信號發生器的基本原理

　　現代信號發生器的結構非常復雜，與早期的簡易信號發生器天差地別，但總體基本結構功能單元還是類似的。信號發生器的主要部件有頻率產生單元、調制單元、緩沖放大單元、衰減輸出單元、顯示單元、控制單元。早期的信號發生器都采用模擬電路，現代信號發生器越來越多地使用數字電路或單片機控制，內部電路結構上有了很大的變化。

　　頻率產生單元是信號發生器的基礎和核心。早期的高頻信號發生器采用模擬電路LC振蕩器，低頻信號發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，所以上述LC、RC振蕩器優點是結構簡單，可以產生連續變化的頻率，缺點是頻率穩定度不夠高。早期產品為了提高信號發生器頻率穩定度，在可變電容的精密調節方面下了很多功夫，不少產品都設計了精密的傳動機構和指示機構，所以很多早期的高級信號發生器體積大、重量重。后來，人們發現采用石英晶體構成振蕩電路，產生的頻率穩定，但是石英晶體的頻率是固定的，在沒有頻率合成的技術條件下，只能做成固定頻率信號發生器。之后也出現過壓控振蕩器，雖然頻率穩定度比LC振蕩器好些，但依然不夠理想，不過壓控振蕩器擺脫了LC振蕩器的機械結構，可以大大縮減儀器的體積，同時電路不太復雜，成本也不高。現在一些低端的函數信號發生器依然采用這種方式。

　　隨著PLL鎖相環頻率合成器電路的興起，高檔信號發生器紛紛采用頻率合成技術，其優點是頻率輸出穩定（頻率合成器的參考基準頻率由石英晶體產生），頻率可以步進調節，頻率顯示機構可以用數字化顯示或者直接設置。早期的高精度信號發生器為了得到較小的頻率步進，將鎖相環做得非常復雜，成本很高，體積和重量都很大。目前的中高端信號發生器采用了更先進的DDS頻率直接合成技術，具有頻率輸出穩定度高、頻率合成范圍寬、信號頻譜純凈度高等優點。由于DDS芯片高度集成化，所以信號發生器的體積很小。

　　信號發生器的工作頻率范圍、頻率穩定度、頻率設置精度、相位噪聲、信號頻譜純度都與頻率產生單元有關，也是信號發生器性能的重要指標。

　　信號發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到預定的輸出幅度。早期的衰減器是機械式的，通過刻度來讀取衰減量或輸出幅度。現代中高檔信號發生器的衰減器單元由單片機控制繼電器來切換，向電子芯片化過渡，衰減單元的衰減步進量不斷縮小，精度相應提高。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，這也是國內很少有企業能制造高端信號發生器的原因之一。信號發生器的信號輸出范圍和輸出電平的精度和準確度也是標志信號發生器性能的重要指標。

　　信號發生器的分類與用途

　　信號發生器按傳統工作頻段分類，有超低頻信號發生器、低頻信號發生器、高頻信號發生器、微波信號發生器。

　　超低頻信號發生器一般是指工作頻率下潛到0.1Hz以下的信號發生器，一般用于專業上的特殊用途。低頻信號發生器一般是指工作頻率主要在1Hz～1MHz的信號發生器，多用于音頻領域。高頻信號發生器，也叫射頻信號發生器，一般是指工作頻率從100kHz到幾百兆赫的信號發生器（目前頻率高的可以達到幾吉赫茲），多用于通信和測量領域。微波信號發生器一般是指工作頻率高達數吉赫茲到幾十吉赫茲的信號發生器，多用于雷達領域。

　　隨著頻率合成技術和電路的發展，很多信號發生器都可提供更大的頻率覆蓋范圍，一機多能，頻段的劃分漸漸成為一個模糊的觀念。例如常用的Agilent 33250A函數發生器就可以工作在1μHz～80MHz的范圍，包含傳統的超低頻、低頻、音頻和HF頻段。

　　信號發生器按頻率產生機制，分有LC振蕩器信號發生器、壓控振蕩信號發生器、頻率合成信號發生器。具體在上文中已有詳述。目前低端的廉價信號發生器多采用LC振蕩器，中低端的函數信號發生器多采用壓控振蕩器，中高檔的信號發生器多采用DDS頻率直接合成技術。隨著DDS技術的普及和芯片價格的下降，越來越多的信號發生器采用DDS技術，并有向入門級產品發展的趨勢。近期，很多一兩千元的函數信號發生器也開始使用DDS技術。

　　信號發生器按功率輸出，可以分為簡易信號發生器、標準信號發生器、功率信號發生器。簡易信號發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。標準信號發生器在信號輸出幅度上有嚴格的控制，能提供準確的輸出幅度讀數。一般高頻標準信號發生器輸出幅度在-127～+23dBm。功率信號發生器則提供較大的功率輸出，一般在+20dBm以上，功率大的可達幾瓦到幾十瓦。

　　信號發生器按照產生信號類型可以分為正弦信號發生器、函數信號發生器、脈沖信號發生器、隨機信號發生器、專用信號發生器。正弦信號發生器提供最基本的正弦波信號，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。常見的高頻信號發生器和標準信號發生器都屬于此類。函數信號發生器可以產生各種函數波形信號，典型的有方波、正弦波、三角波、鋸齒波、脈沖等。函數信號發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。函數信號發生器用途非常廣泛，科學實驗、產品研發、生產維修、IC芯片測試中都能見到它的身影。脈沖信號發生器和隨機信號發生器多用于專業場合。專用信號發生器是產生特定制式信號的專用儀器，如常見的電視信號發生器、立體聲信號發生器等。

　　高端信號發生器有矢量信號源、基帶信號源，主要應用在航空、國防等尖端領域，價格也非常昂貴，在此就不多做介紹。

　　信號發生器的使用與測量單位

　　普通標準信號發生器使用比較簡單，首先是設置工作頻率，高頻信號發生器一般采用“MHz”作單位，工作頻率較低的信號發生器，如函數信號發生器，也有以“kHz”作單位的。其次是選擇調制方式或波形，就是選擇AM還是FM，或者選擇正弦波還是方波，再次按需設定調制頻率，最后設定信號輸出幅度。

　　信號發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。現在很多中高檔信號發生器輸出幅度設定的單位是可以選擇的，方便用戶應用。一般大部分對講機說明書中標稱靈敏度的單位是μV（微伏），而很多信號發生器和綜合測試儀常用dBm作為測量單位。附表是50Ω系統dBm與μV數值換算的對照表。