metody generování (nejen) harmonického signálu

RC GENERÁTORY

Základ těchto přístrojů tvoří obvykle jednoduchý obvod s operačním zesilovačem a RC členem ve zpětné vazbě. Přelaďování výstupní frekvence se realizuje změnou odporů rezistorů a kapacit kondenzátorů. Změna těchto hodnot je realizována u většiny přístrojů mechanicky, a to potenciometrem a přepínačem rozsahů. Ruční ladění frekvencí například při měření charakteristik v širokém frekvenčním rozsahu je zdlouhavé, a proto jsou takovéto přístroje pro měření fázových a amplitudových charakteristik v širším frekvenčním rozsahu nevhodné.

RC GENERÁTORY S TVAROVAČEM

Obvod s operačním zesilovačem primárně generuje trojúhelníkový a obdélníkový signál. Z trojúhelníkového signálu se pomocí tvarovače tvořeného nelineárními prvky vytváří signál, který by měl být v ideálním případě velmi podobný sinusovému průběhu. Tento typ generátorů má výstupní harmonický (sinusový) signál s relativně vysokým zkreslením nežádoucími harmonickými složkami – celkové harmonické zkreslení (THD) výstupního signálu se obvykle pohybuje v řádu jednotek procent. Vzhledem k tomu, že je výsledná frekvence výstupního signálu určena hodnotami pasivních prvků, bývá nastavení frekvence (obvykle realizované potenciometrem a přepínači) velmi nepřesné a nestabilní. Tento koncept používá řada komerčně vyráběných levnějších generátorů funkcí. Takovéto přístroje pak často bývají doplněny o čítač (měřič frekvence), který měří výstupní frekvenci a u některých přístrojů má i vlastní vstup pro měření externího signálu. Příklad funkčního RC generátoru s tvarovačem je znázorněn na následujícím obrázku.

JEDNODUCHÝ FUNKČNÍ RC GENERÁTOR

RC GENERÁTORY SE STABILIZACÍ AMPLITUDY

Zjednodušené blokové schéma RC generátoru se stabilizací amplitudy ukazuje obrázek níže V kladné zpětné vazbě operačního zesilovače je zapojena RC pásmová propust, v nejjednodušším případě Wienův článek. Dalšími obvody je snímána výstupní amplituda a následně upravováno zesílení operačního zesilovače zápornou zpětnou vazbou tak, aby nedošlo k saturaci výstupu a oscilace měly stabilní amplitudu. Generátory založené na tomto principu mívají velmi malé zkreslení. Lze dosáhnout odstupu nežádoucích harmonických složek i přes 100dB. Problémem je delší doba ustálení výstupní amplitudy nejen po zapnutí přístroje, ale i po přeladění výstupní frekvence. Tyto generátory mají také problémy při generování signálů s příliš nízkými frekvencemi (jednotky Hz a méně) kvůli obtížnější stabilizaci amplitudy. Obdélníkový signál může být vytvořen z výstupního harmonického signálu pomocí komparátoru. Trojúhelníkový signál pak z obdélníkového integrátorem (integračním zesilovačem).

ZJEDNODUŠENÉ BLOKOVÉ SCHÉMA RC GENERÁTORU SE STABILIZACÍ AMPLITUDY

DDS GENERÁTORY

Syntezátory frekvence obecně využívají referenční signál s konstantní frekvencí. Výstupní frekvence je pak pomocí digitálních, digitálně-analogových a/nebo analogových obvodů generována jako určitý násobek (podíl) této referenční frekvence a lze ji měnit jen diskrétně. Krok ladění frekvence závisí kromě jiného především na bitové hloubce vnitřních registrů a tato diskrétní (skoková) změna se běžně pohybuje v řádu seti nebo tisícin Hz, takže je ve většině případů vnímána jako změna spojitá. Referenční oscilátor s pevnou výstupní frekvencí lze v praxi vytvořit s velmi dobrou frekvenční stabilitou, respektive řádově lepší než v případě oscilátorů s proměnnou frekvencí. Frekvenční stabilita výstupního signálu je pak dána pouze frekvenční stabilitou referenčního oscilátoru. Běžně můžeme dosáhnout tolerance frekvence referenčního a tím pádem i tolerance frekvence výstupního signálu ±20ppm (±0,002%) a při použití kalibrace a teplotní kompenzace referenčního krystalu se dostaneme ještě k lepším hodnotám (např. až ±1ppm tj. ±0,0001%). V případě přímé digitální syntézy je syntezátor tvořen výhradně digitálními obvody a výstupním digitálně-analogovým převodníkem. Na výstup D/A převodníku se zapojuje rekonstrukční filtr typu dolní propust, jehož úkolem je signál "vyhladit", respektive odfiltrovat nežádoucí spektrální složky vzniklé D/A převodem. Přímá digitální syntéza je označována také zkratkou DDS (z anglického Direct Digital Synthesis). Celkové harmonické zkreslení výstupního signálu se běžně pohybuje pod 0,1% a mimo jiného závisí do značné míry na počtu bitů výstupního D/A převodníku. Další výhodou DDS generátorů je jejich snadné, rychlé a velmi přesné přelaďování výstupní frekvence. Frekvence nebo fáze výstupního signálu může být změněna naprosto okamžitě, tj. klidně i několikrát během jedné periody výstupního signálu. Zjednodušené blokové schéma přímé digitální syntézy je uvedeno na následujícím obrázku.

ZJEDNODUŠENÉ BLOKOVÉ SCHÉMA DDS GENERÁTORU