سیگنال ژنراتور

سیگنال ژنراتور چیست؟

سیگنال ژنراتور دستگاهی است که میتواند سیگنال و موج های مختلف را با دامنه و فرکانس دلخواه ما و در شکل های مختلف مانند مربعی ، سینوسی ، مثلثی و … تولید کند. بطور کلی مهمترین دستگاه در تست تجهیزات الکترونیک سیگنال ژنراتور (signal generator) می باشد.

وقتی صحبت از تولید یک سیگنال با مشخصه های خاص می شود باید توجه ویژه ای به تعاریف و شاخصه های هر سیگنال داشت. بنابراین ضمن معرفی مشخصه های هر سیگنال و در ادامه ، به معرفی پارامتر هایی که در دستگاه های سیگنال ژنراتور مهم است خواهیم پرداخت تا خواننده با مفهوم و هدف تولید سیگنال آشنا شود.

انواع سیگنال

سیگنال ها را با معیار های متفاوت به انواع مختلفی تقسیم می کنند که شایع ترین آن ها تقسیم به دو نوع سیگنال آنالوگ و سیگنال دیجیتال است. هر چند هر دوی آن ها در فضا سوار بر امواج الکترومغناطیس که ماهیت آن آنالوگ است می شوند، اما از حیث نوع داده ای که منتقل می شود یا مدولاسیون آن، به دو نوع آنالوگ و دیجیتال تقسیم می گردند.

نوع دیجیتال بر اساس مفهوم صفر و یکی شکل گرفته است حال آنکه نوع آنالوگ می تواند هر مقدار و هر پیامی را بدون کد های صفر و یک منتقل کند. تمامی دستگاه های سیگنال ژنراتور سیگنال را بر پایه آنالوگ تولید می کنند اما برخی از مدل های پیشرفته تر سیگنال ژنراتور توانایی تولید دقیق سیگنال دیجیتال را هم دارند که از آن ها تحت عنوان سیگنال ژنراتور های دیجیتال یاد می شود. تولید سیگنال دیجیتال منوط به آن است که دستگاه از مدولاسیون های دیجیتال پشتیبانی کند. تعریف مدولاسیون در ادامه خواهد آمد.

توان

مفهوم توان معادل قدرت یک سیگنال است. به این صورت که هرچه توان بالاتری داشته باشد قادرست مسافت بیشتری را قبل از تضعیف بپیماید. مفهوم توان را نباید با دامنه سیگنال اشتباه گرفت. دامنه یک سیگنال می تواند تا ۱۰ ولت باشد اما توان آن کم، یا برعکس دامنه آن در حد چند میلی ولت باشد اما با توان بسیار بالایی که دارد بتواند در شعاع چند صد متری در هوا تاثیرگذار باشد. توان سیگنال موضوع اساسی سیگنال ژنراتور هاست وقتی که نوع کانکتور یا خروجی دستگاه مد نظر باشد. معمولا برای توان های مختلف دستگاه خروجی های مختلف را ارائه داده است. که بر اساس نیاز خود حتما باید به حداکثر توانی که هر خروجی دستگاه به ما می دهد توجه کرد. همچنین توانی که دستگاه برای هر فرکانس ارائه می دهد با مصرف برق و جریانی که دستگاه از سیستم برق ما می کشد رابطه دارد (این رابطه با افزایش فرکانس بصورت صعودی درجه دو افزایش می یابد) که باید با توجه به دستورالعمل های ایمنی دستگاه به آن توجه ویژه ای کرد.

دامنه

دامنه یکی دیگر از مشخصات اصلی هر سیگنال است که به اختلاف بین حداکثر و حداقل مقدار سیگنال گفته می شود. همانطور که می دانید برق شهر سیگنالی ست با حداکثر دامنه ۳۲۰ ولت، فرکانس ۵۰ هرتز و مقدار موثر ۲۲۰ ولت. مقدار میانگین یا DC برق شهر نیز صفر است. البته در کاربری های آزمایشگاهی و پژوهشی ما عمدتا به دامنه های بالا نیازی نداریم و حتی دامنه های بالا ممکن است در طرف گیرنده باعث اشباع دستگاه و از کالیبره خارج شدن آن شود. بنابراین با راهنمایی های کارشناس دستگاه باید در انتخاب دامنه مناسب برای سیگنال دقت کرد. معمولا حداکثر دامنه تولیدی دستگاه های سیگنال ژنراتور ۵ ولت می باشد.

شکل موج

سیگنال هایی که به صورت تک تن (تک فرکانس) تولید می شوند یا مدوله می گردند عموما شکل موج کلی سینوسی دارند. اما گاه لازم است سیگنال هایی با شکل موج های مختلف داشته باشیم تا پاسخ سیستم و مدار خود را به انواع ورودی ها مشاهده و بررسی کنیم. (فاکنشن ژنراتور) اینجاست که باید به سراغ شکل موج هایی چون مثلثی (برای بررسی ورودی شیب)، پالسی (برای بررسی ورودی پله) وسایر  شکل موج ها همچون سینوسی، دندانه اره ای، رمپی و… برویم. از آنجا که شکل موج های غیر سینوسی کاربرد های دانشگاهی و پژوهشی دارند این قابلیت از دستگاه های میان رده سیگنال ژنراتور حذف شده تا تمرکز دستگاه به روی تولید سیگنال های تک تن یا دو تن با مشخصه های خاص باشد. از این دستگاه ها عموما تحت عنوان سیگنال ژنراتور یاد می شود. مدل های پیشرفته تر و بسیار گران تر سیگنال ژنراتور ها وجود دارند که از هر گونه شکل موجی پشتیبانی می کنند و با برنامه ریزی که کاربر به دستگاه می دهند هر نوع شکل موجی حتی غیر از مثلثی، پالسی و سینوسی را تولید می کنند. ازین تجهیزات فوق حرفه ای تحت عنوان سیگنال ژنراتور های برداری یا VSG یاد می کنند.

فرکانس (فرکانس حامل)

فرکانس عبارتست از میزان نوسان در یک ثانیه. یا بعبارت دقیق تر، مولفه های تشکیل دهنده یک سیگنال. سیگنال ها از نظر فرکانس به دسته های بسیار متنوع و مختلف با کارایی های متفاوت تقسیم می شوند. از سیگنال های با فرکانس پایین (طول موج بالا) در انتقال صوت و تصویر و ارتباط های بیسیم تحت عنوان امواج رادیویی استفاده می شود حال آنکه فرکانس های متوسط کاربری های نظامی و آشکار سازی دارند و از فرکانس های خیلی بالا مانند اشعه ایکس و گاما در کاربری های پزشکی استفاده می شود. عمده کاربری های سیگنال در حوزه انتقال اطلاعات است که در طیف امواج رادیویی قرار دارد. به این ترتیب که فرکانس های بین ۳۰ کیلوهرتز تا ۳۰ گیگاهرتز، انواع استفاده های ارتباطی بشر را پوشش داده است. از کد های مورس و باینری که بین کشتی ها و هواپیماها رد و بدل می شود تا تلویزیون آنالوگ و دیجیتال و حتی امواج وای فای و ارتباطات سیار. به تازگی هم با معرفی وای گیگ پا را از این مرز فراتر گذاشته ایم. (باید توجه شود که این فرکانس مرتبط با پیام نبوده و فرکانس حامل پیام است. در حالیکه می توان فرکانس های تک تن با این اعداد درست کرد، اگر سیگنال حاوی پیام و مدوله باشد این فرکانس مربوط به حامل است. مثلا فرکانس سیگنال رادیو حدود ۱۰۰ مگاهرتز است در حالیکه می دانیم فرکانس صوت انسان فقط تا ۴ کیلوهرتز مولفه دارد.) یکی از پارامتر های بسیار مهم هر تجهیز تست یا اندازه گیری سیگنال، پهنای باند آن است. به حداکثر فرکانسی که یک دستگاه سیگنال ژنراتور می تواند تولید و ارسال کند، پهنای باند کاری دستگاه گفته می شود. که باید حتما با توجه به نیاز خود به سیگنال هایی با فرکانس متفاوت، اقدام به انتخاب و خرید دستگاه کرد. پهنای باند کاری دستگاه های فانکشن ژنراتور تا ۲۰۰ مگاهرتز و سیگنال ژنراتور تا ۵۰ گیگاهرتز متغیر است.

پیام

به سیگنالی که در سیگنال اصلی ضرب فرکانسی می شود، پیام می گویند. ازین ضرب بعنوان مفهوم ریاضی مدولاسیون نیز یاد می کنند. به این ترتیب می توان یک سیگنال را با سیگنالی (اصطلاحا حامل) که تمام مشخصات آن دست ماست، به دامنه و فرکانس یا فاز مورد نظر برد. (اصطلاحا برای انتقال در کانال مورد نظر آماده کرد.) سیگنال پیام در تجهیزات سیگنال ژنراتور هم می تواند به صورت یک سیگنال عادی و تست که توسط خود دستگاه تولید می شود باشد و هم با استفاده از ورودی میکروفون دستگاه، از صدا بعنوان ورودی و پیامی که می خواهد ارسال شود استفاده کرد. در این صورت دستگاه ما باید از ورودی میکروفون یا Audio in پشتیبانی کند.

مدولاسیون

مدولاسیون با مفهوم انتقال پیام از طریق امواج گره خورده است. اگر سیگنال خام ما از نظر دامنه، فرکانس یا فاز به نحوی تغییر کند تا آماده ارسال به کانال های مخابراتی دیگر (هوا، کابل و..) شود بطوریکه بتوان پیامی را با آن منتقل کرد می گویند سیگنال مدوله شده است و به این پروسه مدولاسیون سیگنال می گویند. مدولاسیون ها به انواع مدولاسیون دامنه، مدولاسیون فرکانس و مدولاسیون فاز تقسیم می شوند و تولید یک سیگنال با مدولاسیون خاص از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همانطور که می دانیم اکثر دستگاه های ارتباطی آنالوگ و دیجیتال از فرایند مدولاسیون استفاده می کنند. برای مثال سیگنال رادیو یک سیگنال مدوله شده است یا هنگام کار با گوشی تلفن همراه، سیگنال ها در حوزه دیجیتال مدوله و دمدوله می شوند. بیشتر دستگاه های سیگنال ژنراتور از مدولاسیون های آنالوگ پشتیبانی می کنند به این صورت که می توان سیگنالی با مدولاسیون دلخواه و مشخصات منحصر به فرد تولید کرد. پشتیبانی سیگنال ژنراتور از مدولاسیون ها مخصوصا وقتی به حوزه دیجیتال و تنوع زیاد مدولاسیون های آن می رسد اهمیت خاصی پیدا می کند تا بعنوان یکی از پارامتر های مهم دستگاه، طیف قیمتی وسیعی را نیز به وجود آورد.

کدینگ

اغلب سیگنال های مدوله شده دیجیتال از سیستم های کدگذاری استفاده می کنند تا سیگنال فقط برای گیرنده های خاصی قابل دریافت و فهمیده شدن باشد و از این طریق امنیت را برای پیام خود فراهم می کنند. با توجه به این که گفتیم اطلاعات سیگنال دیجیتال به صورت ارسال صفر و یک متوالی است، کدینگ به فرآیند تغییر ترتیب این صفر و یک ها گفته می شود تا فقط برای گیرنده شناس و قابل دریافت باشد. به عکس این فرایند که در گیرنده اتفاق می افتاد دیکدینگ گفته می شود. به همین ترتیب فرآیند کدینگ در اغلب سیگنال ژنراتورهایی که از مدولاسیون های دیجیتال پشتیبانی می کنند تعبیه شده است تا با استفاه از سیستم های رایج کدینگ، سیگنال دیجیتال را ارسال کند. جدول استاندارد های کدینگ سیگنال دیجیتال یکی دیگر از عوامل مهم تعیین قیمت سیگنال ژنراتور می باشد که عموما در کاربری های حرفه ای و در تجهیزات رده بالا مطرح است.

انواع سیگنال ژنراتور

از نظر محدوده ی فرکانس تولیدی سیگنال ژنراتور به صورت زیر دسته بندی می شوند.

• سیگنال ژنراتور AF : این دستگاه سیگنال های سینوسی و مربعی را تا فرکانس ۱ مگاهرتز تولید می کند.
• سیگنال ژنراتور RF (رادیویی) : این سیگنال ژنراتور سیگنال های سینوسی را حداکثر تا فرکانس ۱۵۰ مگاهرتز تولید می کند.
• فانکشن ژنراتور : ژنراتور هایی هستند که در رنج فرکانسی AF  یعنی ۱ مگاهرتز شکل موج های متنوعی مانند سینوسی – مربعی – دندان اره ای – مثلثی تولید می کنند.
• ژنراتور های سنکرون: این نوع سیگنال ژنراتور ها یک نمونه از ولتاژ یا فرکانس را میگیرد و همانند آن را برای ما تهیه میکند.