信號發(fā)生器有關基本概念和選擇

一、引言
信號源是根據(jù)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），然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘栐丛陔娮訉嶒灪蜏y試處理中，并不測量任何參數(shù)，而是根據(jù)使用者的要求，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以達到測試的需要。

二、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(shù)字碼形。混和信號源又可分為函數(shù)信號發(fā)生器和任意波形/函數(shù)發(fā)生器，其中函數(shù)信號發(fā)生器輸出標準波形，如正弦波、方波等，任意波/函數(shù)發(fā)生器輸出用戶自定義的任意波形；邏輯信號發(fā)生器又可分為脈沖信號發(fā)生器和碼型發(fā)生器，其中脈沖信號發(fā)生器驅動較小個數(shù)的的方波或脈沖波輸出，碼型發(fā)生器生成許多通道的數(shù)字碼型。如泰克生產的AFG3000系列就包括函數(shù)信號發(fā)生器、任意波形/函數(shù)信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)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(fā)生器、掃描信號發(fā)生器、頻率合成器、噪聲信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)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(shù)信號發(fā)生器和任意波形/函數(shù)發(fā)生器做簡要介紹：

1、 函數(shù)信號發(fā)生器
函數(shù)發(fā)生器是使用最廣的通用信號源，提供正弦波、鋸齒波、方波、脈沖波等波形，有的還同時具有調制和掃描功能。
函數(shù)波形發(fā)生器在設計上分為模擬式和數(shù)字合成式。眾所周知，數(shù)字合成式函數(shù)信號源（DDS）無論就頻率、幅度乃至信號的信噪比（S/N）均優(yōu)于模擬式，其鎖相環(huán)（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(wěn)定的狀態(tài)，但數(shù)字式信號源中，數(shù)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(shù)信號發(fā)生器，如今市場上的大部分函數(shù)信號發(fā)生器均為DDS信號源。
2、任意波形發(fā)生器
任意波形發(fā)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，而且可以仿真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，由于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后果。任意波發(fā)生器可以幫您完成實驗，仿真實際電路，對您的設計進行全面的測試。

由于任意波形發(fā)生往往依賴計算機通訊輸出波形數(shù)據(jù)。在計算機傳輸中，通過專用的波形編輯軟件生成波形，有利于擴充儀器的能力，更進一步仿真實驗。另外，內置一定數(shù)量的非易失性存儲器，隨機存取編輯波形，有利于參考對比，或通過隨機接口通訊傳輸?shù)接嬎銠C作更進一步分析與處理。有些任意波形發(fā)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(shù)字示波器等儀器把波形實時記錄下來，然后通過計算機接口傳輸?shù)叫盘栐?，直接下載到設計電路，更進一步實驗驗證。
泰克推出的AFG3000系列三合一信號源，可以完成以上提到的功能，并且在波形輸出的精度、穩(wěn)定性等方面都有較大提高，是走在行業(yè)前列的新一代任意波發(fā)生器。

三、信號源的主要技術指標
傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器的主要指標和新近研發(fā)的任意波形發(fā)生器的主要指標有一些不同，我們這里分開介紹。

（一）普通函數(shù)發(fā)生器的主要指標：
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，信號源的帶寬是指信號的輸出頻率的范圍，并且一般來講信號源輸出的正弦波和方波的頻率范圍不一致，例如，某函數(shù)發(fā)生器產生正弦波的頻率范圍是1mHz～240MHz，而輸出方波的頻率范圍是1mHz～120MHz。

頻率（定時）分辨率
頻率分辨率，即最小可調頻率分辨率，也就是創(chuàng)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%，而采用內部高穩(wěn)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(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)定時間內，信號發(fā)生器輸出頻率相對于設置讀數(shù)的偏差值的大小。頻率穩(wěn)定度一般分為長期頻率穩(wěn)定度（長穩(wěn)）和短期頻率穩(wěn)定度（短穩(wěn)）。其中，短期頻率穩(wěn)定度是指經過預熱后，15分鐘內，信號頻率所發(fā)生的最大變化；長期頻率穩(wěn)定度是指信號源經過預熱時間后，信號頻率在任意三小時內所發(fā)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(fā)生器的輸出阻抗通常為600Ω，高頻信號發(fā)生器通常只有50Ω，電視信號發(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，指輸出信號幅度的有效范圍。另外，信號發(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：
取樣（或采樣）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(guī)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(xiàn)。

存儲深度（記錄長度）
存儲深度是指用來記錄波形的數(shù)據(jù)點數(shù)，它決定著波形數(shù)據(jù)的最大樣點數(shù)量（相當于時間）。每個波形樣點占用一個存儲器位置，每個位置等于當前時鐘頻率下取樣間隔時間。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深度決定的。

垂直（幅度）分辨率
信號源的垂直分辨率是指信號源中可以編程的最小電壓增量，也就是儀器數(shù)模轉換器的二進制字寬度，單位為位，它規(guī)定了波形的幅度精度。在混和信號源中，垂直分辨率與儀器DAC的二進制字長度有關，位越多，分辨率就越高。

四、信號源的主要功能
一臺功能較強的信號源，還有信號調制、頻率掃描、TTL同步輸出、參考時鐘輸出、Burst及頻率計等功能：

信號調制功能
信號調制是指被調制信號中，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到語音、到數(shù)據(jù)、到視頻的任何信號。信號調制可分為模擬調制和數(shù)字調制兩種，其中模擬調制，如幅度調制（AM）和頻率調制（FM）最常用于廣播通信中，而數(shù)字調制基于兩種狀態(tài)，允許信號表示二進制數(shù)據(jù)。

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(shù)（Log）掃頻；高級信號發(fā)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(fā)生器還提供與掃頻同步的觸發(fā)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管電路轉成的，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(fā)同步。

參考時鐘輸出功能
TTL同步輸出只能保證觸發(fā)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臺信號源的時鐘同步而設計的，一般參考時鐘輸出頻率較穩(wěn)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(shù)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(fā)生器是基礎的通用儀器之一，是電子工程師信號仿真實驗的最佳工具，在許多領域都有廣泛的應用。本文介紹了函數(shù)信號發(fā)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，幾臺信號發(fā)生器的同步能力等等。根據(jù)工程師自己的應用需要，選擇合適的信號發(fā)生器，為工程師的設計進行全面，真實的測試，對自己研發(fā)的產品更有信心。

參考文獻
[1]陳永明、王紅超著：《基于LabVIEW的波形發(fā)生器》.電子測量技術.2006年10月.
[2] Bob Buxton，泰克公司：《為任意波形發(fā)生器增加價值》.無線電技術402期.
[3]海洋儀器：《電子測試維護解決方案》.
[4]泰克公司：《信號源XYZ》.
[5]庫姆斯：《電子儀器手冊》.科學出版社.2006年5月第一版.

——北京海洋興業(yè)科技有限公司王樂 供稿

函數(shù)/任意波形發(fā)生器對比