Arbiträrfunktion

Ein Arbiträrgenerator, Arbiträr-Funktionsgenerator oder kurz "Arb-Generator" (engl. Arbitrary waveform generator) ist ein Funktionsgenerator, der beliebig geformte Ausgangssignale erzeugen kann. Arbiträrgeneratoren werden in Forschung, Entwicklung und Service zur Schaltungsentwicklung und Optimierung sowie zu Prüfungs- und Fehlersuchezwecken eingesetzt.

Aufbau

Arbiträrgeneratoren arbeiten nach dem Prinzip der direkten digitalen Synthese. Die gewünschte Signalform wird in einem Halbleiterspeicher abgelegt, dessen Speicherstellen durch einen in der Frequenz veränderbaren Adressgenerator zyklisch abgerufen werden. Ein Digital-Analog-Umsetzer mit anschließendem Tiefpassfilter und Ausgangsverstärker erzeugt aus den Zahlenwerten das Ausgangssignal. Ein zentraler Mikroprozessor steuert sämtliche Funktionen des Generators und erlaubt per Tastatur und Display, aber auch durch standardmäßig vorhandene Schnittstellen zu Rechnersystemen (z. B. IEC-Bus oder USB) die Programmierung des Gerätes.

Die Eigenschaften eines Arbiträrgenerators werden wesentlich durch seine Abtastfrequenz bestimmt. Nach dem Abtasttheorem kann die höchste im Ausgangssignal vorkommende Frequenz(-komponente) maximal die halbe Abtastfrequenz erreichen, praktisch durch die endliche Steilheit des Antialiasing-Filters jedoch etwas weniger. Die Wortbreite (in bits) des Signalspeichers und D/A-Wandlers bestimmt das erreichbare Signal-Rausch-Verhältnis und damit die realisierbare Signalkomplexität. Gute Standardgeräte bieten heute Abtastraten von 50 MHz und Signalfrequenzen bis 20 MHz bei 14 bit Auflösung und mindestens 64K (65536) Worten Speichertiefe, Spitzengeräte erreichen Signalfrequenzen von 500 MHz bei 15 bit Auflösung und 16 Megasamples Speichertiefe.

Durch die digitale Synthese können auch sehr langsame Signale erzeugt werden, die Signalverzerrungen sind im Wesentlichen durch die Qualität des D/A-Wandlers bestimmt und damit i.A. wesentlich geringer als bei gewöhnlichen Funktionsgeneratoren, jedoch wird die spektrale Reinheit spezieller Sinus- und HF-Generatoren nicht erreicht.

Anwendung

Arbiträrgeneratoren werden als universelle Signalquelle im Entwicklungs-, Forschungs-, Test- und auch Servicebereich eingesetzt. Durch die Programmierbarkeit kann ein Arbiträrgenerator mehrere separate, spezifische Geräte ersetzen. Die Grundfunktionen eines Funktionsgenerators (Sinus-, Dreieck/Sägezahn- und Rechteck/Impulssignal) können bei manuell bedienbaren Geräten üblicherweise direkt abgerufen werden. Es existieren aber auch Arbiträrgeneratoren, die ausschließlich über externe Rechner gesteuert werden und keine manuellen Einstellmöglichkeiten bieten. Amplituden- oder frequenzmodulierte Varianten dieser Signale sowie "Bursts" (Pakete von Schwingungen mit Pausen dazwischen) sind ebenfalls einfach programmierbar, wobei in jedem Fall der eingebaute Mikroprozessor die gewünschte Kurvenform berechnet und im Speicher ablegt.

Komplexere Signale können am externen Rechner mit speziellen Programmen berechnet und über eine Schnittstelle in den Generator geladen werden. So ist es z. B. möglich, ein Nutzsignal mit definierten Störungen und Rauschen zu überlagern, Fading zu simulieren usw. Solche Testsignale werden beispielsweise bei der Prüfung von Datenübertragungseinrichtungen (Modems u.a.) eingesetzt. Auch Ausschnitte von Digitalsignalen wie z. B. einer seriellen Datenübertragung kann man auf diese Weise generieren.

Die zu generierenden Signalformen können, müssen aber nicht synthetisch erzeugt werden. Es ist möglich, messtechnisch erfasste reale Signale in den Arbiträrgenerator zu laden und jederzeit wieder abzurufen, was es erlaubt, in Forschung und Entwicklung mit „echten“ Signalen zu arbeiten, auch wenn der entsprechende Versuchsaufbau oder Proband nicht zur Verfügung steht, z. B. bei Anwendungen in der Medizintechnik.

Im industriellen Umfeld kann beispielsweise ein Servicetechniker bei Fehlern in Anlagen das interessierende Eingangssignal mit einem Transientenrekorder oder Speicheroszilloskop erfassen, und elektronisch (etwa per E-Mail) an den Anlagenhersteller übermitteln, der dann mit Hilfe eines Arbiträrgenerators den Sachverhalt im Labor nachstellen kann.

Siehe auch

Signalgenerator

Weblinks

• Step-by-Step Guide to Build an AWG