Grundlagen Signalgeneratoren

Grundlagen für die richtige Signalgeneratoren Wahl

Die Anforderungen an einen Signalgenerator können je nach Anwendung sehr unterschiedlich sein. In einigen Fällen kann ein preisgünstiger Allrounder genügen, bei genauem Hinsehen erzwingt die geplante Anwendung – meist erst auf den zweiten Blick – einige konkret zu erfüllende Kriterien.

Generatoren müssen in Amplitude und Zeit klar definierte Signale erzeugen, die dabei durchaus komplex sein können und sich dennoch leicht erstellen lassen. Definierte Beeinträchtigungen des Signals können helfen, die Fehlertoleranz von Systemen zu überprüfen und gezielt zu optimieren.

Anwendungen der Automobilelektronik und der Leistungselektronik beispielsweise verlangen nach hohen Ausgangsspannungen, die eine Amplitude bis 24 V p-p erreichen können. Auflösungen bis zu 16 Bit stellen einen hohen Dynamikumfang und ein geringes Quantisierungsrauschen sicher. Anwendungen mit integrierten Controllern benötigen neben analogen Stimuli gleichzeitig und zeitsynchron auch digitale Bitmuster. Diese Bitmuster können entweder parallel auf mehreren Leitungen oder seriell als Bitstrom gefordert sein. Nicht zuletzt erzwingen komplexer werdende Anwendungen oft mehr als die bislang üblichen 2 oder 4 analogen Ausgangskanäle. Oszilloskophersteller beispielsweise reagieren darauf mit Geräten, die 8 analoge Eingänge plus Digitaleingänge bieten, eine hohe Vertikalauflösung, einen großen Offsetbereich und sehr lineare Eingangsverstärker haben und sich darüber hinaus kaskadieren lassen. All dies wird auch bei der Signalerzeugung zunehmend wichtiger.

Auch das Verzerrungs- und Rauschverhalten der analogen Ausgangssignale, eine hohe Leistungsbandbreite der Ausgangsstufe sowie ein praxisgerechter, großer Offsetbereich der Ausgangsspannung sind entscheidend dafür, ob ein Generator für eine Prüfaufgabe erfolgreich eingesetzt werden kann. Nicht zuletzt werden Controller und andere zu prüfende Aufbauten immer schneller, so dass steilflankige Signale und hohe Signalfrequenzen notwendig werden. Differentielle (LVDS-) Signalübertragungen verlangen nach entsprechend konfigurierten Ausgängen.

Bei einigen Generatoren gehen mit einer Signalumschaltung ungewollte Unterbrechungen des Signals, Pegelsprünge oder transiente Signaländerungen in Amplitude, Phase oder zeitlichem Verlauf einher. Dies kann in einigen Anwendungen zu Problemen führen, weshalb ein solches Verhalten kritisch zu bewerten ist.

Eine besondere Rolle kommt der Editiersoftware zu, diese muss die komfortable, intuitive Erstellung der benötigten Funktionen unterstützen und sie sollte als Dauerlizenz im Kaufpreis des Generators enthalten sein. Viele Anwendungen erfordern darüber hinaus den Import und die Wiedergabe erfasster Signale, beispielsweise aus Simulationsumgebungen, von Oszilloskopen oder Messwerterfassungssystemen.

Automations- und Fernsteuermöglichkeiten sowie Trigger- und Synchronisationsmöglichkeiten sind bei Prüfständen und Hardware-in-the-Loop-Anwendungen unverzichtbar. Praxisgerechte Schnittstellen in Hard- und Software erleichtern die Systemintegration.

AFG

Arbiträr-Funktionsgeneratoren (AFG) arbeiten mit einem digitalen Frequenzsynthesizer, mit dessen Hilfe eine veränderliche Frequenz erzeugt und damit ein D/A-Wandler getaktet wird.
Die Länge eines Signals ist häufig durch die Größe des Schieberegisters begrenzt, wodurch sich nur Signale bis zu einer bestimmten Komplexität darstellen lassen. Die erzeugte, einstellbare Frequenz wird durch im Synthesizer verfügbare Teilerfaktoren bestimmt und hat daher teilweise eine geringe Abweichung vom eingestellten Sollwert. Oft ist diese Abweichung vernachlässigbar, hingegen zählen eine hohe spektrale Reinheit der Ausgangssignale und eine große Agilität bei der Frequenzumschaltung zu den Vorteilen von AFG.

AWG

Arbiträre Signalgeneratoren (Arbitrary Waveform Generators, AWG) zeichnen sich durch einen großen Signalspeicher aus, der von einem sehr präzisen Oszillator angesteuert wird. Dessen Frequenz ist mit verschiedenen Vorteilern anpassbar, um auch langsamere Signale darstellen zu können, ohne dass zu viel Speicher belegt wird. Hochwertige Geräte bieten zudem einen Sequenzer, mit dessen Hilfe komplexe Signalverläufe durch Verkettung und Wiederholung aus kleinen, leicht zu definierenden Signalbausteinen zusammengesetzt werden können.

Bei ausreichend hoher Abtastrate, Analogbandbreite, Vertikalauflösung und Speichertiefe steht damit ein sehr vielseitiges Werkzeug zur Verfügung, um die benötigten Signale zur Verfügung zu stellen. Digitale Ausgänge für parallele und/oder serielle Bitmuster und analoge Ausgänge in massebezogener (single-ended) oder symmetrischer (differentieller) Auslegung sorgen für die Ausgabe des Signals an den Prüfaufbau. Eine auch bei hohen Frequenzen ausreichend hohe Signalamplitude ist dabei in vielen Anwendungen ebenso wichtig, wie ein großer Offsetbereich.

Bitmustergeneratoren (Patterngeneratoren) seriell und parallel

Zunehmend werden neben analogen Stimulussignalen auch Digitalsignale benötigt. Dies reicht von einfachen Schaltzuständen über parallele Datenmuster verschiedener Busbreiten bis zu seriellen Bussignalen unterschiedlichster Komplexität. Auch wenn diese Signale nicht direkt gebraucht werden, sollte sich ein Generator damit nachrüsten lassen, um auf zukünftige Mixed-Signal-Anwendungen vorbereitet zu sein.

Impulsgenerator

Schnelle, exakt definierte Impulse werden in vielen Anwendungen benötigt, für Laser, Doppelpuls, Radarsimulationen usw..

Bis zu 4 Ausgänge lassen sich bei modernen Geräten kombinieren, um auch schnellste Impulsfolgen mit hoher zeitlicher Präzision und Flexibilität erzeugen zu können.

Generatoren für USB-Anschluss

Generatoren für den USB-Anschluss stellen eine preisgünstige Lösung mit meist mittleren Fähigkeiten hinsichtlich Bandbreite, Speichertiefe und Kanalzahl dar. Die Bedienbarkeit ist stark von der Qualität der PC-Software abhängig. Generatoren ohne eigene Energieversorgung sind in ihrer Leistungsfähigkeit meist deutlich eingeschränkt, während Geräte mit einem Zusatznetzteil oft mehr leisten. Diese bieten häufig schnellere Abtastrate, haben eine höhere maximale Speichertiefe, Ausgangsspannung und Kanalzahl. Auch bei USB-Generatoren sind optionale Digitalausgänge inzwischen recht verbreitet.

(klassischer) Funktionsgenerator

Klassische, zumeist analog aufgebaute Funktionsgeneratoren waren über Jahrzehnte an den meisten Entwicklerarbeitsplätzen anzutreffen. Sie haben einige positive Eigenschaften, die erst durch die kontinuierliche Verbesserung digitaler Generatoren langsam in den Hintergrund getreten sind. Dazu zählen eine direkte Bedienung mit unmittelbarer Reaktion des Ausgangssignals auf die Bedienaktion, ein auch während der Änderung von Einstellungen unterbrechungsfreies Ausgangssignal und gelegentlich eine recht hohe Ausgansspannung bis ±20 V, teils noch darüber.

Nachteilig sind die häufig mäßige Signalqualität und die zumeist recht groben Toleranzen, die sich aus dem analogen Schaltungskonzept ergeben, eine begrenzte Zuverlässigkeit durch mit der Alterung zunehmende Kontaktprobleme im Signalweg, eine eingeschränkte Kalibrierfähigkeit und die fast immer fehlenden Möglichkeiten zur Fernbedienung / Automation.

Daher sind diese Geräte nur noch selten im Einsatz anzutreffen, zumeist bei Anwendungen ohne großen Anspruch und teilweise dann, wenn digitale Generatoren bestimmte Eigenschaften (z. B. eine lückenlose Signalausgabe, beispielsweise bei Verstellung des Tastverhältnisses) bislang vermissen ließen. Mit der Verbesserung der digitalen Signalerzeugung ist dies immer weiter in den Hintergrund getreten.

Sondergeneratoren (SSG, Video, Audio, I/Q, HF/UHF/µWellen-Synthesizer, HF-Recorder, Protocol Exerciser, ESD-Tester, 2/4 Quadranten-PSU, EMV-Pulsgeneratoren)

Spezielle Prüfaufgaben verlangen nach zielgerichtet dafür ausgelegten Generatoren mit angepassten Eigenschaften. Arbiträrgeneratoren unterstützen zwar zumeist verschiedene Modulationsarten, kommen aber bei komplexen Signalen (analoges FM-Stereo-Multiplex mit RDS, DAB+, DVB-Standards usw.) an ihre Grenzen. Solche Signale werden entweder mit spezieller Hard- und Software in Echtzeit erzeugt oder offline erstellt und anschließend abgespielt. Ähnlich verhält es sich mit Signalen für die Prüfung schneller digitaler Schnittstellen, für die es spezialisierte Protocol Exerciser gibt. Bei höherem Leistungsbedarf können Arbiträrgeneratoren gut zur Ansteuerung von 2- oder 4-Quadranten-Versorgungen genutzt werden, um beispielsweise Schwankungen der Spannungsversorgung zu simulieren. Für die Prüfung der ESD- und HF-Einstrahlfestigkeit bedarf es hingegen wieder spezialisierter Geräte. HF-Recorder erlauben die breitbandige Aufzeichnung und Wiedergabe von Signalen, die typischerweise per Antenne empfangen werden können. Signale aus komplexen Empfangssituationen können damit in einer realen Umgebung erfasst und im Labor zu Analyse- und Testzwecken beliebig oft wiedergegeben werden.

Auswahlkriterien (ist ein Generator für meine Anwendung geeignet?)

Arbiträrgeneratoren innerhalb einer Gerätekategorie ähneln sich oft in den hauptsächlichen technischen Daten. Entscheidend sind letzten Endes aber die tatsächlichen Fähigkeiten bzw. die Brauchbarkeit in der Zielanwendung – beides lässt sich aus den Datenblättern aber nur schwer herauslesen. Wer im recht unübersichtlichen Markt darauf vertraut, dass ein nach nicht klar definierten Auswahlkriterien beschaffter Generator schon „passen“ wird, läuft Gefahr, ein Gerät mit begrenzter Eignung zu beschaffen. Auch ist der Kauf eines höherpreisigen Produkts keine pauschale Gewähr für eine gute Eignung in einer konkreten Anwendung.

Daher sollte die Anwendung nach einigen Kriterien hin analysiert werden:

Anzahl der Ausgangskanäle (analoge und digitale)
Höchste und niedrigste benötigte Signalfrequenz (bestimmend für die Abtastrate und Analogbandbreite)
Komplexität der Ausgangssignale (bestimmend für Speichertiefe, Sequenzer, Modulationsfähigkeiten, Frequenzagilität)
Benötigte Ausgangsspannung an 50 Ohm bzw. hochohmigen Lasten
Offsetbereich (begrenzt oft die nutzbare Signalamplitude, wenn zusätzlich ein Gleichspannungsanteil überlagert werden muss)
Auslegung der Signalausgänge (massebezogen, differentiell / LVDS)
Benötigte Signalqualität (Vertikalauflösung, spektrale Reinheit, Frequenz- bzw. Zeitgenauigkeit, Jitter)
Triggereingänge, Ausgänge für Steuerimpulse und Synchronisationsanschlüsse für die Kaskadierung mehrerer Geräte (benötigt für die zeitliche Synchronisation der Ausgangssignale mit anderen Bestandteilen des Prüfaufbaus)
Fernsteuerung / Automation (gängige, einfach anwendbare Hardware- und Softwareschnittstellen)
Bedienbarkeit / Signalerstellung / Übernahme gemessener oder simulierter Signale in der alltäglichen Handhabung

Stand der Technik sind heute Generatoren, die sich bis zu 32 analogen Kanälen bzw. 192 Digitalkanälen kaskadieren lassen, die mit einer Vertikalauflösung von 16 Bit feinste Signalabstufungen darstellen können, die mit 24 V p-p eine hohe Signalamplitude erreichen und zusätzlich einen großen Offsetbereich abdecken und die energiereiche Impulse mit kürzesten Anstiegszeiten bis hinab zu 70 ps darstellen können. Zudem lassen sich diese zwischen AFG- und AWG-Betrieb umschalten und verbinden damit die Vorteile beider Konzepte (hohe Frequenzagilität, Modulationsfähigkeiten, Erstellung komplexer Signale mit einfachen Mitteln) zu einer vielseitigen und für lange Zeit zukunftssicheren Lösung. Ein durchdachtes Bedienkonzept mit einer Kombination aus Touchscreen, direkten Funktionstasten und komfortablem Signaleditor spart im Alltag Zeit und vermeidet ärgerliche Fehlbedienungen. Eine Erprobung eines vom Distributor ausgeliehenen Vorführgerätes in der konkreten Umgebung hilft, Fragen im Vorfeld zu klären und schafft Sicherheit, sich für die richtige Lösung zu entscheiden.