信號發(fā)生器的基本原理 - 信號發(fā)生器使用攻略

　　信號發(fā)生器的基本原理

　　現(xiàn)代信號發(fā)生器的結構非常復雜，與早期的簡易信號發(fā)生器天差地別，但總體基本結構功能單元還是類似的。信號發(fā)生器的主要部件有頻率產生單元、調制單元、緩沖放大單元、衰減輸出單元、顯示單元、控制單元。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)字電路或單片機控制，內部電路結構上有了很大的變化。

　　頻率產生單元是信號發(fā)生器的基礎和核心。早期的高頻信號發(fā)生器采用模擬電路LC振蕩器，低頻信號發(fā)生器則較多采用文氏電橋振蕩器和RC移相振蕩器。由于早期沒有頻率合成技術，所以上述LC、RC振蕩器優(yōu)點是結構簡單，可以產生連續(xù)變化的頻率，缺點是頻率穩(wěn)定度不夠高。早期產品為了提高信號發(fā)生器頻率穩(wěn)定度，在可變電容的精密調節(jié)方面下了很多功夫，不少產品都設計了精密的傳動機構和指示機構，所以很多早期的高級信號發(fā)生器體積大、重量重。后來，人們發(fā)現(xiàn)采用石英晶體構成振蕩電路，產生的頻率穩(wěn)定，但是石英晶體的頻率是固定的，在沒有頻率合成的技術條件下，只能做成固定頻率信號發(fā)生器。之后也出現(xiàn)過壓控振蕩器，雖然頻率穩(wěn)定度比LC振蕩器好些，但依然不夠理想，不過壓控振蕩器擺脫了LC振蕩器的機械結構，可以大大縮減儀器的體積，同時電路不太復雜，成本也不高?，F(xiàn)在一些低端的函數(shù)信號發(fā)生器依然采用這種方式。

　　隨著PLL鎖相環(huán)頻率合成器電路的興起，高檔信號發(fā)生器紛紛采用頻率合成技術，其優(yōu)點是頻率輸出穩(wěn)定（頻率合成器的參考基準頻率由石英晶體產生），頻率可以步進調節(jié)，頻率顯示機構可以用數(shù)字化顯示或者直接設置。早期的高精度信號發(fā)生器為了得到較小的頻率步進，將鎖相環(huán)做得非常復雜，成本很高，體積和重量都很大。目前的中高端信號發(fā)生器采用了更先進的DDS頻率直接合成技術，具有頻率輸出穩(wěn)定度高、頻率合成范圍寬、信號頻譜純凈度高等優(yōu)點。由于DDS芯片高度集成化，所以信號發(fā)生器的體積很小。

　　信號發(fā)生器的工作頻率范圍、頻率穩(wěn)定度、頻率設置精度、相位噪聲、信號頻譜純度都與頻率產生單元有關，也是信號發(fā)生器性能的重要指標。

　　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到預定的輸出幅度。早期的衰減器是機械式的，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量不斷縮小，精度相應提高。大頻率范圍的高精度衰減器和高精度信號輸出屬于高科技技術，這也是國內很少有企業(yè)能制造高端信號發(fā)生器的原因之一。信號發(fā)生器的信號輸出范圍和輸出電平的精度和準確度也是標志信號發(fā)生器性能的重要指標。

　　信號發(fā)生器的分類與用途

　　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)生器一般是指工作頻率下潛到0.1Hz以下的信號發(fā)生器，一般用于專業(yè)上的特殊用途。低頻信號發(fā)生器一般是指工作頻率主要在1Hz～1MHz的信號發(fā)生器，多用于音頻領域。高頻信號發(fā)生器，也叫射頻信號發(fā)生器，一般是指工作頻率從100kHz到幾百兆赫的信號發(fā)生器（目前頻率高的可以達到幾吉赫茲），多用于通信和測量領域。微波信號發(fā)生器一般是指工作頻率高達數(shù)吉赫茲到幾十吉赫茲的信號發(fā)生器，多用于雷達領域。

　　隨著頻率合成技術和電路的發(fā)展，很多信號發(fā)生器都可提供更大的頻率覆蓋范圍，一機多能，頻段的劃分漸漸成為一個模糊的觀念。例如常用的Agilent 33250A函數(shù)發(fā)生器就可以工作在1μHz～80MHz的范圍，包含傳統(tǒng)的超低頻、低頻、音頻和HF頻段。

　　信號發(fā)生器按頻率產生機制，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。具體在上文中已有詳述。目前低端的廉價信號發(fā)生器多采用LC振蕩器，中低端的函數(shù)信號發(fā)生器多采用壓控振蕩器，中高檔的信號發(fā)生器多采用DDS頻率直接合成技術。隨著DDS技術的普及和芯片價格的下降，越來越多的信號發(fā)生器采用DDS技術，并有向入門級產品發(fā)展的趨勢。近期，很多一兩千元的函數(shù)信號發(fā)生器也開始使用DDS技術。

　　信號發(fā)生器按功率輸出，可以分為簡易信號發(fā)生器、標準信號發(fā)生器、功率信號發(fā)生器。簡易信號發(fā)生器在信號輸出幅度控制上比較簡單，只使用一個簡易衰減器，對輸出的信號不能直接量化控制。標準信號發(fā)生器在信號輸出幅度上有嚴格的控制，能提供準確的輸出幅度讀數(shù)。一般高頻標準信號發(fā)生器輸出幅度在-127～+23dBm。功率信號發(fā)生器則提供較大的功率輸出，一般在+20dBm以上，功率大的可達幾瓦到幾十瓦。

　　信號發(fā)生器按照產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。常見的高頻信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器都屬于此類。函數(shù)信號發(fā)生器可以產生各種函數(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，科學實驗、產品研發(fā)、生產維修、IC芯片測試中都能見到它的身影。脈沖信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器多用于專業(yè)場合。專用信號發(fā)生器是產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。

　　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、國防等尖端領域，價格也非常昂貴，在此就不多做介紹。