Funktionsgeneratoren Simulation von Signalen

Sensoren sind heutzutage omnipräsent, speziell im Auto. Dabei laufen alle Signale in Steuer- und Regelzentralen zusammen deren »Gehirn« ein Mikrocontroller ist. Da es viel zu aufwendig wäre, bei Entwicklung, Programmierung und Test immer ein reales System mit allen Sensoren bereitzustellen, simulieren Funktionsgeneratoren die Sensorsignale.

Ein besonderer Vorteil der künstlichen Signalgenerierung durch einen arbiträren Funktionsgenerator gegenüber einem echten Sensor- oder Bussignal ist, dass sich Frequenz und Amplitude einfach verändern und sich auch Störungen wie Rauschen oder Spikes auf das Originalsignal aufaddieren lassen. Hiermit ist es möglich, die Grenzen des Designs zu finden und dieses auf seine Fehlerempfindlichkeit zu prüfen. Falls implementiert, können Fehlererkennung und Fehlerkorrekturmechanismen getestet und optimiert werden.

Um den richtigen Signalgenerator zu finden, sind im Vorfeld mehrere Fragen zum benötigten Signal zu beantworten. Welche Frequenzen und welche Amplituden sind nötig? Muss eine gewisse Leistung (Strom X bei Spannung Y) geliefert werden können? Ist es notwendig, modulierte Signale ausgeben zu können? Sind die im Generator »eingebauten« Signale ausreichend, oder benötigt man frei zusammengesetzte oder selbst erstellte Kurvenformen? Ein wesentlicher Faktor bei der Auswahl eines entsprechenden Arbiträr-Signalgenerators ist die Speichertiefe und damit die mögliche Ausgabedauer. Wie lange muss die ausgegebene Sequenz sein? Wie exakt soll die Kurve am Original-Analogsignal sein (Anzahl der Stützpunkte pro Zeiteinheit)?

Neben den Standardsignalen wie Sinus-, Rechteck-, Sägezahl- und Pulssignal stehen meist noch weißes Rauschen und die Möglichkeit der Ausgabe von Arbiträrsignalen zur Verfügung. Des Weiteren findet man häufig die Möglichkeit des Frequenz-Sweeps (linear oder logarithmisch) und der analogen, selten auch der digitalen Modulation. Abgesehen von den Arbiträrsignalen kann alles einfach über das Frontpanel eingestellt werden. Das Summieren der Ausgangskanäle (zweikanalige Generatoren) erweitert das Spektrum der Möglichkeiten erheblich.

Rigol bietet in seinen Generatoren der Serien »DG1000Z« (Bild 1) und »DG4000« bereits etwa 150 verschiedene Standard-Arbiträrfunktionen, die nach Anwendungsgebiet sortiert hinterlegt sind. Darüber hinaus können weitere, völlig frei erstellte Kurven in den internen Gerätespeicher geladen werden. Hierzu steht eine PC-basierte Software zur Verfügung, mit welcher der Anwender Standardkurven mischen und verändern kann.

Mit der kostenlos mitgelieferten Software kann er sie auch frei Hand zeichnen. Zusätzlich kann die Software Daten aus dem »Excel«-kompatiblen Dateiformat CSV oder im Textformat lesen und weiterverarbeiten. Diese Daten können etwa aus einem »Matlab«-Programm, von einem Oszilloskop oder einem anderen Messgerät stammen (Bild 2).

Um auf das eingangs erwähnte Auto mit seinen vielen Sensoren zu bleiben, bietet sich das Beispiel des elektrischen Fensterhebers an. Im einfachsten Fall kommen pro Fenster zwei Signale an der Steuereinheit an: ein Signal, das den Befehl »Öffnen« oder »Schließen« gibt, und ein Signal vom Drucksensor, der das Schließen abschaltet, wenn sich ein Hindernis, zum Beispiel eine Hand, im Fensterspalt befindet. Die Steuereinheit muss hier entsprechend das sicherheitsrelevante Signal priorisiert verarbeiten und den Stoppbefehl an den Fensterheber-Motor senden. Dieser Testfall lässt sich mit einem Zweikanalgenerator simulieren. Hierbei ist wichtig, dass beide Kanäle unterschiedliche Signale ausgeben können, die aber zeitlich gekoppelt werden können. Zum Funktionstest kann ein Vierkanal-Oszilloskop alle Signale inklusive der Ausgangssignale der Steuereinheit (Motorsteuersignal) darstellen.

Anwendungsbeispiele

Eine weitere Anwendung ist die Erzeugung von Schwingungssignalen 
oder kurzen Impulsen. Dies erfordert eine hohe Auflösung, also einen kleinen zeitlichen Abstand zwischen den Punkten. Hier gelten die gleichen Regeln wie bei den Oszilloskopen, nur dass es nicht um Analog/Digital-, sondern um Digital/Analog-Wandlung geht. Um beispielsweise Signale mit Frequenzanteilen bis zu 10 MHz sauber wiedergeben zu können, sollte der Generator Punkte mit mindestens 50 MHz Abtastrate ausgeben können. Die allermeisten verfügbaren Funktionsgeneratoren erfüllen dies spielend. Interessanter wird die Betrachtung, wenn man die Größe des Datenspeichers mit in diese Überlegung einbezieht. Generatoren mit kleiner Abtastrate können bei der Punkt-für-Punkt-Wiedergabe der arbiträren Daten nur eine niedrige Wiederholfrequenz erreichen, oder der Anwender muss die Anzahl der Punkte reduzieren, was eine schlechtere Wiedergabe des Originalsignals zur Folge hat.

Ein weiterer Aspekt des Themas Speichertiefe ist die mögliche maximale Ausgabezeit des Signals bis zur Wiederholung. Bei der Abtastrate von 50 MSample/s und 16  384 Punkten (16 KPunkte) Speicherplatz kann hier ein nur rund 328 µs langes Signal ausgegeben werden. Bei 8 MPunkten Speicherplatz sind es bereits circa 168 ms. Rigols Serie von High-End-Arbiträr-Signalgeneratoren »DG5000« bietet hier 128 MPunkte Speicher an. Dies entspricht einer Wiedergabezeit von etwa 2,7 s.

Zur Aufzeichnung von entsprechend schnellen und großen Referenzsignalen können die Oszilloskopserien »DS6000« (5 GHz Samplerate) und »DS4000« (4 GHz Samplerate, Bild 3) dienen. Beide verfügen standardmäßig über eine Speichertiefe von 140 MPunkten, mit der Originaldaten vor Ort aufgenommen werden können, beispielsweise während Versuchsfahrten oder am Prüfstand für Schwingungen oder Stoßdämpfer. Die einmal erfassten Daten können dann per Software in die gewünschten Form gebracht oder auch modifiziert werden. Beispiele hierfür gibt es viele, nicht nur im Bereich des Autos, sondern auch bei elektrischen oder elektronischen Systemen oder mechanischen Tests.

Darüber hinaus gibt es auch Oszilloskope mit integriertem Signalgenerator. Die Serien »DS1000Z« und »DS2000A« bieten Modelle (-S) mit integriertem zweikanaligem arbiträren Funktionsgenerator. Die Speichertiefe des Generators beträgt 16 KPunkte. Die arbiträren Signale können direkt per Knopfdruck vom Oszilloskopbildschirm in den Speicher des Generators geladen werden. Hiermit lässt sich dann eine entsprechende Schaltung oder Steuerung anregen.

Als weiterer Anwendungsfall im industriellen Umfeld kann beispielsweise ein Servicetechniker vor Ort bei auftretenden Fehlern in einer Anlage das interessierende Eingangssignal mit einem Speicheroszilloskop erfassen und dann elektronisch dem Hersteller der Anlage übermitteln. Dieser hat nun die Möglichkeit, mithilfe eines Arbiträrgenerators den Sachverhalt im Labor nachzustellen und den Störfall zu beheben. Bild 4 zeigt einige Beispiele von möglichen Kurvenformen.

Über den Autor:

Thomas Rottach ist Application Engineer bei Rigol Technologies.