信号发生器的基础知识和选购指南

本文主要介绍信号发生器的基础知识，首先介绍通用的信号发生器有哪些分类，并简要说明了各种信号源的特点和作用，另外重点讲解了信号发生器的主要指标，介绍了现有信号发生器一些特殊功能。
关键词：任意波形发生器、函数信号发生器、频率分辨率、存储深度

一、引言 
信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在电子实验和测试处理中，并不测量任何参数，而是根据使用者的要求，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。
二、 信号源的分类和作用 
信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混和信号源和逻辑信号源两种。其中混和信号源主要输出模拟波形；逻辑信号源输出数字码形。混和信号源又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦波、方波等，任意波/函数发生器输出用户自定义的任意波形；逻辑信号发生器又可分为脉冲信号发生器和码型发生器，其中脉冲信号发生器驱动较小个数的的方波或脉冲波输出，码型发生器生成许多通道的数字码型。如泰克生产的AFG3000系列就包括函数信号发生器、任意波形/函数信号发生器、脉冲信号发生器的功能。
另外，信号源还可以按照输出信号的类型分类，如射频信号发生器、扫描信号发生器、频率合成器、噪声信号发生器、脉冲信号发生器等等。信号源也可以按照使用频段分类，不同频段的信号源对应不同应用领域。 
下面我们将对函数信号发生器和任意波形/函数发生器做简要介绍： 
1、 函数信号发生器 
函数发生器是使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形，有的还同时具有调制和扫描功能。
函数波形发生器在设计上分为模拟式和数字合成式。众所周知，数字合成式函数信号源（DDS）无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟式，其锁相环（PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动（phase Jitter）及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但数字式信号源中，数字电路与模拟电路之间的干扰始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器，如今市场上的大部分函数信号发生器均为DDS信号源。 
2、任意波形发生器 
任意波形发生器，是一种特殊的信号源，不仅具有一般信号源波形生成能力，而且可以仿真实际电路测试中需要的任意波形。在我们实际的电路的运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种缺陷信号和瞬变信号，如果在设计之初没有考虑这些情况，有的将会产生灾难性后果。任意波发生器可以帮您完成实验，仿真实际电路，对您的设计进行全面的测试。
由于任意波形发生往往依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，通过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，更进一步仿真实验。另外，内置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形，有利于参考对比，或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理。有些任意波形发生器有波形下载功能，在作一些麻烦费用高或风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到设计电路，更进一步实验验证。
泰克推出的AFG3000系列三合一信号源，可以完成以上提到的功能，并且在波形输出的精度、稳定性等方面都有较大提高，是走在行业前列的新一代任意波发生器。
三、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，例如，某函数发生器产生正弦波的频率范围是1mHz ～ 240MHz，而输出方波的频率范围是1mHz ～120MHz。
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。例如，某信号源的频率准确度为1ppm。 
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。
四、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及频率计等功能：
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One Shot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。
小结 
信号发生器是基础的通用仪器之一，是电子工程师信号仿真实验的最佳工具，在许多领域都有广泛的应用。本文介绍了函数信号发生器的基础知识，为您的选型和概念的了解提供方便。我们选购时除关心信号源的基本指标外，还需要关心他的高级功能，如波形编辑和下载功能，和计算机的通讯能力，几台信号发生器的同步能力等等。根据工程师自己的应用需要，选择合适的信号发生器，为工程师的设计进行全面，真实的测试，对自己研发的产品更有信心。 参考文献
[1] 陈永明、王红超著：《基于LabVIEW的波形发生器》.电子测量技术.2006年10月.
[2] Bob Buxton，泰克公司：《为任意波形发生器增加价值》.无线电技术402期.
[3] 海洋仪器：《电子测试维护解决方案》.
[4] 泰克公司：《信号源XYZ》.
[5] 库姆斯：《电子仪器手册》.科学出版社.2006年5月第一版.