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ファンクションジェネレータとは?
製品情報や使い方・電圧の注意点

ファンクションジェネレータ(function generator)とは、任意の周波数を持つ様々な電気波形を、電圧信号として出力できる信号発生器です。
一般的には電子機器開発やテスト時の「信号源」として活用されています。

簡潔に説明するとこの通りですが、やや難解なため、当ページでは「ファンクションジェネレータの基礎知識」として、上述の内容を詳細に解説します。

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またファンクションジェネレータの使い方や、似た用途で使われる任意波形発生器(AWS)との違いについて解説していきます。
電圧に関する計測時の注意点についても解説していきますので、製品選定時や、購入後困った時に参考にしてください。

ファンクションジェネレータの基礎知識

ファンクションジェネレータの基礎知識として、

  • ファンクションジェネレータって何?
  • アプリケーション(用途)
  • ファンクションジェネレータの波形
  • ファンクションジェネレータの周波数

の4つを見ていきます。

ファンクションジェネレータって何?

ファンクションジェネレータは、大きなカテゴリとしては「信号発生器」に分類されます。

主な信号発生器

  • ファンクションジェネレータ
  • 任意波形発生器
  • パルスジェネレーター
  • デジタルパターンジェネレータ

他、ピッチジェネレータやオーディオジェネレータのような専用アプリケーションに特化したものなど多数。

信号発生器(Signal Generator)は、電子信号を生成する電子機器です。出力される信号は振幅、周波数、波形などの設定がされています。

これらの信号発生器は、様々な特徴を持ち、それぞれの用途で使われています。

特にファンクションジェネレーターは、電子機器のテストや回路の動作確認で用いられます。

動作確認の用途では「波形」や「周波数」を変更した信号を出力する必要があります。
ファンクションジェネレータなら、任意の「波形」と「周波数」を設定した出力信号を生成できます。

ファンクションジェネレータのアプリケーション(用途)

ファンクションジェネレータは、電子機器の開発、製造テストの「信号源」として使用されます。
信号源とは字の通り、信号の源、「信号の発生源」です。

ファンクションジェネレータは、任意の周波数・波形を「信号」として出力します。
出力した信号はどこにいくのかというと「テストしたい別の電子機器・電子回路」などに、入力されます。

周波数や波形をコントロールして「正常な信号」を機器に入力してテストを行なったり、歪みや異常のある信号を敢えて入力するといったテストでも使用されます。

このように「外部からの入力信号」によって動作する機器・電子回路には、本来の信号に変わる「別の信号」を入力してテストを行います。
機器・電子回路の内部では信号を作れないケースでは代わりになる信号源が必要なため、ファンクションジェネレーターが活用されます。(もちろん、別の信号発生器の多くも、テストや検証用途で使われています。)

ファンクションジェネレータの波形

低周波の測定では、様々な波形や周波数の信号を任意で発生させる必要があります。

例えば、アンプの周波数特性を測定するには正弦波信号、過渡応答特性を測定するには方形波など、
何を測定するかによって、適した波形が異なるからです。

ファンクションジェネレータには、基本波形を連続して発生させる機能があります。
また多くのファンクションジェネレータは正弦波の生成に加えて、三角波、のこぎり波、方形波、パルスといった波形を生成できます。
尚、三角波、のこぎり波を一括りで「ランプ波」と呼ぶこともあります。

正弦波

正弦波

三角波

三角波

のこぎり波

のこぎり波

方形波・矩形波

方形波・矩形波

パルス

パルス

任意波形

任意波形

注目ポイントは「任意波形」です。任意波形とは、ユーザーが定義した波形を指します。
かつてのファンクションジェネレータでは任意波形は作れませんでしたが、現在では市販のファンクションジェネレータの多くは、任意波形を生成できるタイプです。

ポイントは「DDS方式」の導入です。
DDSとは、ダイレクトデジタルシンセサイザ(Direct Digital Synthesizer)の頭文字の略称で「電子回路」を指します。

最新のファンクションジェネレータのほとんどは、出力波形の生成にDDS方式を使用しています。
DDS方式の採用によって、任意波形の生成が可能になりました。

ファンクションジェネレータの周波数

ファンクションジェネレータは、正弦波などの波形をユーザーが設定した周波数で出力することができます。
周波数は1秒当たりに繰り返される波の回数を指します。単位はHz(ヘルツ)で表されます。

1秒あたり、波が3回繰り返す場合は1Hz。
10回繰り返す場合は10Hz。
100回繰り返す場合は100Hz、1000回繰り返す場合は1kHzです。

周波数(3Hz, 10Hz)の解説

ファンクションジェネレータ(DDS)と任意波形発生器(AWS)の比較

任意波形発生器(AWS)もまたファンクションジェネレータと同様、電子機器・電子回路のテスト用途で使われます。
類似の用途で使われる製品のため「ファンクションジェネレータとの違い」をこちらで解説します。

「比較」と言っても「どちらが優れている」という優劣をつけるためではなく、あくまで「どう違うか」という部分にフォーカスして比べます。

というのも、ファンクションジェネレータと任意波形発生器は異なる用途で使われるためです。(それぞれに優れている面があっても、用途に適さないケースはありますので優劣の比較は行いません。)

次の比較一覧表は「どちらが皆さんの使いたい用途に適しているか」を考える際の一助としていただければ幸いです。

ファンクションジェネレータ 任意波形発⽣器
主な方式 DDS方式 AWG方式
クロック 固定 可変
出力波形の再現性 任意波形発生器ほど⾼くはない 高い
データに対し⼀部重複・⽋損が⽣じるケースもある データを忠実に再現する
主な用途 低周波数での電⼦テスト⽤途 厳密な波形制御が求められる電子テスト⽤途
価格 低価格 高価格

それでは、各項目について見ていきましょう。尚、関連の深い項目はまとめて解説します。

「主な方式」と「クロック」の違い

ファンクションジェネレータと任意波形発生器の大きな違いは「方式の違い」すなわち、信号を出力する仕組み・内部構造の違いにあります。

市販されているファンクションジェネレータの多くは「DDS方式」が採用されています。
対して、一般的な任意波形発生器には「AWS方式」が採用されています。

実はこの方式の違いが、上記一覧表で記載した各項目「出力波形の再現性」や「用途」の違いと大きく関わっています。

DDS方式

DDSは、ダイレクトデジタルシンセサイザ(Direct Digital Synthesizer)の頭文字を取った略称で、DDS方式は、固定周波数クロック基準に基づいて、周波数や位相を調整した信号を生成する手法です。

ポイントは「固定周波数クロック基準に基づいて」という点です。これはDDS方式では「クロックが固定」されているということを意味します。
クロックは、出力波形の周波数と関連があります。

クロック信号(クロックしんごう、clock signal)、クロックパルスあるいはクロックとは、クロック同期設計の論理回路が動作する時に複数の回路間でタイミングを合わせる(同期を取る)ために使用される、電圧が高い状態と低い状態を周期的にとる信号である。

Wikipedia「クロック」より引用(最終閲覧日:2021年5月18日)

ファンクションジェネレータから出力される信号は「周波数」も「波形」も変更できます。
しかし元々のデータとしては、この「クロック」が固定されています。

つまりファンクションジェネレータは「固定のクロックを持つ波長データから設定に応じた周波数・波形の出力信号を作っている」ということ。

簡略化すると、次のような仕組みで出力信号を生成しています。

  1. DDS方式では、あらかじめ「固定のクロックを持つ波長データ」が保存されている。
  2. その波形データから「ユーザーが設定した周波数」に応じて、データを取り出す。この時、ファンクションジェネレーターは自動的に位相の増分を決定しながら波形データを生成する。
  3. 生成された波形は、DAC(デジタルアナログコンバーター)で、アナログ波形に変換されて信号として出力される。

一連の作業を、より抽象的に言い換えると「固定されたデータを設定データに近づける作業」と言えます。
固定のデータから設定に合わせてデータを取り出すため、その際には必要に応じてデータを、重複させたり、削ったりしています。

このような仕組みで、ファンクションジェネレータは可変の出力信号を生成しています。「可変」とは言っても、クロックや元の波形データ長は固定されているため「任意波形の生成」には限界があります。

そのため「データ通りの出力」を求めるケースでは「任意波形生成器」が用いられます。

AWG方式

AWGはArbitrary Waveform Generatorの頭文字の略称で、こちらをそのまま和訳すると「任意波形発生器」となります。(ですので、AWGは、厳密には「DDS方式」のように仕組みではなく、仕組みも含めた製品全体を指す言葉と捉えた方が正確でしょう。)
当ページでは、DDS方式と比較しやすくするためにAWG方式(任意波形発生器の方式)と言っています。

任意波形発生器が、信号を出力する仕組みは次の通りです。

  1. PCなどを使用し、波形生成ソフトウェアやツールで「ユーザー設定の出力波形データ」を作成する。
  2. 「ユーザー設定の出力波形データ」を任意波形発生器の波形メモリに保存する。
  3. 設定された周波数に応じて、波形メモリから、「ユーザー設定の出力波形データ」をクロックサイクルごとに取り出していく。
  4. 生成された波形は、DAC(デジタルアナログコンバーター)で、アナログ波形に変換されて信号として出力される。

任意波形発生器は「クロックは可変」です。ファンクションジェネレータではクロックは固定されていましたが、こちらはクロックを含めて変更できます。

「ユーザー設定の波形データをメモリに保存して、そこから取り出していく」という仕組みのため、正確なデータの再現が可能です。

ファンクションジェネレーター(多機能LD用電源)

ファンクションジェネレータ(多機能LD用電源)

特殊な波形を生成可能なAWG方式採用の製品です。
制御ソフトウェアによって、複雑な形状の任意波形を生成し、正確に出力できます。

製品詳細

「出⼒波形の再現性」と「用途」の違い

「出力波形の再現性」とは「データを正確に再現した信号を出力できるか」という観点での比較です。
こちらについては、DDSとAWGの仕組みの違いを見れば、任意波形発生器(AWG)の方が正確な再現が可能であるということがわかります。

ファンクションジェネレータ

DDS方式では固定データから任意の波形データを作成する過程で、いくつかのデータに重複・欠損が生じます。
言い換えると「データを合わせたり、減らしたりすることで、ユーザーが設定した波形データ近いデータを作っている」ということですが、この時、重ねるデータや間引くデータはユーザーの側では制御できません。これらはファンクションジェネレーターのアルゴリズムに従って決定されます。

しかし「ファンクションジェネレータの波形が正確ではない」ということではありません。

ファンクションジェネレータは正弦波・方形波の標準波形を正確に生成できます。また現在設定されている周波数から、別の周波数へ切り替える際も、早く正確な切り替えが可能です。

任意波形発生器

任意波形発生器は、データをそのままメモリに格納して、そこから取り出していく仕組みのため、データの忠実な再現が可能です。そのため、幅広い周波数で正確な波形の再現が求められるケース、特にハイエンドな用途では、任意波形発生器が使われています。
ファンクションジェネレータで対応できない用途もありますので、その場合も任意波形発生器を選ぶことで正確な電子テストが実現します。

「価格」の違い

ファンクションジェネレータ

ファンクションジェネレータは、仕組み上、コストを抑制できます。
「特定の用途」に特化した製品も販売されているため、用途別に選定すると、必要なスペックを備えた比較的安価な製品を選定できます。(もちろん汎用的に使えるファンクションジェネレータもあります。)

任意波形発生器

一般的に任意波形発生器は、ファンクションジェネレータに比べて高価格です。
任意波形発生器は波形データをメモリに保存して取り出す関係上、メモリの容量は大きく、その分高価格になります。

実際には、任意波形発生器ほど正確な出力信号が求められない用途もたくさんあります。
ファンクションジェネレータでカバーできる場合は、わざわざ任意波形発生器を用意するのはコストオーバーです。コストを抑えて対応できるDDS方式のファンクションジェネレータを検討した方が適切でしょう。

ファンクションジェネレータ利用時によくある電圧や観測法の注意点

ファンクションジェネレータの仕組みや構造を理解するのは難しいかもしれませんが、操作方法はシンプルで直感的に操作できるものがほとんどです。

ただし、”出力信号の認識”や”観測方法の誤解”など、ファンクションジェネレータを利用する際によくハマってしまうポイントがあります。その点について、解説していきます。

ファンクションジェネレータの表示電圧と実効電圧の違い

「ファンクションジェネレータ上に表示される電圧とオシロスコープなどの測定器で測定した電圧が異なる」という疑問の声をよく耳にします。

これは、ファンクションジェネレータの出力抵抗が50Ωで、且つ50Ωの入力抵抗の機器が接続された場合に接続機器にかかる電圧を表示電圧としているためです。

実際には、表示電圧を1Vp-p(peak-to-peak)に設定した場合、発生させている電圧は2Vp-pであるため、オシロスコープなどの入力抵抗の高い機器を接続すると実際に発生させている2Vp-pが測定されます。

ここから、実際に利用する場合は、接続する機器の入力抵抗を考慮して表示電圧を設定する必要があることがわかります。

表示電圧と実行電圧の違い.png

DCオフセットする場合の注意点

DCオフセット設定する場合は、「波形のピーク+オフセットの値」がファンクションジェネレターの最大出力電圧を超ないように波形を設定する必要があります。

測定器の高調波対応の必要性

正弦波以外の波形を出力する場合は、生成波形に複数の高調波が含まれます。
そのため、波形確認の際には測定器の周波数帯域が高調波をカバーしていることをご確認ください。
また、高周波の場合には、特性インピーダンスのインピーダンスマッチングにも注意する必要があります。

逆に、低周波の波形を測定する際には、オシロスコープをACカップルにするとDC信号が減衰する点に注意が必要です。

出力信号の要件に応じた製品選定を

ファンクションジェネレータと任意波形発生器。
双方を比較すると、それぞれに活躍の場所が用意されていることがわかります。

結論としては「用途次第」で適した製品は異なります。
出力信号の要件に応じて、必要な信号出力器のスペックは異なります。

ファンクションジェネレータも、一部の先進的な製品では、かつてのDDS方式が持っていた欠点をカバーしているものもありますので、やはり「用途次第」です。

適した製品がわからない場合は、弊社(株式会社ケイエルブイ)にご相談ください。
ファンクションジェネレータやAWG方式の製品を多数取り扱っておりますので、お客様の求める要件に応じた製品を、光学の専門家がご提案いたします。

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ファンクションジェネレータの関連製品一覧

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製品名 製品画像 紹介文 価格
ファンクションジェネレータ
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ディレイ/パルスジェネレータ Tombak
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