Генератор функций

Электронное испытательное оборудование, используемое для генерации электрических сигналов

Простой аналоговый генератор функций, около 1990 г.

Генератор функций DDS

Синусоидальная , прямоугольная , треугольная и пилообразная формы сигналов .

В электротехнике функциональный генератор обычно представляет собой часть электронного испытательного оборудования или программного обеспечения , используемого для генерации различных типов электрических сигналов в широком диапазоне частот . Некоторыми из наиболее распространенных форм сигналов, создаваемых функциональным генератором, являются синусоидальная волна , прямоугольная волна , треугольная волна и пилообразная форма . Эти сигналы могут быть повторяющимися или однократными (для чего требуется внутренний или внешний источник запуска). ^[1] Еще одна функция, включенная во многие генераторы функций, — это возможность добавлять смещение постоянного тока . Интегральные схемы , используемые для генерации сигналов, также можно описать как интегральные схемы функционального генератора.

Хотя функциональные генераторы охватывают как звуковые , так и радиочастоты , они обычно не подходят для приложений, которым требуются сигналы с низким уровнем искажений или стабильной частотой. Когда требуются эти качества, более подходящими будут другие генераторы сигналов .

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

Функциональные генераторы используются при разработке, тестировании и ремонте электронного оборудования. Например, их можно использовать 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 , генераторы импульсов - для работы с цифровыми схемами .

Электронные инструменты

Принципы работы

Простые функциональные генераторы обычно генерируют сигнал треугольной формы, частоту которого можно регулировать как плавно, так и ступенчато. ^[3] Эта треугольная волна используется в качестве основы для всех остальных результатов. Треугольная волна генерируется путем многократной зарядки и разрядки конденсатора от источника постоянного тока . Это создает линейно возрастающее и нисходящее линейное изменение напряжения. Когда выходное напряжение достигает верхнего или нижнего предела, зарядка или разрядка меняется на противоположную с помощью компаратора , создавая линейную треугольную волну. Изменяя ток и размер конденсатора, можно получить разные частоты . Пилообразные волны можно получить, медленно заряжая конденсатор малым током, но используя диод над источником тока для быстрого разряда - полярность диода меняет полярность образующегося пилообразного сигнала, т.е. медленный рост и быстрое падение или быстрый рост и медленное падение.

Прямоугольную волну с коэффициентом заполнения 50% легко получить, заметив, заряжается или разряжается конденсатор, что отражается на токовом выходе коммутационного компаратора. Другие рабочие циклы (теоретически от 0% до 100%) можно получить, используя компаратор и пилообразный или треугольный сигнал. Большинство функциональных генераторов также содержат схему формирования нелинейных диодов , которая может преобразовывать треугольную волну в достаточно точную синусоидальную волну путем скругления углов треугольной волны в процессе, аналогичном клиппированию в аудиосистемах.

Счетчик с шагающим кольцом , также называемый счетчиком Джонсона , и (линейная) схема формирования сигнала, состоящая только из резисторов, являются альтернативным способом получения аппроксимации синусоидальной волны. Это, пожалуй, самый простой генератор с числовым программным управлением . Два таких счетчика с шагающим кольцом, возможно, являются самым простым способом создания непрерывной фазовой частотной манипуляции , используемой в двухтональной многочастотной сигнализации и ранних модемных тонах. ^[4]

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

Функциональные генераторы, как и большинство генераторов сигналов , также могут содержать аттенюатор , различные средства модуляции формы выходного сигнала и часто возможность автоматически и периодически «перестраивать» частоту выходного сигнала (с помощью генератора , управляемого напряжением ) между два лимита, определяемых оператором. Эта возможность позволяет очень легко оценить частотную характеристику данной электронной схемы .

Некоторые функциональные генераторы также могут генерировать белый или розовый шум . ^{[ нужна цитата ]}

Более продвинутые функциональные генераторы называются генераторами сигналов произвольной формы (AWG). Они используют методы прямого цифрового синтеза (DDS) для генерации сигналов любой формы, которые можно описать таблицей амплитуд и временных шагов.

Технические характеристики

Типичные характеристики функционального генератора общего назначения:

• Формирует синусоидальный, прямоугольный, треугольный, пилообразный (линейный) и импульсный выходной сигнал. Генераторы сигналов произвольной формы могут создавать волны любой формы. ^[2]
• Он может генерировать широкий диапазон частот. Например, Tektronix FG 502 (около 1974 г.) охватывает диапазон от 0,1 Гц до 11 МГц. ^[5]
• Стабильность частоты 0,1 процента в час для аналоговых генераторов ^[5] или 500 ppm для цифрового генератора.
• Максимальные синусоидальные искажения около 1% (точность формирования диодной схемы) 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 функциональные генераторы могут быть синхронизированы по фазе с внешним источником сигнала, которым может быть опорная частота или другой функциональный генератор.
• Могут поддерживаться амплитудная модуляция (AM), частотная модуляция (FM) или фазовая модуляция (PM).
• Амплитуда выходного сигнала до 10 В (размах) .
• Амплитуда может быть изменена, обычно с помощью калиброванного аттенюатора с декадными шагами и непрерывной регулировкой в ​​течение каждой декады.
• Некоторые генераторы обеспечивают напряжение смещения постоянного тока, например, регулируемое в диапазоне от -5 В до +5 В. ^[2]
• Выходное сопротивление 50 Ом .

Программное обеспечение

Совершенно другой подход к генерации функций заключается в использовании инструкций программного обеспечения для генерации сигнала с возможностью вывода. Например, для генерации сигнала можно использовать цифровой компьютер общего назначения; Если диапазон частот и амплитуда приемлемы, для вывода генерируемой волны можно использовать звуковую карту , установленную на большинстве компьютеров.

Элементы схемы

Генератор сигналов

Элемент электронной схемы, используемый для генерации сигналов в других устройствах, которые могут использоваться в цепях связи и контрольно-измерительных приборах, а также в приборе-генераторе функций. Примерами являются интегральные схемы Exar XR2206 ^[7] и Intersil ICL8038 ^{[ нужна ссылка ]} , которые могут генерировать сигналы синусоидальной, прямоугольной, треугольной, линейной и импульсной формы с частотой, управляемой напряжением .

Генератор функций

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

Генераторы механических функций

Генераторы механических функций представляют собой рычажные механизмы , кулачковые механизмы или некруглые шестерни , предназначенные для воспроизведения различных типов функций, как периодических (например, функции синуса или косинуса), так и однократных (логарифмические, параболические, касательные функции 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 при построении систем управления огнем пушек использовались генераторы механических функций и механические вычислители .

• 
  Четырехполосный генератор функции Log(u) для 1 < u < 10.
• 
  Кулисно-ползунковый генератор функции Log(u) для 1 < u < 10.
• 
  Ползунок-кулисный генератор функции Tan(u) для 0 < u < 45°.

Смотрите также

• Генератор цифровых шаблонов
• Электронный музыкальный инструмент
• Вейвтек

Рекомендации

1. cnx.org - Использование генератора базовых функций, 21 августа 2005 г.
2. Бакши, Украина; Бакши, А.В.; Бакши, К.А. (2008). Электронные измерения и приборостроение. Пуна, Индия: Технические публикации. стр. 3–26, 3–27. ISBN 978-81-8431-435-9.
3. Зонде, Б.С. (1992). Введение в проектирование систем с использованием интегральных схем. Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 244–246. ISBN 978-81-224-0386-2.
4. Дон Ланкастер. «Поваренная книга для телевизионной пишущей машинки». ( Пишущая машинка для телевизора ). 1976. с. 180-181.
5. Функциональный генератор FG 502 , Руководство по эксплуатации, Бивертон, Орегон: Tektronix, 1973 г., пп=1-7–1-8
6. Искажение FG 502 составляет 0,5 процента.
7. «Монолитный функциональный генератор Exar XR-2206» (PDF) . Экзар . Проверено 16 июня 2013 г.
8. Миллер, Джозеф А.; Солтес, Аарон С.; Скотт, Рональд Э. (февраль 1955 г.). «Широкополосный аналоговый функциональный умножитель» (PDF) . Электроника . Проверено 15 июня 2013 г.
9. "Лог-усилитель Intersil ICL8048" (PDF) . Интерсил . Проверено 16 июня 2013 г.
10. Симионеску, Пенсильвания (2016). «Переформулировка оптимального синтеза функциональных генераторов на примерах плоского четырехстержневого и кривошипно-шатунного механизмов». Международный журнал механизмов и робототехнических систем . Издательство Inderscience (IEL). 3 (1): 60–79. дои : 10.1504/IJMRS.2016.077038 .

Внешние ссылки

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