信号发生器的常见类型以及如何正确选择

问：什么是信号发生器？它有什么作用？
答：信号发生器是一种电子设备，能够产生特定频率、幅度和波形的电信号。它的核心功能是为电子系统提供可控制的测试信号，帮助工程师验证电路性能、调试设备或校准仪器。
例如：

• 在研发收音机时，用信号发生器模拟广播信号，测试接收灵敏度；
• 维修手机主板时，注入正弦波信号，追踪音频电路故障点；
• 校准示波器时，输出标准方波验证时间基准精度。

问：信号发生器有哪些常见类型？
答：根据输出信号类型和应用场景，主要分为以下五类：

1. 函数发生器：可产生正弦波、方波、三角波等基础波形，适合通用电路测试。
2. 射频（RF）信号发生器：输出高频信号（通常1MHz~40GHz），用于无线通信设备测试。
3. 任意波形发生器（AWG）：支持用户自定义复杂波形（如心电图、雷达脉冲）。
4. 脉冲发生器：专精窄脉冲信号，用于数字电路时序分析。
5. 音频信号发生器：输出20Hz~20kHz范围内的信号，针对音响设备调试。

问：信号发生器是如何生成波形的？
答：常见波形生成技术包括：

1. 模拟振荡电路：
   • 使用RC或LC振荡器产生正弦波，通过波形整形电路转换方波或三角波。
   • 优点：成本低，高频特性好；缺点：频率稳定性较差。
2. 直接数字合成（DDS）：
   • 将波形数据存储在内存中，通过数模转换器（DAC）输出模拟信号。
   • 优点：频率分辨率高（可达μHz级），支持复杂波形；缺点：高频输出受限。
3. 锁相环（PLL）：
   • 结合晶体振荡器的稳定性与频率合成技术，实现宽范围高频信号。
   • 多用于RF信号发生器。

问：信号发生器的主要参数有哪些？如何理解这些参数？
答：关键参数包括：

1. 频率范围：
   • 如1μHz~120MHz（函数发生器）、100kHz~20GHz（RF发生器）。
   • 需确保覆盖被测设备的工作频段。
2. 输出幅度：
   • 通常以峰峰值（Vpp）或有效值（Vrms）表示，范围从mV级至数十伏。
   • 高端机型支持幅度自动调节（ALC功能）。
3. 波形失真度：
   • 衡量信号纯净度的指标，例如正弦波总谐波失真（THD）＜0.1%。
4. 调制功能：
   • 支持调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）等，用于通信系统测试。

问：如何选择适合的信号发生器？
答：选型需综合考虑以下因素：

1. 应用场景：
   • 音频电路测试：选带宽20kHz以内的音频发生器；
   • 5G基站调试：需6GHz以上的RF信号源。
2. 信号类型需求：
   • 基础研发：函数发生器即可满足；
   • 雷达模拟：需AWG生成脉冲序列。
3. 预算限制：
   • 入门级函数发生器价格约千元，高端射频信号源可达百万元。
4. 扩展功能：
   • 需远程控制时选择支持LAN/USB接口的型号；
   • 多通道同步输出需求选配多台联调功能。

问：使用信号发生器时需要注意哪些事项？
答：操作规范与注意事项：

1. 阻抗匹配：
   • 输出端与负载阻抗需匹配（通常50Ω或1MΩ），避免信号反射导致测量误差。
2. 过载保护：
   • 禁止向信号发生器输出端反向输入电压，可能损坏内部电路。
3. 接地安全：
   • 使用三芯电源线并确保接地良好，防止静电或漏电风险。
4. 温度影响：
   • 高频信号源需预热30分钟以上，待晶振稳定后再进行精密测量。

问：信号发生器的校准周期是多久？如何校准？
答：

1. 校准周期：
   • 工业级设备建议每年校准一次；
   • 实验室高精度仪器每6个月校准。
2. 校准方法：
   • 频率精度：用频率计数器对比输出信号；
   • 幅度精度：通过标准功率计或高精度示波器验证；
   • 失真度：使用频谱分析仪测量谐波成分。
3. 自检功能：
   • 部分高端机型内置自校准程序，可一键完成基础参数校正。

问：信号发生器在通信系统测试中有哪些应用？
答：典型应用案例：

1. 基站接收灵敏度测试：
   • 用RF信号源模拟微弱信号，检测基站最低可识别功率。
2. 调制误差分析：
   • 发射已知调制信号（如QPSK），通过矢量信号分析仪计算误差矢量幅度（EVM）。
3. 多径干扰模拟：
   • 通过AWG生成延迟叠加信号，测试接收机抗干扰能力。

问：函数发生器的“占空比”调节有什么用？
答：占空比指方波信号高电平时间与周期的比值，调节作用包括：

1. 数字电路测试：
   • 模拟不同占空比的时钟信号，验证逻辑电路时序容限。
2. 电机控制：
   • 生成PWM信号驱动电机，占空比直接关联转速或扭矩。
3. 电源设计：
   • 测试开关电源在不同占空比下的效率与稳定性。

问：什么是“任意波形发生器”？它能模拟哪些特殊信号？
答：任意波形发生器（AWG）的特点与应用：

1. 核心功能：
   • 支持用户导入或编辑波形数据，突破常规波形限制。
2. 典型模拟信号：
   • 医疗设备测试：心电图（ECG）、脑电波（EEG）信号；
   • 汽车电子：CAN总线数据帧、传感器故障脉冲；
   • 军工领域：雷达脉冲、跳频通信信号。
3. 文件格式：
   • 可通过CSV、WAV等格式导入波形，部分机型支持Matlab直接生成。

问：信号发生器连接被测设备时，为什么会显示幅度衰减？
答：常见原因与解决方案：

1. 阻抗不匹配：
   • 现象：输出设为1Vpp（50Ω负载），连接高阻设备时实测仅0.5Vpp。
   • 对策：调整发生器输出阻抗设置，或使用阻抗匹配网络。
2. 线缆损耗：
   • 高频信号（＞100MHz）通过普通线缆时衰减显著。
   • 对策：换用低损耗同轴电缆（如SMA接口镀银线）。
3. 探头误设置：
   • 示波器探头置于×10档但未校正，导致测量值偏低。
   • 对策：检查探头衰减比并与仪器设置一致。

问：如何用信号发生器测试放大电路的频率响应？
答：操作步骤示例：

1. 连接设备：
   • 信号发生器输出→放大器输入→示波器监测输出。
2. 设置参数：
   • 输出正弦波，幅度为放大器额定输入值（如100mVpp）。
3. 扫频测试：
   • 从低频（如10Hz）逐步增加频率，记录输出电压直至下降3dB（即-3dB截止频率）。
4. 自动化替代：
   • 使用带扫频功能的信号发生器，配合频谱分析仪自动生成伯德图。

问：信号发生器与示波器有什么区别？
答：核心区别对比：

总结
信号发生器作为电子测试领域的“信号源泉”，贯穿产品研发、生产与维护全周期。理解其工作原理、掌握选型技巧与操作规范，不仅能提升测试效率，还能为复杂系统提供精准的激励信号。无论是工程师调试5G模块，还是学生实验验证电路理论，熟练运用信号发生器都是不可或缺的核心技能。通过合理维护与定期校准，可确保仪器长期稳定服务于科研与工业应用。