Генератор сигналов для чего нужен

Содержание

1 Историческая справка
2 Как устроен генератор сигналов?
- 2.1 Принцип действия
3 Как устроен генератор смешанных сигналов?
4 Виды генераторов сигналов
5 Историческая справка
6 Как устроен генератор сигналов?
- 6.1 Принцип действия
7 Как устроен генератор смешанных сигналов?
8 Виды генераторов сигналов

Генератор сигналов был в лаборатории нашего института — это такой большой ящик с десятком ручек регулировки. Он был ламповый и грелся минуты три до выхода на нормальный режим работы. Может ли маленькая платка за 7 долларов выполнять основные его функции? Посмотрим.

Технические характеристики генератора из описания магазина:

Питание: 9-12 вольт
Форма сигналов: прямоугольная, треугольная, синус
Импеданс: 600 Ом ± 10%
Частота: 1 Гц — 1 Мгц
Настройка частоты и амплитуды
Разрешение сигнала: 5 бит
Возможность грубой и тонкой настройки.

Синус:
Амплитуда: 0-3 вольта при питании 9 вольт
Дисторшн: менее 1% при частоте 1 КГц.
Равномерность: +0.05dB в диапазоне 1Гц — 100КГц.

Прямоугольный сигнал:
Амплитуда без нагрузки: 8 Вольт при питании 9 Вольт.
Возрастание сигнала — менее 50нс (на частоте 1КГц)
Спад синала — менее 30нс (на частоте 1КГц)
Симметричность: менее 5% (на частоте 1КГц)

Треугольный сигнал:
Амплитуда: 0 — 3 вольта при питании 9 вольт.
Линейность: менее 1% в диапазоне до 100 КГц при токе 10 мА.

Там же красным по белому написано, что эта версия поставки не включает в комплект корпус. Но мне прислали с корпусом. Приятная неожиданность.

Итак, генератор сигнала поставляется в разобранном виде. Но собирается настолько быстро и приятно, что это пожалуй даже плюс.

В комплекте присутствует плата, набор комплектующих, микросхема XR-2206 (основа всего проекта), инструкция, детали корпуса из оргстекла и необходимые для сборки винтики и гаечки.

Инструкция достаточно подробная, ошибиться в сборке по ней невозможно. Кроме схемы размещения деталей, там указан из список с упоминанием полярности там, где это надо, обшие рекомендации по сборке и принципиальная схема обвязки микросхемы. Все на английском.

Деталей мало, установка очевидна, справится даже чайник. Белая полоска на электролитиках должна совпадать с заштрихованной стороной круга, нарисованного на плате. Резисторы лучше проверять мультиметром, прежде чем устанавливать. Пожалуй, и вся премудрость.

Детели установлены на свои места, можно приступать к пайке.

Но прежде чем паять, я заглянул в датшит и полистал в интернете. Там советуют заменить резистор R4, отвечающий за подстройку синуса, на реостат. Это даст возможности минимизировать ненужные гармоники и приблизить сигнал к идеальной синусоиде. Так что я решил сразу впаять реостат в 500 Ом.

Вот так получилось. Паяется все легко, только перед впаиванием разъема питания нужно примерить боковину корпуса, чтобы потом все нормально собралось. Снизу платы желательно длинные «хвосты» не оставлять, так как плата должна быть прижата к дну корпуса, иначе не хватит длины болтов, фиксирующих плату.

В конце собираем корпус. Детали хорошо подогнаны друг к другу. Винты вкручиваются в фигурные отверстия в форме звездочек. Они легко и с первого раза нарезают там резьбу, сидят потом плотно, не выпадают и не выкручиваются.

Длины штатных винтов, крепящих плату, мне не хватило, так что я подобрал свои, даже с дистанционными шайбочками.

Вот итог всех трудов:

Подсоединяем осциллограф, включаем.

Все работает. Попробуем повысить напряжение питания. По датшиту микросхемы, она питается напряжением от 10 до 26 вольт.

Синхронизация сбивается, при обследованиии синусодиы видно, что начинет сбиваться фаза.

В режиме прямоугольного сигнала та же история:

При снижении напряжения питания ниже 12 вольт сигнал восстанавливается, но амплитуда выходного сигнала ограничивается входным минус 2 — 3 вольта:

Ну нам и не обещали работу от 26 вольт. В описании генератора заявлена работа как раз от 12 вольт. Так что все по-честному.

Посмотрим на диапазон частот:

Минимально получилось порядка 0,6 Гц.

Не подумайте, что это такой затейливый сигнал, это просто осциллограф дуреет и считает, что мы имеем дело с постоянным напряжением. При переключении в режим постоянного напряжение получаем такую картину:

Вот так вот! Полка 1 вольт, размах сигнала от 1 до 9,8 вольт. Амплитуда, таким образом, 8,8 вольта. Такая же история и с другими сигналами — синусом и треугольником. Для некоторых применений это не критично, а вот для тестирования аппаратуры, где нет входного фильтра, полка ни к чему. Такой сигнал надо пропускать через конденсатор, чтобы лишить его постоянной составляющей.

Устанавливаем конденсатор 2,2мкФ:

Ну вот. Теперь красивая синусоида вокруг нуля и в режиме измерения постоянки!

Крупнее, в режиме переменного напряжения:

И тот же сигнал, в режиме постоянного напряжения, с фильтрующим конденсатором 2,2мкФ:

С треугольником что-то не задалось, форма получилась такая:

При замене конденсатора на 3,3 мкФ все пришло более-менее в норму:

Но, прямо скажем, 0,6 Гц — не самый актуальный режим работы. Вот как выглядит треугольник на частоте в 1 КГц. Без конденсатора, в режиме AC:

С конденсатором, в режиме DC:

Как видим, все совершенно одинаково.

Теперь выкручиваем ручки частоты на максимум:

Синус красивый, частота получилась даже больше заявленной: 1,339 МГц.

Ну а что вы хотели — на таких-то частотах! От синуса отличается чуть большей амплитудой. На самом деле, такая разница в амплитудных значениях характерна для всего диапазона частот: в микросхеме синус делается из треугольника, у которого сглаживаются вершины.

Прямоугольный сигнал идет с другого выхода микросхемы. Он не регулируется по амплитуде, хотя она у него зависит от входного напряжения. На самом деле, это еще большой вопрос, выдает ли генератор кривой сигнал, или это осциллограф не может его отобразить. Или вообще щупы виноваты.

Амплитуда синуса и треугольника, как я уже говорил, может тоже регулироваться в известных пределах: если перестараться, то треугольник может получиться таким:

Соответственно, заваливаются и вершины синуса, но это не так заметно. Поэтому в режиме синуса полезно иногда переключаться на треугольник и проверять, хорошо ли отображаются вершины. Уменьшаем амплитуду:

Ну вот, теперь и синус будет красивый:

Для того, чтобы понять, насколько хорош этот синус, есть проверенный способ: глянуть на преобразование Фурье от него. Вот что получилось:

У нас есть хороший пик на частоте 100 КГц, есть пики второй и третьей гармоники, но они вполне допустимых размеров, для такой техники. Установленным подстроечником можно их минимизировать. Удобно использовать прецизионный реостат, там от упора до упора много оборотов винта, так что удобно настроить буквально доли ома. Эта картинка — как раз результат моей подстройки. У меня получилось оптимальное значение резистора R4 — 243 Ома. К слову, в набор положили резистор 330 Ом.
Для сравнения, вот спектр треугольного сигнала:

Видим красивые пики на боковых гармониках, ну так это же треугольник, а не синусоида. Для комплекта, вот прямоугольный сигнал:

Тут и так все понятно. Как видим, прямоугольник на 100 КГц остается более-менее прямоугольным. Проверим, что делается на 1 МГц:

Меандр похож на клюв тукана.

Картинки у меня кончились, теперь пару слов общих впечатлений.

Регулировка амплитуды грубовата в области низких значений, кроме того, ее почему-то сделали обратной: по часовой стрелке — уменьшаем, против часовой — увеличиваем. Регулировка частоты, что грубая, что тонкая — почти одинаково влияют на результат. Тонкую я сделал бы реостатиком меньшего номинала. Но это придирки, конечно, можно привыкнуть за пару раз использования.
Резистор, который влияет на дисторшн синуса, можно было бы сделать подстроечником, как и предусмотрено в датшите микросхемы. Но если уж делать резистор, то 330 Ом — явно перебор, там нужно 200-250 Ом.

В остальном прибор порадовал: собирается легко, можно даже с ребенком собрать, как конструктор. Довольно хорошо генерирует сигналы до полумегагерца, дальше хорошо получается в основном синус. Но меандр таких частот обычно и не нужен. Вообще, прибор за 7 долларов, который помещается в карман и способный перекрыть 98% потребностей радиолюбителя в генерировании сигналов — вполне хороший выбор.
Порадовал и корпус — собирается хорошо, выглядит превосходно!

Ссылка на генератор сигналов в магазине: тыц. (цена сегодня $7.68)

Подстроечный реостатик на Али — набор 15 штук разных номиналов, на все случаи жизни. Цена сто рублей. Пятьсот Ом там тоже есть.

Генераторы сигналов – приборы, позволяющие получать электрические, акустические и иного рода импульсы. Устройства бывают разных видов – обычно прибор подбирают под конкретную цель. Решающими факторами при выборе могут оказаться форма прибора, его статические функции и энергетические показатели. Устройство применяют в разных сферах – как в медицине, так и в быту (стиральные машины, микроволновки).

Историческая справка

Первый генератор был создан в 1887 году немецким физиком Германом Герцем. Прибор разрабатывался на основе индукционной катушки (или катушки Румкорфа). Он был искровым и вырабатывал электромагнитные волны. Потом история развивалась так:

1913 г. Другой немецкий ученый, Александр Мейснер, создал электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом.
1915 г. Появилась ламповая (или индуктивная) схема. Включение контура было автотрансформаторным, что отличало его от ранних изобретений. Идея принадлежала американскому физику Ральфу Хартли.
1919 г. На этот раз идея снова принадлежит американцам. Ученый Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, подключаемое к колебательному контуру посредством емкостного разделителя напряжения.

Это было лишь начало. Позже инженерами разных стран было создано множество вариаций электронных генераторов.

Как устроен генератор сигналов?

Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.

Стандартная модель сигнального генератора состоит из нескольких частей:

Экран на передней панели. Нужен для отслеживания колебаний и управления ими.
Редактор. Расположен в верхней половине экрана. Позволяет выбрать функцию.
Секвенсор. Размещён чуть ниже редактора, дает информацию о частоте колебаний.
Регулятор. Контролирует и настраивает частоту изменений.
Выходы сигналов. Обычно располагаются под экраном в самом низу прибора. Рядом – кнопка включения оборудования.

Смещение сигнала и его амплитуда обычно регулируются 2 кнопками. Работа с файлами происходит через мини-панель. Она дает пользователю просмотреть результаты тестирования или сохранить их для будущего анализа.

Принцип действия

Рассмотрим схему действия на примере простейшего электронного генератора. Есть проводник и магнитное поле, по которому он движется. В качестве проводника обычно используют рамку.

Принцип действия таков:

Рамка крутится внутри поля и пересекает линии магнитной индукции, отчего образуется электродвижущая сила.
Электродвижущая сила воздействует на ток, который начинает двигаться по рамке.
Электроток проникает в наружную цепь за счет контактных колец.

Схема генератора похожа на схему усилителя. Разница в том, что у первого нет источника входного сигнала. Он заменяется сигналом положительной обратной связи (ПОС).

В процессе обратной связи (ОС) часть выходного сигнала направляется на входную цепь. Структура такого импульса задается спецификой цепи обратной связи. Чтобы обеспечить нужную периодичность колебаний, цепи ОС создают на базе LC или RC-цепей. Частота будет зависеть от времени перезарядки конденсатора.

После формировки в цепи ПОС сигнал отправляется на вход усилителя. Там он умножается в несколько раз и поступает на выход. Оттуда часть отправляется на вход посредством цепи ПОС и снова ослабляется, возвращаясь к исходному значению. Благодаря такой схеме внутри устройства поддерживается постоянная амплитуда выходного сигнала.

Как устроен генератор смешанных сигналов?

Принцип действия генератора смешанных импульсов направлен на то, чтобы ускорить образование сигналов и воспроизводить их с максимальной точностью. Передняя панель прибора снабжена органами управления для контроля самых важных и часто изменяемых параметров. Менее востребованные и редко используемые функции можно найти в меню на основном экране.

Регулятором уровня устанавливается амплитуда движения выходного сигнала. Амплитуду и смещение можно регулировать без входа в многоуровневую систему меню.

Отдельный регулятор также позволяет изменить частоту дискретизации путем изменения периодичности выходного сигнала. При этом форму последнего этот настройщик изменить не сможет. Такая функция есть лишь в меню на основном экране редактирования. Форму выбирают при помощи сенсорной панели или мышки. Пользователь открывает нужную страницу и просто заполняет бланк с цифровой клавиатуры или поворотной ручкой.

Виды генераторов сигналов

Приборы различаются по ряду характеристик. Например, по форме сигнала (синусоидальные, прямоугольные, в виде пилы), по частоте (низкочастотные, высокочастотные), по принципу возбуждения (независимое, самовозбуждение). Однако существует несколько основных видов – о них и расскажем подробнее.

Синусоидальный

Прибор усиливает первоначальный синусоидный код в десятки раз. На выходе получается частота до 100 МГц. При этом исходный синус, как правило, не превышает 50 МГц. Генераторы синусоидального импульса активно используют при проверке блоков питания, инверторов и другой высокочастотной техники, а также радиоаппаратуры.

Генератор низкочастотный

Ниже схема самого простого низкочастотного генератора. На ней видно, что в приборе присутствуют переменные резисторы. Они позволяют корректировать форму и частоту сигнала. Изменить силу импульса можно подключенным модулятором KK202.

Такой прибор подойдет для настройки аудиоаппаратуры (звуковых усилителей, проигрывателей). Наиболее доступным вариантом низкочастотного генератора является обычный компьютер. Достаточно скачать драйверы и подключить его к аппаратуре через переходник.

Генератор звуковой частоты

Стандартная конструкция с микросхемами внутри. Напряжение подается в селектор, а сам сигнал генерируется в одной или нескольких микросхемах. Частоту можно настраивать при помощи модуляционного регулятора. Прибор отличается более обширным диапазоном частоты, чем аналоги (до 2000 кГц).

Импульсы произвольной формы

Генераторы с импульсами произвольной формы имеют повышенную точность. Погрешность минимальная – до 3%. Выходной импульс подвергается тонкой регулировке с применением шестиканального селектора. Прибор вырабатывает частоту от 70 Гц.

Устройства делят по степени синхронизации. Зависит она от типа коннектора, который установлен в прибор. Поэтому сигнал может усиливаться за 15-40 ньютон-секунд. Некоторые модели работают на 2 режимах – линейном и логарифмическом. Режим меняется переключателем, за счет чего корректируется амплитуда.

Контроллеры сложных сигналов

В сборке присутствуют только многоканальные селекторы, так как приборы получают импульсы сложной формы. Сигналы многократно усиливаются, режим можно изменить при помощи регулятора. Вариацией такого прибора считается DDS (устройство по схеме прямого цифрового синтеза).

Базовая плата оборудуется микроконтроллерами, которые легко снимаются и ставятся на место. В некоторых моделях можно заменить микроконтроллер одним движением. Если редактор монтированный, ограничители установить нельзя. Прибор генерирует измерительный сигнал мощностью до 2000 кГц с погрешностью до 2%.

Генератор цифрового сигнала

Цифровые генераторы популярны, потому что отличаются высокой точностью. Пользоваться ими удобно, однако они нуждаются в тщательной настройке. Здесь стоят коннекторы KP300, резисторы достигают сопротивления от 4 Ом. Это позволяет добиться предельно допустимого внутреннего напряжения в схеме.

Области применения

Генераторы сигналов используют современные лаборатории разработчиков электронных и измерительных приборов. Одинаковые генераторы могут применяться в кабинетах от начального до продвинутого уровня.

Однако эти функциональные устройства применяют для настройки и тестирования оборудования и в областях, более доступных обывателю. Вот лишь неполный список устройств, которые используют генераторы:

мобильные телефоны, техника для передачи данных, радио- и телеприемники;
вычислительные приборы;
инверторы, источники бесперебойного питания от электричества или импульсов;
бытовые приборы (СВЧ-печи, стиральные и посудомоечные машины);
измерительные приборы (амперметры, вольтметры, осциллографы);
медицинская аппаратура (томографы, электрокардиографы, аппараты УЗИ).

Находчивые пользователи применяют устройства и для иных целей. Например, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а RStamp SMA100A хорошо показал себя в регулировке аэронавигационных систем.

Историческая справка

1913 г. Другой немецкий ученый, Александр Мейснер, создал электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом.
1915 г. Появилась ламповая (или индуктивная) схема. Включение контура было автотрансформаторным, что отличало его от ранних изобретений. Идея принадлежала американскому физику Ральфу Хартли.
1919 г. На этот раз идея снова принадлежит американцам. Ученый Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, подключаемое к колебательному контуру посредством емкостного разделителя напряжения.