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信號發生器是指產生所需參數的電測試信號的儀器。按信號波形可分為正弦信號、函數(波形)信號、脈衝信號和隨機信號發生器等四大類。信號發生器又稱信號源或振蕩器,在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各種波形曲線均可以用三角函數方程式來表示。能夠產生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波(含方波)、正弦波的電路被稱為函數信號發生器。

1 信號發生器 -概述

信號發生器信號發生器的振蕩電路
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。在測試、研究或調整電子電路及設備時,為測定電路的一些電參量,如測量頻率響應、雜訊係數,為電壓表定度等,都要求提供符合所定技術條件的電信號,以模擬在實際工作中使用的待測設備的激勵信號。當要求進行系統的穩態特性測量時,需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。當測試系統的瞬態特性時,又需使用前沿時間、脈衝寬度和重複周期已知的矩形脈衝源。並且要求信號源輸出信號的參數,如頻率、波形、輸出電壓或功率等,能在一定範圍內進行精確調整,有很好的穩定性,有輸出指示。

信號源可以根據輸出波形的不同,劃分為正弦波信號發生器、矩形脈衝信號發生器、函數信號發生器和隨機信號發生器等四大類。正弦信號是使用最廣泛的測試信號。這是因為產生正弦信號的方法比較簡單,而且用正弦信號測量比較方便。正弦信號源又可以根據工作頻率範圍的不同劃分為若干種。

2 信號發生器 -結構

信號發生器雙晶振的方波發生器原理結構
1、內部帶有掃頻輸出功能(全頻段掃頻時間小於5秒)

是指低頻信號發生器具有從低頻開始到高頻(或反之)自動變化的功能即完成100H——20KHZ中間所有頻率的低到高或高到低的變化過程,而這一次過程的時間為5秒。

2、帶有外部掃頻控制輸入介面(控制信號為電壓0-5V,控制電流小於1mA)

是指低頻信號發生器所輸出的頻率可以由外部進行控制(有外部控制介面),外部控制頻率變化的電壓是0-5V,控制電流小於1mA。當外部控制電壓在0-5V變化時,低頻信號發生器可以輸出可以在100HZ到20KHZ之間變化。
希望以上回答能讓你對問題有充分的理解。

3 信號發生器 -工作原理

信號發生器用來產生頻率為20Hz~200kHz的正弦信號(低頻)。除具有電壓輸出外,有的還有功率輸出。所以用途十分廣泛,可用於測試或檢修各種電子儀器設備中的低頻放大器的頻率特性、增益、通頻帶,也可用作高頻信號發生器的外調製信號源。另外,在校準電子電壓表時,它可提供交流信號電壓。低頻信號發生器的原理:系統包括主振級、主振輸出調節電位器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器(輸出變壓器)和指示電壓表。

主振級產生低頻正弦振蕩信號,經電壓放大器放大,達到電壓輸出幅度的要求,經輸出衰減器可直接輸出電壓,用主振輸出調節電位器調節輸出電壓的大小。

信號發生器電源自適應的方波發生器原理圖
右圖的電路是一種不用電源的方波發生器,可供電子愛好者和實驗室作簡易信號源用。電路是由六反相器CD4096組成的自適應方波發生器。當輸入端輸入小信號正弦波時,該信號分兩路傳輸,其一路徑C1、D1、D2、C2迴路,完成整流倍壓功能,給CD4096提供工作電源;另一路徑電容C3耦合,進入CD4096的一個反相器的輸入端,完成信號放大功能(反相器在小信號工作時,可作放大器用)。該放大信號經后級的門電路處理,變換成方波后經CD4096的12、8、10腳輸出。輸出端的R2為可調電阻,以保證輸出端信號從0~1.25V可調。該方波發生器電路簡單,製作容易,因此可利用該方波發生器電路,作市電供電的50Hz方波發生器。製作時,市電220V的正弦波,應經變壓器隔離降壓(1~0.75V)處理后,輸入到電路的輸入端,以保安全。

4 信號發生器 -分類介紹

信號發生器用555製作的多波形信號發生器
正弦信號發生器:正弦信號主要用於測量電路和系統的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。按頻率覆蓋範圍分為低頻信號發生器、高頻信號發生器和微波信號發生器;按輸出電平可調節範圍和穩定度分為簡易信號發生器(即信號源)、標準信號發生器(輸出功率能準確地衰減到-100分貝毫瓦以下)和功率信號發生器(輸出功率達數十毫瓦以上);按頻率改變的方式分為調諧式信號發生器、掃頻式信號發生器、程式控制式信號發生器和頻率合成式信號發生器等。

低頻信號發生器:包括音頻(200~20000赫)和視頻 (1赫~10兆赫)範圍的正弦波發生器。主振級一般用RC式振蕩器,也可用差頻振蕩器。為便於測試系統的頻率特性,要求輸出幅頻特性平和波形失真小。

高頻信號發生器:頻率為 100千赫~30兆赫的高頻、30~300兆赫的甚高頻信號發生器,300MHz以上超高信號源。一般採用 LC調諧式振蕩器,頻率可由調諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測量各種接收機的技術指標。輸出信號可用內部或外加的低頻正弦信號調幅或調頻,使輸出載頻電壓能夠衰減到1微伏以下。(圖1)的輸出信號電平能準確讀數,所加的調幅度或頻偏也能用電錶讀出。此外,儀器還有防止信號泄漏的良好屏蔽。

信號發生器標準信號發生器

微波信號發生器:從分米波直到毫米波波段的信號發生器。信號通常由帶分佈參數諧振腔的超高頻三極體和反射速調管產生,但有逐漸被微波晶體管、場效應管和耿氏二極體等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機械調諧腔體來改變頻率,每台可覆蓋一個倍頻程左右,由腔體耦合出的信號功率一般可達10毫瓦以上。簡易信號源只要求能加1000赫方波調幅,而標準信號發生器則能將輸出基準電平調節到1毫瓦,再從后隨衰減器讀出信號電平的分貝毫瓦值;還必須有內部或外加矩形脈衝調幅,以便測試雷達等接收機。

掃頻和程式控制信號發生器:掃頻信號發生器能夠產生幅度恆定、頻率在限定範圍內作線性變化的信號。在高頻和甚高頻段用低頻掃描電壓或電流控制振蕩迴路元件(如變容管或磁芯線圈)來實現掃頻振蕩;在微波段早期採用電壓調諧掃頻,用改變返波管螺旋線電極的直流電壓來改變振蕩頻率,後來廣泛採用磁調諧掃頻,以YIG鐵氧體小球作微波固體振蕩器的調諧迴路,用掃描電流控制直流磁場改變小球的諧振頻率。掃頻信號發生器有自動掃頻、手控、程式控制和遠控等工作方式。

頻率合成式信號發生器:這種發生器的信號不是由振蕩器直接產生,而是以高穩定度石英振蕩器作為標準頻率源,利用頻率合成技術形成所需之任意頻率的信號,具有與標準頻率源相同的頻率準確度和穩定度。輸出信號頻率通常可按十進位數字選擇,最高能達11位數字的極高分辨力。頻率除用手動選擇外還可程式控制和遠控,也可進行步級式掃頻,適用於自動測試系統。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成,變換頻率迅速但電路複雜,最高輸出頻率只能達1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標準頻率源通過鎖相環控制電調諧振蕩器(在環路中同時能實現倍頻、分頻和混頻),使之產生並輸出各種所需頻率的信號。這種合成器的最高頻率可達26.5吉赫。高穩定度和高分辨力的頻率合成器,配上多種調製功能(調幅、調頻和調相),加上放大、穩幅和衰減等電路,便構成一種新型的高性能、可程式控制的合成式信號發生器,還可作為鎖相式掃頻發生器。

函數發生器:又稱波形發生器。它能產生某些特定的周期性時間函數波形(主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈衝波等)信號。頻率範圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。除供通信、儀錶和自動控制系統測試用外,還廣泛用於其他非電測量領域。圖2為產生上述波形的方法之一,將積分電路與某種帶有回滯特性的閾值開關電路(如施米特觸發器)相連成環路,積分器能將方波積分成三角波。施米特電路又能使三角波上升到某一閾值或下降到另一閾值時發生躍變而形成方波,頻率除能隨積分器中的RC值的變化而改變外,還能用外加電壓控制兩個閾值而改變。將三角波另行加到由很多不同偏置二極體組成的整形網路,形成許多不同斜度的折線段,便可形成正弦波。另一種構成方式是用頻率合成器產生正弦波,再對它多次放大、削波而形成方波,再將方波積分成三角波和正、負斜率的鋸齒波等。對這些函數發生器的頻率都可電控、程式控制、鎖定和掃頻,儀器除工作於連續波狀態外,還能按鍵控、門控或觸發等方式工作。

信號發生器函數發生器

脈衝信號發生器:產生寬度、幅度和重複頻率可調的矩形脈衝的發生器,可用以測試線性系統的瞬態響應,或用模擬信號來測試雷達、多路通信和其他脈衝數字系統的性能。脈衝發生器主要由主控振蕩器、延時級、脈衝形成級、輸出級和衰減器等組成。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路,除能自激振蕩外,主要按觸發方式工作。通常在外加觸發信號之後首先輸出一個前置觸發脈衝,以便提前觸發示波器等觀測儀器,然後再經過一段可調節的延遲時間才輸出主信號脈衝,其寬度可以調節。有的能輸出成對的主脈衝,有的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈衝。

隨機信號發生器:隨機信號發生器分為雜訊信號發生器和偽隨機信號發生器兩類。

雜訊信號發生器: 完全隨機性信號是在工作頻帶內具有均勻頻譜的白雜訊。常用的白雜訊發生器主要有:工作於1000兆赫以下同軸線系統的飽和二極體式白雜訊發生器;用於微波波導系統的氣體放電管式白雜訊發生器;利用晶體二極體反向電流中雜訊的固態雜訊源(可工作在18吉赫以下整個頻段內)等。雜訊發生器輸出的強度必須已知,通常用其輸出雜訊功率超過電阻熱雜訊的分貝數(稱為超噪比)或用其雜訊溫度來表示。雜訊信號發生器主要用途是:①在待測系統中引入一個隨機信號,以模擬實際工作條件中的雜訊而測定系統的性能;②外加一個已知雜訊信號與系統內部雜訊相比較以測定雜訊係數;③用隨機信號代替正弦或脈衝信號,以測試系統的動態特性。例如,用白雜訊作為輸入信號而測出網路的輸出信號與輸入信號的互相關函數,便可得到這一網路的衝激響應函數。

偽隨機信號發生器:用白雜訊信號進行相關函數測量時,若平均測量時間不夠長,則會出現統計性誤差,這可用偽隨機信號來解決。當二進位編碼信號的脈衝寬度墹T足夠小,且一個碼周期所含墹TN很大時,則在低於fb=1/墹T的頻帶內信號頻譜的幅度均勻,稱為偽隨機信號。只要所取的測量時間等於這種編碼信號周期的整數倍,便不會引入統計性誤差。二進碼信號還能提供相關測量中所需的時間延遲。偽隨機編碼信號發生器由帶有反饋環路的n級移位寄存器組成,所產生的碼長為N=2-1

信號發生器的應用

信號發生器又稱信號源或振蕩器,在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各種波形曲線均可以用三角函數方程式來表示。能夠產生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波(含方波)、正弦波的電路被稱為函數信號發生器。函數信號發生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統中,都需要射頻(高頻)發射,這裡的射頻波就是載波,把音頻(低頻)、視頻信號或脈衝信號運載出去,就需要能夠產生高頻的振蕩器。在工業、農業、生物醫學等領域內,如高頻感應加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等,都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。

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