信號發(fā)生器使用

一、信號發(fā)生器

信號發(fā)生器是指產生所需參數(shù)的電測試信號的儀器。按信號波形可分為正弦信號、函數(shù)（波形）信號、脈沖信號和隨機信號發(fā)生器等四大類。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。能夠產生多種波形的信號發(fā)生器，如產生三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的信號發(fā)生器稱為函數(shù)信號發(fā)生器

信號發(fā)生器也稱信號源，是用來產生振蕩信號的一種儀器，為使用者提供需要的穩(wěn)定、可信的參考信號，并且信號的特征參數(shù)完全可控。所謂可控信號特征，主要是指輸出信號的頻率、幅度、波形、占空比、調制形式等參數(shù)都可以人為地控制設定。隨著科技的發(fā)展，實際應用到的信號形式越來越多，越來越復雜，頻率也越來越高，所以信號發(fā)生器的種類也越來越多，同時信號發(fā)生器的電路結構形式也不斷向著智能化、軟件化、可編程化發(fā)展。信號發(fā)生信號發(fā)生器也稱信號源，是用來產生振蕩信號的一種儀器，為使用者提供需要的穩(wěn)定、可信的參考信號，并且信號的特征參數(shù)完全可控。所謂可控信號特征，主要是指輸出信號的頻率、幅度、波形、占空比、調制形式等參數(shù)都可以人為地控制設定。隨著科技的發(fā)展，實際應用到的信號形式越來越多，越來越復雜，頻率也越來越高，所以信號發(fā)生器的種類也越來越多，同時信號發(fā)生器的電路結構形式也不斷向著智能化、軟件化、可編程化發(fā)展。

二、信號發(fā)生器的分類

信號發(fā)生器所產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。由于信號源信號的特征參數(shù)均可人為設定，所以可以方便地模擬各種情況下不同特性的信號，對于產品研發(fā)和電路實驗特別有用。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到設計要求。例如，用信號發(fā)生器產生一個頻率為1kHz的正弦波信號,輸入到一個被測的信號處理電路（功能為正弦波輸入、方波輸出），在被測電路輸出端可以用示波器檢驗是否有符合設計要求的方波輸出。高精度的信號發(fā)生器在計量和校準領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行調校。由此可看出，信號發(fā)生器可廣泛應用在電子研發(fā)、維修、測量、校準等領域。

正弦信號發(fā)生器：正弦信號主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和微波信號發(fā)生器;按輸出電平可調節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器(即信號源)、標準信號發(fā)生器(輸出功率能準確地衰減到-100分貝毫瓦以下)和功率信號發(fā)生器(輸出功率達數(shù)十毫瓦以上);按頻率改變的方式分為調諧式信號發(fā)生器、掃頻式信號發(fā)生器、程控式信號發(fā)生器和頻率合成式信號發(fā)生器等。

用555制作的多波形信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器：包括音頻(200～20000赫)和視頻(1赫～10兆赫)范圍的正弦波發(fā)生器。主振級一般用RC式振蕩器，也可用差頻振蕩器。為便于測試系統(tǒng)的頻率特性，要求輸出幅頻特性平和波形失真小。

高頻信號發(fā)生器：頻率為100千赫～30兆赫的高頻、30～300兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。一般采用LC調諧式振蕩器，頻率可由調諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測量各種接收機的技術指標。輸出信號可用內部或外加的低頻正弦信號調幅或調頻，使輸出載頻電壓能夠衰減到1微伏以下。(圖1)的輸出信號電平能準確讀數(shù)，所加的調幅度或頻偏也能用電表讀出。此外，儀器還有防止信號泄漏的良好屏蔽。

微波信號發(fā)生器：從分米波直到毫米波波段的信號發(fā)生器。信號通常由帶分布參數(shù)諧振腔的超高頻三極管和反射速調管產生，但有逐漸被微波晶體管、場效應管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機械調諧腔體來改變頻率，每臺可覆蓋一個倍頻程左右，由腔體耦合出的信號功率一般可達10毫瓦以上。簡易信號源只要求能加1000赫方波調幅，而標準信號發(fā)生器則能將輸出基準電平調節(jié)到1毫瓦，再從后隨衰減器讀出信號電平的分貝毫瓦值;還必須有內部或外加矩形脈沖調幅，以便測試雷達等接收機。

掃頻和程控信號發(fā)生器：掃頻信號發(fā)生器能夠產生幅度恒定、頻率在限定范圍內作線性變化的信號。在高頻和甚高頻段用低頻掃描電壓或電流控制振蕩回路元件(如變容管或磁芯線圈)來實現(xiàn)掃頻振蕩;在微波段早期采用電壓調諧掃頻，用改變返波管螺旋線電極的直流電壓來改變振蕩頻率，后來廣泛采用磁調諧掃頻，以YIG鐵氧體小球作微波固體振蕩器的調諧回路，用掃描電流控制直流磁場改變小球的諧振頻率。掃頻信號發(fā)生器有自動掃頻、手控、程控和遠控等工作方式。

標準信號發(fā)生器頻率合成式信號發(fā)生器：這種發(fā)生器的信號不是由振蕩器直接產生，而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標準頻率源，利用頻率合成技術形成所需之任意頻率的信號，具有與標準頻率源相同的頻率準確度和穩(wěn)定度。輸出信號頻率通常可按十進位數(shù)字選擇，*高能達11位數(shù)字的極高分辨力。頻率除用手動選擇外還可程控和遠控，也可進行步級式掃頻，適用于自動測試系統(tǒng)。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，變換頻率迅速但電路復雜，*高輸出頻率只能達1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標準頻率源通過鎖相環(huán)控制電調諧振蕩器(在環(huán)路中同時能實現(xiàn)倍頻、分頻和混頻)，使之產生并輸出各種所需頻率的信號。這種合成器的*高頻率可達26.5吉赫。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器，配上多種調制功能(調幅、調頻和調相)，加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路，便構成一種**的高性能、可程控的合成式信號發(fā)生器，還可作為鎖相式掃頻發(fā)生器。

函數(shù)發(fā)生器：又稱波形發(fā)生器。它能產生某些特定的周期性時間函數(shù)波形(主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等)信號。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領域。圖2為產生上述波形的方法之一，將積分電路與某種帶有回滯特性的閾值開關電路(如施米特觸發(fā)器)相連成環(huán)路，積分器能將方波積分成三角波。施米特電路又能使三角波上升到某一閾值或下降到另一閾值時發(fā)生躍變而形成方波，頻率除能隨積分器中的RC值的變化而改變外，還能用外加電壓控制兩個閾值而改變。將三角波另行加到由很多不同偏置二極管組成的整形網(wǎng)絡，形成許多不同斜度的折線段，便可形成正弦波。另一種構成方式是用頻率合成器產生正弦波，再對它多次放大、削波而形成方波，再將方波積分成三角波和正、負斜率的鋸齒波等。對這些函數(shù)發(fā)生器的頻率都可電控、程控、鎖定和掃頻，儀器除工作于連續(xù)波狀態(tài)外，還能按鍵控、門控或觸發(fā)等方式工作。

脈沖信號發(fā)生器：產生寬度、幅度和重復頻率可調的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，或用模擬信號來測試雷達、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。脈沖發(fā)生器主要由主控振蕩器、延時級、脈沖形成級、輸出級和衰減器等組成。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路，除能自激振蕩外，主要按觸發(fā)方式工作。通常在外加觸發(fā)信號之后首先輸出一個前置觸發(fā)脈沖，以便提前觸發(fā)示波器等觀測儀器，然后再經過一段可調節(jié)的延遲時間才輸出主信號脈沖，其寬度可以調節(jié)。有的能輸出成對的主脈沖，有的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。

隨機信號發(fā)生器：隨機信號發(fā)生器分為噪聲信號發(fā)生器和偽隨機信號發(fā)生器兩類。

噪聲信號發(fā)生器：完全隨機性信號是在工作頻帶內具有均勻頻譜的白噪聲。常用的白噪聲發(fā)生器主要有：工作于1000兆赫以下同軸線系統(tǒng)的飽和二極管式白噪聲發(fā)生器;用于微波波導系統(tǒng)的氣體放電管式白噪聲發(fā)生器;利用晶體二極管反向電流中噪聲的固態(tài)噪聲源(可工作在18吉赫以下整個頻段內)等。噪聲發(fā)生器輸出的強度必須已知，通常用其輸出噪聲功率超過電阻熱噪聲的分貝數(shù)(稱為超噪比)或用其噪聲溫度來表示。噪聲信號發(fā)生器主要用途是：①在待測系統(tǒng)中引入一個隨機信號，以模擬實際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能;②外加一個已知噪聲信號與系統(tǒng)內部噪聲相比較以測定噪聲系數(shù);③用隨機信號代替正弦或脈沖信號，以測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。例如，用白噪聲作為輸入信號而測出網(wǎng)絡的輸出信號與輸入信號的互相關函數(shù)，便可得到這一網(wǎng)絡的沖激響應函數(shù)。

偽隨機信號發(fā)生器：用白噪聲信號進行相關函數(shù)測量時，若平均測量時間不夠長，則會出現(xiàn)統(tǒng)計性誤差，這可用偽隨機信號來解決。當二進制編碼信號的脈沖寬度墹T足夠小，且一個碼周期所含墹T數(shù)N很大時，則在低于fb=1/墹T的頻帶內信號頻譜的幅度均勻，稱為偽隨機信號。只要所取的測量時間等于這種編碼信號周期的整數(shù)倍，便不會引入統(tǒng)計性誤差。二進碼信號還能提供相關測量中所需的時間延遲。偽隨機編碼信號發(fā)生器由帶有反饋環(huán)路的n級移位寄存器組成，所產生的碼長為N=2-1。

三、信號發(fā)生器主要技術性能

頻率范圍：0.2Hz ~2MHz

粗調、微調旋鈕

正弦波, 三角波, 方波, TTL 脈波

0.5" 大型 LED 顯示器

可調 DC offset 電位

輸出過載保護

信號發(fā)生器/信號源的技術指標:

信號發(fā)生器是為進行電子測量提供滿足一定技術要求電信號的儀器設備。這種儀器是多用途測量儀器,它除了能夠輸出正弦波、矩形波尖脈沖、TTL電平、單次脈沖等五種波形，還可以作頻率計使用，測量外輸入信號的頻率

1．信號發(fā)生器面板：

（1）電源開關；

（2）信號輸出端子；

（3）輸出信號波形選擇；

（4）輸出信號幅度調節(jié)；

 （5）矩形波、尖脈沖波幅度調節(jié)；

（6）矩形脈沖寬度調節(jié)；

（7）輸出信號衰減選擇；

（8）輸出信號頻段選擇；

（9）輸出信號頻率粗調；

（10）輸出信號頻率細調；

（11）單次脈沖；

（12）信號輸入端子；

（13）顯示窗口；

（14）頻率計內測、外測功能）；

（15）測量頻率；

（16）測量周期；

（17）計數(shù)；

（18）復位；

（19）頻率或周期單位指示；

（20）測量功能指示。

2.信號源部分

（1）頻率范圍：1Hz —1MHz，由頻段選擇和頻率粗調細調配合調節(jié)；

（2） 頻率漂移：1檔≤0.4%； 2、3、4、5檔≤0.1%；6檔≤0.2%；

（3）正弦波：頻率特性≤1dB （第6檔≤1.5db），輸出幅度≥5V，波形的非線性失真：20HZ—20KHZ≤0.1%；

（4）正、負矩形脈沖波：占空比調節(jié)范圍30%—70%，脈沖前、后沿≤40ns；

波形失真：在額定輸出幅度時，前、后過沖及頂部傾斜均小于5%；

輸出幅度：高阻輸出 ≥10VPP，50Ω輸出 ≥5VPP；

（5）正、負尖脈沖：脈沖寬度0.1μｓ，輸出幅度≥5VPP。

3．頻率計部分：

（1）功能：頻率、周期、計數(shù)；

（2）輸入波形種類：正弦波、對稱脈沖波、正脈沖；

（3）輸入幅度：1V≤脈沖正峰值≤5V， 1.2V≤正弦波≤5V；

（4）輸入阻抗：≥1MΩ；

（5）測量范圍：1HZ—20MHZ（精度：5×10-4±1個字）；

（6）計數(shù)：計數(shù)速率：波形周期≥1uS, 計數(shù)范圍：1—983040。

四、基本操作

（1）將電源線接入220V，50HZ交流電源上。應注意三芯電源插座的地線腳應與大地妥善接好，避免干擾。

（2）開機前應把面板上各輸出旋扭旋至*小。

（3）為了得到足夠的頻率穩(wěn)定度，需預熱。

（4）頻率調節(jié)：按下相應的按鍵，然后再調節(jié)至所需要的頻率。

（5）波形轉換：根據(jù)需要波形種類，按下相應的波形鍵位。波形選擇鍵是：正弦波、矩形波、尖脈沖、TTL電平。

（6）幅度調節(jié)：正弦波與脈沖波幅度分別由正弦波幅度和脈沖波幅度調節(jié)。不要作人為的頻繁短路實驗。

（7）輸出選擇：根據(jù)需要選擇， “ON/OFF”鍵，否則沒有輸出。

五、信號發(fā)生器應用

（1）用信號發(fā)生器信號

波形選擇，選擇“～”鍵，輸出信號即為正弦波信號。

頻率選擇，選擇“KHz”鍵，輸出信號頻率以KHz為單位。

必須說明的是：信號發(fā)生器的測頻電路的調節(jié)，按鍵和旋鈕要求緩慢調節(jié)；信號發(fā)生器本身能顯示輸出信號的值，當輸出電壓不符合要求時，需要另配交流毫表測量輸出電壓，選擇不同的衰減再配合調節(jié)輸出正弦信號的幅度，直到輸出電壓達到要求。

若要觀察輸出信號波形，可把信號輸入示波器。需要輸出其它信號，可參考上述步驟操作。

（2）用信號發(fā)生器測量電子電路的靈敏度

信號發(fā)生器發(fā)出與電子電路相同模式的信號，然后逐漸減小輸出信號的幅度（強度），同時通過監(jiān)測輸出的水平。當電子電路輸出有效信號與噪聲的比例劣化到一定程度時(一般靈敏度測試信噪比標準S/N=12dB)，信號發(fā)生器輸出的電平數(shù)值就等于所測電子電路的靈敏度。在此測試中，信號發(fā)生器模擬了信號，而且模擬的信號強度是可以人為控制調節(jié)的。

用信號發(fā)生器測量電子電路的靈敏度，其標準的連接方法是：信號發(fā)生器信號輸出通過電纜接到對電子電路輸入端，電子電路輸出端連接示波器輸入端。

（3）用信號發(fā)生器測量電子電路的通道故障

信號發(fā)生器可以用來查找通道故障。其基本原理是：由前級往后級，逐一測量接收通路中每**放大和濾波器，找出哪**放大電路沒有達到設計應有的放大量或者哪**濾波電路衰減過大。信號發(fā)生器在此扮演的是標準信號源的角色。信號源在輸入端輸入一個已知幅度的信號，然后通過超電壓表或者頻率足夠高的示波器，從輸入端口逐級測量增益情況，找出增益異常的單元，再進一步細查，*后確診存在故障的零部件。

信號發(fā)生器可以用來調測濾波器，調測濾波器的理想儀器二字線——網(wǎng)絡分析儀和掃頻儀，其主要功能部件之一就是信號發(fā)生器。在沒有這些**儀器的情況下，信號發(fā)生器配合高頻電壓測量工具，如超高頻毫伏表、頻率足夠高的示波器、測量接收機等，也能勉強調試濾波器，其基本原理是測量濾波器帶通頻段內外對信號的衰減情況。信號發(fā)生器在此扮演的是標準信號源的角色，信號發(fā)生器產生一個相對比較強的已知頻率和幅度信號，從濾波器或者雙工器的INPUT端輸入，測量輸出端信號衰減情況。帶通濾波器要求帶內衰減盡量小，帶外衰減盡量大，而陷波器正好相反，陷波頻點衰減越大越好。因為普通的信號發(fā)生器都是固定單點頻率發(fā)射的，所以調測濾波器需要采用多個測試點來“統(tǒng)調”。如果有掃頻信號源和配套的頻譜儀，就能圖示化地看到濾波器的**頻率特性，調試起來極為方便。