Häufig werden wir gefragt, was ein Signalgenerator wie WaverAD überhaupt ist und wozu er benutzt wird. Zugegeben, diese Frage kommt üblicherweise aus Kreisen von Personen, die sich im Alltag wenig bis überhaupt nicht mit Elektronik beschäftigen. Aber auch von unseren Kunden erhalten wir regelmäßig Fragen, wie zum Beispiel:

• Was ist der Unterschied zwischen einem Funktionsgenerator und einem Signalgenerator?
• Was macht einen arbiträren Signalgenerator oder Arbiträrgenerator aus?
• Was ist ein Logic Pattern Generator?
• Wie funktioniert so ein arbiträrer Signalgenerator überhaupt?

Wir wollen deswegen in den folgenden Erläuterungen versuchen, etwas Licht auf all diese Fragen zu werfen.
Wozu ein Signalgenerator?
Funktionsgenerator, Logikgenerator, Signalgenerator, Arbiträrgenerator - ???
Wie funktioniert ein Signalgenerator?

Wozu ein Signalgenerator?

Wie der Name bereits sagt, ist die grundlegende Funktion eines elektrischen Signalgenerators die, ein oder mehrere elektrische Signale zu erzeugen.
Elektrische Signale sind dabei sich nach einer bestimmten Vorgabe zeitlich verändernde Spannungswerte. Eine solche Vorgabe kann beispielsweise eine kontinuierliche analog-elektrische Kurve sein, wie eine Sinusschwingung (Bild 1a), eine Rechteckschwingung (Bild 1b), eine Dreiecksschwingung (Bild 1c) oder eine Sägezahnschwingung (Bild 1d).
Eine andere Vorgabe könnte die sein, nur einen einzigen Bereich (z.B eine einzige Periode) einer solchen Kurve als elektrische Spannung abzubilden (Bild 1e).

Genauso gut kann die Vorgabe aber auch die sein, eine beliebige andere mathematische Funktion in einer elektrischen Spannungskurve abzubilden. Ein Beispiel dafür ist in Bild 1f zu sehen. Die Funktion dieser zeitlichen Spannungskurve ist zum Beispiel:

Signale müssen aber nicht zwangsläufig analog sein. Auch digitale Muster können die Vorgabe für ein zu erzeugendes Signal sein, wie beispielsweise ein digitaler 8-Bit Zähler wie in Bild 2.

Wozu werden aber nun derartige Signale und damit ein Signalgenerator benötigt?
Die Antwort auf diese Frage ist die folgende:
Ein Signalgenerator erzeugt typischerweise das definierte Eingangssignal in eine elektrische Baugruppe, die auf ihre Funktion geprüft werden soll. Das Ausgangssignal aus der Baugruppe wird dann mit einem entsprechenden Messgerät empfangen, so dass der Benutzer anhand von dem Ausgangssignal bewerten kann, ob die Baugruppe das Eingangssignal so umsetzt, wie sie es theoretisch tun sollte und damit auf die Funktionalität der Baugruppe zurück schließen.

Ein sehr einfacher Fall einer solchen Messumgebung ist z.B. der Test einer Glühbirne. Um zu prüfen, ob die Glühbirne noch gut ist, schraubt man sie in die Fassung und hat damit gewissermaßen die zu prüfende Baugruppe. Der Signalgenerator wäre in diesem Fall der Lichtschalter, der als elektrisches Eingangssignal „Strom ein“ und „Strom aus“ liefert. Das Messgerät für das Ausgangssignal ist dann das Auge des Benutzers, der bei korrekter theoretischer Funktion der Baugruppe das Ausgangssignal „Licht an“ und „Licht aus“ erwarten kann.
Schwieriger würde es schon, wenn die zu testende Baugruppe z.B. ein HiFi-Verstärker wäre. Man könnte sich in diesem Fall als „Signalgenerator“ ein CD-Abspielgerät vorstellen und als Messgerät des Ausgangssignals seine Ohren benutzen. Diese Messumgebung könnte dann zumindest so weit verwendet werden, dass man die generelle Funktion des Verstärkers prüfen könnte. Aber sind die Ohren und das CD-Signal ausreichend, um beispielsweise Filterfunktionen des Equalizers korrekt zu prüfen oder Werte wie den Klirrfaktor?
Hier käme man bereits in den Bereich, in dem andere Eingangssignale und Messgeräte durchaus sinnvoll einzusetzen wären. Ein solches Messgerät könnte beispielsweise in diesem Fall ein Oszilloskop sein, das Eingangssignal könnte von einem dedizierten Signalgenerator erzeugt werden.
Viele heutige elektronische Baugruppen lassen sich inzwischen sogar gar nicht mehr anders testen als mit solch fortgeschrittenen Signalgeneratoren und Messgeräten.

Funktionsgenerator, Logikgenerator, Signalgenerator, Arbiträrgenerator - ???

Wer sich schon einmal mit Signalerzeugung befasst hat, wird über einige Begriffe gestolpert sein, die vielleicht verwirrend waren. Insbesondere bei den Geräten zur Signalerzeugung gibt es viele verschiedene Ausprägungen. Wir wollen hier einige Begrifflichkeiten klären.

Funktionsgenerator: Ein Funktionsgenerator erzeugt üblicherweise periodische elektrische Signale. Typischerweise ist ein Funktionsgenerator auf einige sehr häufig benutzte Signalformen (Sinus, Rechteck, Dreieck und Sägezahn, Bild 1a bis 1d) beschränkt. Diese Signale können dann noch in ihrer Amplitude, ihrem Offset und Frequenz (siehe Bild 4) eingestellt werden. Während ältere Funktionsgeneratoren ihre Signale durch eine analoge elektronische Schaltung erzeugen, setzen modernere Funktionsgeneratoren auf die digitale Signalerzeugung und eine darauf folgende digital-analog-Wandlung. Nicht-periodische Signale (z.B. Bild 1e), komplexere mathematische Funktionen (Bild 1f) oder digitale Signale (Bild 2) können von Funktionsgeneratoren typischerweise nicht erzeugt werden.
Wikipedia zum Thema Funktionsgenerator

Logikgenerator: Oft auch „Logic Pattern Generator“ oder „Digital Pattern Generator“. Ein Logikgenerator ist ein auf die Erzeugung von digitalen Signalen (Bild 2) spezialisierter Signalgenerator und kann üblicherweise arbiträr programmiert werden. Je nach Anwendungsgebiet bieten Logikgeneratoren unterschiedliche Signalbreiten (8-Bit, 16-Bit, 32-Bit) an und können auf die im Logikbereich üblichen logischen Spannungslevel (z.B. 3,3V und 5,0V) eingestellt werden. Funktionen wie kontinuierliche Amplituden- und Offset-Verstellung sind dagegen bei Logikgeneratoren zweitrangig.
Wikipedia zum Thema Logikgenerator

Signalgenerator: Signalgenerator ist der Überbegriff über alle Signal-erzeugenden Geräte. So ist z.B. ein Funktionsgenerator ein Signalgenerator, ebenso wie ein Logikgenerator ein Signalgenerator ist.
Wikipedia zum Thema Signalgenerator

Arbiträrgenerator: Oft auch „Arbgenerator“. Dies ist ein Synonym für einen arbiträren Signalgenerator. Arbiträr bedeutet, dass die zu erzeugende Signalform nicht im Gerät vordefiniert ist, sondern vom Benutzer frei programmiert werden kann. Damit ist ein Arbiträrgenerator sehr flexibel für die verschiedensten Eingangssignal-Vorgaben einsetzbar. Manche solcher Geräte bieten neben den typischen Funktionen eines Funktionsgenerators wie Frequenz-, Amplituden und Offset-Verstellung (siehe Bild 4) weitreichende Signalausgabe-Optionen, so dass nahezu alle erdenklichen Signalformen (Bild 1a-1f und unter Umständen auch Bild 2) erzeugt werden können.
Wikipedia zum Thema Arbiträrgenerator

Wie funktioniert ein Signalgenerator?

In Bezug auf das Arbeitsprinzip ist der analoge Funktionsgenerator die einfachste Form eines Signalgenerators. Über einen Schmitt-Trigger in Kombination mit einem Integrationsglied wird eine Dreiecks-Rampenspannung und gleichzeitig eine Rechteckspannung erzeugt. Eine nachgeschaltete Sinus-Former-Schaltung (sine shaper) nähert darüber hinaus eine Sinusschwingung an. Die Frequenz der Signale kann durch verschiedene Methoden in dieser Kette eingestellt werden.

Es gibt verschiedene mikroelektronische Bausteine, die die oben aufgezeigte Signalkette in einen einzigen IC integrieren.
Die verschiedenen Signalformen aus der Signalkette können dann individuell auf einen Signalverstärker geschaltet werde, der den Ausgang des Funktionsgenerators treibt. Über diesen Verstärker kann auch die Amplitude des Ausgangssignals eingestellt und ein Offset auf das Signal geprägt werden.
Ein derartiger Funktionsgenerator hat Nachteile dahingehend, dass die Auswahl der erzeugbaren Signale auf die wenigen Signalformen beschränkt ist und diese auch nur periodisch erzeugt werden können. Ebenso ist die Signalqualität durch die analoge Signalerzeugung oftmals beschränkt.

Modernere Funktionsgeneratoren verwenden daher häufig digitale Methoden zur Erzeugung der Signalformen.
Eine dieser Methoden ist die „Direkte Digitale Synthese“ (DDS). Dabei wird die gewünschte Signalform als Referenz digital in einem Speicher abgelegt und je nach gewünschter Ausgangsfrequenz entsprechend abgetastet.
Wikipedia zum Thema DDS

Bild 6a und 6b1/6b2 zeigt das Arbeitsprinzip der DDS.

Ein großer Nachteil der DDS ist allerdings, dass abhängig von der gewünschten Signal-Ausgangsfrequenz nicht alle Signalwerte aus dem Signalspeicher auf den Signalausgang gelangen. Bei analogen Signalen kann dies zu unerwünschten Artefakten im Signal führen, bei digitalen Signalen jedoch bedeutet die Auslassung einzelner Signalwerte unter Umständen eine maßgebliche und inakzeptable Zerstörung des Signals. Für Signalgeneratoren, die sowohl analoge als auch digitale Signale erzeugen können, ist die DDS also nicht verwendbar.
Alternativ zur DDS kann in diesem Fall das im Speicher vorliegende Signal über eine durch eine PLL veränderliche Taktfrequenz abgetastet werden, um die gewünschte Ausgangsfrequenz des Signals zu erhalten. Mit dieser Methode werden wirklich alle Signalwerte aus dem Speicher im Ausgangssignal verwendet.
Bild 6a und 6c1/6c2 zeigt das Arbeitsprinzip dieser digitalen Signalerzeugungs-Methode.
Das aus dem Signalspeicher abgetastete Signal wird anschließend mit einem Digital-Analog-Wandler zu einem analogen Signal und über einen Ausgangsverstärker aufbereitet. Amplituden- und Offset-Verstellung können sowohl im digitalen Speicher als auch in dem Ausgangsverstärker stattfinden.

Ein generelles Problem bei der digitalen Signalerzeugung ist die Filterung des aus dem Digital-Analog-Wandlers kommenden Analog-Signals. Einerseits ist es wünschenswert, die Quantisierungsstufen in dem Signal zu glätten, andererseits sollen aber auch die „Kanten“ und „Spitzen“ in z.B einem Rechtecksignal oder Sägezahnsignal nicht verschliffen werden - und das durch einen weiten einstellbaren Signal-Frequenzbereich.
Ein Kompromiss ist bei der Filterung unausweichlich.

Bild 7 zeigt den schematischen Aufbau, wie er in dem arbiträren Signalgenerator WaverAD verwendet wird.