй генератор, который обеспечивает форму волны модуляции звуковой частоты .
Генератор сигналов произвольной формы (AWG или ARB) — это сложный генератор сигналов, который генерирует сигналы произвольной формы в пределах опубликованных ограничений частотного диапазона, точности и выходного уровня. В отличие от генератора функций, который производит небольшой набор определенных форм сигналов, AWG позволяет пользователю указывать исходную форму сигнала различными способами. AWG, как правило, дороже, чем генератор функций, и часто имеет меньшую полосу пропускания. AWG используется в высокопроизводительных приложениях для проектирования и тестирования.
Генераторы радиочастотных (РЧ) и микроволновых сигналов используются для тестирования компонентов, приемников и тестовых систем в самых разных приложениях, включая сотовую связь, WiFi , WiMAX , GPS , аудио- и видеовещание, спутниковую связь, радиолокацию и радиоэлектронную борьбу . Генераторы радиочастотных и микроволновых сигналов обычно имеют схожие характеристики и возможности, но различаются по диапазону частот. Генераторы радиочастотных сигналов обычно работают в диапазоне от нескольких кГц до 6 ГГц, в то время как генераторы микроволновых сигналов охватывают гораздо более широкий диапазон частот, от менее 1 МГц до как минимум 20 ГГц. Некоторые модели достигают 70 ГГц с прямым коаксиальным выходом и до сотен ГГц при использовании с внешними волноводными умножительными модулями. Генераторы радиочастотных и микроволновых сигналов можно далее классифицировать как аналоговые или векторные генераторы сигналов.
Аналоговые генераторы сигналов на основе синусоидального генератора были распространены до появления цифровой электроники и используются до сих пор. Существовало резкое различие в назначении и конструкции радиочастотных и звуковых генераторов сигналов.
Генераторы радиочастотных сигналов производят непрерывные радиочастотные сигналы определенной, регулируемой амплитуды и частоты. Многие модели предлагают различные типы аналоговой модуляции, как в качестве стандартного оборудования, так и в качестве дополнительной возможности для базового блока. Это может включать AM , FM , ΦM (фазовую модуляцию) и импульсную модуляцию . Общей особенностью является аттенюатор для изменения выходной мощности сигнала. В зависимости от производителя и модели выходная мощность может варьироваться от −135 до +30 дБм. Желателен широкий диапазон выходной мощности, поскольку для разных приложений требуется разная мощность сигнала. Например, если сигнал должен проходить по очень длинному кабелю к антенне, может потребоваться высокий выходной сигнал для преодоления потерь в кабеле и при этом иметь достаточную мощность на антенне. Но при тестировании чувствительности приемника требуется низкий уровень сигнала, чтобы увидеть, как приемник ведет себя в условиях низкого отношения сигнал/шум.
Генераторы радиочастотных сигналов доступны в виде настольных приборов, стоечных приборов, встраиваемых модулей и в форматах на уровне карт. Мобильные, полевые и бортовые приложения выигрывают от более легких платформ с батарейным питанием. В автоматизированном и производственном тестировании доступ через веб-браузер, который позволяет управлять несколькими источниками, и более высокая скорость переключения частот улучшают время тестирования и производительность.
Генераторы радиочастотных сигналов необходимы для обслуживания и настройки радиоприемников и используются в профессиональных радиочастотных приложениях.
Генераторы радиочастотных сигналов характеризуются своими частотными диапазонами, мощностными возможностями (от −100 до +25 дБн), однополосным фазовым шумом на различных несущих частотах, побочными сигналами и гармониками, скоростями переключения частоты и амплитуды, а также возможностями модуляции.
Генераторы сигналов аудиочастот генерируют сигналы в диапазоне аудиочастот и выше. Ранним примером был аудиогенератор HP200A , первый продукт, проданный компанией Hewlett-Packard в 1939 году. Приложения включают проверку частотной характеристики аудиооборудования и множество применений в электронной лаборатории.
Искажение оборудования можно измерить, используя в качестве источника сигнала аудиогенератор с очень низким искажением, с соответствующим оборудованием для измерения выходного искажения гармоника за гармоникой с помощью волнового анализатора или просто полного гармонического искажения . Искажение в 0,0001% может быть достигнуто с помощью аудиогенератора с относительно простой схемой. [4]
С появлением цифровых систем связи стало невозможно адекватно тестировать эти системы с помощью традиционных аналоговых генераторов сигналов. Это привело к разработке векторного генератора сигналов, который также известен как цифровой генератор сигналов. Эти генераторы сигналов способны генерировать цифровые модулированные радиосигналы, которые могут использовать любой из большого количества форматов цифровой модуляции, таких как QAM , QPSK , FSK , BPSK и OFDM . Кроме того, поскольку современные коммерческие цифровые системы связи почти все основаны на четко определенных отраслевых стандартах, многие векторные генераторы сигналов могут генерировать сигналы на основе этих стандартов. Примерами являются GSM , W-CDMA (UMTS) , CDMA2000 , LTE , Wi-Fi (IEEE 802.11) и WiMAX (IEEE 802.16) . Напротив, военные системы связи, такие как JTRS , которые придают большое значение надежности и информационной безопасности, обычно используют очень запатентованные методы. Для тестирования таких систем связи пользователи часто создают собственные формы сигналов и загружают их в векторный генератор сигналов для создания желаемого тестового сигнала.
Генератор логических сигналов или генератор шаблонов данных или генератор цифровых шаблонов вырабатывает логические сигналы, то есть логические 1 и 0 в форме обычных уровней напряжения. Обычные стандарты напряжения — LVTTL и LVCMOS . Он отличается от «генератора импульсов/шаблонов», который относится к генераторам сигналов, способным генерировать логические импульсы с различными аналоговыми характеристиками (такими как время нарастания/спада импульса, длина высокого уровня, ...).
Цифровой генератор шаблонов используется в качестве источника стимулов для цифровых интегральных схем и встраиваемых систем — для функциональной проверки и тестирования.
Помимо перечисленных выше устройств общего назначения, существует несколько классов генераторов сигналов, предназначенных для конкретных применений.
Генератор высоты тона — это тип генератора сигналов, оптимизированный для использования в аудио- и акустических приложениях. Генераторы высоты тона обычно включают синусоидальные волны в диапазоне человеческого слуха (от 20 Гц до 20 кГц). Сложные генераторы высоты тона также включают генераторы свипирования (функция, которая изменяет выходную частоту в диапазоне для проведения измерений в частотной области), многотональные генераторы (которые выводят несколько тонов одновременно и используются для проверки интермодуляционных искажений и других нелинейных эффектов) и тональные импульсы (используются для измерения реакции на переходные процессы). Генераторы высоты тона обычно используются вместе с измерителями уровня звука при измерении акустики помещения или системы воспроизведения звука и/или с осциллографами или специализированными аудиоанализаторами.
Многие генераторы высоты тона работают в цифровом домене, производя вывод в различных цифровых аудиоформатах, таких как AES3 или SPDIF . Такие генераторы могут включать специальные сигналы для стимуляции различных цифровых эффектов и проблем, таких как отсечение , джиттер , битовые ошибки ; они также часто предоставляют способы манипулирования метаданными, связанными с цифровыми аудиоформатами.
Термин «синтезатор» используется для обозначения устройства, которое генерирует аудиосигналы для музыки или использует более сложные методы.
Компьютерные программы могут использоваться для генерации произвольных форм волн на компьютере общего назначения и вывода формы волны через выходной интерфейс. Такие программы могут предоставляться на коммерческой основе или быть бесплатным программным обеспечением. Простые системы используют стандартную звуковую карту компьютера в качестве выходного устройства, ограничивая точность выходной формы волны и ограничивая частоту диапазоном звуковых частот .
Генератор видеосигнала — это устройство, которое выводит предопределенные видео- и/или телевизионные сигналы, а также другие сигналы, используемые для стимуляции неисправностей или помощи в параметрических измерениях телевизионных и видеосистем. Существует несколько различных типов генераторов видеосигнала, которые широко используются. Независимо от конкретного типа, выход видеогенератора обычно содержит сигналы синхронизации, подходящие для телевидения, включая горизонтальные и вертикальные синхроимпульсы (в аналоговом формате) или синхрослова (в цифровом формате). Генераторы композитных видеосигналов (такие как NTSC и PAL ) также включают сигнал цветовой синхронизации как часть выхода. Генераторы видеосигнала доступны для широкого спектра приложений и для широкого спектра цифровых форматов; многие из них также включают возможность генерации звука (поскольку звуковая дорожка является важной частью любой видео- или телевизионной программы или кинофильма).
Experimenter - Выпуск IV, № 10
