DE2853499A1 - Funktionsgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Funktionsgeneratoren gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Mit Hilfe solcher Funktionsgeneratoren lassen sich beliebige Signalverläufe angenähert nachbilden. Bei herkömmlichen Funktionsgeneratoren dieser Art dient ein binärcodiertes Funktionssteuerprogramm, welches in einem Speicher abgelegt ist, zur Steuerung eines Digital/ Analog-Umformers, dem ein Gleichsstromverstärker nachgeschaltet ist, welcher an seinem Ausgang entsprechend dem Programm eine Folge unterschiedlicher Spannungspegel abgibt, welche in Form einer Treppenkurve die nachzubildende Funktion angenähert wiedergeben. Eine solche Treppenkurve bedeutet in den meisten Fällen eine beträchtliche Verzerrung gegenüber der nachzubildenden Funktion, die sich dadurch verringern läßt, daß man die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit, also die Impulsfrequenz erhöht und ggf. Filter zum Heraussieben der störenden Oberwellen vorsieht. Ein typisches Programm stellt die Funktion sin 2 Ft dar, worin F die Funktionsfrequenz ist. Man erhält sie, indem dem D/A-Umformer N Impulse mit einer Häufigkeit von C-Impulsen pro Sekunde zugeführt werden. Somit ist die Frequenz der Programmfunktion in diesem Fall F = C/N. Benutzt man die derzeit schnellstens D/A-Umfonner, Operationsverstärker und Speicher, so ist die Abtastfrequenz auf etwa 50 MHz beschränkt. Um die Obergrenze der Frequenz so weit wie möglich zu erhöhen, wird die Anzahl der Impulse N pro Zyklus auf ein vertretbares Minimum reduziert. Im Falle einer Sinusfunktion liegt der Mindeswert für N bei etwa 16, so daß die mit herkömmlichen Funktionsgeneratoren erzeugbare obere Frequenz bei 50:16 MHz, also gerade etwas höher als 3 MHz liegt.

Die gesamte nicht-lineare Verzerrung durch harmonische Schwingungen liegt im genannten Beispiel mit N= 16 bei etwa 11,3 %. Durch Einsatz geeigneter Filter läßt sich der Anteil an Harmonischen auf einen zulässigen Wert von weniger als 1 % verringern. Wegen der sehr scharfen Phasenkennlinien solcher Filter kann man diese jedoch nicht einfach in die Rückführschleife des Verstärkers einfügen. Sie liegen deshalb im

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allgemeinen außerhalb der Rückführschleife, so daß ihre Frequenzabhängigkeit hinsichtlich Phase und Amplitude im Programm der dem D/A-Umformer zugeführten Spannungswerte berücksichtigt werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine bessere und mit weniger Verzerrungen behaftete Näherungskurve einer vorgegebenen Funktion zu erzeugen und dabei den gerätetechnischen Aufwand möglichst gering zu halten. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Sie hat darüberhinaus den Vorteil, daß mit dem neuen Funktionsgenerator auch Funktionen höherer Frequenz erzeugt werden können, weil zur Erzeugung der Näherungsfunktion weniger Impulse pro Zeitintervall benötigt werden. Infolge der stark verbesserten Annäherung der erzeugten Polygonkurve an die gewünschte Funktion treten weniger harmonische Schwingungen auf, so daß der Aufwand an Filternauf der Ausgangsseite zumindest erheblich reduziert sofern auf Grund der besseren Kurvenannäherung auf Filter nicht überhaupt verzichtet werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispieles erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Funktionsgenerators;

Fig. 2 die Annäherung einer erzeugten Generatorspannung bei Anwendung der bisher üblichen Treppenschrittmethode; und

Fig. 3 den Verlauf des an die gleiche Sinuskurve

angenäherten Spannungspolygons bei Verwendung der Rampen- oder Gradientenmethode gemäß der Erfindung.

Der D/A-Umformer 10 ist eingangsseitig mit mehreren Datenlei tungen an einen Speicher 15 mit wahlfreiem Zugriff (RAM) ange schlossen und erhält von diesem Binärsignale. Das am Ausgang des D/A-Umformers 10 entstehende Stromsignal hat eine Amplitude,

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die vom Binärsignal aus dem Speicher 15 abhängt. Dieses Ausgangssignal des D/A-ümformers 10 gelangt im gezeigten Ausführungsbeispiel zum invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 2O, dessen nicht invertierender Eingang auf Massepotential liegt. Ein Rückführwiderstand 21 ist über einen Schalter 22 zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 20 und seinen invertierenden Eingang eingeschaltet. Dieser an sich bekannten resistiven Rückführschaltung mit dem Widerstand 21 ist eine kapazitive Rückführschaltung, bestehend aus einem Kondensator 24 und einem mit diesem in Reihe geschalteten Schalter 25 parallelgeschaltet. An den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 20 ist außerdem über einen Widerstand 31 eine Spannungsquelle 30 angeschlossen, welche eine bipolare Offsetspannung liefert.

Zur Langzeit-Driftkorrektur ist ein RC-Glied, bestehend aus einem Widerstand 42 und einem Kondensator 45 vorgesehen, wobei der Verbindungspunkt dieser beiden Komponenten über einen Schalter 41 und einen Widerstand 42 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist. Bei geschlossenem Schalter liegt der Widerstand 40 zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 20 und dessen invertierendem Eingang. Der Kondensator 45 ist nach Massepotential 50 geschaltet.

Bei geschlossenem Schalter 22 und offenem Schalter 25 arbeitet die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 wie im Stand der Technik mit einer resistiven Rückführung über den Widerstand 21. Am Ausgang des Verstärkers 20 entsteht ein treppenförmiges Spannungssignal, bestehend aus einer Folge von Impulsen, deren Amplitude von dem digitalen Eingangssignal des D/A-ümformers 10 abhängt. Durch Auswahl eines geeigneten Programms im Speicher 15 kann man das Ausgangssignal 20 der gewünschten Kurvenform annähern, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Dort wird mit der Treppenkurve eine Sinusfunktion nachgebildet. Dabei ist ersichtlich, daß der Grad der Annäherung von der Anzahl der Impulse oder Stufen abhängt. Je feiner die Treppenkurve

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unterteilt ist, d. h. je mehr Impulse pro Zeiteinheit erzeugt werden, umso besser läßt sich die Sinusfunktion annähern. Begrenzt wird die für einen bestimmten Teil der Funktion mögliche Unterteilung in Einzelimpulse durch die Beschränkung der Abtastfrequenz auf etwa 5O MHz, wobei schon die Verwendung von D/AUmformern, Verstärkern und Speichern vorausgesetzt ist, die dem modernsten Stand der Technik entsprechen.

Wird der Schalter 25 geschlossen und der Schalter 22 geöffnet, so arbeitet der Verstärker 2O als Integrator. Auf ein Konstantstrom-Eingangssignal entsteht am Verstarkerausgang ein Stromanstieg oder Gradient, d. h. ein Signal, dessen Amplitude während der Dauer des anstehendem Eingangssignals konstanten Pegels nach einer bestimmten Funktion zunimmt oder abnimmt. Dabei hängt die Steilheit des Stromanstiegs oder -abfalls von der Amplitude des Konstantstrom-Eingangssignals ab. Somit liefert eine fortlaufende Folge einzelner Stromsignale unterschiedlicher Amplitude am Eingang des Verstärkers eine fortlaufende Folge ansteigender oder abfallender Spannungssignale mit unterschiedlicher Neigung am Verstärkerausgang. Wiederum erhält der Verstärkereingang die vom D/A-ümsetzer 10 gelieferten in ihrer Amplitude durch das Programm des Speichers 15 gesteuerten Signale. Eine gewünschte Funktion läßt sich dadurch einstellen, daß man ein geeignetes Programm aus dem Speicher 15 abruft. Fig. 3 zeigt wiederum eine Sinus-Halbwelle, in diesem Fall angenähert durch Signale unterschiedlichen zeitlichen Anstiegs (Gradient) entsprechend der Erfindung. Ein Vergleich der Figuren 3 und 2 läßt deutlich erkennen, daß mit der gleichen Anzahl von Impulsen pro Zeiteinheit mit der Gradientenmethode gemäß Fig. 3 eine wesentlich bessere Annäherung der erzeugten Funktion an die gewünschte Sinushalbwelle erreichbar ist. Damit wird zugleich der Oberwellenanteil und damit die nicht-lineare Verzerrung bzw. Klirrfaktor der erzeugten Kurve stark herabgesetzt. Verwendet man beispielsweise 16 Impulse pro Periode und versucht damit eine Sinuswelle nachzubilden, so ergibt sich bei Verwendung der Treppenschrittmethode gemäß Fig. 2 eine nicht-lineare Verzerrung von 11,5 %,

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während bei Verwendung der Gradientmethode entsprechend Fig. 3 nach der Erfindung die nicht-lineare Verzerrung auf 0,6 % verringert ist. Bei Verwendung von 64 Impulsen pro Periode liegt bei der Stufenschrittmethode die lineare Verzerrrung bei 3 % und bei der Gradientenmethode unter 0,1 %.

Durch Betätigung der Schalter 22 und 25 kann die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 schnell von der Stufenschritt- auf die Gradientenmethode umgeschaltet werden, um auf diese Weise komplexe Funktionen möglichst naturgetreu nachzubilden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die nachzubildende Funktion abwechselnd Gleichstrom- und sich zeitlich ändernde Abschnitte enthält. Die Umschaltung der Schalter 22, 25 und 41 kann ebenfalls vom Programm des Speichers 15 her gesteuert werden. In vielen Fällen ist es möglich, die zur Erzeugung einer bestimmten Kurvenform erforderliche Anzahl von Einzelimpulsen zu verringern. Andererseits kann man Impulse mit gesteuerten Flanken erzeugen.

Ist der Schalter 25 geschlossen und der Schalter 22 offen, so arbeitet der Operationsverstärker 20 als Integrator und ist folglich einer Spannungsdrift ausgesetzt, die mit einer Gleichstromrückführung über eine Schaltungsanordnung, bestehend aus dem Widerstand 40 und dem Kondensator 45 korrigiert werden kann. Beim Schließen des Schalters 41 wird die Schleifen-Gleichstromverstärkung der Schaltung verringert und damit sowohl die Gleichstromdrift, als auch die bleibende Abweichung (Offset) auf ein Minimum reduziert. Zugleich wird sichergestellt, daß die Wechselstromschleifenverstärkung nur vom Kondensator 24 abhängt, über den Widerstand 31 kann von der Klemme 30 her dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 20 eine bipolare Offsetspannung zugeführt werden. Durch wahlweise Einschaltung einer kapazitiven Rückführung wird der Operationsverstärker 20 auf Integratorbetrieb umgeschaltet, so daß an :

■ ■ \ seinem Ausgang eine Folge ansteigender oder abfallender Signale ■ entsteht, mit deren Hilfe eine gewünschte Kurvenform in vielen

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Fällen besser angenähert werden kann als mit einer Treppenfunktion. Für Kurvenbereiche mit gleichbleibendem Signalpegel läßt sich die kapazitive Rückführung abschalten und durch eine herkömmliche resistive Rückführung ersetzen. Auf diese Weise kann man je nach Art des nachzubildenden Kurventeils wahlweise eine stufenweise oder sekantenförmige Nachbildung der gewünschten Kurve vorsehen und damit eine bestmögliche Annäherung erreichen. Kurventeile, in denen das Signal längere Zeit auf gleichem Pegel verharrt, lassen sich mit der Stufenmethode besser nachbilden.

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Claims (6)

11. Dezember 1'

HONEYWELL INC. 11· Dezember 1978

Honeywell Plaza 1006877 Ge

Minneapolis, Minn., USA

Funktionsgenerator

Patentansprüche:

Μ yFunktionsgenerator mit einer Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer programmierbaren Folge von Stromsignalen von vorgegebener Dauer und Amplitude und einem nachgeschalteten Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (20) als Operationsverstärker ausgebildet und zwischen Verstärkerausgang und Verstärkereingang eine kapazitive Rückführschaltung (24) derart eingeschaltet ist, daß der Operationsverstärker als Integrator arbeitet und an seinem Ausgang (35) eine Folge von Stromsignalen liefert, deren Gradient von der Amplitude des jeweiligen Eingangsstromsignals abhängt.

2. Funktionsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangsstromsignale Impulse von gleicher Dauer sind, deren Amplitude durch das Programm bestimmt ist.

3. Funktionsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltungsanordnung zur Erzeugung der programmierbaren Folge von Eingangestromsignalen einen digitalen Programmspeicher (15) sowie einen von diesem gesteuerten Digital/Analog-ümformer (10) aufweist, an dessen Ausgang der Eingang des Operationsverstärkers (20) angeschlossen ist.

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4. Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ausgang und Eingang des Operationsverstärkers (20) eine resistive zweite Rückführschaltung (21) vorgesehen und eine Schaltvorrichtung (22,25) vorhanden ist, mit der wahlweise die kapazitive oder die resistive Rückführung einschaltbar ist.

5. Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei eingeschalteter kapazitiver Rückführung (24) über einen zusätzlichen Schalter (42) ein RC-Integrierglied (40,45) zur Driftunfrerdrückung zwischen Verstärkerausgang und Verstärkereingang einschaltbar ist.

6. Funktionsgenerator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Umschalter (22,25, 41) durch ein Ausgangssignal des Programmspeichers (15) steuerbar sind.

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