Генераторы сигналов специальной формы (тип Г6 по ГОСТ 15094-69) представляют собой источники одиночных или периодических сигналов, форма которых отлична от прямоугольной. Наиболее распространенными формами сигналов являются пилообразная, треугольная, трапецеидальная, колоколообразная и т. п. Такие сигналы необходимы для моделирования входных воздействий при настройке и испытаниях каналов связи, медицинской, геофизической и измерительной аппаратуры.
К настоящему времени еще не разработаны стандарты, классифицирующие эти приборы и определяющие требования к их основным параметрам. Общий подход к нормированию параметров таких генераторов, очевидно, должен быть аналогичен подходу к нормированию параметров всех измерительных генераторов: необходимо указать форму сигнала, параметры, характеризующие форму, в том числе и параметры искажений, пределы регулировки параметров, пределы допускаемых погрешностей установки параметров, нестабильность параметров и т. д.
Для создания достаточно простых и дешевых генераторов сигналов специальной формы широко применяют схемы на основе интеграторов с нелинейной обратной связью через какой-либо пороговый элемент с гистерезисом (например, триггер Шмитта). Структурная схема такого генератора, называемого функциональным, представлена на рис. 1. В процессе интегрирования постоянного напряжения, присутствующего на выходе триггера Шмитта, интегратор формирует линейно изменяющееся напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера, триггер переключается, его выходное напряжение меняет знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не станет равным нижнему порогу срабатывания триггера. Далее этот процесс периодически повторяется и на выходе схемы формируется симметричное напряжение треугольной формы с одинаковым временем нарастания и спада. Размах этого напряжения и его стабильность определяются в основном установкой и соответственно стабильностью порогов срабатывания триггера. При использовании прецизионных схем нестабильность размаха сигнала может быть снижена до 0,1% за несколько часов работы.
Рис. 1
Частоту формируемого напряжения можно перестраивать в широком диапазоне частот от инфранизких до несколько десятков килогерц, изменяя постоянную времени интегратора. Перестройку частоты можно осуществлять также электрическим путем, регулируя напряжение на входе интегратора, коммутируемое триггером Шмитта. Усложняя схему регулировки этого напряжения, можно добиться формирования несимметричного треугольного (пилообразного) напряжения с регулируемым временем нарастания и спада. На основе полученного треугольного напряжения можно сформировать напряжения трапецеидальной, колоколообразной, синусоидальной формы. Для этого используют нелинейное преобразование сигнала треугольной формы с помощью диодно-резистивных схем, обеспечивающих кусочно-линейную аппроксимацию необходимой характеристики преобразования. Такие схемы достаточно просты и дешевы, однако обеспечивают ограниченный набор формируемых сигналов, критичны в настройке, имеют невысокую точность и стабильность.
Для формирования сигналов произвольной формы в последнее время начинают применяться функциональные генераторы, работающие на основе кусочно-линейного синтеза непосредственно самого сигнала (а не характеристики преобразования треугольного сигнала). В основе таких устройств лежит генератор линейно изменяющегося напряжения, длительностью и амплитудой которого можно управлять. Очевидно, что из серии таких элементарных линейно изменяющихся сигналов, каждый из которых начинается там, где окончился предыдущий, можно сформировать сигнал произвольного вида.
Обычно работой такого генератора управляет микропроцессор, в память которого вводятся параметры (длительность и амплитуда) каждого элементарного сигнала из заранее заданного набора дискретных значений.
Для того чтобы получить исходное значение сигнала, в конце каждого цикла формируется специальный сигнал возврата к началу.
Погрешность формирования сигнала, связанная с его кусочнолинейной аппроксимацией, определяется общим числом используемых элементарных сигналов и дискретностью установки их параметров. Кардинальным решением задачи формирования сигналов произвольной формы с широкими пределами регулировки и высокой стабильностью параметров является создание генераторов на основе цифровых запоминающих устройств (ЗУ) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Структурная схема такого генератора представлена на рис. 2. Тактовая частота работы устройства задается опорным кварцевым генератором, обеспечивающим высокую стабильность частотно-временных параметров сигнала.
Рис. 2
Сформированные в формирователе адреса кодовые сигналы подаются на запоминающее устройство, в котором записаны коды дискретных отсчетов заданного сигнала. В результате последовательного опроса ячеек ЗУ на его выходе появляется последовательность цифровых сигналов, которая с помощью цифро-аналогового преобразователя преобразуется в необходимый аналоговый сигнал заданной формы. Таким способом можно сформировать сигнал практически любой формы, произвольно менять начальную фазу сигнала, «останавливать» в определенные моменты времени формирование сигнала, запоминать значение сигнала на необходимый интервал времени. Со стороны нижних частот диапазон такого генератора практически ничем не ограничен. Максимальная частота формируемого сигнала определяется быстродействием ЗУ и ЦАП. Характеристики точности такого генератора по выходному напряжению определяются объемом памяти и разрядностью используемого ЗУ, а также характеристиками ЦАП.
Генератор рассмотренного типа представляет собой, по сути дела, специализированную микро-ЭВМ, работающую по жесткой программе воспроизведения определенного набора записанных в ЗУ сигналов. Основной тенденцией дальнейшего развития таких цифровых измерительных генераторов сигналов произвольной формы является использование программируемых микро-ЭВМ на основе микропроцессоров, позволяющих неограниченно расширять набор синтезируемых сигналов, проводить необходимые операции коррекции параметров сигнала и сохранения их временной стабильности в реальном масштабе времени.