Funkční generátor (angl.Function generator), nazývaný téžgenerátor funkcí nebogenerátor tvarových kmitů, je zařízení pro generování napětí s určitým periodickým průběhem, např. trojúhelníkovým, obdélníkovým, sinusovým, pilovitým, lichoběžníkovým, impulsovým a jiným, s nastavitelnoufrekvencí aamplitudou. Některé funkční generátory umožňují amplitudově nebo frekvenčně modulovat výstupní signál, rozmítat frekvenci, popř. přelaďovat či rozmítat frekvenci vnějším řídicím napětím. Kvalitnější generátory majídigitální stupnici, popř. grafický displej. Funkční generátory se používají při kontrole a nastavování různých elektronických obvodů, jako jsou např.zesilovače,filtry apod.
Jednoduchéanalogové funkční generátory obsahují přeladitelný generátor lineárního trojúhelníkového napětí, z něhož se odvozují další požadované průběhy. Obdélníkový signál se získá z trojúhelníkového pomocí komparátoru. Pro vytvoření napětí přibližně sinusového průběhu bývá použit nelineární tvarovač spolovodičovými prvky a dalšími součástkami, na jehož vstup musí být přivedeno lineární symetrické trojúhelníkové napětí. Obvyklá hodnota harmonickéhozkreslení sinusového výstupu bývá zhruba 1 % a při zvyšování frekvence generátoru se zvětšuje. V závislosti na provedení tvarovače, přesnosti součástek a pečlivosti nastavení může mít sinusový signál na nízkých frekvencích zkreslení třeba i jen 0,05 %.[1]
Základem tvorby lineárního trojúhelníkového napětí je nabíjení a vybíjeníkondenzátoru konstantnímproudem. Často používané způsoby generování lineárního trojúhelníkového napětí jsou naznačeny na obr. 3. Mezi ně patří použití zpětnovazebního integrátoru soperačním zesilovačem a komparátoru, který může být opět realizován operačním zesilovačem (metoda integrátor-komparátor).[2] Zjednodušený obvod tohoto typu je nakreslen na obr. 3 a.
V určitýchintegrovaných obvodech se pro generování trojúhelníkového napětí používá emitorově vázaný multivibrátor se zdroji konstantního proudu v emitorechtranzistorů, mezi nimiž je zapojenkondenzátor, což zachycuje obr. 3 b.[3] V některých funkčních generátorech se kondenzátor střídavě nabíjí a vybíjí pomocí dvou samostatných zdrojů konstantního proudu s opačnou polaritou, přičemž přepínání zajišťuje diodový můstek, jak znázorňuje obr. 3 c.[4]
Generátor symetrického trojúhelníkového napětí pro nízkofrekvenční oblast může být založen i na populárním integrovaném obvodu555. Detailní zapojení je nakresleno na obr. 2. TranzistoryT1 aT1 slouží jako zdroje konstantního proudu s opačnou polaritou. DiodyD1 aD2 jsou určeny k teplotní kompenzaci uvedených tranzistorů. Integrovaný obvodIO1 typu555 obsahuje dva komparátory, které reagují na úrovně 1/3 a 2/3 napájecího napětí. Výstup integrovaného obvoduIO1 přepíná diodový můstek a tím umožňuje střídavé nabíjení a vybíjení kondenzátoru C1, na němž tak vzniká trojúhelníkové napětí. Aby nedošlo k narušení linearity trojúhelníkového průběhu, měl by být na výstupu zařazen ještě oddělovací zesilovač s velkou vstupní impedancí.
Některé běžné obvody pro tvarování trojúhelníkového napětí na přibližně sinusové zachycuje obr. 4. Používá se např. nelineární dělič s rezistory a diodami (viz obr. 4 a). Jde o postupnou aproximaci sinusového napětí dílčími úseky. Na obr. 5 a je nakresleno jednoduché provedení, které v praxi zajišťuje harmonické zkreslení v nejlepším případě okolo 1 %. Použije-li se více úseků, harmonické zkreslení výstupního napětí může být výrazně menší. Napětí podobné sinusovému lze získat i tvarovánímbipolárními tranzistory, pracujícími v oblasti saturace kolektorového proudu. Tvarovací obvod není nijak zvlášť složitý. Zjednodušené schéma najdeme na obr. 4 b. Vzhledem k tomu, že tranzistory a další kritické součástky by měly mít shodné parametry, je tato metoda vhodná promonolitické integrované obvody.[5] Další možnost představuje tvarování trojúhelníkového napětí prostřednictvímtranzistoru řízeného polem (FET). Samotný tvarovač tvoří jednoduchý obvod s jedním tranzistorem, dvěma diodami a několika rezistory, jak je vidět na obr. 4 c.[6]
K realizaci analogových funkčních generátorů byly navrženy speciální integrované obvody, jako např.XR205,XR2206,[7]ICL8038[8] aMAX038.[9] Nejlepší vlastnosti z uvedených integrovaných obvodů, co se týče maximální možné generované frekvence, má posledně zmíněný obvodMAX038. Funkční generátor se speciálním integrovaným obvodem může být poměrně jednoduchý.[10][11] Prostý funkční generátor může být založen např. i na běžném integrovaném obvodu 74HC4046.[12]
Na obr. 5 je nakreslen jednoduchý analogový funkční generátor, který obsahuje celkem třioperační zesilovače. Operační zesilovačOP2 je zapojen jakointegrátor a operační zesilovačOP1 pracuje jakokomparátor. Integrační kondenzátor 1 nF se periodicky lineárně nabíjí a vybíjí, protože na vstup integrátoru je připojeno obdélníkové napětí z komparátoruOP1. Na výstupuOP1 je tedy k dispozici obdélníkové napětí a z výstupuOP2 lze odebírat trojúhelníkové napětí. RezistoryR5 aR6 adiodyD1 ažD6 tvoří jednoduchý tvarovač trojúhelníkového průběhu na sinusový.OP3 je zapojen jako oddělovací výstupní zesilovač pro sinusové napětí. U tohoto generátoru není na obrázku zakresleno plynulé přelaďování frekvence. Rovněž není vyřešena regulace velikosti výstupního napětí.
Digitální funkční generátory pracují na základěpřímé digitální syntézy, označované zkratkouDDS (Direct Digital Synthesis). Tato metoda umožňuje digitálně řízené generování frekvencí, které jsou odvozeny z frekvence přesného generátoru řízeného krystalem. To zajišťuje výrazně lepší frekvenční stabilitu než mají analogové funkční generátory. Požadované průběhy jsou uloženy v digitální formě v paměti průběhů.
Zjednodušené blokové schéma architektury DDS je na obr. 6. Důležitým obvodem pro syntézu jefázový akumulátor, který generuje adresy, na nichž jsou v paměti uloženy vzorky příslušné funkce. Fázový akumulátor je tvořenfázovým registrem, nesoucím informace o fázi aktuálně generovaného bodu průběhu a sčítačkou. Tzv.delta registr obsahuje údaj o fázovém přírůstku, určujícím frekvenci generovaného průběhu. Změna frekvence se provádí zápisem do tohoto registru.[13] Aby generátor mohl mít analogový výstup, musí obsahovat také digitálně-analogový převodník. Důležitý je též výstupní filtr typu dolní propust, potlačující nežádoucí vyšší složky (antialiasing). Jedním z nedostatků techniky DDS je tzv.jitter (horizontální třesení), které však lze výrazně potlačit pomocí digitálního filtru.
Digitální funkční generátory mohou generovat v podstatě libovolné průběhy signálu (tzv. arbitrární). Mezi základní průběhy patří stejně jako u analogových generátorů trojúhelníkový, obdélníkový, sinusový a pilovitý průběh. Kromě obvykléamplitudové, popř.frekvenční modulace zde bývá též možnost rozmítání frekvence nejen lineárně, ale i logaritmicky, funkcepulsně šířkové modulace (PWM), klíčování frekvenčním posuvem (FSK), generování šumu apod. Dobře vybavené digitální funkční generátory mají barevný grafický displej, který jednak ukazuje nastavení generátoru, jednak zobrazuje výstupní průběh.
Obr. 7 zachycuje blokové schéma možného uspořádání digitálního funkčního generátoru. Základem je přesný a stabilní krystalový generátor. Digitální funkční generátor podle schématu dále obsahuje mikroprocesor a integrovaný obvod pro přímou digitální syntézu (DDS).[14] Na parametrech integrovaného obvodu pro DDS do značné míry závisí zásadní vlastnosti generátoru. Mikroprocesor mj. řídí integrovaný obvod pro přímou digitální syntézu, přijímá povely z klávesnice a poskytuje výstup pro grafický displej.
Obrázky, zvuky či videa k tématuFunkční generátor na Wikimedia Commons