ファンクションジェネレータの基礎知識と製品の選び方について

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電子通信、部品・材料、機械、オーディオ、計測機器、メカトロニクス、生体などの幅広い分野でテストを行うときには、さまざまな波形の信号が必要になります。
ファンクションジェネレータは直流から、超低周波~高周波のさまざまな波形の電気信号を連続して発生する装置です。
実際の入力信号に代わりにファンクションジェネレータの信号を使うことによって、装置や機器の動作を確認したり、特性や性能を評価することができます。

ファンクションジェネレータはまた、外部からの信号によって波形発生のタイミングを制御したり、波形を変調することもできます。

ここではまず、ファンクションジェネレータの基礎的な原理を解説し、ついで、基本的な波形や任意の波形の生成について見ていきます。

さらに、ファンクションジェネレータの操作の仕方についても触れていきます。
最後に、おもな製品モデルとモデルの選び方について解説したいと思います。

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ファンクションジェネレータの基本構造と動作原理

ファンクションジェネレータ(以下、FG)から出力される波形には正弦波、方形波、三角波などがあります。

以前はFGはアナログ回路で構成されていましたが、現在ではほとんどのFGがDDS(Direct digital synthesizer、デジタル直接合成発振器)と呼ばれるデジタル回路で構成されています。

DDS方式の基本原理は次のようになります。

DDS方式の発振の原理

DDS方式の発振の原理(出典:TechEyesOnline)

DDSは位相アキュムレーター(加算器とラッチ)、波形ROM(Read Only Memory)、D/Aコンバーターで構成されています。
アキュムレーターは、クロックに同期して周波数設定値Nを加算していきます。
すると、図に示すように、周波数設定値に比例した速度のノコギリ波状のデジタルデータが出力されます。
このデータは出力波形の位相に相当し、出力波形が書き込まれた波形ROM(正弦波テーブル)の読み出しアドレスとなります。
ROMの出力はD/Aコンバーターによってアナログ信号になり、設定した周波数で、ROMのデータに対応した波形が得られます。
D/Aコンバーターの出力信号は階段状の波形ですので、LPF(Low Pass Filter、低域通過フィルター)によって、クロック成分を除去します。
すると、図のようにきれいな波形が得られ、これがFGの出力信号となります。

FGにはDDS方式が主流ですが、より高品位な波形作成を実現する新しいテクノロジーを使ったFGも開発されています。

さまざまな波形を発生

FGは多種多様の波形の信号を連続して発生することができます。
基本は下の図に示すような正弦波、方形波/パルス波、三角波/ランプ波などの標準波形です。

ファンクションジェネレータから連続発振される標準波形

ファンクションジェネレータから連続発振される標準波形(出典:TechEyesOnline)

製品のメーカーやモデルによって異なりますが、方形波はデューティ比(パルス周期に対するハイレベルのパルス幅の割合)が可変なのに対して、パルス波はデューティ比だけでなく、立ち上がり時間/立ち下がり時間も可変できます。

三角波はシンメトリが50%(左右対称)のランプ波となります。

さらに、任意の波形を発生することもできます。
任意波形を生成する方法は2つあります。

1つはFGの操作パネルを使う方法、もう1つはオシロスコープやパソコンからFGにダウンロードする方法です。
一般のFGには「任意波形作成ソフトウェア」が提供されていますので、ユーザーはこれをパソコンに導入して、ソフトの編集機能を使って波形を作成します。

どのぐらいの任意波形を作り出せるかはFGのメモリーサイズにも依存しますが、100種ほどの波形を保存できるモデルもあります。
医療分野では、FGが出力する「心電波形」を使うこともあるようです。

発振モードもいろいろ

FGには、さまざまな波形を連続的に発生するだけではなく、“いつ”、“どのぐらいの期間“発生させるかについて、きめ細かく制御できる機能も備わっています。

“いつ”発生させるかについては、外部のトリガ信号を使い、“ある一定の期間”発生させたいときにはゲート信号を使います。トリガ信号やゲート信号によって、複数のサイクルの波形を発生させるモードを「バースト発振」といいます。

1)バースト発振モード

おもな「バースト発振」モードについて、少し具体的にみていきましょう。

ゲート・バーストモード:ゲート信号がオンの間、複数サイクルの発振を行います。発振開始/停止の位相や発振させるサイクル数はあらかじめ、設定しておきます。

ゲートバースト発振

ゲートバースト発振(出典:TechEyesOnline)

トリガ・バースト・モード:トリガ信号を受けるたびに、ある遅延時間後に波形をバースト発振します。遅延時間、発振開始の位相、発振サイクル数についてはあらかじめ、設定しておきます。

トリガバースト発振

トリガバースト発振(出典:TechEyesOnline)

また、波形パラメータを時間に沿って変化させた波形を出力することもできます。このモードをスイープ機能といいます。

2)スイープ機能

波形パラメータはFGのメーカー、モデルによって異なりますが、おもなものは以下のようになります:

  • 周波数
  • 位相
  • 振幅
  • DCオフセット
  • 方形波デューティ比

周波数スイープと振幅スイープ

周波数スイープと振幅スイープ(出典:TechEyesOnline)

さらにFGではさまざまな変調を行うこともできます。

3)変調機能

FM(周波数変調)、FK(周波数偏移変調)、PM(位相変調)、PK(位相偏移変調)、AM(振幅変調)、DCオフセット変調などの機能があります。

2つ以上のチャネルをもっているFGも実際、少なくありません。複数チャネルを連動させたモードで、各チャネルから出力させることもできます。

4)複数チャネル(CH)の連動モード

たとえば、次のようなモードでの信号を発生させることができます:

  • 2相:同じ周波数の信号に対して、2CH間で位相差のある信号(さらに、2CHが付加され、4CHで4相の信号を出力するモデルも市販されています)。
  • 周波数差が一定:CH間の周波数差を一定に保った信号
  • 周波数比が一定:CH間の周波数比を一定に保った信号
  • 差動出力:2CHの周波数、振幅、位相、DCオフセットを同じにして、逆相の波形を出力

2チャネルの差動出力モード_(株)エヌエフ回路設計ブロック

2チャネルの差動出力モード_(株)エヌエフ回路設計ブロック

FGの中には、上記の1)~3)の各モードの波形をいくつか定義し、それぞれをある期間発生させ、それらをあらかじめ決めた順序で出力させるといった複雑なシーケンス発振を行えるモデルもあります。

ファンクションジェネレータの操作について

ファンクションジェネレータはシンプルな信号発生器ですので、信号解析系機器(ロジックアナライザなど)のような複雑な操作は必要ありません。

波形を選択し、周波数、振幅、DCオフセットを選択するだけで、その波形の信号が出力されます。
多くのモデルでは、波形の各種パラメータや数値を変更するには操作パネル上のノブ(円形のつまみ)や数値キー(キーパッド)を使います。

パネルのファンクションキーによって、先述しましたさまざまな発振モードを選択でき、都度、画面に表示されるソフトウェアキーで関連するパラメーターを設定することができます。

こういった操作は慣れれば、かなり素早く行えるようになるでしょう。

操作にあたっては、次の2点について留意しておく必要があります:

1つは、出力信号の電圧値についてです。
FGでは50Ωで終端したときの電圧値を表示します。
50Ωで終端していないときには表示の2倍の電圧が出力されます。
たとえば、FGの出力をオシロスコープで確認すると、FGの表示の2倍の電圧になります。
オシロスコープがハイ・インピーダンスの測定器だからです。

これを避けるにはオシロスコープを50Ωで終端するか、
振幅とオフセットを半分の電圧に設定する必要があります。

もっとも、インピーダンス補正を自動的に行うFGも市販されています。
こういったモデルでは出力終端のインピーダンスをパネル上の操作で、例えば75Ωに設定できます。
75Ωで終端したオシロスコープにつなげば、オシロスコープの波形の電圧はFGの表示と一致します。

2つ目は出力させたい波形の高調波成分に関することです。
正弦波以外の波形には通常、たくさんの高調波成分が含まれています。
ところが、FGの仕様で定められた周波数帯域が狭いと高調波成分の一部がカットされ、出力波形が歪んでしまい、正しい波形になりません。
このような波形を出力させたいときには、十分な周波数帯域を持ったモデルを選ぶようにしましょう。

校正について

ファンクションジェネレータが仕様の特性値どおりに動作するように、規定されている校正を忘れずに、定期的に行うようにしてください。

主要なメーカーとそのモデル

FGは多くのメーカーから供給されていますが、エヌエフ回路設計ブロック(これは社名です)、キーサイトテクノロジー、横河計測、岩崎通信機、テクトロニクスなどがFGの”老舗”のメーカーといえるでしょう。

各メーカーのおもなモデルは次のようになります(表記:型番(チャネル数、周波数帯域、振幅分解能)(販売時の税抜価格(参考)))。
販売終了のものも混じっていますが、いまなおレンタルされていたり、中古品として売買されています。

【エヌエフ回路設計ブロック】

Wave Factoryシリーズの主だったモデルをあげておきましょう。

WF1947(1CH,0.01μHz~30MHz,16ビット)   198,000円
WF1948(2CH,0.01μHz~30MHz,16ビット)   298,000円
[振幅設定] 最大20Vp-p/開放

WF1973(1CH,0.01μHz~30MHz,14ビット)   198,000円
WF1974(2CH,0.01μHz~30MHz,14ビット)  298,000円
[振幅設定] 最大10Vp-p/開放

WF1967(1CH,0.01μHz~200MHz,16ビット) 448,000円
WF1968(2CH,0.01μHz~200MHz,16ビット)  638,000円
[振幅設定] 最大20Vp-p/開放

低価格で、使いやすさを追求したモデルもあります:
DF1906(1CH,0.1mHz~2MHz,12ビット)  98,000円

【キーサイトテクノロジー】

Keysight Technologies 33500シリーズ

Keysight Technologies 33500シリーズ(出典:Keysight technologies)

メインの「33500シリーズ」、「33600Aシリーズ」では、波形の発生に、先に説明しましたDDS方式ではなく、独自のTrueformテクノロジーを採用しています。DDS方式と比べて、「機能、信号忠実度、柔軟性」に優れているとうたっています。
各シリーズの主だったモデルをあげておきましょう。

[33500シリーズ]

振幅レンジはすべてのモデルに対して、最大20Vp-p/開放(10Vp-p/50Ω)となっています。

33509B/10B(1/2CH,1μHz~20MHz,16ビット)   約21万円/33万円
33511B/12B(1/2CH,1μHz~20MHz,16ビット)   約25万円/38万円
33521B/22B(1/2CH,1μHz~30MHz,16ビット)   約28万円/42万円

価格を抑えた下記のようなモデルもあります。

33210A(1CH,1μHz~10MHz,14ビット)   約17万円円

[33600A]シリーズ:
「33500シリーズ」の上位機種で、周波数レンジも広くなりました。

33611A/12A(1/2CH,1μHz~80MHz,14ビット)   約49万円/66万円
33621A/22A(1/2CH,1μHz~120MHz,14ビット)  約57万円/82万円

【テクトロニクス】

AFG1000/2000/3000/と3100&3200 の4つの製品シリーズがあります。

[AFG1000シリーズ] 107,000円~
AFG1022/1062(2CH,1μHz~25MHz/60MHz)
[振幅設定]最大10Vp-p/開放

[AFG2000シリーズ] 193,000円~

小型・軽量で、使いやすいモデルとして、供給されています。

AFG2021(1CH,1μHz~20MHz,14ビット)
[振幅設定]最大20Vp-p/開放

[AFG3000シリーズ] 252,000円~
AFG3011C//3021C/3022C//3051C/3052C(1CH//1/2CH//1/2CH,1μHz~10MHz//1μHz~25MHz//1μHz~50MHz)
[振幅設定]最大40Vp-p//20Vp-p//20Vp-p開放

[AFG3100/3200シリーズ]  271,000円~
AFG3101C/3102C//3151C/3152C//3251C/3252C(2CH,1μHz~100MHz//1μHz~150MH//1μHz~240MHz)
[振幅設定]最大20Vp-p//40Vp-p//8Vp-p~10Vp-p/開放

【岩崎通信機】

SG-4322/4321(2/1CH,0.01μHz~30MHz,14ビット)   約29万円/19万円
SG-4105(1CH,10mHz~15MHz,12ビット) 任意波形発生機能なし138,000円
[振幅設定]最大20Vp-p/開放

以下のものは販売を終了していますが、中古品ではまだ、出回っています。

SG-4511/4311/4211(1CH,1mHz~50/30/20MHz)
[振幅設定]最大32Vp-p/開放
SG-4111(1CH,0.1Hz~11MHz)
[振幅設定]最大10Vp-p/開放

【横河計測】

現在、販売中のモデルは、

FG410/420(1/2CH,0.01μHz~30MHz,14ビット)   19,8000円/29,8000円
[振幅設定]最大20Vp-p/開放

以下のものは販売を終了していますが、中古品としては出回っています。

FG320(2CH,1μHz~15MHz,12ビット)
FG220(2CH,0.001mHz~2MHz)
FG210(1CH,1μHz~15MHz)

おもなメーカーの製品をざっとあげてみましたが、モデルの選定にあたっては、各社のサイトのデーターシートを入念にチェックし、業務の要求に合ったモデルを絞り込んでいきましょう。

上記以外に、テクシオテクノロジー(旧インステックジャパン)、テイバーエレクトロニクス、ローデシュワルツといったメーカーからも供給されています。

【エヌエフ回路設計ブロック】のWF1967/1968、【キーサイトテクノロジー】の33611A/12A、33621A/22Aなど、最大周波数が50MHzを超える上位機種は、任意波形発生機能も強化されています。
DDS方式に替わる方式で任意波形を生成するので、信号品質は格段に向上しています。

一方、低価格帯モデルも多くのメーカーから出ていますが、中でも10万円未満のテクシオテクノロジーの製品は使用感も悪くなく、コストパフォーマンスの良さを評価する声も少なくありません。

基本波形の出力に特化した超低価格モデルもあります。
DDS方式を使ったサインスマート製のFG(周波数レンジ:2MHz)(約5000円) やRIGOL(リゴル)(周波数レンジ:1~65534Hz)(約3000円)などは言わば、ホビースト向け製品で、これはこれで十分に楽しめるFGといってもいいでしょう。

モデルの選び方

プロフェッショナル・ユーザーはテストや実験のために、実際の信号を擬似的に発生させる装置としてFGを使います。
そのため、予算さえ許せば、希望する信号波形をできるだけ忠実に歪みなく再現できる性能をFGに求めています。
各メーカーのモデルを紹介したときには、製品のラインナップの全体像を示すために、チャネル数、周波数帯域、振幅分解能を参照すべく情報として付記しました。
ですが、モデルをシビアに選定していくには、これら以外の機能についての情報も必要です。
以下に具体的にあげていきましょう。

1.波形特性と信号品質について

高品位な信号は「低ひずみ・低ジッタ・低ノイズ」という3つの特徴を備えています。

仕様書の注目すべきところは、
ひずみ:正弦波の全高調波ひずみ率(あるいは、THD。%値が小さいほどよい)や方形波のオーバーシュート値(%値が小さいほどよい)です。
ジッタ:方形波の時間軸上の信号の揺らぎ→時間(ps)が小さいほどよい。
ノイズ:正弦波の波形特性の仕様にある「非高調波スプリアス」→dBcが小さいほどよい。

2.周波数の分解能の高さ

3.豊富な出力波形

4.多様な波形制御

5.任意波形を設定するメモリ長

6.すぐれた操作性

パネルの操作性だけではなく、複雑なプログラミングをしなくても「任意波形生成/編集」や「波形のシーケンス制御」が簡単に行える、PC用ソフトが供給されているかどうか。

Download波形の画面表示

Download波形の画面表示(出典:Keysight technologies)

 

7.マルチの出力が複数出力の同期発生

複数チャネルによる多出力や複数台接続による同期運転が可能ですと、より複雑な波形を生成することができます。

これらの機能がすべて備わったFGとなると、エヌエフ回路設計ブロックやキーサイトテクノロジーなどの高価な上位機種に限られます。
これだけは外せないという機能・性能を備えたモデルを取りあえず、選び、たとえばレンタルし、その後、必要に応じて機種変更をするか、あるいは当初、ミドルクラスのモデルを購入し、必要に応じて拡張オプションを購入し、アップグレードする(キーサイトテクノロジーなど)といった方法もあるかと思います。

まとめ

多様な信号波形を生成するファンクションジェネレータ(FG)はさまざまな分野の電子機器のテスト・設計・検査やシミュレーションなどに欠かせない装置です。
1970年代に開発されたDDS方式による波形生成は長年、そして現在も多くのFGで使われています。

ミドルクラス以上のFGには、正弦波、方形波、ランプ波、三角波などの基本的な波形出力、そして、波形の変調/スイープ/バースト機能や任意波形発生機能が備わっています。
複数のチャネルからの多出力が可能なモデルでは、より複雑な信号生成が行えます。

波形生成/出力を行うには、前面の操作パネルを操作するか、製品に付属するパソコン用のソフトウェアを使って、波形シーケンスを編集した後、パソコンからFGにダウンロードするか、オシロスコープの出力信号を直接、FGに取り込みます。

DDS方式とは異なる方式によって、周波数帯域は大幅に拡大し、より高品位な信号を生成でき、また、より複雑な任意波形の生成をが可能になったハイエンドのモデルも登場しています。
このような機種は使いこなすのも結構、大変ですので、WEBサイトの動画を見て予習したり、メーカーの使い方セミナーに出席するのもいいかもしれません。

FGのメーカーも製品の種類(数万円~100万円前後)もたくさんあります。
業務の目的と要求をしっかり把握した上で、購入やレンタルの候補モデルの仕様を入念にチェック、比較し、可能ならば、試用してみてモデルの選定を行うとよいかと思います。

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ライター紹介
ライタープロフィール
ランしゃー

企業エンジニアとして、メカトロニクスやパソコンの開発業務に十数年間携わった後、サイエンス&テクニカルライターに転身。企業時代の製品開発経験と知識を生かし、テクニカルライターとしてパソコン関連記事やマニュアルの執筆・翻訳に関わった。しだいにサイエンスライターとしてさまざまな分野にチャレンジ。国内外の豊富な取材をもとに、新聞、科学系雑誌などにロボットや介護/介助テクノロジー、人類進化・古代史の記事を20年余、執筆・翻訳する。2012~2017年にシンガポールに滞在。シンガポールの知られざる自然、驚異の生き物について、現在、厖大な取材データを整理中。メカメカしいモノと生き物(とくに犬、次いで鳥)がともに大好きなシニアライターです。

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