- 信號發(fā)生器的基本原理
- 信號發(fā)生器的分類和作用
- 信號源的主要技術(shù)指標(biāo)
- 信號發(fā)生器的使用與測量單位
- 信號發(fā)生器實戰(zhàn)問題解答
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信號發(fā)生器用來產(chǎn)生振蕩信號，且信號的特征參數(shù)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)和電路實驗具有重要作用。信號發(fā)生器廣泛應(yīng)用在電子研發(fā)、維修、測量、校準(zhǔn)等領(lǐng)域，是電子工程師信號仿真實驗的最佳工具。本講從信號發(fā)生器的原理、分類與用途等基本知識入手，詳細(xì)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)生器的實戰(zhàn)疑難問題解答，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(shè)計進(jìn)行全面、真實的測試，保證研發(fā)和測試過程的順利。
信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號在電路中常常用來代替前端電路的實際信號，為后端電路提供一個理想信號。在電路測試中，我們可以通過測量、對比輸入和輸出信號，來判斷信號處理電路的功能和特性是否達(dá)到設(shè)計要求。高精度的信號發(fā)生器在計量和校準(zhǔn)領(lǐng)域也可以作為標(biāo)準(zhǔn)信號源（參考源），待校準(zhǔn)儀器以參考源為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)校。
現(xiàn)代信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，與早期的簡易信號發(fā)生器天差地別，但總體基本結(jié)構(gòu)功能單元還是類似的。
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(diào)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(dá)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(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。
早期的信號發(fā)生器都采用模擬電路，現(xiàn)代信號發(fā)生器越來越多地使用數(shù)字電路或單片機(jī)控制，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)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，信號通過特定組合衰減量的衰減器達(dá)到預(yù)定的輸出幅度。早期的衰減器是機(jī)械式的，通過刻度來讀取衰減量或輸出幅度。現(xiàn)代中高檔信號發(fā)生器的衰減器單元由單片機(jī)控制繼電器來切換，向電子芯片化過渡，衰減單元的衰減步進(jìn)量不斷縮小，精度相應(yīng)提高。
信號發(fā)生器的分類和作用
信號發(fā)生器按照產(chǎn)生信號類型可以分為正弦信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、隨機(jī)信號發(fā)生器、專用信號發(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(zhǔn)。常見的高頻信號發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器都屬于此類。函數(shù)信號發(fā)生器可以產(chǎn)生各種函數(shù)波形信號，典型的有方波、正弦波、三角波、鋸齒波、脈沖等。函數(shù)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(shù)信號發(fā)生器用途非常廣泛，科學(xué)實驗、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)維修、IC芯片測試中都能見到它的身影。脈沖信號發(fā)生器和隨機(jī)信號發(fā)生器多用于專業(yè)場合。專用信號發(fā)生器是產(chǎn)生特定制式信號的專用儀器，如常見的電視信號發(fā)生器、立體聲信號發(fā)生器等。
信號發(fā)生器按傳統(tǒng)工作頻段分類，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(dá)領(lǐng)域。
信號發(fā)生器按頻率產(chǎn)生機(jī)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，可以分為簡易信號發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用在航空、國防等尖端領(lǐng)域，價格也非常昂貴。
關(guān)于信號發(fā)生器分類和作用的詳情介紹，請參考：
信號發(fā)生器的分類與用途
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信號發(fā)生器的種類和差數(shù)
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信號源的主要技術(shù)指標(biāo)
信號源的主要技術(shù)指標(biāo)傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器的主要指標(biāo)和新近研發(fā)的任意波形發(fā)生器的主要指標(biāo)有一些不同，我們這里分開介紹。
（一）普通函數(shù)發(fā)生器的主要指標(biāo)：
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）分辨率：頻率分辨率，即最小可調(diào)頻率分辨率，也就是創(chuàng)建波形時可以使用的最小時間增量。[page]
頻率準(zhǔn)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(zhǔn)確度只有1%，而采用內(nèi)部高穩(wěn)定晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度可以達(dá)到108～1010。
頻率穩(wěn)定度：頻率穩(wěn)定度是指外界環(huán)境不變的情況下，在規(guī)定時間內(nèi)，信號發(fā)生器輸出頻率相對于設(shè)置讀數(shù)的偏差值的大小。頻率穩(wěn)定度一般分為長期頻率穩(wěn)定度（長穩(wěn)）和短期頻率穩(wěn)定度（短穩(wěn)）。其中，短期頻率穩(wěn)定度是指經(jīng)過預(yù)熱后，15分鐘內(nèi)，信號頻率所發(fā)生的最大變化；長期頻率穩(wěn)定度是指信號源經(jīng)過預(yù)熱時間后，信號頻率在任意三小時內(nèi)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(shù)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題。
（二）任意波發(fā)生器的主要指標(biāo)：
取樣（或采樣）速率：取樣速率通常用每秒兆樣點或者千兆樣點表示，表明了儀器可以運行的最大時鐘或取樣速率。取樣速率影響著主要輸出信號的頻率和保真度。奈奎斯特取樣定理規(guī)定，取樣頻率或時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(fù)現(xiàn)。
存儲深度（記錄長度）：存儲深度是指用來記錄波形的數(shù)據(jù)點數(shù)，它決定著波形數(shù)據(jù)的最大樣點數(shù)量（相當(dāng)于時間）。
每個波形樣點占用一個存儲器位置，每個位置等于當(dāng)前時鐘頻率下取樣間隔時間。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(shù)模轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制字寬度，單位為位，它規(guī)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(qiáng)的信號源，還有信號調(diào)制、頻率掃描、TTL同步輸出、參考時鐘輸出、Burst及頻率計信號調(diào)制功能。
信號調(diào)制：是指被調(diào)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音、到數(shù)據(jù)、到視頻的任何信號。信號調(diào)制可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種，其中模擬調(diào)制，如幅度調(diào)制（AM）和頻率調(diào)制（FM）最常用于廣播通信中，而數(shù)字調(diào)制基于兩種狀態(tài)，允許信號表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
頻率掃描功能：測量電子設(shè)備的頻率特點要求“掃描”正弦波，其會在一段時間內(nèi)改變頻率。一般分成線性（Lin）掃頻及對數(shù)（Log）掃頻；高級信號發(fā)生器支持掃頻功能，而且可以選擇開始頻率、保持頻率、停止頻率和相關(guān)時間，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(zhuǎn)成的，電平為0（Low）、3.6～5V（High）。主要用來同步其他信號源，或其他類型的儀器，以保證觸發(fā)同步。
參考時鐘輸出功能：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鐘同步，參考時鐘輸出就是為了讓兩臺信號源的時鐘同步而設(shè)計的，一般參考時鐘輸出頻率較穩(wěn)定的方波信號。
Burst功能：類似OneShot功能，輸入一個TTL信號，則可讓信號源產(chǎn)生一個周期的信號輸出，設(shè)計方式是在沒有信號輸入時，輸出接地即可。
頻率計：除市場上簡易的刻度盤顯示之外，無論是LED數(shù)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(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器使用比較簡單，首先是設(shè)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(shù)信號發(fā)生器，也有以“kHz”作單位的。其次是選擇調(diào)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(shè)定調(diào)制頻率，最后設(shè)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，有電壓單位V、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查表或者計算求得。現(xiàn)在很多中高檔信號發(fā)生器輸出幅度設(shè)定的單位是可以選擇的，方便用戶應(yīng)用。一般大部分對講機(jī)說明書中標(biāo)稱靈敏度的單位是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)余電臺愛好者在使用信號發(fā)生器調(diào)測對講機(jī)時，切忌不要使對講機(jī)誤發(fā)射，有的信號發(fā)生器沒有反向功率輸入保護(hù)，或者反向輸入保護(hù)承受功率有限，極容易導(dǎo)致信號發(fā)生器內(nèi)部衰減器損壞，導(dǎo)致信號輸出電平不準(zhǔn)。保護(hù)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(jī)誤發(fā)射時對信號發(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(shù)減去衰減器衰減量即可，多了一個簡單的數(shù)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
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函數(shù)信號發(fā)生器使用方法
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如何為應(yīng)用選擇合適的信號源
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在使用信號發(fā)生器進(jìn)行信號仿真實驗時，往往會碰到一些問題，下面搜羅工程師在信號發(fā)生器實戰(zhàn)過程中最常提出的問題進(jìn)行解答。[page]
信號發(fā)生器實戰(zhàn)問題解答
1函數(shù)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(shè)置為“方波”；
2）將輸出信號的幅度低電平設(shè)置為0V，高電平設(shè)置為3.3V（如果你要5VTTL就設(shè)置為5V)；
這樣輸出就是TTL信號了，不過以上方法只能輸出簡單的時鐘，或通過任意波的方式輸出某種碼型的周期數(shù)字信號。
2把電壓表接入信號發(fā)生器兩端，當(dāng)改變頻率時，為什么電壓表的示數(shù)會改變？
答：很可能是因為電壓表對交流頻率響應(yīng)不同造成的。一般的萬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(shù)字萬用表，能準(zhǔn)確測量的交流頻率也僅有幾百KHz，所以當(dāng)電路頻率改變，由于電壓表這樣的特性，造成了示數(shù)改變，如果要測量交流信號的頻率，應(yīng)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(shè)置，有的在任意波里面設(shè)置，具體對應(yīng)儀器型號。若真的沒有直流這個功能的，可以使用如下方法：輸出一個正弦信號，頻率20K，幅度選到最小，直流偏置就設(shè)置為所要的直流電壓值，這樣輸出的也基本可以看作一個直流信號。
4使用函數(shù)信號發(fā)生器及直流穩(wěn)壓電源時應(yīng)注意什么?
答：使用函數(shù)信號發(fā)生器時要注意輸出的信號要由小到大，緩慢調(diào)節(jié)。每次變換頻率及波形時，要把輸出信號關(guān)到最小處。 使用直流穩(wěn)壓電源時應(yīng)注意輸出的電壓及電流是否帶起負(fù)載并有一定的余量，接線時注意正負(fù)極性不要短路
5需要一個峰-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，為什么兩個電阻分壓后波形會有畸變？
答：原因可能由如下幾方面產(chǎn)生：測量問題、信號發(fā)生器問題、阻抗匹配問題。其中，測量問題：示波器表筆阻抗是50歐姆還是10k歐姆。信號發(fā)生器問題：帶負(fù)載能力。阻抗匹配問題：高頻段傳輸信號相當(dāng)于水流模型，水龍頭，水管，容器入口的粗細(xì)大小，分別對應(yīng)源，傳輸線，負(fù)載的電阻大小和在高頻時的電容和電感大小，這里稱為阻抗。只有它們一致時才能很好傳輸，否則入射波和反射波疊加。波形會變差。
解決方案：改變阻抗。串接一個小電阻，或電感；或者信號放大后再分配；或用專門的功率分配器件。
6信號發(fā)生器接入負(fù)載后幅值為什么會變化？
答：因為信號發(fā)生器使用的是負(fù)反饋，接入負(fù)載后，負(fù)反饋增加，使輸入減小，所以幅值會減小。
7想讓信號發(fā)生器觸發(fā)一個超聲波脈沖，在超聲波接收端收到信號后，再回傳給信號發(fā)生器一個脈沖，信號發(fā)生器收到后，再發(fā)出一個脈沖觸發(fā)超聲波……以此循環(huán)，直到100次后，計算總時間，這個跟示波器連起來測時間，可行嗎？
答：可以做到，使用信號源的外觸發(fā)功能，BURST調(diào)制單個脈沖信號，這樣給一個啟動信號以后，信號源發(fā)出一個單脈沖信號給電路，電路反饋一個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，如此循環(huán)，但是不能智能結(jié)束，過程可以使用示波器。但是需要做一個聲電轉(zhuǎn)換器。
