Funkční generátory

Pomocí funkčních generátorů lze teoreticky vytvořit jakýkoliv periodický průběh signálu. Tento předpoklad je pro složitější průběhy omezen nutností použití digitálního zpracování signálu, převodníků A/D a D/A, paměti a čítače. Poměrně nákladná realizace takového generátoru je mnohdy zbytečná, stačí využít jednodušší elektrická zapojení, tedy analogové zpracování signálu. Tyto jednodušší funkční generátory jsou složené z elektronických obvodů - funkčního měniče, který umožňuje generovat např. pilové, trojúhelníkové, pravoúhlé a harmonické kmity, amplitudově a frekvenčně modulované signály. Frekvenční rozsah generovaných periodických signálů je v rozmezí od desetin Hz až do desítek MHz.

Funkční generátor může být složen z pasivních elektrických součástek, nebo může být alespoň z části tvořen integrovanými obvody. Pro generování kmitů lze využít princip lineárního vybíjení a nabíjení kondenzátoru, řízené zdroji proudu. Integrované obvody, které mohou být použity jako základní prvek funkčního generátoru, jsou např. obvody MAX038 (firma Maxim) nebo XR2206, XR8038 (firma Exar). Tyto integrované obvody obsahují funkční prvky a umožňují zpracování signálu, které je dále vysvětleno pomocí zapojení tvořeného elektrickými součástkami.

Princip generování a zpracování signálu funkčního generátoru je znázorněn blokovým schématem na následujícím obrázku. Generované průběhy periodického signálu z popisovaného základního funkčního generátoru mohou být obdélníkový, trojúhelníkový, harmonický.

Blokové schéma funkčního generátoru kmitů

Funkční generátor je složen z prvků upravujících generovaný signál:

• multivibrátor,
• integrátor,
• invertor,
• tvarovač.

Multivibrátor, nazývaný také astabilní klopný obvod, je generátorem obdélníkového signálu. Multivibrátory upravují generovaný nelineární trojúhelníkový signál na lineární obdelníkový signál.

Na schématu je uveden jednoduchý multivibrátor tvořený invertujícím komparátorem s hysterezí, který sleduje nabíjení kondenzátoru C. Tento kondenzátor je nabíjen přes rezistor R z napájecího stejnosměrného napětí +U. Dosáhne-li napětí kondenzátoru komparační úrovně, je komparátor překlopen na napětí -U a kondenzátor se vybíjí přes rezistor R. Poté se proces opět periodicky opakuje. Multivibrátor lze také realizovat pomocí integrovaného obvodu, např. I0 555, který lze použít pro periodické signály do frekvencí 20kHz.

Integrátor upravuje obdélníkový signál generovaný multivibrátorem na trojúhelníkový signál. Elektrické zapojení integrátoru lze vytvořit pomocí operačního zesilovače. Konstantní kladné napětí na vstupu generuje lineárně rostoucí průběh signálu na výstupu. Strmost průběhu je závislá na hodnotách kondenzátoru C a rezistoru R. Při obrácení polarity vstupního signálu na záporné konstantní napětí je kondenzátor C vybíjen a na výstupu dochází k postupnému lineárnímu klesání napětí. Tímto způsobem vzniká trojúhelníkový signál s lineárním průběhem.

Invertorem lze zrcadlově obrátit průběh zpracovávaného signálu. Elektrické zapojení invertoru lze vytvořit pomocí operačního zesilovače.

Tvarovač upravuje trojúhelníkový signál na harmonický sinusový signál. Při realizaci tvarovače je signál utlumen vždy po 30° sinusového průběhu signálu, ve kterých je signál přibližně přímo úměrný trojúhelníkovému průběhu signálu. Pro jednoduché řešení uvedené na obrázku, je tvarování rozčleněno na tři úseky v kladné a tři v záporné části signálu a využívá se vlastností diody pro tlumení výstupního signálu a změny charakteristiky přenosu signálu vždy od určitého hraničního napětí.

Blokové schéma funkčního generátoru kmitů

Mezi komerčně nabízená zařízení pro generování signálu pomocí funkčního generátoru patří např. Agilent 33220A, který lze použít pro generování základních průběhů signálů - sinusový, obdélníkový, pilový, trojúhelníkový, exponenciální průběh, impulzní a šumový. Navíc lze editovat jakýkoliv průběh signálu, který se uloží do paměti přístroje. Nastavitelné parametry jsou frekvence, amplituda, offset, činitel plnění obdélníkových impulzů. Je možné generovat rozmítaný signál na daném spektru frekvencí. Je možné modulovat výstupní signál amplitudovou a frekvenční modulací. Přístroj lze propojit s počítačem přes sériové rozhraní RS-232 nebo přes rozhraní GPIB, které je běžné u měřicích přístrojů.

Jako příklad jsou uvedeny parametry generátoru Agilent 33220A:

• Amplituda 50mV-10V.
• Offset ±5V ±2%.
• Frekvenční rozsah:
  • sinus 100µHz - 15MHz,
  • obdélník 100µHz - 15MHz,
  • trojúhelník 100µHz - 100kHz,
  • pila 100µHz - 100kHz,
  • šum (gaussovský), šířka pásma 10MHz,
  • uživatelský průběh 100µHz - 200kHz až 5MHz podle délky průběhu signálu.

Tónové a audio generátory jsou určené pro audio a akustické aplikace. Tyto generátory obsahují následující prvky:

• Generátor harmonického signálu v rozsahu 20Hz až 20kHz.
• Rozmítaný generátor - generující signál na celém frekvenčním rozsahu.
• Multitónový generátor - generování intermodulačního zkreslení a nelinearit.
• Tónový pulz - měření odezvy přechodového děje.
• Simulace problémů a poruch digitálního audio signálu.
• Generování digitálních audio formátů.

Další pojmy a informace z oblasti elektronických měřicích přístrojů naleznete zde ...