EP Basics Der Signalgenerator und wie er im Labor unterstützt

Ein Gastbeitrag von Thomas Rottach*

Der Signalgenerator gehört neben Oszilloskop und Multimeter zur Grundausstattung im Entwicklungslabor. Worauf sollte man bei einem Signalgenerator achten und worin unterscheiden sich die Geräte?

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Signalgenerator: Neben Oszilloskop und Multimeter gehört der Arbiträrsignalgenerator zur Grundausstattung in einem Entwicklungslabor.
Signalgenerator: Neben Oszilloskop und Multimeter gehört der Arbiträrsignalgenerator zur Grundausstattung in einem Entwicklungslabor.
(Bild: Siglent)

Der Funktionsgenerator oder auch Arbiträr-Signalgenerator gehört wie das Oszilloskop oder Multimeter in den Werkzeugkasten eines Elektronikentwicklers. Man nutzt sie für den entwicklungsbegleitenden Test und zur Funktionskontrolle von elektronischen Schaltungen und Modulen. Ihr Einsatz hängt auch stark vom Funktionsumfang ab. Unterschieden werden die Generatoren nach ihrem Funktionsumfang.

Die einfachen Funktionsgeneratoren erzeugen nur periodische Standardfunktionen. Dazu gehören beispielsweise Sinus, Rechteck oder Sägezahn. Die generierten Signale gibt der Generator an seinem Ausgang aus. Ein weiterer Typ ist der Arbiträr-Funktionsgenerator. Diese Geräte erzeugen neben Standardkurven auch Arbiträrsignale. Das sind Signale, die Benutzer frei definieren können.

Weit verbreitet sind ebenfalls Hochfrequenz-Signalgeneratoren, welche hochfrequente Sinus-Signale (CW) und modulierte Signale ausgeben. Oft ist bei diesen Geräten noch ein Niederfrequenzausgang (LF) für die Ausgabe von Standardsignalen mit limitierter Ausgangsfrequenz implementiert. Als weitere Varianten findet man Bitmuster-, Puls-, Pattern- oder Digitalsignalgeneratoren.

Der Arbiträr-Signalgenerator als Multitalent für Entwickler

Die Arbiträr-Signalgeneratoren sind meist mit weiteren Funktionen ausgestattet. So sind regelmäßig analoge und digitale Modulation, Puls-, Burstsignal- oder Zufallsbitsequenzausgabe und auch digitale Signalausgänge implementiert. Man bezeichnet sie als Multifunktions-Generatoren, da sie sich flexibel einsetzen lassen. Bei der Entwicklung von Embedded-Elektronik Treffen oft verschiedene Technologien in einem Projekt zusammen. Entwickler benötigen zum Testen der verschiedenen Teilbereiche neben dem entsprechenden Know-how viele unterschiedliche Signale.

In modernen Designs finden sich oftmals analoge und digitale Schnittstellen, um Sensoren und Aktoren sowie eine Funkschnittstelle für die Kommunikation anzubinden. Im Design selbst sind die Teilbereiche an Übergabepunkten verbunden, sodass Information in Form von Spannungspegeln, seriellen oder parallelen Digital- oder Bussignalen oder auch moduliert transportiert werden. Während der Entwicklung stehen nicht alle Signale bereit. Dafür gibt es verschiedene Gründe:

  • Das Projekt ist in parallellaufende Arbeitspakete aufgeteilt und nur die Schnittstellen definiert sind. Sind nicht alle Teilprojekte mindestens im Prototypenstadium, stehen die Signale nicht zur Verfügung.
  • Der Sensor steht nicht zur Verfügung, um echte Signale wie den Herzschlag zu erfassen.
  • Signale lassen sich nur selten einfangen, wie beispielsweise bei der Untersuchung von speziellen Teilchen der kosmischen Strahlung.

In den genannten Fällen wird während der Entwicklung oder beim Funktionstest und der Fehlersuche ein Signalgenerator eingesetzt. Der muss einerseits die benötigen Signale möglichst originalgetreu bereitstellen, andererseits auch Verzerrungen und Störungen einbringen können. Bei einem Embedded-System gibt es eine Vielzahl an Signalformen, die regelmäßig zum Einsatz kommen. Es sind häufig auch anwendungsspezifische Signale notwendig.

Standard- und anwendungsspezifische Signale erzeugen

Bild 1: Die Generatoren des Herstellers Siglent bieten standardmäßig verschiedene Signale für unterschiedliche Anwendungen. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal der Arbiträr-Funktion ist die Wiedergabegenauigkeit.
Bild 1: Die Generatoren des Herstellers Siglent bieten standardmäßig verschiedene Signale für unterschiedliche Anwendungen. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal der Arbiträr-Funktion ist die Wiedergabegenauigkeit.
(Bild: Siglent)

Ein typischer Anwendungsfall ist die Substitution eines Sensorsignals. Sensoren wandeln physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Drehmoment in Spannung oder Strom um. Das elektrische Signal durchläuft die Signalkonditionierungsstufe und wird danach digitalisiert. Zum Testen der Eingangsstufe benötigt man anwendungsspezifischen Signale, die mithilfe der Arbiträr-Funktion erzeugt und eingespeist werden.

Ein Vorteil der künstlich erzeugten Sensorsignalen ist, dass sie sich einfach mit Rauschen überlagern lassen oder in Pegel und Frequenz verändert werden können. Die Generatoren des Herstellers Siglent bieten standardmäßig verschiedene Signale für unterschiedliche Anwendungen. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal der Arbiträr-Funktion ist die Wiedergabegenauigkeit.

Die meisten aktuellen Signalgeneratoren setzen auf die DDS-Technik, um arbiträre Signale einfach zu erzeugen. Allerdings hat DDS auch seine Schwächen. So kann es vorkommen, dass einzelne Details von komplexen Arbiträrkurven verloren gehen. Um das Problem zu umgehen, hat Siglent die TrueArb-Technology entwickelt. Es handelt sich um eine Punkt-für-Punkt-Ausgabe. Sie stellt sicher, dass alle definierten Punkte der Kurve ausgegeben werden. Die Abstände der Punkte werden über die Einstellung der Abtastrate definiert. Das Ergebnis ist eine maximal hohe Wiedergabegenauigkeit und wenig Jitter.

Eine Anstiegszeit von wenigen Nanosekunden

Bild 2: Pulsweitenmodulierte Signale lassen sich ebenfalls mit dem Signalgenerator erzeugen.
Bild 2: Pulsweitenmodulierte Signale lassen sich ebenfalls mit dem Signalgenerator erzeugen.
(Bild: Siglent)

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Ebenfalls wichtig ist, die Flankensteilheit unabhängig von der Signalfrequenz einzustellen. Ein Szenario ist, wenn ein Puls mit einer Anstiegszeit im Nanosekundenbereich benötigt wird und die Wiederholfrequenz bei 1 Hz liegt. Bei vielen Generatoren mit DDS hängt die maximale Flankensteilheit von der Frequenz ab. Auch hier hilft die EasyPulse-Technology. Mit dieser Technik wird es möglich die Flankensteilheit variabel, unabhängig von der Frequenz einzustellen.

Benötigt man ein Signal einer Frequenz f = 1 Hz mit einer schnellen Anstiegszeit und einer speziellen abfallenden Flanke, dann lässt sich das mit einem entsprechenden Arbiträrfile realisieren. Die benötigte Pulsform kann im File abbildet und mit der TrueArb-Funktion abgespielt werden. Das Problem ist die lange Zeit zwischen den Pulsen. Sie müsste im Arbiträrfile mit Nullen aufgefüllt werden.

Für eine Anstiegszeit im Nanosekundenbereich braucht man eine hohe Abtastrate. Ein Arbiträrfile zum Abspielen mit 2,5 GS/s in einer Sekunde, müssen entsprechend 2,5 Milliarden Punkte bereitstehen. Dabei besteht das File zu 99,9999 Prozent aus Nullen. Den dafür notwendigen Speicher bietet kein Generator. Die Lösung ist das Sequencing. Mit der Funktion lassen sich definierte Kurven beliebig oft wiederholen und mit anderen Kurven übergangslos verbinden. Dazu muss nur die Pulsform und die DC-Sektion definiert und gespeichert werden.

Im Anschluss wird die Pulsform einmal ausgeführt und die DC-Sektion so oft, dass die restliche Sekunde aufgefüllt wird. In Kombination mit dem Marker-Ausgangssignal kann der Signalgenerator als Controller im System agieren.

Single-Ended oder differentielle Kommunikation

Ein weiterer Testfall ist die Untersuchung von Single-Ended oder differentiellen Kommunikationsleitungen. Spezielle Puls-Generatoren liefern den Stimulus. Die Impulsantwort wird mit einem Oszilloskop analysiert und daraus die Parameter berechnet oder die Schwachstellen detektiert. Eine weitere Möglichkeit ist die Einspeisung von Zufallsbitsequenzen (PRBS) und die Analyse des Augendiagramms. Zufällige Bitsequenzen werden nach einem definierten Prozess erstellt.

Die ergänzende Zahl (PRBS-5,PRBS-7) gibt an, wie lang das Schieberegister ist und indirekt nach wie vielen Bits sich die Sequenz wiederholt. High-Speed serielle Datenleitungen sind aus Gründen der Robustheit gegen Gleichtaktstörungen oftmals als differentielles Leitungspaar ausgeführt. Falls der Generator keine differentiellen Ausgänge besitzt, kann man das per externer Beschaltung nachbauen. Der SDG7000A von Siglent bietet zwischen Single-Ended und differentiell umschaltbare Ausgänge. Verschiedene Standards wie TTL, LVTTL, LVDS und weitere lassen sich hinzufügen.

Will man digitale, serielle oder parallele Busse einer elektronischen Schaltung testen, stehen mehrkanalige Bitmuster- oder Digitalsignal-Generatoren zur Wahl. Falls das Modul für die Signalkonditionierung zusammen mit A/D-Wandler nicht oder noch nicht verfügbar ist, müssen zum Test die Signale direkt vom Generator eingespeist werden. Damit kann der Softwareentwickler an der Signalverarbeitung ohne eine komplette Hardware arbeiten und testen. Hier tauchen wieder die erwähnten Standards TTL oder LVDS auf. Die Digitalkanäle können zur Evaluierung und Funktionsprüfung von Digital-Analog-Wandlern verwendet werden.

Hochfrequenzteil und Systemtest mit einem Generator

Bei einem Hochfrequenzteil ist oft ein Systemtest notwendig. Hier hilft ein passender Generator. In der Regel kommen die vorbereiteten Datensignale aus einem Mikrocontroller. Bei komplexen Modulationen wird je ein I- und ein Q-Basisbandsignal in den IQ-Modulator eingespeist. Stehen die Signale noch nicht bereit, hilft der Generator. Mit den IQ-Signalen kann der Modulator sowie der Sendepfad zusammen mit einem Signalanalysator oder Spektrum-Analysator überprüft werden.

Mit einem HF-Signalgenerator kann man auch modulierte Signale bereitgestellt. Einen Generator sollte man außerdem dann verwenden, wenn man einen Verstärker testen oder wissen, ob der eingestellte Arbeitspunkt weit genug vom 1-dB-Kompressionspunkt entfernt liegt und die Verstärkung mit wenig Verzerrungen funktioniert.

* Thomas Rottach ist Vertriebs- und Marketingleiter bei Siglent Technologies Germany.

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