Function Generator

ฟังก์ชันเจนเนอร์เรเตอร์ (Function generator) เป็นเครื่องกำเนิดสัญญาณที่มีการใช้งานอย่างกว้างขวาง เนื่องจากฟังก์ชันเจนเนอร์เรเตอร์สามารถผลิตสัญญาณออกมาหลายรูปแบบให้เลือกตามงานที่ใช้ เช่น สัญญาณรูปคลื่นซายน์ หรือไซน์เวฟ (Sine Wave) สัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยมหรือสแคว์เวฟ(Square wave) สัญญาณรูปคลื่นสามเหลี่ยม หรือไตรแองเกลิ้ลเวฟ (Triangle ware) สัญญาณรูปคลื่นสัญญาณฟันเลื่อย หรือซอร์ทูธ เวฟ(Sawtooth wave) ซึ่งฟังก์ชันเจนเนอร์เรเตอร์สามารถผลิตรูปสัญญาณคลื่นออกมากว้าง ตั้งแต่ความถี่ต่ำไปจนถึงหลายเมกกะเฮิรตซ์ (MHz)
           
จากหลักการที่ fuction generator จะต้องจ่ายสัญญาน output เป็นรูป sine สี่เหลี่ยม และ สามเหลื่ยม ผู้สร้างเครื่องมือชนิดนี้จึงต้องออกแบบสนองความต้องการดังกล่าวแล้วสัญญาณพื้นฐานนี้สามารถป้อนเข้าวงจรที่ถูกต้องเพื่อกำเนิดสัญญาณอื่นๆได้ เช่น สัญญาณพื้นฐานเป็นรูปคลื่นsineซึ่งสังเกตจากวงจรossilatorแบบRC หรือ RL นั้น ในย่านความถี่ต่ำมากจะมีปัญหาในเรื่องความคงที่ของความถี่และขนาดของสัญญาณจึงไม่นิยมในossilatorที่ให้กำเนิดสัญญาณความพี่แบบคลื่นsineชนิดนี้ในเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบฟังก์ชัน

จากรูปแสดงให้เห็นรูปวงจรเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบฟังก์ชัน หรือ fuction generator ที่ใช้โดยทั่วไปขณะนี้สัญญาณพื้นฐานที่เกิดขึ้นจากวงจรตามรูปนี้จะเป็นสัญญาณแบบสี่เหลื่ยมที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะเหตุว่าวงจรกำเนิดสัญญาณความถี่แบบสี่เหลี่ยมที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะว่าวงจรกำเนิดสัญญาณความถี่แบบสี่เหลี่ยมนั้นจะให้ความคงที่ในด้านความถี่และขนาดของสัญญาณได้ดีกว่าคลื่นรูปsine



ภาคแรกคือ A1 โดยการใช้Voltage camparetor ก็จะทำการผลิตสัญญาณoutputแบบสี่เหลี่ยม  outputของA1จะถูกไดรฟ์จนถึงจุดอิ่มตัว เพราะเช่นนั้น สัญญาณสี่เหลี่ยมอาจมีค่าเป็น +Vcc หรือ –Vcc ก็ได้  ภาคที่2คือ A2 เป็นวงจรอินทิเกรเตอร์จะทำการผลิตสัญญาณ outputแบบสามเหลี่ยม สัญญาณแบบสี่เหลี่ยมจะถูกป้อนเข้าที่input convertor ของวงจรเปลี่ยนความถี่ จากคลื่นสี่เหลี่ยมเป็นคลื่นไซน์ การทำงานของวงจรนี้จะทำการกรองสัญญาณฮาร์มอนิคที่ทำให้เกิดความถี่แบบสี่เหลี่ยมออกไป เหลือเพียงสัญญาณที่เป็นคลื่นไซน์ ปรากฎที่output เพื่อนำไปใช้งานต่อไป

เราสามารถวิเคราะห์การทำงานของวงจรโดยเริ่มต้นที่outputของcomparetorซึ่งอาจจะมีค่าเป็น +Vccหรือ-Vcc โวลต์เตจที่ Vo1 จะมีค่าเป็น –Vcc อยู่จนกระทั่งโวลต์เตจที่inputของinvertor A1 มีค่าเกินกว่า input voltageของส่วนที่ไม่ได้invert ซึ่งในกรณีนี้จะมีค่าเท่ากับ 0 V. ค่าของinput voltage ของส่วนที่ไม่ได้ invert คือ Vx นั้นส่วนหนึ่งจะขึ้นอยู่กับvoltage ของ Vo2 ซึ่งเขียนสมการได้ดังนี้

Vx= -Vcc |R1/(R1+R2)|+ Vo2 |R2/(R1+R2)|     --------------สมการที่ 1

เอ้าท์พุตของVo1 จะเปลี่ยนค่าเมื่อ Vx  = 0 เพราะฉะนั้นจะแทนค่าได้ดังนี้ 

0= -Vcc |R1/(R1+R2)|+ Vo2 |R2/(R1+R2)|    --------------สมการที่ 2

และเขียนเป็นสมการใหม่ได้ดังนี้ 

Vo2R2  = VccR1 --------------สมการที่ 3

จากสมการด้านบน สามารถกำหนดค่าสูงสุด ของขนาดความโตของสัญญาณเอาท์พุตแบบสามเหลี่ยมของVo2ได้สมการดังนี้

Vo2  =  Vcc  R1/R2   --------------สมการที่ 4

เมื่อเอาท์พุตโวลต์เตจของ Vo2 มีขนาดความโตเท่ากับค่าที่กำหนดให้ในสมการ เอาท์พุตของComparetor ก็จะเปลี่ยนสภาพ ทำให้รูปคลื่นสามเหลี่ยมเริ่มลดลงอย่างสม่ำเสมอนอกจากนี้สมการยังแสดงให้เห็นค่าต่ำสุดของ Vo2  เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเนื่องจากเอาท์พุตมีค่าเท่ากันที่ตำแหน่ง 0V. รูปคลื่นของVx , Vo1 และ Vo2 แสดงให้เห็นในรูป Bในกรณีที่ R1=R2

ความถี่ของวงจรจะถูกควบคุมโดยวงจรเวลาคงที่ ชนิดRC ของอินทิเกรเตอร์ เพื่อให้เข้าใจว่าความถี่เกิดขึ้นได้อย่างไรนั้น ดูได้จากการเปลี่ยนแปลงกระแสของคาปาซิเตอร์หรือการประจุค่ากระแสของคาปาซิเตอร์หรือการประจุของมันโดยเทียบกับเวลาที่เกิดการเปลี่ยนแปลง

Q = Ic x T --------------สมการที่ 5 

ภาพฺ Bสัญญาณชนิดต่างๆที่เกิดขึ้นจาก Function generator 

อัตราการประจุของคาปาซิเตอร์              dq = ic dt                       --------------สมการที่ 6

หรือเขียนสมการได้ดังนี้                        ic =dq/dt                        --------------สมการที่ 7

ในขณะที่คาปาซิเตอร์ ประจุความสัมพันธ์ระหว่างการประจุ คาปาซิแต้นซ์ และโวล์เตจที่ตกคร่อมเพลทของ   ที่ตัวคาปาซิเตอร์ หาได้ดังนี้    

q = CVo2                            --------------สมการที่ 8

แทนค่าสมการที่ 8 ในสมการที่ 7 จะได้               

ic = C (d(Vo2))/dt              --------------สมการที่ 9

เนื่องจากอินพุตอิมพิแดนซ์ของเครื่องขยายออปเปอร์เรชั่นนั้นจะมีค่าสูง กระแสที่ผ่านความต้านทาน R มีค่าโดยประมาณเท่ากับค่าของกระแสที่คาปาซิเตอร์ประจุไว้ ดังนั้นสามารถเขียนสมการใหม่ได้ดังนี้

iR  =  C(d(Vo2))/dt     ----------  สมการที่ 9.1

ในทำนองเดียวกัน อัตราการขยายโวลต์เตจของเครื่องขยายชนิดออปเปอร์เรชั่นนี้ก็มีค่าสูงเช่นเดียวกัน ดังนั้นโวลท์เตจที่อินพุตของเครื่องขยายจึงมีค่าเกือบเป็น 0  เพราะฉะนั้นจะเขียนสมการใหม่ได้ดังนี้  

iR  = (Vo1-0)/R     --------------สมการที่ 10

แทนค่าสมการที่10 ลงในสมการที่ 9 จะได้   

dVo2  = 1/RC Vo1 dt          --------------สมการที่ 11

อินทิเกรตทั้ง2ข้างของสมการ11 จะได้    

Vo2 =  1/RC ∫ Vo1 dt  =  Vo1/RC   --------------สมการที่ 12

แทนค่าสมการ 4 ลงในสมการที่ 12 จะได้  

Vcc |R1/R2| = |Vo1/RC|(t)        --------------สมการที่ 13

เนื่องจากว่า Vo1 = Vcc ทำสมการให้ง่ายขึ้นได้คือ  

t =  RC |R1/R2|                            --------------สมการที่ 14

การปรับปรุงสมการที่14 เริ่มจากสมการที่5 ซึ่งสามารถให้เราคำนวณค่าประจุของคาปาซิเตอร์หลังจากช่วงเวลาของ t แต่สมการที่5 จะมีความเที่ยงตรงก็ต่อเมื่อ การประจุครั้งแรกมีค่าเป็น0 หรือเรียกอีกอย่างก็คือ โวลท์เตจของคาปาซิเตอร์ในขณะที่เริ่มประจุต้องเท่ากับ0 เพราะฉะนั้นเวลาt ตามสมการ14 นั้นคือเวลาที่เริ่มประจุจาก 0 V จนกระทั่งถึงจุดที่วงจรทำงาน ซึ่งก็คือประมาน ¼ cycle ดังแสดงให้เหนในรูปC เนื่องจาก t = 1/4T สมการ14 เขียนใหม่ได้ดังนี้   

T = 4RC |R1/R2|                                --------------สมการที่ 15

ซึ่งความถี่เป็นส่วนกลับของคาบเวลา จึงหาค่าได้จาก

F = 1/4RC  |R2/R1|                                --------------สมการที่ 16 

ภาพฺ C ตัวอย่างวงจรของ Function generatorสำหรับโจทย์ตัวอย่าง

ตัวอย่าง ให้คำนวณหาค่าความถี่และขนาดความโตสูงสุดของ outputแบบสามเหลี่ยมของวงจรตามรูปCแทนค่าสมการ

ความถี่ output คำนวณได้โดยใช้สมการที่16 คือ

F = 1/4RC  |R2/R1|

F = 1/(4 x 50k.ohm x 01001 μF)  |(10 k.ohm)/(6 k.ohm)| 

∴ F = 8.35 KHz

ขนาดความโตของคลื่นรูปสามเหลื่ยมคำนวณได้โดยใช้สมการที่4 คือ

Vo2     =  Vcc  R1/R2

        Vo2    = 10 V  |(6 k.ohm)/(10 k.ohm)|       

                   = 6 V.      ______________________________________________________________________              

การใช้งาน Function Generatorการใช้งานของฟังก์ชันเจนเนอร์เรเตอร์ มีการใช้งานที่แตกต่างกันแล้วแต่ยี่ห้อรุ่นที่บริษัทต่าง ๆ ได้ผลิตออกมาแต่ในการใช้งานทั่วไปจะเหมือนกัน จึงขออธิบายการใช้งานโดยทั่วไปดังรูปBในกรณีที่ R1=R2  

               1.Power on Indicator อ่านว่า เพาเวอร์ ออน อินดิเคเตอร์ เป็นหลอดไฟแอล อี ดี (LED)                           แสดง การทำงานของเครื่อง
    
    2.Power swich อ่านว่า เพาเวอร์ สวิตซ์ ทำหน้าที่เป็นปุ่มสำหรับรับเปิด –ปิดเครื่อง

               3.Range swich อ่านว่า เรนจ์ สวิตซ์ เป็นสวิตซืที่ทำหน้าที่เลือกย่านความถี่ต่าง ๆ เช่น                               1Hz,10Hz,100Hz       เป็นต้น
    
    4.Ramp/pulse Invert อ่านว่า เรนจ์ สวิตซ์ เป็นปุ่มที่ทำหน้าที่กลับรูปคลื่นจากบวกเป็นลบ ทั้ง                      จากลบเป็นบวก
    
    5.Function swich อ่านว่า ฟังก์ชันสวิตซ์ เป็นสวิตซ์ที่เลือกรูปสัญญาณซึ่งมีให้เลือก 3                                สัญญาณ คือ สัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยม ทั้งสแควเวฟ(Square wave) สัญญาณรูปคลื่น                            สามเหลี่ยมหรือไตรแองเกิ้ลเวฟ(Triangle wave)และสัญญาณรูปคลื่นไซน์ (Sine wave) 

    6. Att ย่อมาจาก Attenuator อ่านว่า แอ็ดเท็นนูเอเตอร์ เป็นปุ่มที่ทำหน้าที่ลดทอนสัญญาณ                        ทางออก ตามค่าที่เขียนเอาไว้ที่ใกล้ปุ่ม

    7. Multiplier อ่านว่า มัลติพลายเออร์เป็นปุ่มที่ทำหน้าที่ปรับความถี่ที่ทำหน้าที่ปรับความถี่โดย                     ความถี่ถูกปรับที่ถปุ่มนี้จะต้องนำไปคูณกับค่าที่ตั้งไว้ที่สวิตซ์เลือกความถี่หรือ Range                                switch จึงจะได้ความถี่ที่ถูกต้องออกไปใช้งาน

               8.Duty control อ่านว่า ดิวตี้ คอนโทรล เป็นปุ่มที่ทำหน้าที่ปรับค่าของสัญญาณสี่เหลี่ยมให้มีค่า                   อัตราส่วนความกว้างภายในลูกคลื่น 1 รอบ มีค่าต่าง ๆ กันเรียกว่า ดิวตี้ ไซเกิ้ล (Duty cycle)

               9.Offset Adj ย่อมาจาก Offset Adjuust อ่านว่า ออฟเซ็ท แอ็ดจันสท์ เป็นปุ่มที่ทำหน้าที่ปรับ                       ค่าแรงดันออฟเซ็ท (offset) ของสัญญาณในกรณีที่สัญญาณทางออก (Output) บิดเบี้ยวไป

              10.Amplitude อ่านว่า แอมปลิจูด เป็นปุ่มปรับความแรงหรือความสูงของสัญญาณทางออก

              11.VCF Input อ่านว่า วีซีเอฟ อินพุต เป็นขั้วที่รับสัญญาณไฟ DC เข้ามาเพื่อนำ

               12.Output Pluse อ่านว่า เอาต์พุต พัลซ์เป็นขั้วต่อที่จะนำสัญญาณพัลซ์ออกไปใช้งาน

               13.Output อ่านว่า เอาต์พุต เป็นขั้วต่อที่จะนำสัญญาณที่เหลือออกไปใช้งาน


ประโยชน์การใช้งานของเครื่องกำเนิดสัญญาณความถี่มีมากหลายประการกล่าวโดยสรุปได้ดังนี้

1.ใช้เป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณมาตรฐาน

2. ใช้เป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณอ้างอิง เพื่อใช้ในการเปรียบเทียบ

3. ใช้เพื่อการทดสอบและปรับแต่งเครื่องมือและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด เช่นเครื่องรับวิทยุ   เครื่องขยายเสียง เครื่องรับส่งวิทยุ คอมพิวเตอร์ เป็นต้น

4. ใช้ในการทดลองภายในห้องปฏิบัติการทางไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

5. ใช้เป็นอุปกรณ์ร่วมในการทำงานทางไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

6. ใช้ในการตรวจซ่อมอุปกรณ์ทางไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์
     
ข้อควรระวังในการใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณความถี่

1. ศึกษาคู่มือการใช้งานให้เข้าใจก่อนลงมือใช้งาน

2. ระวังอย่าให้สัญญาณที่เอาต์พุตลัดวงจร

3. ระมัดระวังอย่าป้อนสัญญาณเข้าทางขั้นเอาต์พุตของเครื่องกำเนิดสัญญาณ4. อย่าเก็บเครื่องกำเนิดสัญญาณไว้ในที่ชื้น ร้อน ฝุ่นละอองมาก





เอกสารอ้างอิง   

1.หนังสือ เครื่องมือวัดและทดสอบไฟฟ้า และอิเล็คทรอนิคส์      โดย เดชา ศิริรัตน์

2. www.tice.ac.th/Online/Online2-2547/nuttapong

3. www.lampangtc.ac.th/lptc/sub-web/racharwit/content/13-content.html