Was ist ein Signalgenerator?

Grundlegende Definition

Ein Signalgenerator ist eine Prüfeinrichtung, die ein elektrisches Signal in Form einer Welle erzeugt. Dies wird als Stimulus für ein zu testendes Objekt verwendet. Signalgeneratoren in all ihren Formen sind in Test- und Entwicklungssystemen weit verbreitet und werden zusammen mit anderen Testgeräten eingesetzt.

Die verschiedenen Arten von Signalgeneratoren werden in Testsystemen verwendet, die dem zu prüfenden Gerät einen Impuls geben. Diese Geräte sind unverzichtbar für die Entwicklung, Fehlersuche und Qualitätssicherung elektronischer Schaltungen und Systeme.

Historische Entwicklung von Signalgeneratoren

Signalgeneratoren werden seit vielen Jahren in der Entwicklung von Schaltungen eingesetzt. Die ersten Signalgeneratoren tauchten in den 1920er Jahren auf, als die Radiotechnologie an Bedeutung gewann. Diese frühen Geräte waren sehr einfach konstruiert und erzeugten hauptsächlich sinusförmige Signale mit begrenzter Frequenzstabilität.

Frühe Typen waren sehr grundlegend im Vergleich zum Standard der heutigen Modelle von Signalgeneratoren. Sie bestanden oft aus einfachen LC-Oszillatoren (Spule-Kondensator) mit mechanischen Drehkondensatoren zur Frequenzeinstellung.

In den 1940er und 1950er Jahren kamen stabilere Röhrenoszillatoren auf den Markt, gefolgt von Transistor-basierten Geräten in den 1960er Jahren. Die digitale Revolution der 1970er und 1980er Jahre brachte erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Genauigkeit, Stabilität und Funktionalität.

Das Leistungsniveau sowie die Vielfalt der verfügbaren Geräte haben sich im Laufe der Jahrzehnte enorm erhöht und verbessert. Moderne Signalgeneratoren nutzen fortschrittliche digitale Signalverarbeitung, um präzise und stabile Signale zu erzeugen, die für heutige komplexe elektronische Systeme notwendig sind.

Signalgenerator-Typen und -Modelle

Arbiträrer Wellenform-Generator

Der Arbiträr-Funktionsgenerator (AWG) ist eine Art Signalgenerator, der sehr komplexe Wellenformen erzeugt, die vom Benutzer festgelegt werden können. Diese Wellenformen können fast jede beliebige Form haben und können auf verschiedene Weise eingegeben werden, bis hin zu bestimmten Punkten auf der Wellenform.

Im Wesentlichen kann man sich einen Arbiträren Generator als einen sehr anspruchsvollen Funktionsgenerator vorstellen. Diese Geräte verfügen über einen digitalen Speicher, in dem die Wellenformdaten abgelegt werden, und einen Digital-Analog-Wandler (DAC), der diese Daten in analoge Signale umwandelt.

Moderne AWGs bieten beeindruckende Leistungsdaten:

• Abtastraten von bis zu 100 GSa/s für High-End-Modelle
• Vertikale Auflösungen von 8 bis 16 Bit
• Speichertiefen von mehreren Millionen Punkten pro Kanal
• Mehrere synchronisierte Ausgangskanäle

Da sie wesentlich komplexer sind, sind Arbiträrwellenform-Generatoren teurer als herkömmliche Funktionsgeneratoren, und oft ist ihre Frequenz-Bandbreite, aufgrund der für die Erzeugung der Signale erforderlichen Techniken, begrenzter. Die typischen Kosten für professionelle AWGs beginnen bei etwa 2.000 € und können für Hochleistungsmodelle bis zu 100.000 € erreichen.

Anwendungen für AWGs umfassen:

• Simulation komplexer Sensorsignale
• Erzeugung benutzerdefinierter digitaler Modulationsschemata
• Test von Mixed-Signal-ICs
• Radar- und Kommunikationssystem-Tests
• Simulation von biologischen Signalen in der medizinischen Forschung

Audiosignal-Generator

Wie der Name schon sagt, wird dieser Typ von Signalgenerator für Audioanwendungen verwendet. Solche Signalgeneratoren decken den Audiobereich ab, typischerweise von etwa 20 Hz bis 20 kHz und mehr, was dem menschlichen Hörbereich entspricht.

Sie werden häufig bei Audiomessungen des Frequenzgangs und bei Verzerrungsmessungen eingesetzt. Daher müssen sie ein sehr flaches Ansprechverhalten und eine sehr geringe harmonische Verzerrung aufweisen. Hochwertige Audiosgeneratoren bieten typischerweise:

• Klirrfaktor (THD) unter 0,001%
• Amplitudenstabilität von ±0,05 dB oder besser
• Frequenzgenauigkeit von ±0,002% oder besser

Spezielle Audiogeneratoren verfügen oft über zusätzliche Funktionen wie:

• Rosa und weißes Rauschen für akustische Messungen
• Burst-Modi für Impulsantwortmessungen
• Sweep-Funktionen für automatisierte Frequenzgangmessungen
• Mehrkanalige Ausgänge für Stereotests
• Verschiedene Ausgangsimpedanzen (600 Ohm, niederohmig)

In modernen Tonstudios werden spezialisierte Audiogeneratoren für die Kalibrierung von Geräten, die Prüfung von Verstärkern und die Messung der akustischen Eigenschaften von Räumen verwendet.

Funktionsgenerator

Der Funktionsgenerator ist eine Art Signalgenerator, der zur Erzeugung einfacher, sich wiederholender Wellenformen verwendet wird. Typischerweise erzeugt dieser Signalgeneratortyp Wellenformen oder Funktionen wie Sinuswellen, Sägezahnwellenformen, Rechteck- und Dreieckwellenformen.

Frühe Funktionsgeneratoren tendierten dazu, sich auf analoge Oszillatorschaltungen zu verlassen, die die Wellenformen direkt erzeugten. Ein klassisches Design ist der Wien-Brücken-Oszillator für Sinuswellen, kombiniert mit Schaltkreisen zur Erzeugung von Rechteck- und Dreieckwellen durch Integration und Komparatorfunktionen.

Moderne Funktionsgeneratoren verwenden digitale Signalverarbeitungstechniken, um die Wellenformen digital zu erzeugen und dann vom digitalen in ein analoges Format zu konvertieren. Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile:

• Höhere Frequenzstabilität
• Präzisere Wellenformparameter
• Digital gesteuerte Frequenz- und Amplitudeneinstellung
• Speicherung von Einstellungen für wiederholbare Tests

Typische Spezifikationen für mittelklassige Funktionsgeneratoren:

• Frequenzbereich: 1 µHz bis 80 MHz
• Vertikale Auflösung: 14 Bit
• Verschiedene Ausgangsspannungsbereiche (typisch 10 mVpp bis 10 Vpp)
• Integrierte Modulationsfunktionen (AM, FM, PM, FSK)
• Sweep- und Burst-Modi

Viele Funktionsgeneratoren beschränken sich tendenziell auf niedrigere Frequenzen, da hier die von dieser Art von Signalgenerator erzeugten Wellenformen oft benötigt werden. Es ist jedoch möglich, Versionen mit höherer Frequenz zu erhalten, die bis in den Bereich von mehreren hundert MHz reichen können.

Impulsgeber

Wie der Name schon sagt, ist der Impulsgeber eine Form des Signalgebers, der Impulse erzeugt. Diese Signalgeneratoren liegen oft in Form von Logikpulsgeneratoren vor, die Impulse mit variablen Verzögerungen erzeugen können und teilweise sogar variable Anstiegs- und Abfallzeiten bieten.

Impulsgeneratoren sind besonders wichtig für:

• Testen digitaler Schaltungen
• Charakterisierung von Logikfamilien (TTL, CMOS, ECL usw.)
• Triggerung anderer Testgeräte
• Zeitmessungen
• EMV-Tests (Elektromagnetische Verträglichkeit)

Moderne Impulsgeneratoren bieten beeindruckende Leistungsmerkmale:

• Pulsfrequenzen von wenigen Hz bis über 1 GHz
• Anstiegs-/Abfallzeiten im Bereich von 100 ps bis mehreren µs, einstellbar
• Pulsdauern von 100 ps bis zu mehreren Sekunden
• Mehrere Ausgangskanäle mit präzisen Verzögerungen
• Mehrlevel-Ausgänge für die Simulation verschiedener Logikpegel

Besonders fortschrittliche Impulsgeneratoren bieten auch die Möglichkeit, Jitter zu erzeugen oder zu messen – eine wichtige Eigenschaft bei der Charakterisierung von Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungssystemen.

RF-Signalgenerator

Wie der Name schon sagt, wird diese Art von Signalgenerator verwendet, um HF- oder Hochfrequenzsignale zu erzeugen. RF-Signalgeneratoren decken typischerweise Frequenzen von einigen kHz bis zu mehreren GHz ab, wobei High-End-Modelle Frequenzen bis zu 67 GHz und darüber erreichen können.

Ein RF-Signalgenerator kann eine Vielzahl von Methoden zur Erzeugung des Signals verwenden. Analoge Signalgeneratorentypen verwendeten freilaufende Oszillatoren, obwohl einige von ihnen Frequenzschleifentechniken zur Verbesserung der Stabilität verwendeten.

Die meisten modernen HF-Signalgeneratoren verwenden jedoch Frequenzsynthesizer, um die erforderliche Stabilität und Genauigkeit zu gewährleisten. Es können sowohl Phasenregelkreise (PLL) als auch direkte digitale Syntheseverfahren (DDS) verwendet werden, oft in Kombination für optimale Leistung:

• PLL-Synthese bietet ausgezeichnetes Phasenrauschen und Frequenzstabilität
• DDS ermöglicht extrem feine Frequenzauflösung und schnelle Frequenzwechsel

Schlüsselparameter bei RF-Signalgeneratoren sind:

• Frequenzbereich und -auflösung
• Amplitudenbereich und -genauigkeit
• Spektrale Reinheit (Phasenrauschen, harmonische und nichtharmonische Störprodukte)
• Modulationsmöglichkeiten
• Ausgangsimpedanz (typischerweise 50 Ohm)

Die HF-Signalgeneratoren haben oft die Fähigkeit, der Wellenform eine Modulation hinzuzufügen. Die Basisgeräte können in der Lage sein, AM oder FM hinzuzufügen, aber die High-End-HF-Signalgeneratoren können komplexe Modulationsformate wie OFDM, CDMA, etc. erzeugen, sodass sie für den Test von zellularen und drahtlosen Systemen verwendet werden können.

Typische Anwendungen für RF-Signalgeneratoren umfassen:

• Test und Kalibrierung von Funkempfängern
• Messung der Empfindlichkeit von Funkgeräten
• EMV-Messungen
• Testen von HF-Verstärkern und -Filtern
• Simulation von Störsignalen

Vektor-Signalgenerator

Der Vektorsignalgenerator ist eine spezialisierte Art von HF-Signalgenerator, der HF-Signale mit komplexen Modulationsformaten wie QPSK, QAM, etc. erzeugt. Diese Geräte sind unverzichtbar für die Entwicklung und das Testen moderner digitaler Kommunikationssysteme.

Im Gegensatz zu einfachen RF-Signalgeneratoren, die nur die Amplitude oder Frequenz eines Trägersignals modulieren können, manipulieren Vektorsignalgeneratoren sowohl die Amplitude als auch die Phase des Trägersignals. Dies ermöglicht die Erzeugung komplexer IQ-modulierter Signale (In-Phase und Quadratur).

Moderne Vektorsignalgeneratoren bieten:

• Breitbandige Ausgänge (typisch 100 kHz bis 44 GHz)
• Mehrere digitale Modulationsformate
• Unterstützung für zahlreiche Kommunikationsstandards (5G, LTE, WiFi, Bluetooth, etc.)
• Arbiträre Wellenformerzeugung für benutzerdefinierte Modulationen
• Niedriges Phasenrauschen für präzise Messungen
• Hohe Ausgangsleistungen mit präziser Amplitudensteuerung

Typische Anwendungen umfassen:

• Testen von Mobilfunk-Basisstationen und -Endgeräten
• Charakterisierung von RF-Komponenten unter realen Signalbedingungen
• Simulation von Interferenzen und Störungen
• Konformitätstests für drahtlose Standards
• Forschung und Entwicklung neuer Kommunikationssysteme

Die Kosten für Vektorsignalgeneratoren sind erheblich und beginnen typischerweise bei etwa 25.000 €, können aber für High-End-Modelle mit maximaler Bandbreite und Frequenzabdeckung 200.000 € überschreiten.

Wichtige Spezifikationen und Parameter

Bei der Auswahl eines Signalgenerators sind verschiedene Parameter zu berücksichtigen:

Frequenzbereich und -auflösung

Der Frequenzbereich gibt an, welche minimalen und maximalen Frequenzen erzeugt werden können. Die Frequenzauflösung bestimmt, wie fein die Frequenz eingestellt werden kann. Moderne digitale Synthesizer bieten Auflösungen im µHz-Bereich.

Ein Audiosignalgenerator benötigt typischerweise einen Bereich von 10 Hz bis 20 kHz, während ein RF-Signalgenerator für Mobilfunkanwendungen mindestens einen Bereich von 400 MHz bis 6 GHz abdecken sollte. Für spezielle Anwendungen wie Radar oder Satellitenkommunikation können Frequenzen bis zu 67 GHz oder mehr erforderlich sein.

Spektrale Reinheit

Dies umfasst Parameter wie Phasenrauschen, harmonische und nichtharmonische Störprodukte. Besonders in HF-Anwendungen ist eine hohe spektrale Reinheit entscheidend für präzise Messungen.

Das Phasenrauschen wird typischerweise in dBc/Hz bei einem bestimmten Offset von der Trägerfrequenz angegeben. Hochwertige RF-Signalgeneratoren erreichen Werte von -135 dBc/Hz bei 10 kHz Offset. Harmonische Störprodukte sollten idealerweise unter -60 dBc liegen, während nichtharmonische Störprodukte (Spurious) noch niedriger sein sollten.

Amplitudenbereich und -genauigkeit

Der Amplitudenbereich gibt an, welche minimalen und maximalen Signalamplituden erzeugt werden können. Die Amplitudengenauigkeit ist besonders wichtig für kalibrierte Messungen wie Empfindlichkeitstests.

RF-Signalgeneratoren bieten typischerweise einen Amplitudenbereich von -140 dBm bis +25 dBm mit einer Genauigkeit von ±0,5 dB oder besser. Bei Audiogeneratoren wird die Amplitude oft in Volt (typisch 1 mV bis 10 V) mit einer Genauigkeit von ±1% angegeben.

Modulationsmöglichkeiten

Je nach Anwendung können verschiedene Modulationsarten erforderlich sein: AM, FM, PM, digitale Modulationen wie ASK, FSK, PSK oder komplexe Modulationsformate wie QAM, OFDM oder spezifische Mobilfunkstandards.

Die Modulationstiefe (bei AM), der Frequenzhub (bei FM) und die Modulationsbandbreite sind wichtige Parameter. Fortschrittliche Vektorsignalgeneratoren bieten Modulationsbandbreiten von mehreren hundert MHz für breitbandige Anwendungen wie 5G oder WLAN.

Ausgangsimpedanz und Anpassung

Die meisten HF-Signalgeneratoren haben eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm, während Audiogeneratoren oft 600 Ohm oder niederohmige Ausgänge bieten. Die Anpassung des Ausgangs, ausgedrückt als VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) oder Rückflussdämpfung, ist ein wichtiger Parameter für präzise HF-Messungen.

Hochwertige Signalgeneratoren erreichen typischerweise einen VSWR-Wert von weniger als 1,5:1 über den gesamten Frequenzbereich.

Signalform-Qualität

Bei Funktionsgeneratoren ist die Qualität der erzeugten Wellenformen wichtig. Parameter wie Anstiegs- und Abfallzeiten bei Rechtecksignalen, Linearität bei Dreiecksignalen oder harmonische Verzerrung bei Sinussignalen sind entscheidend für präzise Messungen.

Typische Werte für hochwertige Funktionsgeneratoren:

• Klirrfaktor (THD) bei Sinussignalen: < 0,1%
• Anstiegszeit bei Rechtecksignalen: < 8 ns
• Überschwingen: < 5%
• Asymmetrie: < 1% des Periodendauerwerts

Speichertiefe und Abtastrate (für AWGs)

Bei arbiträren Wellenformgeneratoren sind die Speichertiefe und die Abtastrate entscheidend für die Erzeugung komplexer Signale. Die Speichertiefe bestimmt, wie viele Punkte für die Definition einer Wellenform verwendet werden können, während die Abtastrate die maximale Frequenzkomponente begrenzt.

Moderne AWGs bieten Speichertiefen von mehreren Millionen Punkten und Abtastraten bis zu 100 GSa/s für High-End-Modelle.

Anwendungsbereiche für Signalgeneratoren

Die verschiedenen Arten von Signalgeneratoren werden in zahlreichen Anwendungsfeldern eingesetzt:

Forschung und Entwicklung

In F&E-Laboren sind Signalgeneratoren unverzichtbare Werkzeuge für:

• Charakterisierung neuer elektronischer Komponenten
• Simulation realer Signale für Prototypentests
• Erforschung neuer Kommunikationstechnologien
• Validierung von Schaltungsdesigns

Produktion und Qualitätssicherung

In der Fertigungsindustrie werden Signalgeneratoren eingesetzt für:

• Funktionsprüfungen elektronischer Geräte
• Kalibrierung von Messgeräten
• Burn-in-Tests unter definierten Signalbedingungen
• Automatisierte Testsequenzen in Produktionslinien

Telekommunikation und Rundfunk

Im Bereich der Kommunikationstechnik werden Signalgeneratoren verwendet für:

• Installation und Wartung von Basisstationen
• Prüfung von Empfängern und Sendern
• Konformitätstests für Kommunikationsstandards
• Simulation von Interferenzen und Störsignalen

Ausbildung und Lehre

In Bildungseinrichtungen sind Signalgeneratoren wichtige Lehrmittel für:

• Demonstration elektronischer Grundprinzipien
• Praktische Übungen in Laborkursen
• Schüler- und Studentenprojekte
• Grundlegende Messtechnik

Medizintechnik

In der medizinischen Forschung und Entwicklung werden spezialisierte Signalgeneratoren eingesetzt für:

• Simulation biologischer Signale (EKG, EEG)
• Kalibrierung medizinischer Geräte
• Entwicklung diagnostischer Systeme
• Ultraschall- und bildgebende Anwendungen

Automotive-Elektronik

In der Automobilindustrie werden Signalgeneratoren verwendet für:

• Tests von Steuergeräten (ECUs)
• Simulation von Sensorsignalen
• EMV-Tests für Fahrzeugelektronik
• Entwicklung von Infotainment- und Kommunikationssystemen

Moderne Entwicklungen bei Signalgeneratoren

Die Technologie der Signalgeneratoren entwickelt sich kontinuierlich weiter. Aktuelle Trends umfassen:

Höhere Frequenzen und Bandbreiten

Mit der Entwicklung von Kommunikationssystemen wie 5G, 6G und Radar-Anwendungen steigt der Bedarf an Signalgeneratoren mit höheren Frequenzen (bis zu 100 GHz) und breiteren Modulationsbandbreiten (mehrere GHz).

Die neuesten Vektorsignalgeneratoren bieten Frequenzen bis 67 GHz mit direkter Modulation und bis zu 110 GHz mit externen Frequenzumsetzern. Modulationsbandbreiten von 2 GHz und mehr werden für hochratigen Datentransfer und hochauflösende Radar-Anwendungen benötigt.

Software-definierte Architektur

Moderne Signalgeneratoren setzen verstärkt auf Software-definierte Architekturen, die durch Firmware-Updates neue Funktionen und Standards unterstützen können, ohne die Hardware austauschen zu müssen.

Diese Flexibilität ist besonders wichtig in Bereichen mit sich schnell entwickelnden Standards wie dem Mobilfunk, wo neue Protokolle und Modulationsformate regelmäßig eingeführt werden.

Virtuelle Instrumentierung

Der Trend zu virtuellen Instrumenten, bei denen die Hardware mit Software auf Standard-Computern kombiniert wird, setzt sich fort. Diese Ansätze bieten Flexibilität und Kostenvorteile, insbesondere für spezialisierte Anwendungen.

Moderne virtuelle Instrumentierungsplattformen wie PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) oder AXIe (Advanced TCA Extensions for Instrumentation) kombinieren standardisierte Hardware mit flexibler Software, um leistungsfähige und anpassbare Testsysteme zu schaffen.

Netzwerkfähigkeit und Fernsteuerung

Moderne Signalgeneratoren verfügen über umfangreiche Netzwerkschnittstellen (Ethernet, USB, GPIB), die eine Integration in automatisierte Testsysteme und Fernsteuerung ermöglichen.

Einige Hersteller bieten sogar cloudbasierte Lösungen an, bei denen Signalgeneratoren über das Internet gesteuert werden können, was kollaboratives Arbeiten und standortunabhängige Tests ermöglicht.

Verbesserte Benutzeroberflächen

Touchscreens, intuitive Bedienkonzepte und grafische Darstellungen machen moderne Signalgeneratoren benutzerfreundlicher und erhöhen die Produktivität.

Viele aktuelle Modelle verfügen über große Farbdisplays mit mehreren Anzeigemodi, kontextsensitive Hilfe und vereinfachte Bedienung für komplexe Einstellungen.

Auswahl des richtigen Signalgenerators

Die Wahl des richtigen Signalgenerators hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Anwendungsbereich

Die erste Frage sollte immer sein: Wofür wird der Generator benötigt? Ein Audioentwickler benötigt andere Eigenschaften als ein Mobilfunkingenieur oder ein Radarentwickler.

Technische Anforderungen

Wichtige Parameter sind:

• Benötigter Frequenzbereich
• Erforderliche Signalformen
• Notwendige Modulationsarten
• Amplitudenanforderungen
• Spektrale Reinheit

Budget

Signalgeneratoren gibt es in verschiedenen Preisklassen:

• Einfache Funktionsgeneratoren ab 200 €
• Mittelklasse-AWGs ab 2.000 €
• Professionelle RF-Signalgeneratoren ab 10.000 €
• High-End-Vektorsignalgeneratoren 50.000 € bis 200.000 €

Zukunftssicherheit

Besonders bei größeren Investitionen sollte die Erweiterbarkeit und Zukunftssicherheit berücksichtigt werden. Software-definierte Plattformen bieten hier Vorteile durch Upgrade-Möglichkeiten.

Fazit

Die verschiedenen Arten von Signalgeneratoren sind in der Lage, die verschiedensten Arten von Wellenformen zu erzeugen. Diese können in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden, z.B. beim Testen von HF-Geräten, als Reize für Logikkarten und Generatoren, die in einer Vielzahl von verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, um die verschiedenen benötigten Reize bereitzustellen.

Vom einfachen Funktionsgenerator für grundlegende Laborzwecke bis zum hochkomplexen Vektorsignalgenerator für 5G-Tests – die Wahl des richtigen Gerätes hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Die kontinuierliche technologische Entwicklung sorgt dafür, dass Signalgeneratoren auch in Zukunft unverzichtbare Werkzeuge in der Elektronikentwicklung und -prüfung bleiben werden.

Letztes Update des Artikels: 17. März 2025