信號發(fā)生器也稱信號源,是用來產(chǎn)生振蕩信號的一種儀器,為使用者提供需要的穩(wěn)定、可信的參考信號,并且信號的特征參數(shù)*可控。所謂可控信號特征,主要是指輸出信號的頻率、幅度、波形、占空比、調(diào)制形式等參數(shù)都可以人為地控制設(shè)定。隨著科技的發(fā)展,實(shí)際應(yīng)用到的信號形式越來越多,越來越復(fù)雜,頻率也越來越高,所以信號發(fā)生器的種類也越來越多,同時信號發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)形式也不斷向著智能化、軟件化、可編程化發(fā)展。
信號發(fā)生器的應(yīng)用與意義
信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號在電路中常常用來代替前端電路的實(shí)際信號,為后端電路提供一個理想信號。由于信號源信號的特征參數(shù)均可人為設(shè)定,所以可以方便地模擬各種情況下不同特性的信號,對于產(chǎn)品研發(fā)和電路實(shí)驗(yàn)特別有用。在電路測試中,我們可以通過測量、對比輸入和輸出信號,來判斷信號處理電路的功能和特性是否達(dá)到設(shè)計要求。例如,用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為1kHz的正弦波信號,輸入到一個被測的信號處理電路(功能為正弦波輸入、方波輸出),在被測電路輸出端可以用示波器檢驗(yàn)是否有符合設(shè)計要求的方波輸出。高精度的信號發(fā)生器在計量和校準(zhǔn)領(lǐng)域也可以作為標(biāo)準(zhǔn)信號源(參考源),待校準(zhǔn)儀器以參考源為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)校。由此可看出,信號發(fā)生器可廣泛應(yīng)用在電子研發(fā)、維修、測量、校準(zhǔn)等領(lǐng)域。
對業(yè)余無線電愛好者來說,信號發(fā)生器用得zui多的地方是測量電臺、對講機(jī)的靈敏度。很多HAM都認(rèn)為用綜合測試儀來調(diào)測對講機(jī)靈敏度zui有效果,其實(shí),用綜合測試儀來調(diào)測對講機(jī)靈敏度主要用到了綜合測試儀的信號發(fā)生器和信納比計兩項(xiàng)功能。信號發(fā)生器發(fā)出與對講機(jī)相同調(diào)制模式的信號(一般是FM或者AM),然后逐漸減小輸出信號的幅度(強(qiáng)度),同時通過信納比計監(jiān)測對講機(jī)音頻輸出的噪聲水平。當(dāng)對講機(jī)輸出音頻有效信號與噪聲的比例劣化到一定程度時(一般對講機(jī)靈敏度測試信噪比標(biāo)準(zhǔn)S/N=12dB),信號發(fā)生器輸出的電平數(shù)值就等于所測對講機(jī)的靈敏度。在此測試中,信號發(fā)生器模擬了對講機(jī)實(shí)際接收的空中信號,而且模擬的信號強(qiáng)度是可以人為控制調(diào)節(jié)的。
有的HAM手頭沒有信號發(fā)生器,調(diào)電臺的靈敏度只能靠收聽空中實(shí)際信號作為參照。這種做法顯然沒有使用信號發(fā)生器來得方便。用綜合測試儀或信號發(fā)生器測量對講機(jī)的靈敏度,其標(biāo)準(zhǔn)的連接方法是:信號發(fā)生器信號輸出通過電纜接到對講機(jī)的天線輸入端,對講機(jī)的音頻輸出端連接綜合測試儀或信納比計的音頻輸入端。筆者在有的對講機(jī)維修地點(diǎn)看到,測對講機(jī)靈敏度時,只連接信號發(fā)生器,然后通過聽對講機(jī)揚(yáng)聲器的音質(zhì)來大致判斷信噪比,這顯然是不規(guī)范的。此外,我們還需要注意的是測試標(biāo)準(zhǔn)的不同,即對講機(jī)輸出音頻預(yù)期到達(dá)的信噪比閾值不同,如S/N=10dB或S/N=20dB,即使同一臺對講機(jī)所測量得到的靈敏度數(shù)值也會不同。聯(lián)想到在一些對講機(jī)技術(shù)說明中出現(xiàn)的“靜噪開啟靈敏度”、“可用靈敏度”等名稱,其實(shí)都是采用不同的測試標(biāo)準(zhǔn)。不同測試標(biāo)準(zhǔn)得到的靈敏度數(shù)值并沒有相互比較的意義。
信號發(fā)生器可以用來調(diào)節(jié)電臺和對講機(jī)的靈敏度,其基本原理就是使對講機(jī)接收通道中的濾波槽路對有用的信號傳輸衰減達(dá)到zui小,從而使對講機(jī)具有較高的靈敏度,這在一些業(yè)余電臺改頻改造和自制電臺中應(yīng)用得比較多。信號發(fā)生器在此同樣扮演的是模擬空中信號的角色。如果對講機(jī)本身具有接收信號強(qiáng)度S表或者測試點(diǎn),可以用信號發(fā)生器輸入一個使機(jī)器信號表指示30%左右強(qiáng)度的信號(容易看出調(diào)節(jié)的變化效果),然后按照對講機(jī)維修手冊的說明,調(diào)節(jié)接收槽路,使信號表指示到zui大,要是在調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)信號表滿表的情況,可以再把信號發(fā)生器的信號幅度調(diào)小一些。通常,為了保證整個頻段的靈敏度,平均需要采用在目標(biāo)頻段的、低端、中心多個頻率點(diǎn)作為參考點(diǎn)進(jìn)行“統(tǒng)調(diào)”。對于沒有信號強(qiáng)度指示反饋的對講機(jī),只能通過在低信噪比狀態(tài)下,監(jiān)視信噪比的改善與劣化來調(diào)整接收槽路。其實(shí),信號發(fā)生器除了可以調(diào)節(jié)對講機(jī)的接收靈敏度,也可以用來調(diào)校收音機(jī)和電視機(jī),只要信號發(fā)生器能產(chǎn)生相同類型的信號即可。
信號發(fā)生器可以用來查找電臺、對講機(jī)的接收通道故障。其基本原理是:由前級往后級,逐一測量接收通路中每一級放大和濾波器,找出哪一級放大電路沒有達(dá)到設(shè)計應(yīng)有的放大量或者哪一級濾波電路衰減過大。信號發(fā)生器在此扮演的是標(biāo)準(zhǔn)信號源的角色。信號源在對講機(jī)天線輸入端輸入一個已知幅度的信號,然后通過超高頻電壓表或者頻率足夠高的示波器,從天線輸入端口逐級測量增益情況,找出增益異常的單元,再進(jìn)一步細(xì)查,zui后確診存在故障的零部件。
信號發(fā)生器可以用來調(diào)測濾波器,典型的就是帶通濾波器和電臺上用的雙工器。調(diào)測濾波器的理想儀器二字線——網(wǎng)絡(luò)分析儀和掃頻儀,其主要功能部件之一就是信號發(fā)生器。在沒有這些儀器的情況下,信號發(fā)生器配合高頻電壓測量工具,如超高頻毫伏表、頻率足夠高的示波器、測量接收機(jī)等,也能勉強(qiáng)調(diào)試濾波器,其基本原理是測量濾波器帶通頻段內(nèi)外對信號的衰減情況。信號發(fā)生器在此扮演的是標(biāo)準(zhǔn)信號源的角色,信號發(fā)生器產(chǎn)生一個相對比較強(qiáng)的已知頻率和幅度信號,從濾波器或者雙工器的INPUT端輸入,測量輸出端信號衰減情況。帶通濾波器要求帶內(nèi)衰減盡量小,帶外衰減盡量大,而陷波器正好相反,陷波頻點(diǎn)衰減越大越好。因?yàn)槠胀ǖ男盘柊l(fā)生器都是固定單點(diǎn)頻率發(fā)射的,所以調(diào)測濾波器需要采用多個測試點(diǎn)來“統(tǒng)調(diào)”。如果有掃頻信號源和配套的頻譜儀,就能圖示化地看到濾波器的全面頻率特性,調(diào)試起來極為方便。
信號發(fā)生器可以用來校準(zhǔn)對講機(jī)和接收機(jī)的信號強(qiáng)度表,信號發(fā)生器在此扮演的是標(biāo)準(zhǔn)信號源的角色。按照各機(jī)型的維修手冊要求,在校準(zhǔn)頻點(diǎn)輸入特定強(qiáng)度的信號,此時校正S信號強(qiáng)度表的實(shí)際指示。在實(shí)際調(diào)整中,我們可以看到,雖然上有接收機(jī)S信號表指示的參考場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn),但現(xiàn)在很多廠家都執(zhí)行自家的標(biāo)準(zhǔn),使S表指示偏大而指示范圍偏小,給用戶的感覺就是S表指示很容易滿表,暗示用戶它的接收靈敏度高。
除了在射頻方面的應(yīng)用,信號發(fā)生器在音頻領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。
信號發(fā)生器用于對講機(jī)話音電路和調(diào)制電路的調(diào)測。信號發(fā)生器代替駐極體拾音器向?qū)χv機(jī)的“MIC in”送入符合要求的1kHz單音信號(輸入幅度要求在維修手冊會有標(biāo)明),然后使調(diào)頻對講機(jī)處于發(fā)射狀態(tài)。正常情況下,在接收機(jī)中會聽到1kHz的音頻,通過調(diào)制度儀,可以測量出被測對講機(jī)的調(diào)制幅度。由此,可以檢測和調(diào)整調(diào)頻對講機(jī)的語音調(diào)制電路(調(diào)制度一般在對講機(jī)內(nèi)部可調(diào)整)。一般25kHz間隔FM調(diào)制的對講機(jī),要求在1kHz音頻下調(diào)制度在4.5kHz左右。調(diào)頻對講機(jī)調(diào)制過小,語音會偏輕,調(diào)制過大,會影響話音,并增加占用帶寬。有的發(fā)射無語音故障的對講機(jī),也可以通過類似方法從MIC in開始逐級測量語音信號狀況。
信號發(fā)生器用于音頻功放的維修。信號發(fā)生器在此扮演的是理想信號源的角色。信號源產(chǎn)生一個適當(dāng)幅度的音頻正弦信號,作為音頻功放的信號輸入。通過測量音頻功放的輸出幅度和波形,我們可以判斷音頻功放電路工作是否基本正常,包括是否有自激等不正常狀態(tài)以及失真情況。
信號發(fā)生器的基本原理
現(xiàn)代信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,與早期的簡易信號發(fā)生器天差地別,但總體基本結(jié)構(gòu)功能單元還是類似的。信號發(fā)生器的主要部件有頻率產(chǎn)生單元、調(diào)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(jī)控制,內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)上有了很大的變化。
頻率產(chǎn)生單元是信號發(fā)生器的基礎(chǔ)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(shù),所以上述LC、RC振蕩器優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,可以產(chǎn)生連續(xù)變化的頻率,缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度不夠高。早期產(chǎn)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(diào)節(jié)方面下了很多功夫,不少產(chǎn)品都設(shè)計了精密的傳動機(jī)構(gòu)和指示機(jī)構(gòu),所以很多早期的信號發(fā)生器體積大、重量重。后來,人們發(fā)現(xiàn)采用石英晶體構(gòu)成振蕩電路,產(chǎn)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(shù)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(jī)械結(jié)構(gòu),可以大大縮減儀器的體積,同時電路不太復(fù)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,信號發(fā)生器紛紛采用頻率合成技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是頻率輸出穩(wěn)定(頻率合成器的參考基準(zhǔn)頻率由石英晶體產(chǎn)生),頻率可以步進(jìn)調(diào)節(jié),頻率顯示機(jī)構(gòu)可以用數(shù)字化顯示或者直接設(shè)置。早期的高精度信號發(fā)生器為了得到較小的頻率步進(jìn),將鎖相環(huán)做得非常復(fù)雜,成本很高,體積和重量都很大。目前的中信號發(fā)生器采用了更*DDS頻率直接合成技術(shù),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(diǎn)。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(shè)置精度、相位噪聲、信號頻譜純度都與頻率產(chǎn)生單元有關(guān),也是信號發(fā)生器性能的重要指標(biāo)。
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(dá)到預(yù)定的輸出幅度。早期的衰減器是機(jī)械式的,通過刻度來讀取衰減量或輸出幅度。現(xiàn)代中信號發(fā)生器的衰減器單元由單片機(jī)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(jìn)量不斷縮小,精度相應(yīng)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(shù),這也是國內(nèi)很少有企業(yè)能制造信號發(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(zhǔn)確度也是標(biāo)志信號發(fā)生器性能的重要指標(biāo)。
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(lǐng)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(dá)到幾吉赫茲),多用于通信和測量領(lǐng)域。微波信號發(fā)生器一般是指工作頻率高達(dá)數(shù)吉赫茲到幾十吉赫茲的信號發(fā)生器,多用于雷達(dá)領(lǐng)域。
隨著頻率合成技術(shù)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(jī)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(chǎn)生機(jī)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,中的信號發(fā)生器多采用DDS頻率直接合成技術(shù)。隨著DDS技術(shù)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(shù),并有向入門級產(chǎn)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(shù)。
信號發(fā)生器按功率輸出,可以分為簡易信號發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器在信號輸出幅度上有嚴(yán)格的控制,能提供準(zhǔn)確的輸出幅度讀數(shù)。一般高頻標(biāo)準(zhǔn)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(dá)幾瓦到幾十瓦。
信號發(fā)生器按照產(chǎn)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(jī)信號發(fā)生器、信號發(fā)生器。正弦信號發(fā)生器提供zui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(zhǔn)。常見的高頻信號發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器都屬于此類。函數(shù)信號發(fā)生器可以產(chǎn)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(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)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(jī)信號發(fā)生器多用于專業(yè)場合。信號發(fā)生器是產(chǎn)生特定制式信號的儀器,如常見的電視信號發(fā)生器、立體聲信號發(fā)生器等。
信號發(fā)生器有矢量信號源、基帶信號源,主要應(yīng)用在航空、國防等領(lǐng)域,價格也非常昂貴,在此就不多做介紹。
信號發(fā)生器的使用與測量單位
普通標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器使用比較簡單,首先是設(shè)置工作頻率,高頻信號發(fā)生器一般采用“MHz”作單位,工作頻率較低的信號發(fā)生器,如函數(shù)信號發(fā)生器,也有以“kHz”作單位的。其次是選擇調(diào)制方式或波形,就是選擇AM還是FM,或者選擇正弦波還是方波,再次按需設(shè)定調(diào)制頻率,zui后設(shè)定信號輸出幅度。
信號發(fā)生器的信號輸出幅度有多種表示單位,有電壓單位V、mV、μV(也可以用dB表示為dBμV和dB mV),功率單位dBm。它們之間的換算可以通過查表或者計算求得?,F(xiàn)在很多中信號發(fā)生器輸出幅度設(shè)定的單位是可以選擇的,方便用戶應(yīng)用。一般大部分對講機(jī)說明書中標(biāo)稱靈敏度的單位是μV(微伏),而很多信號發(fā)生器和綜合測試儀常用dBm作為測量單位。附表是50Ω系統(tǒng)dBm與μV數(shù)值換算的對照表。
附表 50Ω系統(tǒng)dBm與μV換算表
dBm μV
-125.0 0.126
-124.0 0.141
-123.0 0.158
-122.0 0.178
-121.0 0.199
-120.0 0.224
-119.0 0.251
-118.0 0.282
-117.0 0.316
-116.0 0.354
-115.0 0.398
-114.0 0.446
-113.0 0.501
-112.0 0.562
-111.0 0.630
-110.0 0.707
-109.0 0.793
-108.0 0.89
-107.0 0.999
-106.0 1.121
業(yè)余電臺愛好者在使用信號發(fā)生器調(diào)測對講機(jī)時,切忌不要使對講機(jī)誤發(fā)射,有的信號發(fā)生器沒有反向功率輸入保護(hù),或者反向輸入保護(hù)承受功率有限,極容易導(dǎo)致信號發(fā)生器內(nèi)部衰減器損壞,導(dǎo)致信號輸出電平不準(zhǔn)。保護(hù)信號發(fā)生器的土辦法是在信號源輸出口安裝20~30dB的衰減器,這樣可以將對講機(jī)誤發(fā)射時對信號發(fā)生器造成的影響降到zui小,適合在非精密測量要求下使用。安裝衰減器后,只要將信號發(fā)生器輸出信號幅度讀數(shù)減去衰減器衰減量即可,多了一個簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算而已。
信號發(fā)生器的品牌
目前,國內(nèi)信號發(fā)生器以美國Agilent(安捷倫)和德國Rohde&Schwarz(羅德與施瓦茨)品牌產(chǎn)品為主。此外,Tektronix(泰克)、Aeroflex-IFR和日本ANRITSU(安立)的信號發(fā)生器也很好。國內(nèi)函數(shù)信號發(fā)生器用得比較多的是Agilent 33210A和33220A,一些的產(chǎn)品是Agilent 33250A。高頻(射頻)信號發(fā)生器主要是Agilent E4428C和羅德與施瓦茨的SMC100A。
SMC100A一改以往高精度信號源笨重、占地大的形象,在同級別產(chǎn)品中可以用“輕巧”二字形容。
國產(chǎn)信號發(fā)生器中,普源RIGOL和盛普,以及中國臺灣老品牌固緯,都是有很好口碑的產(chǎn)品,揚(yáng)中科泰的產(chǎn)品也不錯。普源的DG1022是一款普及型的中檔函數(shù)信號發(fā)生器,設(shè)計理念*,外觀時尚,具有很好的性價比,DG1022售價只有品牌同類產(chǎn)品的20%左右,*適合普通研發(fā)和維修以及教學(xué)使用。
信號發(fā)生器的選購
選購信號發(fā)生器,首先要考慮的是信號源的類型要適合應(yīng)用的需要。對于業(yè)余無線電愛好者,如果主要用于調(diào)測對講機(jī)靈敏度,就需要高頻信號發(fā)生器,如果主要用于普通電器維修和基礎(chǔ)電路實(shí)驗(yàn),則普通函數(shù)信號發(fā)生器更為適合。對于維修電視機(jī)的朋友,則需要電視信號發(fā)生器,調(diào)頻立體聲信號源適合維修收音機(jī)之用。如果你需要用于數(shù)字信號測試,那么矢量信號源更適合你。
其次,信號發(fā)生器的頻率覆蓋范圍和調(diào)制模式以及信號輸出幅度都要滿足應(yīng)用的需要。調(diào)FM對講機(jī)的靈敏度一般要求信號發(fā)生器具備調(diào)頻信號調(diào)制,頻率覆蓋對講機(jī)工作頻段,信號發(fā)生器的信號輸出幅度zui小不大于-120dBm,能達(dá)到-127dBm則更好。
再次,所選的信號發(fā)生器的價格應(yīng)該在自己的預(yù)算范圍之內(nèi),中的信號發(fā)生器都屬于高價值儀器,的信號發(fā)生器性能,使用也順手,但如果沒有足夠的預(yù)算,則只能對它敬而遠(yuǎn)之。的儀器除了性能指標(biāo)有保障外,在一定程度上能夠?yàn)槟愕膶?shí)驗(yàn)室“撐場面”,增加懂行的客戶對你提供測試結(jié)果的信任度,也代表測試機(jī)構(gòu)的實(shí)力。
zui后,購買高價值儀器售后服務(wù)和維修保障也很重要,有的產(chǎn)品包含不同年限的保修報價是不一樣的,購買時不能只貪圖便宜。
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