W poprzednich wydaniach „Nowoczesnego Warsztatu” została przedstawiona zasada działania częstościomierza i zilustrowana danymi technicznymi tych urządzeń dostępnych na krajowym rynku diagnostycznej aparatury pomiarowej. Niniejszy artykuł jest pierwszym z serii opisujących generatory funkcyjne.

Generator laboratoryjny jest źródłem sygnału, którego zadaniem jest wytworzenie sygnału lub sygnałów o określonych parametrach (amplitudzie, częstotliwości, kształcie itd.), a po doprowadzeniu przez użytkownika do testowanego układu – umożliwienie mu zbadania własności tego układu lub całego urządzenia. Generatory laboratoryjne stosowane w technice pomiarowej przyjęło się dzielić w zależności od zakresu częstotliwości wytwarzanych sygnałów na generatory małej częstotliwości (m.cz.) i generatory wysokiej częstotliwości (w.cz.), nazywane też generatorami sygnałowymi. Wśród generatorów m.cz. wyróżnia się przyrządy wytwarzające sygnały o częstotliwościach akustycznych (audio) oraz generatory funkcyjne. Generatory audio wytwarzają zwykle tylko sygnał sinusoidalny o regulowanej częstotliwości i amplitudzie. Użytkownik generatora funkcyjnego może m.in. wybrać jeszcze kształt wytwarzanego sygnału.

Zakres częstotliwości, kształt oraz amplituda sygnałów wytwarzanych przez generator ma ścisły związek z jego wykorzystaniem, którym najczęściej jest konstrukcja i serwisowanie układów oraz urządzeń elektronicznych. Generatory m.cz. są stosowane w dziedzinie audio, generatory funkcyjne – w technice cyfrowej i audio, a generatory w.cz. – w sprzęcie radiowo-telewizyjnym. W niniejszym artykule ograniczymy się do dokładnego przedstawienia generatorów funkcyjnych.

Zasada działania generatora funkcyjnego
Generator funkcyjny, który jest rozwinięciem generatora małej częstotliwości, należy, ze względu na swoją uniwersalność, do generatorów najczęściej wykorzystywanych w serwisie urządzeń elektronicznych i pracach naukowo-badawczych. Wytwarza on sygnały o różnym kształcie oraz regulowanej częstotliwości, amplitudzie i współczynniku wypełnienia. Na rysunku po prawej przedstawiono bardzo uproszczony schemat blokowy generatora funkcyjnego. Jego podstawowym elementem jest oscylator sterowany napięciem i wytwarzający sygnał o kształcie prostokątnym. Sygnał ten jest doprowadzany bezpośrednio do wyjścia generatora – wyjścia sygnału prostokątnego, a napięcie sterujące jest wykorzystywane do regulacji częstotliwości tego sygnału. Sygnał o kształcie trójkątnym jest otrzymywany z sygnału prostokątnego przez wykonanie operacji całkowania. Operację tę wykonuje układ całkujący, nazywany też integratorem. Napięcie na wyjściu integratora jest wprost proporcjonalne do całki napięcia na jego wejściu. Kolejna obróbka sygnału, tym razem trójkątnego, wykonana w układzie kształtującym, prowadzi do uzyskania sygnału sinusoidalnego. Jak widać, do wytworzenia takiego sygnału potrzeba więcej stopni przetwarzających niż w przypadku pozostałych sygnałów, a wytworzony sygnał jest jedynie aproksymacją (przybliżeniem) rzeczywistego sygnału sinusoidalnego, stąd też zniekształcenia takiego sygnału są w porównaniu z typowym generatorem akustycznym (audio) stosunkowo duże i wynoszą w przypadku tanich generatorów około 1%. Typowy generator funkcyjny wytwarza oprócz sygnałów prostokątnego, trójkątnego i sinusoidalnego jeszcze sygnały o poziomach TTL i CMOS, będące również sygnałami o kształcie prostokątnym, a ponadto sygnał piłokształtny i impulsowy. Dokładając w układzie generatora funkcyjnego dodatkowy blok oscylatora, można zrealizować w nim funkcję przemiatania sygnału wyjściowego w zakresie ograniczonym dwoma częstotliwościami – dolną i górą. Ten drugi oscylator ma zwykle nie tylko regulowaną częstotliwość, lecz również amplitudę, co pozwala na sterowanie nie tylko zakresem, ale też szybkością przemiatania. Zakres częstotliwości sygnałów wytwarzanych przez typowy generator funkcyjny rozciąga się od 0,02 Hz do 5 MHz. Użytkownik oprócz częstotliwości może też regulować napięcie wyjściowe sygnału o wybranym kształcie. Zakres ten w typowych konstrukcjach wynosi od 0 do 20 V, przy czym wartość ta jest wartością międzyszczytową.

Płyta przednia typowego generatora funkcyjnego
Na fotografii powyżej przedstawiono wygląd płyty przedniej typowego generatora funkcyjnego. Przyciski „FUNCTION” (1) służą do wyboru kształtu przebiegu (sinusoidalny, trójkątny, prostokątny), który ma pojawić się na wyjściu sygnałowym „OUTPUT” (2). Przyciskami „FRQUENCY RANGE” (3) i pokrętłem „FREQUENCY” (4) ustawia się częstotliwość przebiegu. Najpierw przyciskami (3) wybiera się podzakres, w którym ma się mieścić częstotliwość przebiegu, a następnie pokrętłem (4) dokładnie ustawia się tę częstotliwość. Ustawiając częstotliwość, obserwuje się jednocześnie jej wartość wskazywaną przez wyświetlacz cyfrowy (9) typu LED lub LCD. Amplitudę przebiegu wyprowadzanego przez gniazdo „OUTPUT” reguluje się pokrętłem „AMPL.” (5). W razie potrzeby naciskając przycisk „ATT” (8), można włączyć tłumik sygnału wyjściowego, czyli zmniejszyć skokowo poziom tego sygnału o -20 dB. Gniazdo „OUTPUT” jest oznaczone symbolem „50 Ω”. Oznacza on wartość impedancji wyjściowej generatora. W niektórych wersjach generatorów funkcyjnych można osobnym przełącznikiem wybrać jeszcze impedancję 600 Ω, dostosowując układ wyjściowy do warunków typowych dla pomiarów akustycznych. Pokrętła znajdujące się na lewo od pokrętła regulacji amplitudy „AMPL.” są jednocześnie przełącznikami i służą kolejno do wyboru i ustawiania offsetu DC, napięcia sygnału TTL lub CMOS oraz symetrii. Pokrętła „DC offset” używa się w razie potrzeby do nałożenia na wyprowadzany przebieg przemienny składowej stałej (DC), dodatniej lub ujemnej. Wielkość tej składowej stałej można regulować, np. w granicach od -10 V do +10 V. Pokrętła wyboru i regulacji sygnałów TTL i CMOS współpracują z gniazdem wyprowadzania sygnału „TTL/CMOS OUT” (6). Amplitudę sygnału TTL można regulować w zakresie od 0 do 5 V, a CMOS – do 15 V. Na sygnał wyprowadzany przez gniazdo „TTL/CMOS OUT” nie mają wpływu pokrętła regulacji amplitudy i offsetu DC, nie ma też wpływu przycisk „ATT” włączający tłumienie sygnału wyjściowego (8). Za pomocą pokrętła regulacji symetrii „SYM” można zmieniać względną szerokość impulsu, czyli tzw. współczynnik wypełnienia impulsu, np. w zakresie od 1:10 do 10:1. Współczynnik ten (wyrażany też w procentach) jest równy stosunkowi czasu trwania jednego impulsu do czasu dzielącego początki i końce kolejnych impulsów przebiegu. Zmieniając wartość współczynnika wypełnienia przebiegu trójkątnego, można wytworzyć z takiego przebiegu sygnał piłokształtny, a z przebiegu prostokątnego – sygnał impulsowy. Kolejne dwa pokrętła-przełączniki oznaczone „SWEEP” (7) służą do konfigurowania procesu przemiatania częstotliwości sygnału wyjściowego. Przemiatanie częstotliwości polega na płynnej zmianie częstotliwości w ustalonym zakresie częstotliwości z wybraną szybkością przemiatania. Prawe pokrętło „WIDTH” służy do regulacji pasma, czyli szerokości przemiatania, a lewe „RATE” – do ustawiania szybkości przemiatania, czyli czasu przemiatania w zakresie np. od 20 ms do 2 s. W niektórych generatorach funkcyjnych można jeszcze wybrać rodzaj przemiatania liniowy lub logarytmiczny. Przemiatanie liniowe polega na proporcjonalnym zwiększaniu lub zmniejszaniu częstotliwości w funkcji czasu, a przemiatanie logarytmiczne – na zmianie częstotliwości zgodnie z przebiegiem typowym dla funkcji logarytmicznej. Dwa gniazda oznaczone symbolami „EXT COUNTER IN” i „VCF IN” (10) służą odpowiednio do doprowadzania sygnału z zewnątrz w celu pomiaru jego częstotliwości oraz do regulacji częstotliwości sygnału wyjściowego napięciem stałym doprowadzanym z zewnątrz. Większość obecnie produkowanych generatorów ma wbudowany częstościomierz. Służy on nie tylko do pomiaru częstotliwości sygnału wytwarzanego przez generator, lecz także do pomiaru częstotliwości sygnału doprowadzonego z zewnątrz. Gniazdo przeznaczone do doprowadzania takiego sygnału „EXT COUNTER IN” może być też umieszczone na płycie tylnej generatora, a przełącznik zmiany podzakresu częstotliwości (3) może być wtedy używany do ustawiania czasu bramkowania. Maksymalna częstotliwość sygnału zewnętrznego, którą częstościomierz może zmierzyć, jest zwykle dużo większa od maksymalnej częstotliwości sygnału wytwarzanego przez generator. Na przykład generator funkcyjny o maksymalnej częstotliwości wytwarzanego sygnału równej 5 MHz może mieć wbudowany częstościomierz, który będzie w stanie mierzyć częstotliwości do 50 MHz, a nawet większe. Częstościomierz wewnętrzny włącza się osobnym przyciskiem „COUNTER”. Częstotliwość sygnału otrzymywanego na wyjściu generatora można też regulować, zmieniając poziom napięcia stałego doprowadzanego z zewnątrz. Służy do tego wymienione już gniazdo „VCF IN”. Wartość napięcia zewnętrznego nie może zwykle przekroczyć 10 V. Regulacji częstotliwości dokonuje się w ramach podzakresu wybranego przełącznikiem (3). Po przekroczeniu napięcia 10 V oscylacje generatora gasną.


Parametry generatorów funkcyjnych
Zamieszczając w danych technicznych generatora funkcyjnego parametry wytwarzanych sygnałów, podaje się dla sygnału prostokątnego (w tym też dla sygnałów typu TTL i CMOS) wartości czasów narastania i opadania impulsów tych przebiegów (np. mniejsze od 25 ns – dla sygnałów prostokątnego i TTL, oraz mniejsze od 150 ns – dla sygnału CMOS). Im czasy narastania i opadania są mniejsze, tym impulsy sygnału prostokątnego mają kształt bardziej zbliżony do prostokąta. W typowym, niezbyt drogim, generatorze funkcyjnym czasy te zależą od ustawionej częstotliwości sygnału wyjściowego i w przybliżeniu mieszczą się w zakresie od 20 do 100 ns. W przypadku sygnału o kształcie trójkątnym ważna jest liniowość przebiegu, która wynosi zwykle 99% w określonym paśmie (np. od 0,2 Hz do 100 kHz). Z kolei w przypadku sygnału sinusoidalnego istotna jest płaskość przebiegu (podaje się ją w jednostkach napięcia np. 2,5 V) oraz zniekształcenia (np. mniejsze od 1% w paśmie od 0,5 Hz do 100 kHz). Z innych podawanych zwykle parametrów generatora funkcyjnego należy wymienić: zakres i podzakresy częstotliwości wytwarzanych sygnałów, dokładność częstotliwości, zakres regulacji poziomu wyjściowego, wartość impedancji wyjściowej, wartość tłumienia napięcia tłumika sygnału wyjściowego, zakres regulacji współczynnika wypełnienia impulsu, własności trybu przemiatania oraz częstościomierza wewnętrznego.

mgr inż. Leszek Halicki
Labimed Electronics Sp. z o.o.