信號(hào)發(fā)生器基礎(chǔ)知識(shí) 使用攻略和實(shí)戰(zhàn)問答

信號(hào)發(fā)生器用來產(chǎn)生振蕩信號(hào)，且信號(hào)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(hào)，對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)和電路實(shí)驗(yàn)具有重要作用。信號(hào)發(fā)生器廣泛應(yīng)用在電子研發(fā)、維修、測(cè)量、校準(zhǔn)等領(lǐng)域，是電子工程師信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具。本講從信號(hào)發(fā)生器的原理、分類與用途等基本知識(shí)入手，詳細(xì)介紹信號(hào)發(fā)生器的使用與測(cè)量單位，并搜羅廣大工程師對(duì)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)戰(zhàn)疑難問題解答，以幫助工程師深層次的了解信號(hào)發(fā)生器，更好的發(fā)揮其作用，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行全面、真實(shí)的測(cè)試，保證研發(fā)和測(cè)試過程的順利。

信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)在電路中常常用來代替前端電路的實(shí)際信號(hào)，為后端電路提供一個(gè)理想信號(hào)。在電路測(cè)試中，我們可以通過測(cè)量、對(duì)比輸入和輸出信號(hào)，來判斷信號(hào)處理電路的功能和特性是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。高精度的信號(hào)發(fā)生器在計(jì)量和校準(zhǔn)領(lǐng)域也可以作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，與早期的簡(jiǎn)易信號(hào)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(hào)發(fā)生器的基本原理

信號(hào)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(jí)產(chǎn)生低頻正弦振蕩信號(hào)，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(hào)發(fā)生器都采用模擬電路，現(xiàn)代信號(hào)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(hào)發(fā)生器的一大特性就是可以操控儀器輸出信號(hào)的幅度，信號(hào)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?，F(xiàn)代中高檔信號(hào)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(hào)發(fā)生器的分類和作用

信號(hào)發(fā)生器按照產(chǎn)生信號(hào)類型可以分為正弦信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器、隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器、專用信號(hào)發(fā)生器。正弦信號(hào)發(fā)生器提供最基本的正弦波信號(hào)，可以作為參考頻率和參考幅度信號(hào)，用于增益和靈敏度的測(cè)量以及儀器的校準(zhǔn)。常見的高頻信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器都屬于此類。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生各種函數(shù)波形信號(hào)，典型的有方波、正弦波、三角波、鋸齒波、脈沖等。函數(shù)信號(hào)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(hào)發(fā)生器用途非常廣泛，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)維修、IC芯片測(cè)試中都能見到它的身影。脈沖信號(hào)發(fā)生器和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器多用于專業(yè)場(chǎng)合。專用信號(hào)發(fā)生器是產(chǎn)生特定制式信號(hào)的專用儀器，如常見的電視信號(hào)發(fā)生器、立體聲信號(hào)發(fā)生器等。

信號(hào)發(fā)生器按傳統(tǒng)工作頻段分類，有超低頻信號(hào)發(fā)生器、低頻信號(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)發(fā)生器、微波信號(hào)發(fā)生器。超低頻信號(hào)發(fā)生器一般用于專業(yè)上的特殊用途;低頻信號(hào)發(fā)生器多用于音頻領(lǐng)域;高頻信號(hào)發(fā)生器多用于通信和測(cè)量領(lǐng)域;微波信號(hào)發(fā)生器多用于雷達(dá)領(lǐng)域。

信號(hào)發(fā)生器按頻率產(chǎn)生機(jī)制，分有LC振蕩器信號(hào)發(fā)生器、壓控振蕩信號(hào)發(fā)生器、頻率合成信號(hào)發(fā)生器;信號(hào)發(fā)生器按功率輸出，可以分為簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、功率信號(hào)發(fā)生器;高端信號(hào)發(fā)生器有矢量信號(hào)源、基帶信號(hào)源，主要應(yīng)用在航空、國(guó)防等尖端領(lǐng)域，價(jià)格也非常昂貴。

信號(hào)源的主要技術(shù)指標(biāo)

信號(hào)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(hào)源的帶寬是指信號(hào)的輸出頻率的范圍，并且一般來講信號(hào)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(diào)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。

頻率準(zhǔn)確度：信號(hào)源顯示的頻率值與真值之間的偏差，通常用相對(duì)誤差表示，低檔信號(hào)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(shí)間內(nèi)，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率相對(duì)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(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度(長(zhǎng)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(hào)頻率所發(fā)生的最大變化;長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度是指信號(hào)源經(jīng)過預(yù)熱時(shí)間后，信號(hào)頻率在任意三小時(shí)內(nèi)所發(fā)生的最大變化。

輸出阻抗：信號(hào)源的輸出阻抗是指從輸出端看去，信號(hào)源的等效阻抗。例如，低頻信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗通常為600Ω，高頻信號(hào)發(fā)生器通常只有50Ω，電視信號(hào)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(hào)幅度的有效范圍。另外，信號(hào)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(diǎn)或者千兆樣點(diǎn)表示，表明了儀器可以運(yùn)行的最大時(shí)鐘或取樣速率。取樣速率影響著主要輸出信號(hào)的頻率和保真度。奈奎斯特取樣定理規(guī)定，取樣頻率或時(shí)鐘速率必須至少是生成的信號(hào)中最高頻譜成分的兩倍，以保證精確的復(fù)現(xiàn)。

存儲(chǔ)深度(記錄長(zhǎng)度)：存儲(chǔ)深度是指用來記錄波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，它決定著波形數(shù)據(jù)的最大樣點(diǎn)數(shù)量(相當(dāng)于時(shí)間)。

每個(gè)波形樣點(diǎn)占用一個(gè)存儲(chǔ)器位置，每個(gè)位置等于當(dāng)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(chǔ)深度決定的。垂直(幅度)分辨率信號(hào)源的垂直分辨率是指信號(hào)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(hào)源中，垂直分辨率與儀器DAC的二進(jìn)制字長(zhǎng)度有關(guān)，位越多，分辨率就越高。

信號(hào)源的主要功能

一臺(tái)功能較強(qiáng)的信號(hào)源，還有信號(hào)調(diào)制、頻率掃描、TTL同步輸出、參考時(shí)鐘輸出、Burst及頻率計(jì)信號(hào)調(diào)制功能。

信號(hào)調(diào)制：是指被調(diào)制信號(hào)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(hào)中，得到的信號(hào)可以傳送從語音、到數(shù)據(jù)、到視頻的任何信號(hào)。信號(hào)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(hào)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)。