Digitalschaltungen entwickeln Schmale Impulse mit einem Funktionsgenerator erzeugen

Autor / Redakteur: Heinz Ereth* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Beim Entwurf von schnellen digitalen Schaltungen werden überlicherweise Pulsgeneratoren benötigt, die entsprechend schmale Signale generieren können. Im Burst-Modus sind aber auch Funktionsgeneratoren in der Lage, solch schmale Impulse zu erzeugen. Wir zeigen Ihnen, wie der Burst-Modus eingesetzt wird.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Werden Digitalschaltungen im Labor entwickelt, erzeugt der Techniker die Signale mit einem Pulsgenerator. Gerade für das Niederfrequenzdesign bietet der Markt relativ preiswerte Vielzweck-Funktionsgeneratoren an, um die notwendigen Pulse zu erzeugen. Ein typischer Funktionsgenerator eignet sich für Mikroprozessor-Designs und Anwendungen der Pulsbreitenmodulation.

Funktionsgeneratoren liefern beliebige Kurvenforen

Heutige Funktionsgeneratoren sind vielseitig einsetzbare Signalquellen, die ihre Signale digital über direkte digitale Synthese erzeugen. Sie können eine Vielzahl von üblichen Kurvenformen liefern und bieten oft Wobbel- und Modulationsfunktion. Einige erzeugen beliebige Kurvenformen, so genannte Arbiträrsignale. Durch die direkte digitale Synthese wird eine extreme Frequenzstabilität, niedrige Verzerrung und große Flexibilität erreicht.

Es wurde früher die Auffassung vertreten, dass Funktionsgeneratoren zum Pulserzeugen nicht geeignet wären. Die am weitesten verbreitete Methode war, das Tastverhältnis einer Rechteckschwingung zu verändern. Das Tastverhältnis wird in Prozent ausgedrückt und bezeichnet bei einem Digitalsignal den Zeitanteil der Signalanteile mit hohem Pegel bezogen auf die Zyklusdauer.

Burst-Modus erlaubt schmalere Pulse

Bild 1: Eine grafische Darstellung des Burstmodus, der einen Puls von 1 µs Breite mit 0,5%-Tastverhältnis erzeugt (Archiv: Vogel Business Media)

Eine echte Rechteckschwingung hat ein Tastverhältnis von 50%. Mit anderen Worten: die Hälfte der Zykluszeit ist hoch oder high und die restliche Zykluszeit ist niedrig oder low. Der Einstellbereich des Gerätes ist normalerweise auf 20 bis 80% eingeschränkt. Bei hohen Frequenzen gibt es engere Grenzen. Oft sind aber schmalere Impulse notwendig. Dann hilft der Burst-Modus, der schmale Pulse mit langen Pausen generiert. Auf diese Weise werden Signale mit sehr geringem Tastverhältnis erzeugt. Ein Beispiel für ein Signal mit sehr geringem Tastverhältnis zeigt Bild 1.

Wie der Burst-Modus eingesetzt wird

Zunächst wird ein Rechtecksignal mit einer Periode eingestellt, die der erforderlichen Pulsbreite entspricht. Da ein Rechtecksignal kontinuierlich läuft, ist eine Methode zum Ausblenden der unerwünschten Signalanteile notwendig. Eigentlich wird der Funktionsgenerator so programmiert, dass er einen Einzelpuls abgibt oder es wird eine definierte Zahl von Taktzyklen vorgegeben. Folgendes Beispiel erläutert das genaue Vorgehen: Ein 1-µs-Impuls soll erzeugt werden, der sich in Abständen von 200 µs wiederholt. Das entspricht einem Tastverhältnis von 0,5%.

  • Frequenz des Rechtecksignals berechnen: Ein Rechtecksignal mit einer positiven Impulsbreite von 1 µs ist auch 1 µs lang auf der Nulllinie, so dass die Periode insgesamt 2 µs beträgt. Der Kehrwert von 2 µs ergibt die Frequenz von 500 kHz
  • Funktionsgenerator auf diese Ausgangsfrequenz einstellen: Rechtecksignal wählen und auf 500 kHz stellen. Die Amplitude des Rechtecksignals kann auch eingestellt werden, im Beispiel auf 1 VSS
  • Burstrate berechnen: Ziel ist, einen einzigen Zyklus dieses Signals alle 200 µs zu generieren. Das entspricht einer Burstrate von 5 kHz = (1/(200 × 10-6)). Bild 1 zeigt ein Beispiel eines Pulses mit einer Breite von 1 µs auf alle 200 µs.
  • Burstmodus einschalten: Burstzähler auf 1 setzen und speichern
  • Burstphase einstellen: Sicherstellen, dass das 500-kHz-Signal keine Phasenverschiebung aufweist, daher wird die Burstphase auf 0 Grad eingestellt. Diesen Wert wiederum speichern
  • Burstrate setzen: Burstrate auf die gewünschte Frequenz einstellen. Im Beispiel auf 5 kHz und speichern
  • Burstquelle auf „intern“ setzen: Bei den meisten Funktionsgeneratoren kann der Burstmodus entweder intern oder extern gesteuert werden. Im vorliegenden Fall wird die interne Steuerung genutzt. Sicherstellen, dass die Burstquelle auf „intern“ steht, dann speichern
Bild 2: Burstrate graphisch dargestellt. Sie erzeugt einen Puls von 1 µs mit 0,5% Tastverhältnis. (Archiv: Vogel Business Media)

Das Ausgangssignal sollte mit einem Oszilloskop mit Zoom-Funktion geprüft werden. Das Bild 2 zeigt das typische Bildschirmbild. Die Frequenz des Signals beträgt 5 kHz und 1-µs-Puls mit 0,5% Tastverhältnis. Funktionsgeneratoren haben niedrige Bandbreiten

Funktionsgeneratoren verfügen über niedrigere Bandbreiten als Pulsgeneratoren. Letztere sind für hohe Bandbreiten ausgelegt und hohe V × Hz-Produkte. Das heißt, hohe Ausgangsspannungen bei hohen Frequenzen. Hingegen arbeiten Funktionsgeneratoren mit Filtern für niedrige harmonische Verzerrungen.

Ein typischer Funktionsgenerator mit 20 MHz kann Pulse mit einer minimalen Anstiegszeit von 17,5 ns erzeugen. Dazu kommt die Abfallzeit von ebenfalls 17,5 ns. Der schmalste Impuls des Gerätes ist 35 ns breit. Pulsgeneratoren können die Anstiegszeit oder Flankensteilheit von Pulsen variieren. Dazu sind Funktionsgeneratoren nicht in der Lage. Erzeugt ein Funktionsgenerator ein Rechtecksignal, so ist die Anstiegszeit der erzeugten Pulse normalerweise unveränderlich. Die Bedienung von Pulsgeneratoren ist für die Erzeugung von Pulsen optimiert. Die gängigsten Parameter wie Periode, Pulsbreite und Anstiegs- und Abfallzeit lassen sich einfach einstellen. Bursttriggerfunktion erzeugt gewünschte Pulse

Ein Funktionsgenerator ersetzt einen Pulsgenerator nicht. Hat das Gerät die Bursttriggerfunktion, so lassen sich die gewünschten Pulse erzeugen. Auch mit anderen Kurvenformen, wie Sinus-, Dreieckskurven und Arbiträrsignalen, funktioniert die Technik. Dazu lässt sich die Phase und der Offset für jeden gewünschten Puls einstellen. Einige moderne Funktionsgeneratoren verfügen über eine Pulsfunktion. Solche Geräte verfügen meist über dedizierte Hardware mit hoher Bandbreite und spezieller Hardware für das Timing. Mit diesen Geräten lassen sich mit hoher Genauigkeit sehr schmale Pulse mit wählbaren Flankenzeiten generieren.

*Heinz Ereth ist Senior Verkäufer für Basic Instruments bei Agilent Technologies in Böblingen.

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