函式信號產生器

信號發生器又稱信號源或振盪器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的套用。各種波形曲線均可以用三角函式方程式來表示。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式信號發生器。

函式信號發生器的幾種實現方法

（1）用分立元件組成的函式發生器：通常是單函式發生器且頻率不高，其工作不很穩定，不易調試。 　（2）可以由電晶體、運放ic等通用器件製作，更多的則是用專門的函式信號發生器ic產生。早期的函式信號發生器ic，如l8038、ba205、xr2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300khz，無法產生更高頻率的信號，調節方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調節，二者互相影響。 　（3）利用單片集成晶片的函式發生器：能產生多種波形，達到較高的頻率，且易於調試。鑒於此，美國美信公司開發了新一代函式信號發生器icmax038，它克服了（2）中晶片的缺點，可以達到更高的技術指標，是上述晶片望塵莫及的。max038頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函式信號發生器ic。在鎖相環、壓控振盪器、頻率合成器、脈寬調製器等電路的設計上，max038都是優選的器件。 　（4）利用專用直接數字合成DDS晶片的函式發生器：能產生任意波形並達到很高的頻率。但成本較高。 　產生所需參數的電測試信號儀器。按其信號波形分為四大類：①正弦信號發生器。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。按其不同性能和用途還可細分為低頻（20赫至10兆赫）信號發生器、高頻（100千赫至300兆赫）信號發生器、微波信號發生器、掃頻和程控信號發生器、頻率合成式信號發生器等。②函式（波形）信號發生器。能產生某些特定的周期性時間函式波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈衝波等）信號，頻率範圍可從幾個微赫到幾十兆赫。除供通信、儀表和自動控制系統測試用外，還廣泛用於其他非電測量領域。③脈衝信號發生器。能產生寬度、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回響，或用作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。④隨機信號發生器。通常又分為噪聲信號發生器和偽隨機信號發生器兩類。噪聲信號發生器主要用途為：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噪聲而測定系統性能；外加一個已知噪聲信號與系統內部噪聲比較以測定噪聲係數；用隨機信號代替正弦或脈衝信號，以測定系統動態特性等。當用噪聲信號進行相關函式測量時，若平均測量時間不夠長，會出現統計性誤差，可用偽隨機信號來解決。

函式信號產生器的認識

信號發生器一般區分為函式信號發生器及任意波形發生器，而函式波形發生器在設計上又區分出模擬及數字合成式。眾所周知，數字合成式函式信號源無論就頻率、幅度乃至信號的信噪比（s/n）均優於模擬，其鎖相環（ pll）的設計讓輸出信號不僅是頻率精準，而且相位抖動(phase jitter)及頻率漂移均能達到相當穩定的狀態，但畢竟是數字式信號源，數字電路與模擬電路之間的干擾，始終難以有效克服，也造成在小信號的輸出上不如模擬式的函式信號發生器。 　談及模擬式函式信號源，結構圖如下： 　這是通用模擬式函式信號發生器的結構，是以三角波產生電路為基礎經二極體所構成的正弦波整型電路產生正弦波，同時經由比較器的比較產生方波。 　而三角波是如何產生的，公式如下： 　換句話說，如果以恆流源對電容充電，即可產生正斜率的斜波。同理，右以恆流源將儲存在電容上的電荷放電即產生負斜率的斜波，電路結構如下： 　當i1 =i2時，即可產生對稱的三角波，如果i1 > >i2，此時即產生負斜率的鋸齒波，同理i1 < < i2即產生正斜率鋸齒波。 　再如圖二所示，開關sw1的選擇即可讓充電速度呈倍數改變，也就是改變信號的頻率，這也就是信號源面板上頻率檔的選擇開關。同樣的同步地改變i1及i2，也可以改變頻率，這也就是信號源上調整頻率的電位器，只不過需要簡單地將原本是電壓信號轉成電流而已。 　而在占空比調整上的設計有下列兩種思路： 　1、頻率（周期）不變，脈寬改變，其方法如下： 　改變電平的幅度，亦即改變方波產生電路比較器的參考幅度，即可達到改變脈寬而頻率不變的特性，但其最主要的缺點是占空比一般無法調到20]以下，導致在採樣電路實驗時，對瞬時信號所採集出來的信號有所變動，如果要將此信號用來作模數（a/d)轉換，那么得到的數位訊號就發生變動而無所適從。但不容否認的在使用上比較好調。 　2、占空比變，頻率跟著改變，其方法如下： 　將方波產生電路比較器的參考幅度予以固定（正、負可利用電路予以切換），改變充放電斜率，即可達成。extpage] 　這種方式的設計一般使用者的反應是“難調”，這是大缺點，但它可以產生10]以下的占空比卻是在採樣時的必備條件。 　以上的兩種占空比調整電路設計思路，各有優缺點，當然連帶的也影響到是否能產生“像樣的”鋸齒波。 　接下來pa（功率放大器）的設計。首先是利用運算放大器（op) ，再利用推拉式(push-pull)放大器（注意交越失真cross-distortion的預防）將信號送到衰減網路，這部分牽涉到信號源輸出信號的指標，包含信噪比、方波上升時間及信號源的頻率回響，好的信號源當然是正弦波信噪比高、方波上升時間快、三角波線性度要好、同時伏頻特性也要好，（也即頻率上升，信號不能衰減或不能減太大），這部分電路較為複雜，尤其在高頻時除利用電容作頻率補償外，也牽涉到pc板的布線方式，一不小心，極易引起振盪，想設計這部分電路，除原有的模擬理論基礎外尚需具備實際的經驗，“try error”的耐心是不可缺少的。 　pa信號出來後，經過π型的電阻式衰減網路，分別衰減10倍（20db)或100倍（40db),此時一部基本的函式波形發生器即已完成。（注意：選用π型衰減網路而不是分壓電路是要讓輸出阻抗保持一定）

函式信號產生器其餘功能

一台功能較強的函式波形發生器，還有掃頻、vcg、ttl、 trig、 gate及頻率計等功能，其設計方式在此也順便一提： 　1. 掃頻：一般分成線性（lin)及對數（log)掃頻； 　2. vcg：即一般的fm，輸入一音頻信號，即可與信號源本身的信號產生頻率調製； 　上述兩項設計方式，第1項要先產生鋸齒波及對數波信號，並與第2項的輸入信號經過多路器（multiplexer)選擇，然後再經過電壓對電流轉換電路，同步地去加到圖二中的i1、i2上； 　3. ttl同步輸出：將方波經三極體電路轉成0(low)、5v(high)的ttl信號即可。 　但注意這樣的ttl信號須再經過緩衝門（buffer)後才能輸出，以增加扇出數（fan out)，通常有時還並聯幾個buffer。而ttl inv則只要加個not gate即可； 　4. trig功能：類似one shot功能，輸入一個ttl信號，則可讓信號源產生一個周期的信號輸出，設計方式是在沒信號輸入時，將圖二的swi接地即可； 　5. gate功能：即輸入一個ttl信號，讓信號源在輸入為hi時，產生波形輸出，直到輸入為low時，圖二swi接地而關掉信號源輸出； 　6. 頻率計：除市場上簡易的刻度盤顯示之外，無論是led數碼管或lcd液晶顯示頻率，其與頻率計電路是重疊的，方塊圖如下：