什麼是信號發生器？

05-02

凡是產生測試信號的儀器，統稱為信號源，也稱為信號發生器，它用於產生被測電路所需特定參數的電測試信號。

信號源是根據用戶對其波形的命令來產生信號的電子儀器。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號（各種波形），然後用其它儀錶測量感興趣的參數。可見信號源在電子實驗和測試處理中，並不測量任何參數，而是根據使用者的要求，模擬各種測試信號，提供給被測電路，以達到測試的需要。

信號源的分類和作用

信號源有很多種分類方法，其中一種方法可分為混和信號源和邏輯信號源兩種。其中混和信號源主要輸出模擬波形；邏輯信號源輸出數字碼形。混和信號源又可分為函數信號發生器和任意波形/函數發生器，其中函數信號發生器輸出標準波形，如正弦波、方波等，任意波/函數發生器輸出用戶自定義的任意波形；邏輯信號發生器又可分為脈衝信號發生器和碼型發生器，其中脈衝信號發生器驅動較小個數的的方波或脈衝波輸出，碼型發生器生成許多通道的數字碼型。如泰克生產的AFG3000系列就包括函數信號發生器、任意波形/函數信號發生器、脈衝信號發生器的功能。

另外，信號源還可以按照輸出信號的類型分類，如射頻信號發生器、掃描信號發生器、頻率合成器、雜訊信號發生器、脈衝信號發生器等等。信號源也可以按照使用頻段分類，不同頻段的信號源對應不同應用領域。

下面我們將對函數信號發生器和任意波形/函數發生器做簡要介紹：

1、函數信號發生器

函數發生器是使用最廣的通用信號源，提供正弦波、鋸齒波、方波、脈衝波等波形，有的還同時具有調製和掃描功能。

函數波形發生器在設計上分為模擬式和數字合成式。眾所周知，數字合成式函數信號源（DDS）無論就頻率、幅度乃至信號的信噪比（S/N）均優於模擬式，其鎖相環（PLL）的設計讓輸出信號不僅是頻率精準，而且相位抖動（phase Jitter）及頻率漂移均能達到相當穩定的狀態，但數字式信號源中，數字電路與模擬電路之間的干擾始終難以有效克服，也造成在小信號的輸出上不如模擬式的函數信號發生器，如今市場上的大部分函數信號發生器均為DDS信號源。

2、任意波形發生器

任意波形發生器，是一種特殊的信號源，不僅具有一般信號源波形生成能力，而且可以模擬實際電路測試中需要的任意波形。在我們實際的電路的運行中，由於各種干擾和響應的存在，實際電路往往存在各種缺陷信號和瞬變信號，如果在設計之初沒有考慮這些情況，有的將會產生災難性後果。任意波發生器可以幫您完成實驗，模擬實際電路，對您的設計進行全面的測試。

由於任意波形發生往往依賴計算機通訊輸出波形數據。在計算機傳輸中，通過專用的波形編輯軟體生成波形，有利於擴充儀器的能力，更進一步模擬實驗。另外，內置一定數量的非易失性存儲器，隨機存取編輯波形，有利於參考對比，或通過隨機介面通訊傳輸到計算機作更進一步分析與處理。有些任意波形發生器有波形下載功能，在作一些麻煩費用高或風險性大的實驗時，通過數字示波器等儀器把波形實時記錄下來，然後通過計算機介面傳輸到信號源，直接下載到設計電路，更進一步實驗驗證。

以完成以上提到的功能，並且在波形輸出的精度、穩定性等方面都有較大提高，是走在行業前列的新一代任意波發生器。

信號源的主要技術指標

傳統函數發生器的主要指標和新近研發的任意波形發生器的主要指標有一些不同，我們這裡分開介紹。

（一）普通函數發生器的主要指標：

帶寬（輸出頻率範圍）

儀器的帶寬是指模擬帶寬，與採樣速率等無關，信號源的帶寬是指信號的輸出頻率的範圍，並且一般來講信號源輸出的正弦波和方波的頻率範圍不一致，例如，某函數發生器產生正弦波的頻率範圍是1mHz ～ 240MHz，而輸出方波的頻率範圍是1mHz ～120MHz。

頻率（定時）解析度

頻率解析度，即最小可調頻率解析度，也就是創建波形時可以使用的最小時間增量。

頻率準確度

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確度只有1%，而採用內部高穩定晶體振蕩器的頻率準確度可以達到108～1010。例如，某信號源的頻率準確度為1ppm。

頻率穩定度

頻率穩定度是指外界環境不變的情況下，在規定時間內，信號發生器輸出頻率相對於設置讀數的偏差值的大小。頻率穩定度一般分為長期頻率穩定度（長穩）和短期頻率穩定度（短穩）。其中，短期頻率穩定度是指經過預熱後，15分鐘內，信號頻率所發生的最大變化；長期頻率穩定度是指信號源經過預熱時間後，信號頻率在任意三小時內所發生的最大變化。

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，低頻信號發生器的輸出阻抗通常為600Ω，高頻信號發生器通常只有50Ω，電視信號發生器通常為75Ω。

輸出電平範圍

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範圍。另外，信號發生器的輸出幅度讀數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）任意波發生器的主要指標：

取樣（或採樣）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，以保證精確的復現。

存儲深度（記錄長度）

存儲深度是指用來記錄波形的數據點數，它決定著波形數據的最大樣點數量（相當於時間）。每個波形樣點佔用一個存儲器位置，每個位置等於當前時鐘頻率下取樣間隔時間。任意波形發生器的帶寬是由任意波發生器的取樣速率和存儲深度決定的。

垂直（幅度）解析度

信號源的垂直解析度是指信號源中可以編程的最小電壓增量，也就是儀器數模轉換器的二進位字寬度，單位為位，它規定了波形的幅度精度。在混和信號源中，垂直解析度與儀器DAC的二進位字長度有關，位越多，解析度就越高。

信號源的主要功能

一台功能較強的信號源，還有信號調製、頻率掃描、TTL同步輸出、參考時鐘輸出、Burst及頻率計

信號調製功能：信號調製是指被調製信號中，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、到數據、到視頻的任何信號。信號調製可分為模擬調製和數字調製兩種，其中模擬調製，如幅度調製（AM）和頻率調製（FM）最常用於廣播通信中，而數字調製基於兩種狀態，允許信號表示二進位數據。

頻率掃描功能:測量電子設備的頻率特點要求「掃描」正弦波，其會在一段時間內改變頻率。一般分成線性（Lin）掃頻及對數（Log）掃頻；高級信號發生器支持掃頻功能，而且可以選擇開始頻率、保持頻率、停止頻率和相關時間，有些信號發生器還提供與掃頻同步的觸發信號。

TTL同步輸出功能: 一般信號源輸出的TTL同步信號是方波經三極體電路轉成的，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，以保證觸發同步。

參考時鐘輸出功能:TTL同步輸出只能保證觸發同步，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台信號源的時鐘同步而設計的，一般參考時鐘輸出頻率較穩定的方波信號。

Burst功能: 類似One Shot功能，輸入一個TTL信號，則可讓信號源產生一個周期的信號輸出，設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數碼管或LCD液晶顯示頻率，其與頻率計電路是重疊的。

小結

信號發生器是基礎的通用儀器之一，是電子工程師信號模擬實驗的最佳工具，在許多領域都有廣泛的應用。本文介紹了函數信號發生器的基礎知識，為您的選型和概念的了解提供方便。我們選購時除關心信號源的基本指標外，還需要關心他的高級功能，如波形編輯和下載功能，和計算機的通訊能力，幾台信號發生器的同步能力等等。根據工程師自己的應用需要，選擇合適的信號發生器，為工程師的設計進行全面，真實的測試，對自己研發的產品更有信心。