Генератор сигналов — одно из наиболее важных лабораторных устройств инженера-электронщика. С помощью этого устройства генерируется волна или электрический сигнал, который позволяет инженеру проектировать и оптимизировать свои системы. В результате эти устройства в основном используются в различных системах в качестве инструментов тестирования, систем разработки и т. д. Генераторы сигналов бывают разных форм и размеров, причем каждый тип используется для генерации различных типов сигналов, таких как аудио, радиочастотные, импульсные, аналоговые, цифровые и т. д. Эти системы существуют уже давно, но современные генераторы сигналов довольно сложны с точки зрения производительности, функций и т. д. В этой статье мы узнаем больше о генераторах сигналов и параметрах, которые необходимо проверить при покупке генератора сигналов.
Если вы заинтересованы в самостоятельном создании генератора сигналов, то вы можете посмотреть несколько таких проектов на нашем сайте на основе плате Arduino:
- генератор сигналов на Arduino и DDS модуле AD9833;
- генератор сигналов прямоугольной и синусоидальной формы на Arduino;
- простой генератор прямоугольных импульсов до 1 МГц на Arduino;
- генератор перестраиваемой частоты 10 кГц – 225 МГц на Arduino и модуле Si5351.
Как работают генераторы сигналов
Основное назначение генератора сигналов — предоставление различных сигналов для проектирования аппаратного обеспечения, устранения неполадок и тестирования, поэтому на рынке доступно множество генераторов сигналов с различными характеристиками и функциями. На изображении ниже мы рассмотрим обобщенную блок-схему генератора сигналов. Как показано на блок-схеме, у генератора радиочастотных сигналов имеется два входа: один предназначен для регулировки частоты и амплитуды выходного сигнала, а другой — для выбора типа сигнала.
Генераторы сигналов имеют генератор, управляемый напряжением (ГУН). Выходной сигнал ГУН можно изменять в широком диапазоне путем изменения входного напряжения постоянного тока. Выходная частота ГУН напрямую связана с напряжением на его входе, поэтому, изменяя входное напряжение, мы можем управлять выходной частотой. Выходной сигнал генератора подается на делитель частоты через буферный усилитель. Буферный усилитель используется для изоляции схемы и предотвращения воздействия нагрузки на источник сигнала. Сигнал с буферного усилителя подается на выходной усилитель, который усиливает сигнал до требуемого уровня. Выходной сигнал подается на аттенюатор, который регулирует напряжение сигнала, которое затем подается на выход через измеритель выходного сигнала, который измеряет выходной сигнал и дает обратную связь для поддержания постоянства выходного сигнала.
Типы генераторов сигналов
Генератор сигналов — это испытательное оборудование, которое может генерировать повторяющиеся или неповторяющиеся сигналы. Генераторы сигналов можно классифицировать по типу сигналов, которые они могут генерировать, или диапазону выходного сигнала, который они могут генерировать. Выходной сигнал генератора сигналов можно изменять, контролируя амплитуду и частоту генерируемого сигнала во время тестирования в реальном времени.
Некоторые из наиболее распространенных типов генераторов сигналов: функциональный генератор , генератор радиочастотных сигналов , генератор сигналов произвольной формы , генератор аналоговых сигналов , генератор логических сигналов , генератор видеосигналов и т. д. Кратко рассмотрим эти типы генераторов сигналов.
Функциональный генератор сигналов
Функциональный генератор является одним из наиболее часто используемых генераторов сигналов. Он способен генерировать повторяющиеся сигналы, такие как синусоидальные волны, пилообразные волны, прямоугольные импульсы, треугольные импульсы и многие другие виды сигналов. В данных генераторах есть электронная схема, которая генерирует эти сигналы. Современные устройства используют методы цифровой обработки сигналов (DSP) для генерации сигналов, а сгенерированные сигналы затем преобразуются в аналоговый сигнал.
Одной из важных особенностей функционального генератора является возможность добавления к сигналу смещения постоянного тока, что делает его очень полезным для тестирования приложений. Обычно функциональные генераторы работают в диапазоне от 100 кГц до нескольких МГц, но дорогие функциональные генераторы могут генерировать сигналы с частотой более 100 МГц.
Функциональные генераторы чаще всего используются в лабораториях учебных заведений, а также для тестирования и ремонта электрического и электронного оборудования. Блок-схема функционального генератора сигналов показана на следующем рисунке.
Генератор радиочастотных сигналов
Генераторы радиочастотных сигналов являются наиболее важным испытательным оборудованием там, где требуются радиочастотные или микроволновые испытания и разработки. Подобно другим генераторам сигналов, большинство радиочастотных генераторов не имеют возможности измерения, они просто используются для создания управляемых сигналов с переменной частотой, амплитудой и модуляцией, которые можно использовать для проверки реакции схемы с целью ее отладки или модификации.
Выходная мощность генератора радиочастотных сигналов определяется в дБ относительно 1 милливатт (дБм). Наиболее распространенная выходная мощность генератора радиочастотных сигналов составляет +13 дБ. Ниже приведен уровень мощности в дБм и уровень мощности в милливаттах.
Генератор сигналов звуковой частоты
Генератор сигналов, способный генерировать сигналы в частотном диапазоне звуковой частоты (Audio Frequency, AF), называется генератором сигналов звуковой частоты. Звуковая частота принадлежит диапазону от 20 Гц до 20 кГц. Блок-схема простого генератора синусоидального/меандрового сигнала звуковой частоты показана на следующем рисунке.
Генераторы звуковых частот чаще всего используются для проверки отклика аудиооборудования. Эти инструменты также используются для измерения искажений в любом другом оборудовании и способны создавать искажения 0,0001% с помощью простого генератора аудиосигналов.
Генератор произвольных сигналов (ASG)
Генераторы произвольных сигналов (Arbitrary signal generators, ASG) представляют собой усовершенствованную модификацию функциональных генераторов. Подобно функциональным генераторам, ASG способен генерировать цифровые или аналоговые сигналы на основе введенных нами входных значений. Эти входные значения называются «точками маршрута». Таким образом, генераторы сигналов произвольной формы способны генерировать сигналы любой формы и, следовательно, являются наиболее универсальными типами генераторов сигналов.
Векторные генераторы сигналов
Векторные генераторы сигналов, также известные как генераторы цифровых сигналов, способны генерировать сигналы с цифровой модуляцией. Они используются для генерации радиочастотных сигналов со сложными форматами модуляции, такими как BPSK, QPSK, QAM и т. д. Это испытательное оборудование используется для тестирования как военных, так и обычных систем связи. Усовершенствованные генераторы векторных сигналов способны генерировать сигналы отраслевых стандартов, такие как GSM, W-CDMA, LTE, Wi-Fi и системы военной связи, такие как JTRS, которые должны быть максимально защищены от кибератак. Внешний вид векторного генератора сигналов показан на следующем рисунке.
Генераторы видеосигналов
Генераторы видеосигналов (Video signal generators, VSG) — это особый тип генераторов сигналов, который используется для создания видеосигналов. Эти устройства используются для калибровки телевизоров или других видеосистем путем выявления неисправностей в их работе. VSG генерирует синхронизированные сигналы в форме горизонтальных и вертикальных импульсов, а также способен генерировать сигналы цветовой синхронизации.
Генераторы видеосигналов чаще всего используются при разработке и тестировании видеооборудования, а также для его калибровки.
Что следует учитывать при выборе генератора сигналов?
При покупке генератора сигналов на рынке имеется множество вариантов. Генераторы сигналов бывают всех форм и размеров: некоторые модели стоят менее 50 долларов, а некоторое оборудование стоит более 10 000 долларов США. Итак, прежде чем выбрать модель, нам необходимо знать наши точные требования, тип сигнала, который нам нужен, и другие параметры, такие как частота и точность. Далее мы кратко рассмотрим параметры генераторов сигналов, которые необходимо учитывать перед их покупкой.
Формы сигналов и модуляции
Самый важный параметр, который нам необходимо учитывать перед началом поиска генератора сигналов, — это тип сигналов, которые он может создавать. Как объяснялось выше, генераторы функций способны генерировать простые сигналы, такие как синусоидальные сигналы, ступенчатые сигналы, пилообразные сигналы и т. д., но если вам нужны какие-либо дополнительные или пользовательские сигналы, вам, возможно, придется использовать генератор произвольных сигналов. Поэтому первый и самый важный параметр перед выбором генератора сигналов – это узнать, какой тип сигнала вам от него нужен.
Диапазон частот
Как объяснялось выше, генераторы сигналов представляют собой испытательное оборудование, которое используется для тестирования различных типов схем, будь то аудиосхемы или высокочастотные радиосхемы. Нам необходимо подобрать совместимый генератор сигналов в зависимости от схем, которые необходимо протестировать. Функциональный генератор способен генерировать сигналы частотой до нескольких мегагерц, но если вам нужно протестировать сложные радиочастотные схемы, вам необходимо приобрести генератор радиочастотных и микроволновых сигналов, способный генерировать частоты в диапазоне нескольких ГГц. Поэтому, прежде чем выбирать генератор сигналов, мы должны убедиться, что он имеет диапазон частот, пригодный для нашего применения.
Разрешение
Разрешение является одним из важнейших параметров измерительных систем. Он измеряет наименьшую амплитуду, при которой электронный прибор может различить две точки сигнала. Проще говоря, это наименьшая величина, которую может обнаружить и отобразить наш прибор. Чем выше разрешение измерительного оборудования, тем прибор будет способен отображать меньшие значения единиц измерения.
Частота выборки
Частота дискретизации определяется количеством выборок в секунду. Более высокая частота дискретизации необходима для достижения более высокой точности и большего разрешения. Согласно принципу Найквиста, если частота дискретизации более чем в два раза превышает максимальную частоту, то возможна идеальная реконструкция (восстановление) сигнала.
Режим фазовой синхронизации
Если вы работаете с радиочастотными сигналами, ваш генератор сигналов должен иметь возможность фазовой синхронизации. Фазовая синхронизация с помощью гетеродина или часов обычно выполняется при работе с высокочастотными цепями.
Выходное сопротивление
Выходное сопротивление также является важным параметром при выборе генератора сигналов. Если мы хотим использовать наш генератор сигналов в радиочастотной цепи или подключить его к линии передачи, тогда мы должны иметь высокий выходной импеданс, который соответствует импедансу линии передачи. Если же мы собираемся использовать генератор сигналов в качестве источника напряжения, то тогда его выходное сопротивление должно быть минимальным.
