Sinusgenerator

Eine Sinuswelle ist eine mathematische Kurve, die eine glatte periodische Schwingung beschreibt. Sie ist die grafische Umsetzung der Sinus-Funktion. Sie findet sich häufig sowohl in der reinen als auch in der angewandten Mathematik sowie in Physik, Technik, Signalverarbeitung und vielen anderen Bereichen.

Die Sinuswelle ist in der Physik deshalb so wichtig, weil sie ihre Wellenform beibehält, wenn sie zu einer anderen Sinuswelle mit derselben Frequenz und beliebiger Phase und Grösse hinzugefügt wird.

Die Sinuswelle ist die einzige periodische Form mit dieser Eigenschaft. Das ist mit ein Grund, warum beispielsweise der Haushaltsstrom sinusförmig aus der Steckdose kommt: Die Wechselspannung von 230 Volt schwingt exakt mit 50 Hertz, also mit 50 Schwingungen pro Sekunde. Würde man die Spannung auf wenige Volt reduzieren, liesse sich ein Lautsprecher anschliessen, der dann einen tiefen Brummton von sich gibt.  

Die konventionelle Form eines linearen Oszillators beziehungsweise eines Sinusgenerators ist ein elektronischer Verstärker auf der Basis von Transistoren oder Operationsverstärkern, der in einer Rückkopplungsschleife geschaltet ist.

Das heisst: Das Ausgangssignal wird durch einen frequenzselektiven elektronischen Filter an den Eingang zurückgeführt. Dabei entsteht eine positive Rückkopplung.

Wenn die Stromversorgung des Verstärkers zum ersten Mal eingeschaltet wird, liefert das elektronische Rauschen in der Schaltung ein Signal ungleich Null, um Schwingungen in Gang zu setzen.

Das Rauschen wandert durch die Schleife, wird verstärkt und gefiltert, bis es sehr schnell bei einer einzigen Frequenz als Sinuswelle auftritt.

Sinuswellen lassen sich im Sinusgenerator  auch rein digital erzeugen: durch die „direkte digitale Synthese“, kurz DDS. Das ist ein Verfahren, bei dem sogenannte Frequenzsynthesizer beliebige Wellen erzeugen, und zwar aus einer festen Frequenz. Ein einfacher Direkt-Digital-Synthesizer basiert auf einem Referenztakt, erzeugt von einem Quarz oder Oszillator. Hinzu kommen ein numerisch gesteuerter Oszillator sowie ein Digital-Analog-Wandler.

Der Referenztaktgeber sorgt für eine stabile Zeitbasis und bestimmt die Frequenzgenauigkeit der DDS. Er taktet den numerisch gesteuerten Oszillator, der an seinem Ausgang eine zeitdiskrete, quantisierte Version der gewünschten Ausgangswellenform – beispielsweise eine Sinuskurve – erzeugt. Deren Periode wird durch eine Amplitudentabelle bestimmt. Das abgetastete, digitale Signal läuft schliesslich durch den Digital-Analog-Wandler, der es in eine analoge Form umwandelt.

Eine DDS besitzt gegenüber ihrem analogen Gegenstück, dem Phasenregelkreis, viele Vorteile. Dazu zählen die viel bessere Frequenzagilität, ein verbessertes Phasenrauschen und eine präzise Steuerung der Ausgangsphase über Frequenzumschaltübergänge. Zu den Nachteilen gehören eventuelle auftretende Störsignale, sich kreuzende Störimpulse und ein höherer Rauschpegel bei grossen Frequenzverschiebungen.

Die Nachfrage nach Modulen lediglich für das Erzeugen von Sinuswellen ist in den vergangenen Jahren zurückgegangen. Ursache sind immer preiswerter werdende universelle Signalgeneratoren.

Zusätzlich zur Erzeugung von Sinuswellen können diese Geräte typischerweise auch andere sich wiederholende Signalformen erzeugen, einschliesslich Sägezahn, Dreieck, Rechteck und Impulse.

Ein weiteres Merkmal vieler Funktionsgeneratoren ist die Fähigkeit, einen Gleichspannungs-Offset hinzuzufügen. Einige Generatoren lassen sich auch mit einer externen Signalquelle oder einem anderen Funktionsgenerator phasenstarr koppeln.

Obwohl Funktionsgeneratoren sowohl Audio- als auch Hochfrequenzen abdecken, sind sie in der Regel nicht für Anwendungen geeignet, die eine sehr geringe Verzerrung oder äusserst stabile Frequenzsignale benötigen.

Wenn diese Eigenschaften erforderlich sind, wären spezifizierte Signalgeneratoren wie reine Sinusgeneratoren besser geeignet. 

Moderne Funktionsgeneratoren werden auch Arbitrary-Waveform-Generatoren genannt. Sie verwenden die vorgenannte DDS, um jede beliebige Wellenform zu erzeugen, die durch eine Amplitudentabelle beschrieben werden kann.