فانکشن ژنراتور

فانکشن ژنراتور چیست ؟

فانکشن ژنراتور یکی از تجهیزات مهم برق الکترونیک می باشد که از آن می توان برای تولید سیگنال قابل کنترل با شکل موج های مختلف ( سینوسی , مربعی , مثلثی , دندانه اره ای و ... ) با فرکانس و دامنه ولتاژهای متفاوت استفاده کرد . در ادامه سیگنال تولید شده از خروجی فانکشن ژنراتور وارد مدار الکتریکی می شود و پاسخ مدار به سیگنال تولید شده را می توان در اسیلوسکوپ مشاهده کرده و تحلیل کرد .

پس مهم ترین دلیل استفاده از فانکشن ژنراتور تولید سیگنال کنترل شده با مشخصات دلخواه برای تحریک و تست مدار می باشد .

توجه کنیم که سیگنال خروجی تولید شده توسط این دستگاه الزاما AC نیست و می‌تواند شکل موجی تولید کند که مؤلفه DC هم داشته باشد؛ مخصوصاً با قابلیت DC Offset.

منظور از DC Offset  اضافه کردن یک ولتاژ DC ثابت به یک سیگنال AC می باشد

بررسی عملکرد فانکشن ژنراتور و اسیلوسکوپ در کنار همدیگر

همان طور که در قسمت قبلی اشاره کردیم فانکشن ژنراتور برای تولید سیگنال الکتریکی با دامنه ولتاژ و فرکانس های مختلف و شکل موج های متفاوت استفاده می شود و در ادامه سیگنال تولید شده توسط فانکشن ژنراتور وارد مدار می شود و پاسخ مدار به تغییرات احتمالی را می توانیم در اسیلوسکوپ نشان دهیم .پس در واقع فانکشن ژنراتور برای تولیدسیگنال و اسیلوسکوپ برای نمایش و بررسی شکل موج ,نیازی به همکاری متقابل با هم ندارند و بدون کارکرد متقابل هم می توانند کارایی داشته باشند . 

همچنین برای بهبود سسگنال تولید شده توسط فانکشن ژنراتور می توانیم از تقویت کننده یا Amplifier استفاده کنیم . تقویت کننده مداری است که یک سیگنال ورودی را می‌گیرد و نسخه‌ای با توان، ولتاژ یا جریان بیشتر در خروجی ایجاد می‌کند.

شاید این سوال برای شما پیش آمده باشد که دلیل استفاده ما از تقویت کننده چی هست . فانکشن ژنراتور صرفا برای تولید سیگنال آزمایشی کاربرد دارد و برای تامین توان زیاد به تقویت کننده نیاز داریم . 

اما اگر بخواهیم ببینیم سیگنال واقعاً چه شکلی است یا خروجی مدار چه تغییری کرده، اسیلوسکوپ بسیار مفید می‌شود. بنابراین مکمل بودن این دو بیشتر در فرایند تست و عیب‌یابی مدار است، نه اینکه یکی بدون دیگری بی‌فایده باشد.

همچنین فانکشن ژنراتور خودش هم معمولاً یک نمایشگر دارد و می‌تواند پارامترهایی مثل فرکانس و دامنه تنظیم‌شده را نشان دهد؛ اما نمایشگر آن با اسیلوسکوپ یک کار انجام نمی‌دهد.

تفاوت سیگنال ژنراتور و فانکشن ژنراتور 

در این قسمت می خواهیم به بررسی عملکرد سیگنال ژنراتور و فانکشن ژنراتور و تفاوت های آنها نسبت به هم بپردازیم .

سیگنال ژنراتور به طور کلی شامل انواع مختلفی از دستگاه های مثل RF Signal Generator و Microwave Signal Generator و ... می باشد و معمولا برای تولید سیگنال های مثل امواج رادیویی , ماکروویو و ...  برای آزمایش سیستم های مخابراتی و الکترونیکی که در محدوده های فرکانسی بالا تا چند GHz می باشند کار می کنند . از طرفی در مورد فانکشن ژنراتور معمولا فرکانس های پایین و نهایت در حد چند MHz تولید می شود اما نمی توان قاعده کلی برای محدوده فرکانس سیگنال های تولید شده توسط فانکشن ژنراتور و سیگنال ژنراتور در نظر گرفت و حتما برای این موضوع باید به مدل دستگاه هم دقت کنیم .

به طور مثال RF Signal Generator دستگاهی است که برای تولید سیگنال‌های فرکانس رادیویی استفاده می‌شود . همچنین Microwave Signal Generator برای تولید سیگنال‌هایی با فرکانس‌های بسیار بالا در محدوده مایکروویو طراحی شده است . .

همچنین فانکشن ژنراتور به طور کلی می تواند سیگنال هایی با شکل موج های متفاوت مثل سینوسی , مربعی , دندانه اره ای و ... تولید کند اما همان طور که گفتیم سیگنال ژنراتور مدل های مختلفی دارد و شکل موج تولید شده توسط هر کدام متفاوت از مدل های دیگر می باشد . همچنین بعضی Signal Generatorها عمدتاً موج سینوسی RF تولید می‌کنند، اما قابلیت‌های دیگری مثل Pulse یا ایجاد سیگنال‌های مدوله‌شده هم دارند.

همچنین از RF Signal Generator و Microwave Signal Generator  و حتی فانکشن ژنراتور می توان در سیستم های مخابراتی ماهواره ای و رادارها و تست فرستنده ها و سیستم های GPS و ... استفاده کرد. 

مثلا فانکشن ژنراتور بیشتر برای تولید و تست سیگنال‌های پایه و فرکانس‌های پایین‌تر/متوسط؛ مثلاً تست مدار، فیلتر، تقویت‌کننده یا ورودی یک بخش از سیستم کارایی دارد . اما RF Signal Generator  برای تولید سیگنال‌های RF دقیق و کنترل‌شده، مثلاً یک حامل 1 GHz، و به همین دلیل برای تست گیرنده، فرستنده، سیستم‌های رادیویی، رادار و تجهیزات مخابراتی مناسب‌تر است.

انواع فانکشن ژنراتور

فانکشن ژنراتورها را بر اساس مشخصات سیگنال تولیده شده به 2 دسته زیر تقسیم می کنند .

1. فانکشن ژنراتور آنالوگ : فانکشن ژنراتورهای آنالوگ معمولا از لحاظ امکانات جز ساده ترین دستگاه های تولید شده در صنعت می باشند . آنها در مقایسه با فانکشن ژنراتور های دیجیتال که در ادامه آنها را بررسی می کنیم از نظر دقت تنظیم فرکانس و برخی قابلیت‌های کنترلی محدودتر هستند. معمولا دامنه فرکانسی آنها بسیار پایین بوده و به طور مثال در حد اعدادی مثل 2 یا 5 مگاهرتز و ... می باشد با این حال عدد مشخصی نمی توان برای آنها در نظر گرفت.

از طرفی صفحه نمایش بسیاری از فانکشن ژنراتورهای آنالوگ سون سگمنت می باشد و صرفا برای نمایش عدد مربوط به پارامترهای مختلف در صفحه نمایش از آن استفاده می کند . البته این را هم در نظر بگیریم که بعضی از فانکشن ژنراتورهای آنالوگ قدیمی  اصلاً نمایشگر دیجیتال ندارند و تنظیمات با ولوم‌ها و کلیدهای مکانیکی انجام می‌شود

در نتیجه با توجه به محدودیت های اسیلوسکوپ آنالوگ در تنظیم دقیق فرکانس , پایداری بیشتر , قابلیت ذخیره تنظیمات , تولید شکل موج های متنوع تر و ... فانکشن ژنراتور دیجیتال تولید شده که با استفاده از روش های DDS و DAC و... که در ادامه بررسی می کنیم سیگنال های بهتری را تولید می کنند .

 جمع بندی نهایی : فانکشن ژنراتورهای آنالوگ معمولاً از نظر محدوده فرکانسی، دقت تنظیم و امکانات کنترلی نسبت به مدل‌های دیجیتال محدودتر هستند و بسیاری از مدل‌های قدیمی نیز فاقد نمایشگر دیجیتال هستند.

2. فانکشن ژنراتور دیجیتال : قطعا این دستگاه می تواند سیگنال های با دامنه ولتاژ و محدوده فرکانسی بالاتر و البته شکل موج های متنوع تر را تولید کند.

به طور خلاصه اگر بخواهیم مسیر تولید سیگنال در  فانکشن ژنراتور دیجیتال را بررسی کنیم به عبارت زیر می رسیم .

خروجی → تبدیل به سیگنال آنالوگ → DAC → تولید نمونه های عددی موج → پردازش دیجیتال → فرکانس مورد نظر

یعنی در طی این مسیر دستگاه شکل موج را در قسمت دیجیتال به نمونه های عددی تبدیل می کند و سپس در قسمت DAC آن را به صورت سیگنال آنالوگ ( ولتاژ ) در خروجی نشان می دهد . 

معرفی روش DDS : منظور از روش DDS , تولید مستقیم دیجیتال سیگنال می باشد . DDS اعداد مربوط به شکل موج را تولید می کند . پس DDS کمک می‌کند دستگاه بتواند فرکانس سیگنال را به‌صورت دقیق و دیجیتالی تعیین و کنترل کند.

در نهایت می توان DDS روشی است که به فانکشن ژنراتور دیجیتال اجازه می‌دهد با استفاده از پردازش دیجیتال، سیگنال‌هایی با فرکانس و شکل موج قابل‌کنترل تولید کند.

مبدل DAC : به دلیل اینکه ما در خروجی فانکشن ژنراتور نیاز به ولتاژ واقعی و پیوسته داریم , در طول مسیر تولید سیگنال در فانکشن ژنراتور دیجیتال به مبدل DAC که همان مبدل دیجیتال به آنالوگ هست نیاز داریم تا در خروجی دستگاه ولتاژ آنالوگ تولید شود .

پس در فانکشن ژنراتور دیجیتال، DDS بر اساس فرکانس، دامنه و شکل موج تنظیم‌شده، داده‌های دیجیتال لازم را تولید می‌کند و سپس DAC این داده‌ها را به سیگنال آنالوگ تبدیل می‌کند.

مقایسه فانکشن ژنراتور دیجیتال و آنالوگ

فانکشن ژنراتور آنالوگ و دیجیتال خروجی آنالوگ تولید می کنند ؛ اما در روش تولید سیگنال داخل 2 دستگاه تفاوت های اساسی با هم دارند که در ادامه آنها را با همدیگر بررسی می کنیم .

1. در فانکشن ژنراتورهای آنالوگ، فرکانس معمولاً به مدارهای آنالوگ داخلی وابسته است و ممکن است با دما، زمان و تغییرات قطعات تغییر کند. اما در فانکشن ژنراتور دیجیتال که با روش DDS کار می کند ، فرکانس به‌صورت دیجیتال تعیین می‌شود و معمولاً دقت و پایداری بسیار خوبی دارد.

نتیجه گیری نهایی : فانکشن ژنراتور آنالوگ معمولاً پایداری و دقت فرکانس پایین‌تر و فانکشن ژنراتور دیجیتال با روش DDS معمولاً پایداری و دقت فرکانس بالاتر می باشد .

2. در فانکشن ژنراتور آنالوگ معمولاً به کمک ولوم فرکانس , به طور دستی فرکانس را تنظیم می کنیم و قطعا تنظیم دقیق‌ فرکانس دشوار می باشد. اما در فانکشن ژنراتور دیجیتال که با روش DDS کار می کند می تواند داده های دیجیتال را بر اساس مشخصات سیگنال که می خواهد تولید کند تنظیم کند تا در نهایت در خروجی دستگاه سیگنال مورد نظر تولید کند .

پس روش DDS , تنظیم دیجیتال و معمولاً پایدارتری نسبت به فانکشن آنالوگ دارد

3. به دلیل اینکه در روش DDS در فانکشن ژنراتورهای دیجیتال , شکل موج با دقت خوبی تولید می شود و معمولا THD یا همان اعوجاج هارمونیکی در آنها کمتر از فانکشن ژنراتورهای آنالوگ می باشد .

در بسیاری از طراحی‌های مدرن، استفاده از DDS امکان تولید شکل موج با دقت و اعوجاج پایین را فراهم می‌کند، اما THD نهایی به کل معماری دستگاه و کیفیت مدارهای آن بستگی دارد. همچنین دقت کنیم THD نشان دهنده میزان انحراف شکل موج از حالت ایده آل می باشد و ربطی به پایداری فرکانس که نشان دهنده ثابت ماندن فرکانس هست ندارد .

در نهایت برای اینکه درست انتخاب کنیم که به فانکشن ژنراتور آنالوگ نیاز داریم یا دیجیتال باید به موارد زیر دقت کنیم . 

مثلاً محدوده فرکانس، دقت، نوع شکل موج، THD، نرخ نمونه‌برداری، امکانات مدولاسیون و قیمت.

انتخاب پارامترهای مهم در انتخاب فانکشن ژنراتور

تا اینجا در مورد تفاوت فانکشن ژنراتورهای آنالوگ و دیجیتال و مفاهیم مختلف صحبت کردیم در ادامه می خواهیم مفاهیم پارامترهای مختلف را با هم بررسی کنیم 

 Arbitrary Waveform : اگر یک فانکشن ژنراتور دارای قابلیت Arbitrary Waveform باشد به این معنی هست که دستگاه می تواند شکل موجی غیر از شکل موج‌های استاندارد خودش را تولید کند یا به عبارت دیگر کاربر بتواند شکل موج موردنظرش را به دستگاه بدهد یا آن را داخل دستگاه طراحی کند.

تعداد کانال ( Number of Channel ) : بعضی دستگاه‌ها یک کانال خروجی و بعضی دو یا چند کانال دارند . به طور مثال در یک فانکشن ژنراتور دو کاناله  می تواند با استفاده از 2 کانال به طور هم‌زمان دو سیگنال با فرکانس یا فاز مشخص را تولید کند .

نرخ نمونه برداری ( Sample Rate ) : فانکشن ژنراتور در هر ثانیه چه تعداد نمونه برای ساخت سیگنال تولید می‌کند Sample Rate نام دارد . در فانکشن ژنراتور دیجیتال، Sample Rate مشخص می‌کند دستگاه هر چه قدر نرخ نمونه برداری بالاتری داشته باشد با جزییات دقیق تری نمونه‌های دیجیتال سیگنال خروجی را تولید می‌کند و به DAC تحویل می‌دهد. 

 نرخ نمونه‌برداری بالاتر می‌تواند در تولید شکل موج‌های پیچیده و فرکانس‌های بالاتر اهمیت داشته باشد. به این صورت به ازای یک نرخ نمونه برداری مثل 1GSA/s و فرکانس سیگنال تولیدی توسط فانکشن ژنراتور در حد 1 مگا هرتز , 100 نمونه در سیکل به دست می آید . اما اگر با همین نرخ نمونه برداری , فرکانس سیگنال 20 مگا هرتز باشد تعداد نمونه ها به 5 کاهش پیدا می کند .

پس نتیجه می گیریم که با همان Sample Rate، هرچه فرکانس سیگنال بالاتر برود، تعداد نمونه‌های موجود در هر سیکل کمتر می‌شود.این موضوع روی کیفیت و دقت شکل موج، مخصوصاً در فرکانس‌های بالا و شکل موج‌های پیچیده، اثر می‌گذارد.

این مشخصه بیشتر در فانکشن ژنراتورهای دیجیتال و Arbitrary Waveform Generator اهمیت دارد.

رزولوشن ( Resolution ) : منظور از رزولوشن بررسی تغییرات جزیی در پارامترهای مثل فرکانس , دامنه , DAC می باشد و در انتخاب فانکشن ژنراتور مناسب شما می توانند مهم باشند .

1. رزولوشن فرکانس : کوچک‌ترین گام تغییر قابل تنظیم برای فرکانس

2. رزولوشن دامنه :    کوچک‌ترین گام قابل تنظیم برای سطح ولتاژ خروجی

3. رزولوشن DAC : مربوط به تعداد سطوحی است که DAC می‌تواند برای تبدیل داده دیجیتال به ولتاژ ایجاد کند

Sweep : منظور از ویژگی Sweep , تغییر خودکار فرکانس بین یک فرکانس شروع و یک فرکانس پایان می باشد . این تغییرات فرکانسی می تواند در یک زمان مشخص برای بررسی پاسخ یک مدار در فرکانس‌های مختلف یا تست فیلترها، تقویت‌کننده‌ها مورد استفاده قرار بگیرد .

Burst : منظور از Burst تولید یک تعداد مشخص سیکل از شکل موج و سپس توقف یا تغییر وضعیت خروجی آن می باشد . 

فایده Burst این است که فانکشن ژنراتور به‌جای اینکه یک سیگنال را به‌صورت مداوم تولید کند، آن را در تعداد مشخصی سیکل تولید می‌کند. دلیل اهمیت Burst این هست که چون بعضی مدارها را نمی‌خواهیم با یک سیگنال دائمی آزمایش کنیم؛ می‌خواهیم ببینیم مدار به یک تحریک کوتاه و مشخص چه پاسخی می‌دهد .

کاربردها می‌تواند شامل:

• بررسی پاسخ گذرا (Transient Response) مدار
• تحریک کوتاه یک مدار
• تست مدارهای دیجیتال و سیستم‌های Trigger
• بررسی رفتار مدار در برابر تعداد مشخصی پالس یا سیکل
• تست برخی سیستم‌های ارتباطی یا کنترلی

اتصال به کامپیوتر از طریق پورت USB : در مدل‌های دارای این قابلیت می‌توان دستگاه را از طریق کامپیوتر کنترل یا تنظیم کرد و در برخی مدل‌ها داده‌ها/شکل موج‌ها را از طریق پورت USB به کامپیوتر منتقل کرد.

به طور مثال به جای اینکه روی پنل فانکشن ژنراتور مشخصات سیگنال تولیدی را تنظیم کنید ( مثلا موج سینوسی با فرکانس 1KHz و Vpp 2V باشد ) می‌توان این تنظیمات را از طریق نرم‌افزار کامپیوتر به دستگاه داد .

تفاوت اتصال به کامپیوتر در فانکشن ژنراتور و اسیلوسکوپ

در اسیلوسکوپ، کامپیوتر بیشتر می‌تواند داده‌ای را که دستگاه اندازه‌گیری کرده دریافت و تحلیل کند.

در فانکشن ژنراتور، کامپیوتر بیشتر می‌تواند به دستگاه فرمان بدهد که چه سیگنالی و با چه مشخصاتی تولید کند.

البته ممکن است در بعضی فانکشن ژنراتورها و اسیلوسکوپ‌ها هر دو قابلیت کنترل از کامپیوتر و انتقال داده وجود داشته باشد .

تولید مدولاسیون آنالوگ و دیجیتال : مدولاسیون یعنی تغییر دادن یک ویژگی از یک سیگنال، بر اساس سیگنال دیگری که اطلاعات را در خود دارد

معمولاً دو سیگنال داریم:

• سیگنال حامل (Carrier): سیگنالی که قرار است اطلاعات روی آن قرار بگیرد.
• سیگنال اطلاعات (Message): اطلاعاتی که می‌خواهیم منتقل کنیم

در واقع سوار کردن اطلاعات مربوط به سیگنال اطلاعات روی سیگنال حامل را مدولاسیون می گوییم . پس در نهایت می توانیم بگوییم که در مدولاسیون، معمولاً یکی از ویژگی‌های حامل را تغییر می‌دهیم؛ مثلاً دامنه، فرکانس یا فاز.

در ادامه در مورد مدولاسیون آنالوگ و دیجیتال صحبت خواهیم کرد.

این دو نوع مدولاسیون چه تفاوتی با هم دارند : تفاوت اصلی به نوع سیگنال اطلاعات مربوط می‌شود.

مدولاسیون آنالوگ : اگر سیگنال اطلاعات آنالوگ و پیوسته باشد، از مدولاسیون آنالوگ استفاده می‌کنیم.مدولاسیون آنالاوگ به 3 دسته AM,FM,PM تقسیم می شوند . 

مثلاً در AM، فرکانس و فاز حامل تقریباً ثابت می‌مانند و دامنه آن متناسب با سیگنال اطلاعات تغییر می‌کند. کاربرد آن در سیستم‌های رادیویی AM و برخی سیستم‌های ارتباطی می باشد

در FM، دامنه حامل تقریباً ثابت است و فرکانس آن متناسب با سیگنال اطلاعات تغییر می‌کند. معروف ترین کاربرد آنها رادیو FM هست.

مدولاسیون دیجیتال : در مدولاسیون دیجیتال، اطلاعات به شکل داده‌های دیجیتال، معمولاً بیت‌های 0 و 1 هستند.

اینجا هم می توانیم ویژگی های حامل را تغییر دهیم .

مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) :  در PWM، چیزی که تغییر می‌کند عرض/مدت پالس است.

ذخیره سیگنال در حافظه : در فانکشن ژنراتور , حافظه می‌تواند داده‌هایی را نگه دارد که دستگاه بعداً از روی آنها یک سیگنال تولید کند.

این موضوع در مدل‌هایی که Arbitrary Waveform دارند، بسیار مهم است. در صورتی که یک فانکشن ژنراتور دیجیتال توانایی ذخیره یک شکل موج سفارشی را در حافظه خود را داشته باشدمی تواند از آن اطلاعات برای تولید مجدد آن شکل موج در آینده استفاده کند.

کاربردهای فانکشن ژنراتور در قسمت های مختلف

از فانکشن ژنراتور می تواند در قسمت های مختلف استفاده کرد . 

• طراحی و تست مدارهای الکترونیکی
• تست فیلترها و تقویت‌کننده‌ها
• بررسی پاسخ فرکانسی
• آزمایش مدارهای دیجیتال
• تست مبدل‌ها و مدارهای کنترلی
• آموزش و آزمایشگاه

فانکشن ژنراتورهای رومیزی معمولاً برای استفاده در آزمایشگاه‌ها، مراکز تحقیقاتی، محیط‌های آموزشی و کاربردهای صنعتی طراحی می‌شوند.

فانکشن ژنراتورهای قابل‌حمل یا جیبی برای مواقعی مناسب‌اند که حمل آسان و ابعاد کوچک اهمیت دارد؛ البته محدوده فرکانس، سطح خروجی و امکانات آن‌ها باید متناسب با کاربرد انتخاب شود