- 信號發(fā)生器的基本原理
- 信號發(fā)生器的分類(lèi)和作用
- 信號源的主要技術(shù)指標
- 信號發(fā)生器的使用與測量單位
- 信號發(fā)生器實(shí)戰問(wèn)題解答
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信號發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生振蕩信號，且信號的特征參數完全可控，可方便地模擬各種情況下不同特性的信號，對于產(chǎn)品研發(fā)和電路實(shí)驗具有重要作用。信號發(fā)生器廣泛應用在電子研發(fā)、維修、測量、校準等領(lǐng)域，是電子工程師信號仿真實(shí)驗的最佳工具。本講從信號發(fā)生器的原理、分類(lèi)與用途等基本知識入手，詳細介紹信號發(fā)生器的使用與測量單位，并搜羅廣大工程師對信號發(fā)生器的實(shí)戰疑難問(wèn)題解答，以幫助工程師深層次的了解信號發(fā)生器，更好的發(fā)揮其作用，為產(chǎn)品設計進(jìn)行全面、真實(shí)的測試，保證研發(fā)和測試過(guò)程的順利。
信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號在電路中常常用來(lái)代替前端電路的實(shí)際信號，為后端電路提供一個(gè)理想信號。在電路測試中，我們可以通過(guò)測量、對比輸入和輸出信號，來(lái)判斷信號處理電路的功能和特性是否達到設計要求。高精度的信號發(fā)生器在計量和校準領(lǐng)域也可以作為標準信號源（參考源），待校準儀器以參考源為標準進(jìn)行調校。
現代信號發(fā)生器的結構非常復雜，與早期的簡(jiǎn)易信號發(fā)生器天差地別，但總體基本結構功能單元還是類(lèi)似的。
信號發(fā)生器的基本原理
信號發(fā)生器的主要部件有頻率產(chǎn)生單元、調制單元、緩沖放大單元、衰減輸出單元、顯示單元、控制單元。
主振級產(chǎn)生低頻正弦振蕩信號，經(jīng)電壓放大器放大，達到電壓輸出幅度的要求，經(jīng)輸出衰減器可直接輸出電壓，用主振輸出調節電位器調節輸出電壓的大小。
早期的信號發(fā)生器都采用模擬電路，現代信號發(fā)生器越來(lái)越多地使用數字電路或單片機控制，內部電路結構上有了很大的變化。
信號發(fā)生器的一大特性就是可以操控儀器輸出信號的幅度，信號通過(guò)特定組合衰減量的衰減器達到預定的輸出幅度。早期的衰減器是機械式的，通過(guò)刻度來(lái)讀取衰減量或輸出幅度?，F代中高檔信號發(fā)生器的衰減器單元由單片機控制繼電器來(lái)切換，向電子芯片化過(guò)渡，衰減單元的衰減步進(jìn)量不斷縮小，精度相應提高。
信號發(fā)生器的分類(lèi)和作用
信號發(fā)生器按照產(chǎn)生信號類(lèi)型可以分為正弦信號發(fā)生器、函數信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、隨機信號發(fā)生器、專(zhuān)用信號發(fā)生器。正弦信號發(fā)生器提供最基本的正弦波信號，可以作為參考頻率和參考幅度信號，用于增益和靈敏度的測量以及儀器的校準。常見(jiàn)的高頻信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器都屬于此類(lèi)。函數信號發(fā)生器可以產(chǎn)生各種函數波形信號，典型的有方波、正弦波、三角波、鋸齒波、脈沖等。函數信號發(fā)生器一般工作頻率不高，頻率上限在幾兆赫到一二十兆赫，頻率下限很低，大多可以低于0.1Hz。函數信號發(fā)生器用途非常廣泛，科學(xué)實(shí)驗、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)維修、IC芯片測試中都能見(jiàn)到它的身影。脈沖信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器多用于專(zhuān)業(yè)場(chǎng)合。專(zhuān)用信號發(fā)生器是產(chǎn)生特定制式信號的專(zhuān)用儀器，如常見(jiàn)的電視信號發(fā)生器、立體聲信號發(fā)生器等。
信號發(fā)生器按傳統工作頻段分類(lèi)，有超低頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器、微波信號發(fā)生器。超低頻信號發(fā)生器一般用于專(zhuān)業(yè)上的特殊用途；低頻信號發(fā)生器多用于音頻領(lǐng)域；高頻信號發(fā)生器多用于通信和測量領(lǐng)域；微波信號發(fā)生器多用于雷達領(lǐng)域。
信號發(fā)生器按頻率產(chǎn)生機制，分有LC振蕩器信號發(fā)生器、壓控振蕩信號發(fā)生器、頻率合成信號發(fā)生器；信號發(fā)生器按功率輸出，可以分為簡(jiǎn)易信號發(fā)生器、標準信號發(fā)生器、功率信號發(fā)生器；高端信號發(fā)生器有矢量信號源、基帶信號源，主要應用在航空、國防等尖端領(lǐng)域，價(jià)格也非常昂貴。
關(guān)于信號發(fā)生器分類(lèi)和作用的詳情介紹，請參考：
信號發(fā)生器的分類(lèi)與用途
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信號發(fā)生器的種類(lèi)和差數
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信號源的主要技術(shù)指標
信號源的主要技術(shù)指標傳統函數發(fā)生器的主要指標和新近研發(fā)的任意波形發(fā)生器的主要指標有一些不同，我們這里分開(kāi)介紹。
（一）普通函數發(fā)生器的主要指標：
帶寬（輸出頻率范圍）：儀器的帶寬是指模擬帶寬，與采樣速率等無(wú)關(guān)，信號源的帶寬是指信號的輸出頻率的范圍，并且一般來(lái)講信號源輸出的正弦波和方波的頻率范圍不一致。
頻率（定時(shí)）分辨率：頻率分辨率，即最小可調頻率分辨率，也就是創(chuàng )建波形時(shí)可以使用的最小時(shí)間增量。[page]
頻率準確度：信號源顯示的頻率值與真值之間的偏差，通常用相對誤差表示，低檔信號源的頻率準確度只有1%，而采用內部高穩定晶體振蕩器的頻率準確度可以達到108～1010。
頻率穩定度：頻率穩定度是指外界環(huán)境不變的情況下，在規定時(shí)間內，信號發(fā)生器輸出頻率相對于設置讀數的偏差值的大小。頻率穩定度一般分為長(cháng)期頻率穩定度（長(cháng)穩）和短期頻率穩定度（短穩）。其中，短期頻率穩定度是指經(jīng)過(guò)預熱后，15分鐘內，信號頻率所發(fā)生的最大變化；長(cháng)期頻率穩定度是指信號源經(jīng)過(guò)預熱時(shí)間后，信號頻率在任意三小時(shí)內所發(fā)生的最大變化。
輸出阻抗：信號源的輸出阻抗是指從輸出端看去，信號源的等效阻抗。例如，低頻信號發(fā)生器的輸出阻抗通常為600Ω，高頻信號發(fā)生器通常只有50Ω，電視信號發(fā)生器通常為75Ω。
輸出電平范圍：輸出幅度一般由電壓或者分貝表示，指輸出信號幅度的有效范圍。另外，信號發(fā)生器的輸出幅度讀數定義為輸出阻抗匹配的條件下，所以必須注意輸出阻抗匹配的問(wèn)題。
（二）任意波發(fā)生器的主要指標：
取樣（或采樣）速率：取樣速率通常用每秒兆樣點(diǎn)或者千兆樣點(diǎn)表示，表明了儀器可以運行的最大時(shí)鐘或取樣速率。取樣速率影響著(zhù)主要輸出信號的頻率和保真度。奈奎斯特取樣定理規定，取樣頻率或時(shí)鐘速率必須至少是生成的信號中最高頻譜成分的兩倍，以保證精確的復現。
存儲深度（記錄長(cháng)度）：存儲深度是指用來(lái)記錄波形的數據點(diǎn)數，它決定著(zhù)波形數據的最大樣點(diǎn)數量（相當于時(shí)間）。
每個(gè)波形樣點(diǎn)占用一個(gè)存儲器位置，每個(gè)位置等于當前時(shí)鐘頻率下取樣間隔時(shí)間。任意波形發(fā)生器的帶寬是由任意波發(fā)生器的取樣速率和存儲深度決定的。垂直（幅度）分辨率信號源的垂直分辨率是指信號源中可以編程的最小電壓增量，也就是儀器數模轉換器的二進(jìn)制字寬度，單位為位，它規定了波形的幅度精度。在混和信號源中，垂直分辨率與儀器DAC的二進(jìn)制字長(cháng)度有關(guān)，位越多，分辨率就越高。
信號源的主要功能
一臺功能較強的信號源，還有信號調制、頻率掃描、TTL同步輸出、參考時(shí)鐘輸出、Burst及頻率計信號調制功能。
信號調制：是指被調制信號中，幅度、相位或頻率變化把低頻信息嵌入到高頻的載波信號中，得到的信號可以傳送從語(yǔ)音、到數據、到視頻的任何信號。信號調制可分為模擬調制和數字調制兩種，其中模擬調制，如幅度調制（AM）和頻率調制（FM）最常用于廣播通信中，而數字調制基于兩種狀態(tài)，允許信號表示二進(jìn)制數據。
頻率掃描功能：測量電子設備的頻率特點(diǎn)要求“掃描”正弦波，其會(huì )在一段時(shí)間內改變頻率。一般分成線(xiàn)性（Lin）掃頻及對數（Log）掃頻；高級信號發(fā)生器支持掃頻功能，而且可以選擇開(kāi)始頻率、保持頻率、停止頻率和相關(guān)時(shí)間，有些信號發(fā)生器還提供與掃頻同步的觸發(fā)信號。
TTL同步輸出功能：一般信號源輸出的TTL同步信號是方波經(jīng)三極管電路轉成的，電平為0（Low）、3.6～5V（High）。主要用來(lái)同步其他信號源，或其他類(lèi)型的儀器，以保證觸發(fā)同步。
參考時(shí)鐘輸出功能：TTL同步輸出只能保證觸發(fā)同步，要想使信號源完全同步就要讓時(shí)鐘同步，參考時(shí)鐘輸出就是為了讓兩臺信號源的時(shí)鐘同步而設計的，一般參考時(shí)鐘輸出頻率較穩定的方波信號。
Burst功能：類(lèi)似OneShot功能，輸入一個(gè)TTL信號，則可讓信號源產(chǎn)生一個(gè)周期的信號輸出，設計方式是在沒(méi)有信號輸入時(shí)，輸出接地即可。
頻率計：除市場(chǎng)上簡(jiǎn)易的刻度盤(pán)顯示之外，無(wú)論是LED數碼管或LCD液晶顯示頻率，其與頻率計電路是重疊的。
信號發(fā)生器的使用與測量單位
普通標準信號發(fā)生器使用比較簡(jiǎn)單，首先是設置工作頻率，高頻信號發(fā)生器一般采用“MHz”作單位，工作頻率較低的信號發(fā)生器，如函數信號發(fā)生器，也有以“kHz”作單位的。其次是選擇調制方式或波形，就是選擇AM還是FM，或者選擇正弦波還是方波，再次按需設定調制頻率，最后設定信號輸出幅度。
信號發(fā)生器的信號輸出幅度有多種表示單位，有電壓?jiǎn)挝籚、mV、μV（也可以用dB表示為dBμV和dB mV），功率單位dBm。它們之間的換算可以通過(guò)查表或者計算求得?，F在很多中高檔信號發(fā)生器輸出幅度設定的單位是可以選擇的，方便用戶(hù)應用。一般大部分對講機說(shuō)明書(shū)中標稱(chēng)靈敏度的單位是μV（微伏），而很多信號發(fā)生器和綜合測試儀常用dBm作為測量單位。
業(yè)余電臺愛(ài)好者在使用信號發(fā)生器調測對講機時(shí)，切忌不要使對講機誤發(fā)射，有的信號發(fā)生器沒(méi)有反向功率輸入保護，或者反向輸入保護承受功率有限，極容易導致信號發(fā)生器內部衰減器損壞，導致信號輸出電平不準。保護信號發(fā)生器的土辦法是在信號源輸出口安裝20～30dB的衰減器，這樣可以將對講機誤發(fā)射時(shí)對信號發(fā)生器造成的影響降到最小，適合在非精密測量要求下使用。安裝衰減器后，只要將信號發(fā)生器輸出信號幅度讀數減去衰減器衰減量即可，多了一個(gè)簡(jiǎn)單的數學(xué)運算而已。
關(guān)于信號發(fā)生器使用的詳情介紹，請參考：
信號發(fā)生器使用攻略
http://www.zzmyjiv.cn/art/artinfo/id/80011184
函數信號發(fā)生器使用方法
http://www.zzmyjiv.cn/art/artinfo/id/80011187
如何為應用選擇合適的信號源
http://www.zzmyjiv.cn/art/artinfo/id/80011201
在使用信號發(fā)生器進(jìn)行信號仿真實(shí)驗時(shí)，往往會(huì )碰到一些問(wèn)題，下面搜羅工程師在信號發(fā)生器實(shí)戰過(guò)程中最常提出的問(wèn)題進(jìn)行解答。[page]
信號發(fā)生器實(shí)戰問(wèn)題解答
1函數信號發(fā)生器能否用主信號端產(chǎn)生TTL信號（不是用TTL輸出端）？
答：可以。
1）將主信號端的波形設置為“方波”；
2）將輸出信號的幅度低電平設置為0V，高電平設置為3.3V（如果你要5VTTL就設置為5V)；
這樣輸出就是TTL信號了，不過(guò)以上方法只能輸出簡(jiǎn)單的時(shí)鐘，或通過(guò)任意波的方式輸出某種碼型的周期數字信號。
2把電壓表接入信號發(fā)生器兩端，當改變頻率時(shí)，為什么電壓表的示數會(huì )改變？
答：很可能是因為電壓表對交流頻率響應不同造成的。一般的萬(wàn)用表或者電壓表只能測量相對較低頻率的電壓信號，即使是數字萬(wàn)用表，能準確測量的交流頻率也僅有幾百KHz，所以當電路頻率改變，由于電壓表這樣的特性，造成了示數改變，如果要測量交流信號的頻率，應該使用毫伏表。
3如何用信號發(fā)生器產(chǎn)生直流信號？
答：信號發(fā)生器都可以產(chǎn)生直流信號，有的在UTILITY里面設置，有的在任意波里面設置，具體對應儀器型號。若真的沒(méi)有直流這個(gè)功能的，可以使用如下方法：輸出一個(gè)正弦信號，頻率20K，幅度選到最小，直流偏置就設置為所要的直流電壓值，這樣輸出的也基本可以看作一個(gè)直流信號。
4使用函數信號發(fā)生器及直流穩壓電源時(shí)應注意什么?
答：使用函數信號發(fā)生器時(shí)要注意輸出的信號要由小到大，緩慢調節。每次變換頻率及波形時(shí)，要把輸出信號關(guān)到最小處。 使用直流穩壓電源時(shí)應注意輸出的電壓及電流是否帶起負載并有一定的余量，接線(xiàn)時(shí)注意正負極性不要短路
5需要一個(gè)峰-峰值100mv左右的正弦信號，用信號發(fā)生器輸出的正弦波（波形很好），峰-峰值是1.2V用電阻分壓后產(chǎn)生100mv的電壓，為什么兩個(gè)電阻分壓后波形會(huì )有畸變？
答：原因可能由如下幾方面產(chǎn)生：測量問(wèn)題、信號發(fā)生器問(wèn)題、阻抗匹配問(wèn)題。其中，測量問(wèn)題：示波器表筆阻抗是50歐姆還是10k歐姆。信號發(fā)生器問(wèn)題：帶負載能力。阻抗匹配問(wèn)題：高頻段傳輸信號相當于水流模型，水龍頭，水管，容器入口的粗細大小，分別對應源，傳輸線(xiàn)，負載的電阻大小和在高頻時(shí)的電容和電感大小，這里稱(chēng)為阻抗。只有它們一致時(shí)才能很好傳輸，否則入射波和反射波疊加。波形會(huì )變差。
解決方案：改變阻抗。串接一個(gè)小電阻，或電感；或者信號放大后再分配；或用專(zhuān)門(mén)的功率分配器件。
6信號發(fā)生器接入負載后幅值為什么會(huì )變化？
答：因為信號發(fā)生器使用的是負反饋，接入負載后，負反饋增加，使輸入減小，所以幅值會(huì )減小。
7想讓信號發(fā)生器觸發(fā)一個(gè)超聲波脈沖，在超聲波接收端收到信號后，再回傳給信號發(fā)生器一個(gè)脈沖，信號發(fā)生器收到后，再發(fā)出一個(gè)脈沖觸發(fā)超聲波……以此循環(huán)，直到100次后，計算總時(shí)間，這個(gè)跟示波器連起來(lái)測時(shí)間，可行嗎？
答：可以做到，使用信號源的外觸發(fā)功能，BURST調制單個(gè)脈沖信號，這樣給一個(gè)啟動(dòng)信號以后，信號源發(fā)出一個(gè)單脈沖信號給電路，電路反饋一個(gè)信號給信號源的外觸發(fā)接口，信號源觸發(fā)后再發(fā)出一個(gè)，如此循環(huán)，但是不能智能結束，過(guò)程可以使用示波器。但是需要做一個(gè)聲電轉換器。
