Генератор сигналов

Генератор сигналов — это электронное устройство, предназначенное для формирования электрических сигналов заданной формы, частоты, амплитуды и других параметров. Генераторы сигналов используются в качестве источников тестовых сигналов при настройке, ремонте и разработке радиоэлектронной аппаратуры, в научных исследованиях, а также в качестве задающих генераторов в составе различных устройств (синтезаторов частоты, измерительных приборов). Классифицируются по типу выходного сигнала, принципу формирования, диапазону частот и функциональным возможностям.

История

Первые генераторы сигналов появились в начале XX века с развитием радиотехники. Изначально они представляли собой простые LC-генераторы (с использованием катушки индуктивности и конденсатора), позволявшие получать синусоидальные колебания фиксированной частоты. В 1920-х годах, с внедрением электронных ламп, появились генераторы с перестраиваемой частотой. В 1930-х годах начали выпускаться промышленные генераторы сигналов, например, модель HP 200A компании Hewlett-Packard, которая стала одним из первых коммерчески успешных приборов такого рода.

Во второй половине XX века с развитием транзисторной и интегральной техники генераторы стали компактнее, точнее и многофункциональнее. Появились генераторы прямоугольных импульсов, генераторы пилообразного напряжения, а затем и генераторы произвольной формы (AWG — Arbitrary Waveform Generator), способные воспроизводить сигналы, заданные пользователем в цифровом виде. Современные генераторы сигналов, как правило, являются цифровыми приборами, управляемыми микропроцессорами и синтезирующими сигналы с высокой точностью и стабильностью.

Классификация

Генераторы сигналов классифицируются по нескольким основным признакам.

По форме выходного сигнала

• Генераторы синусоидальных сигналов — формируют гармонические колебания. Используются для тестирования усилителей, фильтров, радиоприёмников.
• Генераторы прямоугольных импульсов — формируют сигналы прямоугольной формы с заданными длительностью, периодом и скважностью. Применяются в цифровой электронике, для проверки логических схем, таймеров.
• Генераторы треугольных и пилообразных сигналов — формируют линейно нарастающее и спадающее напряжение. Используются в системах развёртки осциллографов, в широтно-импульсной модуляции (ШИМ), в схемах генераторов пилообразного напряжения для аналогово-цифровых преобразователей (АЦП).
• Генераторы шума — формируют случайный сигнал с равномерным спектром в заданном диапазоне частот (белый шум) или с другим спектральным распределением (розовый шум). Применяются для тестирования систем связи, измерения отношения сигнал/шум, в акустике.
• Генераторы произвольной формы (AWG) — способны воспроизводить любой сигнал, заданный пользователем в виде цифрового массива данных. Позволяют моделировать сложные реальные сигналы (например, сигналы датчиков, модулированные радиосигналы).

По принципу действия

• Аналоговые генераторы — формируют сигнал с помощью аналоговых схем (LC-генераторы, RC-генераторы, мультивибраторы). Отличаются простотой, но имеют ограниченную стабильность частоты и точность установки параметров.
• Цифровые генераторы — формируют сигнал с помощью цифрового синтеза (DDS — Direct Digital Synthesis). В основе DDS лежит генерация цифрового кода, который затем преобразуется в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Цифровые генераторы обеспечивают высокую точность, стабильность, широкий диапазон частот и возможность программного управления.

По диапазону частот

• Низкочастотные (инфранизкочастотные) — от долей герца до десятков килогерц. Используются в акустике, биологии, геофизике.
• Звуковые — от 20 Гц до 20 кГц. Применяются в аудиотехнике.
• Высокочастотные (радиочастотные) — от десятков килогерц до сотен гигагерц. Используются в радиосвязи, телевидении, радиолокации.
• Сверхвысокочастотные (СВЧ) — от 1 ГГц и выше. Применяются в спутниковой связи, радиолокации, радиоастрономии.

По функциональным возможностям

• Одноканальные — формируют один сигнал.
• Многоканальные — формируют несколько сигналов, часто с возможностью синхронизации и задания фазовых сдвигов.
• С модуляцией — позволяют модулировать выходной сигнал (амплитудная, частотная, фазовая, импульсная модуляция).
• С развёрткой (свип-генераторы) — автоматически изменяют частоту выходного сигнала в заданном диапазоне с заданной скоростью.

Устройство и характеристики

Основными узлами типичного генератора сигналов являются:

• Задающий генератор — формирует опорное колебание (обычно синусоидальное или прямоугольное) фиксированной частоты.
• Синтезатор частоты — на основе опорного колебания формирует сигнал требуемой частоты с помощью методов прямого цифрового синтеза (DDS) или фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
• Формирователь сигнала — преобразует сигнал синтезатора в сигнал заданной формы (синус, прямоугольник, треугольник, пила, шум).
• Выходной усилитель — усиливает сигнал до заданного уровня и обеспечивает согласование с нагрузкой.
• Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — в цифровых генераторах преобразует цифровой код в аналоговое напряжение.
• Блок управления — микропроцессор, управляющий всеми узлами, обеспечивающий интерфейс пользователя (дисплей, клавиатура, ручки) и приём команд от внешнего компьютера.

Основные характеристики генератора сигналов:

• Диапазон частот — минимальная и максимальная частота выходного сигнала.
• Разрешение по частоте — минимальный шаг изменения частоты.
• Стабильность частоты — отклонение частоты от номинального значения за определённое время (например, ±1 ppm/год).
• Диапазон амплитуд — минимальное и максимальное выходное напряжение (или мощность).
• Разрешение по амплитуде — минимальный шаг изменения амплитуды.
• Форма сигнала — перечень доступных форм (синус, прямоугольник, треугольник, пила, шум, произвольная).
• Выходное сопротивление — внутреннее сопротивление генератора (обычно 50 Ом для высокочастотных генераторов).
• Коэффициент гармоник (THD) — для синусоидальных сигналов — отношение мощности гармоник к мощности основной частоты.
• Время нарастания/спада — для прямоугольных импульсов — время перехода от 10% до 90% амплитуды.

Применение

Генераторы сигналов применяются в различных областях:

• Радиоэлектроника и связь — для настройки и тестирования радиоприёмников, передатчиков, усилителей, фильтров, модуляторов, демодуляторов. Генераторы используются для измерения частотных характеристик, коэффициента усиления, полосы пропускания, уровня шума.
• Цифровая электроника — для проверки работы логических схем, микроконтроллеров, таймеров, шин данных (UART, SPI, I2C). Генераторы прямоугольных импульсов используются для задания тактовой частоты, формирования стробирующих сигналов.
• Акустика — для измерения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) акустических систем, микрофонов, наушников. Генераторы звуковых частот используются для калибровки измерительных микрофонов.
• Медицина — в физиотерапии (генераторы импульсных токов), в ультразвуковой диагностике (генераторы высокочастотных сигналов для возбуждения пьезоэлектрических преобразователей), в электроэнцефалографии (ЭЭГ) и электрокардиографии (ЭКГ) для калибровки усилителей.
• Научные исследования — в физике, химии, биологии для генерации тестовых сигналов, моделирования процессов, проведения экспериментов.
• Образование — в лабораторных работах по физике, электротехнике, радиоэлектронике для демонстрации принципов работы различных устройств.

Примеры

• Генератор сигналов низкочастотный Г3-109 — советский аналоговый генератор синусоидальных и прямоугольных сигналов с диапазоном частот от 20 Гц до 200 кГц.
• Генератор сигналов функциональный АКИП-3403/1 — современный цифровой генератор с DDS-синтезом, диапазоном частот до 10 МГц, поддержкой синусоидальных, прямоугольных, треугольных, пилообразных сигналов и шума.
• Генератор сигналов произвольной формы Keysight 33600A — двухканальный генератор с частотой до 120 МГц, позволяющий формировать сигналы произвольной формы с глубиной памяти до 16 МГс (миллионов точек).

Интересные факты

• Первый коммерческий генератор сигналов HP 200A (1939 год) использовался для тестирования звукового оборудования в кинотеатрах. Его цена составляла 54,4 доллара США.
• В современных генераторах сигналов для синтеза частот часто используется метод прямого цифрового синтеза (DDS), который позволяет получать сигналы с разрешением по частоте до долей герца и высокой стабильностью.
• Генераторы сигналов произвольной формы (AWG) могут воспроизводить не только стандартные сигналы, но и сложные цифровые последовательности, модулированные радиосигналы, сигналы датчиков (например, датчиков давления, температуры, ускорения) и даже аудиозаписи.
• В радиолюбительской практике часто используются простые генераторы сигналов на основе микросхем таймеров (например, NE555) или операционных усилителей, которые позволяют получить сигналы прямоугольной, треугольной и пилообразной формы.

Источники

• Генераторы сигналов. — М.: Энергия, 1970. — 192 с.
• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 2006. — 704 с.
• ГОСТ 22261-94. Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия.
• Техническая документация на генераторы сигналов АКИП-3403/1, Keysight 33600A.