信号发生器基础知识 使用攻略和实战问答

信号发生器用来产生振荡信号，且信号的特征参数完全可控，可方便地模拟各种情况下不同特性的信号，对于产品研发和电路实验具有重要作用。信号发生器广泛应用在电子研发、维修、测量、校准等领域，是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。本讲从信号发生器的原理、分类与用途等基本知识入手，详细介绍信号发生器的使用与测量单位，并搜罗广大工程师对信号发生器的实战疑难问题解答，以帮助工程师深层次的了解信号发生器，更好的发挥其作用，为产品设计进行全面、真实的测试，保证研发和测试过程的顺利。

信号发生器所产生的信号在电路中常常用来代替前端电路的实际信号，为后端电路提供一个理想信号。在电路测试中，我们可以通过测量、对比输入和输出信号，来判断信号处理电路的功能和特性是否达到设计要求。高精度的信号发生器在计量和校准领域也可以作为标准信号源(参考源)，待校准仪器以参考源为标准进行调校。

现代信号发生器的结构非常复杂，与早期的简易信号发生器天差地别，但总体基本结构功能单元还是类似的。

信号发生器的基本原理

信号发生器的主要部件有频率产生单元、调制单元、缓冲放大单元、衰减输出单元、显示单元、控制单元。

主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。

早期的信号发生器都采用模拟电路，现代信号发生器越来越多地使用数字电路或单片机控制，内部电路结构上有了很大的变化。

信号发生器的一大特性就是可以操控仪器输出信号的幅度，信号通过特定组合衰减量的衰减器达到预定的输出幅度。早期的衰减器是机械式的，通过刻度来读取衰减量或输出幅度。现代中高档信号发生器的衰减器单元由单片机控制继电器来切换，向电子芯片化过渡，衰减单元的衰减步进量不断缩小，精度相应提高。

信号发生器的分类和作用

信号发生器按照产生信号类型可以分为正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器、随机信号发生器、专用信号发生器。正弦信号发生器提供最基本的正弦波信号，可以作为参考频率和参考幅度信号，用于增益和灵敏度的测量以及仪器的校准。常见的高频信号发生器和标准信号发生器都属于此类。函数信号发生器可以产生各种函数波形信号，典型的有方波、正弦波、三角波、锯齿波、脉冲等。函数信号发生器一般工作频率不高，频率上限在几兆赫到一二十兆赫，频率下限很低，大多可以低于0.1Hz.函数信号发生器用途非常广泛，科学实验、产品研发、生产维修、IC芯片测试中都能见到它的身影。脉冲信号发生器和随机信号发生器多用于专业场合。专用信号发生器是产生特定制式信号的专用仪器，如常见的电视信号发生器、立体声信号发生器等。

信号发生器按传统工作频段分类，有超低频信号发生器、低频信号发生器、高频信号发生器、微波信号发生器。超低频信号发生器一般用于专业上的特殊用途;低频信号发生器多用于音频领域;高频信号发生器多用于通信和测量领域;微波信号发生器多用于雷达领域。

信号发生器按频率产生机制，分有LC振荡器信号发生器、压控振荡信号发生器、频率合成信号发生器;信号发生器按功率输出，可以分为简易信号发生器、标准信号发生器、功率信号发生器;高端信号发生器有矢量信号源、基带信号源，主要应用在航空、国防等尖端领域，价格也非常昂贵。

信号源的主要技术指标

信号源的主要技术指标传统函数发生器的主要指标和新近研发的任意波形发生器的主要指标有一些不同，我们这里分开介绍。

(一)普通函数发生器的主要指标：

带宽(输出频率范围)：仪器的带宽是指模拟带宽，与采样速率等无关，信号源的带宽是指信号的输出频率的范围，并且一般来讲信号源输出的正弦波和方波的频率范围不一致。

频率(定时)分辨率：频率分辨率，即最小可调频率分辨率，也就是创建波形时可以使用的最小时间增量。

频率准确度：信号源显示的频率值与真值之间的偏差，通常用相对误差表示，低档信号源的频率准确度只有1%,而采用内部高稳定晶体振荡器的频率准确度可以达到108~1010.

频率稳定度：频率稳定度是指外界环境不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于设置读数的偏差值的大小。频率稳定度一般分为长期频率稳定度(长稳)和短期频率稳定度(短稳)。其中，短期频率稳定度是指经过预热后，15分钟内，信号频率所发生的最大变化;长期频率稳定度是指信号源经过预热时间后，信号频率在任意三小时内所发生的最大变化。

输出阻抗：信号源的输出阻抗是指从输出端看去，信号源的等效阻抗。例如，低频信号发生器的输出阻抗通常为600Ω，高频信号发生器通常只有50Ω，电视信号发生器通常为75Ω。

输出电平范围：输出幅度一般由电压或者分贝表示，指输出信号幅度的有效范围。另外，信号发生器的输出幅度读数定义为输出阻抗匹配的条件下，所以必须注意输出阻抗匹配的问题。

(二)任意波发生器的主要指标：

取样(或采样)速率：取样速率通常用每秒兆样点或者千兆样点表示，表明了仪器可以运行的最大时钟或取样速率。取样速率影响着主要输出信号的频率和保真度。奈奎斯特取样定理规定，取样频率或时钟速率必须至少是生成的信号中最高频谱成分的两倍，以保证精确的复现。

存储深度(记录长度)：存储深度是指用来记录波形的数据点数，它决定着波形数据的最大样点数量(相当于时间)。

每个波形样点占用一个存储器位置，每个位置等于当前时钟频率下取样间隔时间。任意波形发生器的带宽是由任意波发生器的取样速率和存储深度决定的。垂直(幅度)分辨率信号源的垂直分辨率是指信号源中可以编程的最小电压增量，也就是仪器数模转换器的二进制字宽度，单位为位，它规定了波形的幅度精度。在混和信号源中，垂直分辨率与仪器DAC的二进制字长度有关，位越多，分辨率就越高。

信号源的主要功能

一台功能较强的信号源，还有信号调制、频率扫描、TTL同步输出、参考时钟输出、Burst及频率计信号调制功能。

信号调制：是指被调制信号中，幅度、相位或频率变化把低频信息嵌入到高频的载波信号中，得到的信号可以传送从语音、到数据、到视频的任何信号。信号调制可分为模拟调制和数字调制两种，其中模拟调制，如幅度调制(AM)和频率调制(FM)最常用于广播通信中，而数字调制基于两种状态，允许信号表示二进制数据。

频率扫描功能：测量电子设备的频率特点要求“扫描”正弦波，其会在一段时间内改变频率。一般分成线性(Lin)扫频及对数(Log)扫频;高级信号发生器支持扫频功能，而且可以选择开始频率、保持频率、停止频率和相关时间，有些信号发生器还提供与扫频同步的触发信号。

TTL同步输出功能：一般信号源输出的TTL同步信号是方波经三极管电路转成的，电平为0(Low)、3.6~5V(High)。主要用来同步其他信号源，或其他类型的仪器，以保证触发同步。

参考时钟输出功能：TTL同步输出只能保证触发同步，要想使信号源完全同步就要让时钟同步，参考时钟输出就是为了让两台信号源的时钟同步而设计的，一般参考时钟输出频率较稳定的方波信号。

Burst功能：类似OneShot功能，输入一个TTL信号，则可让信号源产生一个周期的信号输出，设计方式是在没有信号输入时，输出接地即可。

频率计：除市场上简易的刻度盘显示之外，无论是LED数码管或LCD液晶显示频率，其与频率计电路是重叠的。

信号发生器的使用与测量单位

普通标准信号发生器使用比较简单，首先是设置工作频率，高频信号发生器一般采用“MHz”作单位，工作频率较低的信号发生器，如函数信号发生器，也有以“kHz”作单位的。其次是选择调制方式或波形，就是选择AM还是FM,或者选择正弦波还是方波，再次按需设定调制频率，最后设定信号输出幅度。

信号发生器的信号输出幅度有多种表示单位，有电压单位V、mV、μV(也可以用dB表示为dBμV和dB mV)，功率单位dBm.它们之间的换算可以通过查表或者计算求得。现在很多中高档信号发生器输出幅度设定的单位是可以选择的，方便用户应用。一般大部分对讲机说明书中标称灵敏度的单位是μV(微伏)，而很多信号发生器和综合测试仪常用dBm作为测量单位。

业余电台爱好者在使用信号发生器调测对讲机时，切忌不要使对讲机误发射，有的信号发生器没有反向功率输入保护，或者反向输入保护承受功率有限，极容易导致信号发生器内部衰减器损坏，导致信号输出电平不准。保护信号发生器的土办法是在信号源输出口安装20~30dB的衰减器，这样可以将对讲机误发射时对信号发生器造成的影响降到最小，适合在非精密测量要求下使用。安装衰减器后，只要将信号发生器输出信号幅度读数减去衰减器衰减量即可，多了一个简单的数学运算而已。

在使用信号发生器进行信号仿真实验时，往往会碰到一些问题，下面搜罗工程师在信号发生器实战过程中最常提出的问题进行解答。

信号发生器实战问题解答

1函数信号发生器能否用主信号端产生TTL信号(不是用TTL输出端)?

答：可以。

1)将主信号端的波形设置为“方波”;

2)将输出信号的幅度低电平设置为0V,高电平设置为3.3V(如果你要5VTTL就设置为5V);

这样输出就是TTL信号了，不过以上方法只能输出简单的时钟，或通过任意波的方式输出某种码型的周期数字信号。

2把电压表接入信号发生器两端，当改变频率时，为什么电压表的示数会改变?

答：很可能是因为电压表对交流频率响应不同造成的。一般的万用表或者电压表只能测量相对较低频率的电压信号，即使是数字万用表，能准确测量的交流频率也仅有几百KHz,所以当电路频率改变，由于电压表这样的特性，造成了示数改变，如果要测量交流信号的频率，应该使用毫伏表。

3如何用信号发生器产生直流信号?

答：信号发生器都可以产生直流信号，有的在UTILITY里面设置，有的在任意波里面设置，具体对应仪器型号。若真的没有直流这个功能的，可以使用如下方法：输出一个正弦信号，频率20K,幅度选到最小，直流偏置就设置为所要的直流电压值，这样输出的也基本可以看作一个直流信号。

4使用函数信号发生器及直流稳压电源时应注意什么?

答：使用函数信号发生器时要注意输出的信号要由小到大，缓慢调节。每次变换频率及波形时，要把输出信号关到最小处。 使用直流稳压电源时应注意输出的电压及电流是否带起负载并有一定的余量，接线时注意正负极性不要短路

5需要一个峰-峰值100mv左右的正弦信号，用信号发生器输出的正弦波(波形很好)，峰-峰值是1.2V用电阻分压后产生100mv的电压，为什么两个电阻分压后波形会有畸变?

答：原因可能由如下几方面产生：测量问题、信号发生器问题、阻抗匹配问题。其中，测量问题：示波器表笔阻抗是50欧姆还是10k欧姆。信号发生器问题：带负载能力。阻抗匹配问题：高频段传输信号相当于水流模型，水龙头，水管，容器入口的粗细大小，分别对应源，传输线，负载的电阻大小和在高频时的电容和电感大小，这里称为阻抗。只有它们一致时才能很好传输，否则入射波和反射波叠加。波形会变差。

解决方案：改变阻抗。串接一个小电阻，或电感;或者信号放大后再分配;或用专门的功率分配器件。

6信号发生器接入负载后幅值为什么会变化?

答：因为信号发生器使用的是负反馈，接入负载后，负反馈增加，使输入减小，所以幅值会减小。

7想让信号发生器触发一个超声波脉冲，在超声波接收端收到信号后，再回传给信号发生器一个脉冲，信号发生器收到后，再发出一个脉冲触发超声波……以此循环，直到100次后，计算总时间，这个跟示波器连起来测时间，可行吗?

答：可以做到，使用信号源的外触发功能，BURST调制单个脉冲信号，这样给一个启动信号以后，信号源发出一个单脉冲信号给电路，电路反馈一个信号给信号源的外触发接口，信号源触发后再发出一个，如此循环，但是不能智能结束，过程可以使用示波器。但是需要做一个声电转换器。

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