Funktionsgenerator
Ein Funktionsgenerator ist ein Gerät, das verschiedene Signalformen mit einstellbarer Frequenz und Amplitude erzeugen - und diese modulieren kann, um Testsignale für elektronische Schaltungen bereitzustellen.
Analoger Funktionsgenerator
Einige analoge Funktionsgeneratoren sind nach dem folgenden Prinzip aufgebaut:
Die Spannung an Punkt 2 wird von dem Integrator integriert, wobei eine positive Spannung zu einer fallenden Spannungsrampe am Ausgang führt, eine negative zu einer steigenden. Diese wird gleichzeitig an den Eingang des Schmitt-Triggers zurückgeführt. Sobald die Eingangsspannung des Schmitt-Triggers eine der Umschaltschwellen -2/3 Umax oder +2/3 Umax erreicht hat, springt die Ausgangsspannung an Punkt 2 auf -Umax bzw. +Umax. Dadurch wird die Integrationsrichtung umgekehrt, die Steigung der Spannungsrampe ändert also ihr Vorzeichen. Die Spannung steigt oder sinkt nun wieder so lange, bis die andere Umschaltschwelle des Schmitt-Triggers erreicht ist und ändert dann erneut die Richtung. Dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder, so dass an Punkt 2 eine Rechteck- und an Punkt 3 eine Dreieck-Schwingung gemessen werden kann. Die Frequenz hängt von der Geschwindigkeit der Integration, also der Steigung der Dreieckspannung, ab.
Um aus dem so erzeugten Dreiecksignal eine angenäherte Sinusschwingung zu gewinnen, wird ein Sinusfunktionsnetzwerk verwendet. Damit wird die Eingangsspannung mit Hilfe von Dioden in mehrere Abschnitte "zerlegt", die jeweils unterschiedliche, durch Spannungsteiler angepasste Steigungen besitzen, wobei die Signalform so verändert wird, dass sie einem Sinus ähnelt. Praktisch werden die Spitzen zunehmend stärker abgeschnitten. Eine ausführliche Erklärung dieses Verfahrens findet man in U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungs-Technik.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Sinus-Generator zu verwenden und mittels Komparator zunächst eine Rechtecksapnnung und dann mit einem Integrator das Dreieck zu generieren.
Digitaler Funktionsgenerator
Moderne digitale Funktionsgeneratoren arbeiten meistens nach dem DDS-Prinzip, mit dem sich praktisch beliebige Signalformen erzeugen lassen. Typischerweise wird eine Sinus-Funktion erzeugt.
Der grundlegende Unterschied zur analogen Signalerzeugung besteht darin, dass die verschiedenen Signale nicht direkt durch "echte" Schwingungen erzeugt werden. Stattdessen übernimmt ein Prozessor die Berechnung der Funktionswerte und wandelt sie mit einem Digital-Analog-Wandler in die entsprechende Ausgangsspannung um. Der Prozessor läuft dabei mit einer festen Taktfrequenz, unterschiedliche Ausgangsfrequenzen des Funktionsgenerators werden durch die Software realisiert. Dieser Ansatz hat einige deutliche Vorteile. Die feste Frequenz, die zum Betrieb des Prozessors benötigt wird, lasst sich viel stabiler und genauer herstellen, als es mit der Integrator/Schmitt-Trigger-Kombination möglich wäre. Mit einem handelsüblichen integrierten Quarzoszillator erreicht man mit sehr geringem Aufwand und ohne Kalibrierung eine Genauigkeit von 100ppm. Die letztliche Genauigkeit des Geräts ist dann lediglich nur durch den Aufwand begrenzt, der in die Rechengenauigkeit investiert wird. Letztlich ist die Taktfrequenz des Prozessors der limitierende Faktor. Ausserdem ist die Anzeige der Frequenz kein Problem, da der Prozessor den exakten Wert "kennt", und ihn einfach auf einer angeschlossenen LED- oder LCD-Anzeige darstellen kann.