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  • 信号发生器的基本原理及使用与测量单位

    文/ 发布于2017-08-11 浏览次数:810

      信号发生器的基本原理

      现代信号发生器的结构非常复杂,与早期的简易信号发生器天差地别,但总体基本结构功能单元还是类似的。信号发生器的主要部件有频率产生单元、调制单元、缓冲放大单元、衰减输出单元、显示单元、控制单元。早期的信号发生器都采用模拟电路,现代信号发生器越来越多地使用数字电路或单片机控制,内部电路结构上有了很大的变化。

      频率产生单元是信号发生器的基础和核心。早期的高频信号发生器采用模拟电路LC振荡器,低频信号发生器则较多采用文氏电桥振荡器和RC移相振荡器。由于早期没有频率合成技术,所以上述LC、RC振荡器优点是结构简单,可以产生连续变化的频率,缺点是频率稳定度不够高。早期产品为了提高信号发生器频率稳定度,在可变电容的精密调节方面下了很多功夫,不少产品都设计了精密的传动机构和指示机构,所以很多早期的高级信号发生器体积大、重量重。后来,人们发现采用石英晶体构成振荡电路,产生的频率稳定,但是石英晶体的频率是固定的,在没有频率合成的技术条件下,只能做成固定频率信号发生器。之后也出现过压控振荡器,虽然频率稳定度比LC振荡器好些,但依然不够理想,不过压控振荡器摆脱了LC振荡器的机械结构,可以大大缩减仪器的体积,同时电路不太复杂,成本也不高。现在一些低端的函数信号发生器依然采用这种方式。

      随着PLL锁相环频率合成器电路的兴起,高档信号发生器纷纷采用频率合成技术,其优点是频率输出稳定(频率合成器的参考基准频率由石英晶体产生),频率可以步进调节,频率显示机构可以用数字化显示或者直接设置。早期的高精度信号发生器为了得到较小的频率步进,将锁相环做得非常复杂,成本很高,体积和重量都很大。目前的中高端信号发生器采用了更先进的DDS频率直接合成技术,具有频率输出稳定度高、频率合成范围宽、信号频谱纯净度高等优点。由于DDS芯片高度集成化,所以信号发生器的体积很小。

      信号发生器的工作频率范围、频率稳定度、频率设置精度、相位噪声、信号频谱纯度都与频率产生单元有关,也是信号发生器性能的重要指标。

      信号发生器的一大特性就是可以操控仪器输出信号的幅度,信号通过特定组合衰减量的衰减器达到预定的输出幅度。早期的衰减器是机械式的,通过刻度来读取衰减量或输出幅度。现代中高档信号发生器的衰减器单元由单片机控制继电器来切换,向电子芯片化过渡,衰减单元的衰减步进量不断缩小,精度相应提高。大频率范围的高精度衰减器和高精度信号输出属于高科技技术,这也是国内很少有企业能制造高端信号发生器的原因之一。信号发生器的信号输出范围和输出电平的精度和准确度也是标志信号发生器性能的重要指标。

      

      信号发生器的使用与测量单位

      普通标准信号发生器使用比较简单,首先是设置工作频率,高频信号发生器一般采用“MHz”作单位,工作频率较低的信号发生器,如函数信号发生器,也有以“kHz”作单位的。其次是选择调制方式或波形,就是选择AM还是FM,或者选择正弦波还是方波,再次按需设定调制频率,最后设定信号输出幅度。

      信号发生器的信号输出幅度有多种表示单位,有电压单位V、mV、μV(也可以用dB表示为dBμV和dB mV),功率单位dBm。它们之间的换算可以通过查表或者计算求得。现在很多中高档信号发生器输出幅度设定的单位是可以选择的,方便用户应用。一般大部分对讲机说明书中标称灵敏度的单位是μV(微伏),而很多信号发生器和综合测试仪常用dBm作为测量单位。附表是50ω系统dBm与μV数值换算的对照表。

      业余电台爱好者在使用信号发生器调测对讲机时,切忌不要使对讲机误发射,有的信号发生器没有反向功率输入保护,或者反向输入保护承受功率有限,极容易导致信号发生器内部衰减器损坏,导致信号输出电平不准。保护信号发生器的土办法是在信号源输出口安装20~30dB的衰减器,这样可以将对讲机误发射时对信号发生器造成的影响降到最小,适合在非精密测量要求下使用。安装衰减器后,只要将信号发生器输出信号幅度读数减去衰减器衰减量即可,多了一个简单的数学运算而已。

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