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 Wissenswertes zu Funktionsgeneratoren

Funktionsgeneratoren sind quasi die Gegenstücke zu Oszilloskopen: Während letztere elektrische Wellenformen darstellen, werden sie in den erstgenannten Geräten erzeugt. Wofür man Funktionsgeneratoren einsetzt, wie sie aufgebaut sind und worauf Sie beim Kauf achten sollten, das erfahren Sie hier.



Das machen Funktionsgeneratoren

Funktionsgeneratoren – häufig auch mit Frequenzgenerator bezeichnet – sind häufig bei der Entwicklung, dem Test und der Reparatur von elektronischen Geräten im Einsatz, überwiegend im Bereich analoger Schaltungen. Sie erzeugen verschiedener Arten elektrischer Wellenformen über einen breiten Frequenzbereich hinweg. Einige der gängigsten Wellenformen sind Sinus-, Rechteck-, Dreieck- und Sägezahn. Ein weiteres Merkmal vieler Funktionsgeneratoren ist die Fähigkeit, einen positiven oder negativen DC-Offset hinzuzufügen. Dabei handelt es sich um Gleichspannungen von wenigen Volt.

Einfache Funktionsgeneratoren erzeugen in der Regel eine dreieckige Wellenform, deren Frequenz sowohl stufenlos als auch stufenweise geregelt werden kann. Diese Dreieckwelle dient als Basis für die Wellenformen Rechteck, Sinus und Sägezahn. Erzeugt wird die Dreieckswelle durch wiederholtes Laden und Entladen eines Kondensators aus einer Konstantstromquelle. Dadurch entsteht eine linear auf- und absteigende Spannungsrampe. Durch Variieren des Stroms und der Größe des Kondensators lassen sich unterschiedliche Frequenzen erzielen.

Typische Sägezahnwellen entstehen durch langsames Laden und schnelles Entladen des Kondensators. Für das schnelle Entladen sorgt eine Diode an der Stromquelle. Wird die Polung der Diode umgekehrt, ergibt sich auch ein umgekehrtes Bild: ein schneller Anstieg und ein langsamer Abfall der Sägezahnwelle.

Eine Rechteckwelle mit einem theoretischen Tastverhältnis von 0 bis 100 Prozent lässt sich ebenso leicht erzeugen, der Kondensator wird dabei länger im geladenen Zustand gehalten. Die meisten Funktionsgeneratoren enthalten auch eine nichtlineare Diodenformerschaltung, mit der die Dreieckwelle durch ein Verfahren zur Abrundung der Ecken zu einer relativ genauen Sinuswelle wird.

Übliche Funktionsgeneratoren liefern Frequenzen bis zu 20 Megahertz. Generatoren für höhere Frequenzen – HF-Signalgeneratoren – sind keine Funktionsgeneratoren im eigentlichen Sinn mehr, da sie typischerweise nur reine oder modulierte Sinus-Signale erzeugen.

Wie die meisten Signalgeneratoren enthalten auch Funktionsgeneratoren ein Dämpfungsglied sowie verschiedene Mittel zur Modulation der Ausgangswellenform. Oft besitzen sie auch die Fähigkeit, die Frequenz der Ausgangswellenform automatisch und wiederholt zwischen zwei vom Bediener festgelegten Grenzen zu halten. Dieses Wobbler genannte Feature vereinfacht die Bewertung des Frequenzgangs einer ausgewählten elektronischen Schaltung. Einige Funktionsgeneratoren können auch weißes oder rosa Rauschen erzeugen, eine sinnvolle Ergänzung, wenn der Generator auch im Audiobereich eingesetzt werden soll.

Mit so genannten Arbiträr-Funktionsgeneratoren ist es zudem möglich, eigene Wellenformen zu generieren. Der Begriff Arbiträr steht hier für "willkürlich". Gemeint sind damit Techniken der direkten digitalen Synthese (DDS), um jedes beliebige Signal zu erzeugen, das durch eine Amplitudentabelle beschrieben werden kann. Ist ein entsprechender Eingang verfügbar, lässt sich das Grundsignal außerdem über ein externes Signal modulieren.



Diese Arten von Funktionsgeneratoren gibt es

Prüfgerät am Testplatz

Die am weitesten verbreitete Form des Funktionsgenerators ist ein Stand-Alone-System und steht auf dem Labortisch. Ein solches Prüfgerät enthält die Stromversorgung, die Steuerung, das Display und natürlich den Ausgangsanschluss. Vorteil: Es handelt sich dabei um ein autarkes System, das sich leicht und schnell bedienen lässt.

 

Rack-basiertes Prüfgerät

Ein weiteres Format ist ein Modul innerhalb eines Racksystems wie PXI. Das auf dem PCI-Bus basierende PXI-Racksystem wurde speziell für Prüfanwendungen entwickelt und verfügt über mehrere Steckplätze für Prüfgeräte. Mit dieser Technologie lässt sich eine individuelle Testumgebung gestalten, die genau den gewünschten Anforderungen entspricht. Die Module können jede Art von Testinstrument enthalten, einschließlich Multimeter, Oszilloskope und natürlich auch einen Funktionsgenerator

 

USB-Funktionsgenerator

Eine Reihe kleiner Funktionsgeneratoren sind als USB-basierte Testinstrumente erhältlich. Sie enthalten den Kern des Funktionsgenerators innerhalb des Moduls, das über eine USB-Verbindung an einen Computer angeschlossen wird. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass die Stromversorgung und Steuerschnittstellen wie die Tastatur des PCs nutzbar sind.

 

Computergestützter Funktionsgenerator

Eine andere Möglichkeit der Wellenerzeugung ist die Nutzung dedizierter Software. Die läuft als ganz normales Programm auf dem Computer und stellt die erforderlichen Wellenformen über den Audioausgang bereit. Da jeder moderne PC oder Mac über eine Audioausgabe verfügt, ist diese Lösung recht preiswert. Nachteil: Die Qualität des Signals erreicht nicht immer diejenige „echter“ Funktionsgeneratoren. Wenn die Audio-Elektronik als Folge der Prüfung und aufgrund eines möglichen Fehlanschlusses beschädigt wird, kann dies außerdem zu kostspieligen Reparaturen führen.

Funktionsgeneratoren sind normalerweise sehr einfach zu bedienen. Mit der modernen Verarbeitungstechnologie bietet sie die Möglichkeit vieler zusätzlicher Funktionen, einschließlich der einfachen Fernsteuerung. Die Anschaffungskosten sind in der Regel recht günstig. Bereits für weniger als 100 Euro gibt es Stand-Alone-Generatoren mit einem Frequenzbereich von 0 bis 15 Megahertz und eingebautem Frequenzzähler. Ein solcher Frequenzzähler ermöglicht eine präzise Frequenzmessungen externer Signale und die Kontrolle der Ausgangsfrequenz. Am anderen Ende der Preisskala liegen aber auch Geräte, die mehr als 10.000 Euro kosten. Doch dafür bekommt man einen Generator, der kaum Wünsche offenlässt.



Darauf sollten Sie beim Kauf eines Funktionsgenerators achten

Die wichtigste Frage lautet: Wie groß muss der Frequenzbereich sein, für den Sie den Funktionsgenerator überwiegend einsetzen wollen? Reichen 15 Megahertz als oberste Grenze, genügen die Standardwellenformen Sinus, Rechteck, Dreieck und Sägezahn, dann kommt durchaus eines der preiswerten Geräte in Betracht. Sie müssen sich dann nur noch für die Bauform entscheiden. Die ist natürlich abhängig vom Einsatzort. Prüfen Sie nur am Testplatz, ist ein Stand-Alone- oder Racksystem angebracht, wollen Sie eine direkte und gleichzeitig flexible Computeranbindung, kommen USB-Generatoren oder eine reine Softwarelösungen infrage.

Schwieriger wird die Auswahl, wenn Sie beispielsweise auch Arbiträr-Funktionen benötigen, der Klirrfaktor gering sein muss oder generell hohe Ansprüche an Abtastrate, Auflösung und Signallänge gelegt werden müssen. Ein wichtiger Punkt ist in diesem Zusammenhang auch die Kalibrierung. Alle im seriösen Handel verfügbaren Geräte sind zwar bereits werksseitig kalibriert, jedoch in der Regel ohne Zertifikat. In einigen Fällen ist dies jedoch nicht ausreichend, und zwar dann, wenn die Prüfung ein kalibrierpflichtiges System voraussetzt.So legt beispielsweise die Richtlinie „VDI/VDE/DGQ/DKD 2622 Blatt 5:2014-09“ genau fest, wie die Kalibrierung von Funktionsgeneratoren auszusehen hat. Typische Kalibrierungsinstitutionen sind die Labore der Deutschen Akkreditierungsstelle (DAkkS) sowie Labore, die nach nach ISO zertifizieren.

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