Современные измерительные генераторы сигналов

Ìîñêâà, 2023

В. П. Дьяконов

Современные
измерительные
генераторы сигналов

2-е издание, электронное

УДК 621.375.132
ББК 32.846.6
Д93

Д93
Дьяконов, Владимир Павлович.

Современные измерительные генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — 2-е изд., эл. — 
1 файл pdf : 378 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader 
XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-494-0
В книге описано современное состояние техники генерации сигналов различной формы (синусоидальных 
и импульсных) в широком диапазоне частот (от инфранизких до десятков ГГц) и амплитуд. 
Особое внимание уделено описанию серийных генераторов синусоидальных и импульсных сигналов, 
функциональных генераторов, генераторов с цифровым синтезом формы сигналов и генераторов 
сигналов произвольной формы. Приведено много примеров применения генераторов сигналов 
в исследовании, тестировании и отладке современной телекоммуникационной, связной и радиолокационной 
аппаратуры, а также в технике физического эксперимента.
Издание рассчитано на научных работников, инженеров, аспирантов, преподавателей и студентов 
университетов и вузов.

УДК 621.375.132 
ББК 32.846.6

Электронное издание на основе печатного издания: Современные измерительные генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — 
Москва : ДМК Пресс, 2011. — 378 с. — ISBN 978-5-94074-709-3. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то 
ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно 
существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим 
издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, 
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-494-0
©  Дьяконов В. П., 2011
© Оформление, ДМК Пресс, 2011

Содержание

3

Предисловие и обзор литературы .....................................10

Благодарности и адреса для переписки .............................14

Глава 1. Генераторы синусоидальных сигналов ...................15

1.1. Основные типы сигналов и их параметры ...................................................... 15

1.1.1. Сигналы постоянного уровня .................................................................. 15

1.1.2. Источники постоянного напряжения и тока ............................................ 16

1.1.3. Погрешность измерений в цепях постоянного тока ................................ 18

1.1.4. Фон, наводки и шум источников постоянного напряжения и тока ........... 20

1.2. Источники переменного напряжения и тока .................................................. 21

1.2.1. Параметры синусоидального напряжения и тока .................................... 21

1.2.2. Истинное среднеквадратическое значение (True RMS) .......................... 22

1.2.3. Типы источников синусоидального напряжения ..................................... 24

1.2.4. Фазовый шум генераторов ..................................................................... 25

1.3. Схемотехника аналоговых генераторов синусоидальных сигналов ...............26

1.3.1. Обобщенная схема аналогового генератора синусоидального
напряжения ................................................................................................. 26

1.3.2. RCгенераторы ....................................................................................... 28

1.3.3. LCгенераторы синусоидального напряжения ........................................ 30

1.3.4. Генераторы на пьезокерамических фильтрах.......................................... 34

1.3.5. Кварцевые резонаторы и генераторы ..................................................... 35

1.3.6. Промышленные модули кварцевых генераторов .................................... 39

1.3.7. Пути улучшения параметров генераторов синусоидальных сигналов ..... 40

1.4. Серийные RCгенераторы низких частот .......................................................43

1.4.1. Генератор сигналов низкочастотный Г3118 ........................................... 43

1.4.2. Генераторы, выпускаемые фирмой МНИПИ ............................................ 43

1.4.3. Генератор Г3126 .................................................................................... 44

1.4.4. Звуковые генераторы GAG 809/810 фирмы GW Instek ............................ 45

1.5. Аналоговые ВЧи СВЧгенераторы синусоидальных сигналов ...................... 46

1.5.1. Основные типы генераторов стандартных сигналов ............................... 46

1.5.2. Советские ВЧгенераторы стандартных сигналов .................................. 47

1.5.3. Радиочастотные генераторы HG1500/1500D фирмы MCP .................... 48

1.5.4. Радиочастотный генератор GRG450B фирмы GW Instek ........................ 49

1.5.5. Аналоговые СВЧгенераторы синусоидальных сигналов ........................ 50

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

4

1.6. Основы цифрового синтеза частоты и формы сигналов ................................52

1.6.1. Основные методы цифрового синтеза сигналов..................................... 52

1.6.2. Генераторы на основе цифрового синтезатора частот............................ 52

1.6.3. Генераторы произвольных функций (AFG) .............................................. 54

1.6.4. Генераторы сигналов произвольной формы (AWG) ................................. 55

1.6.5. Шум квантования у генераторов с цифровым синтезом формы
сигналов ...................................................................................................... 55

1.7. Генераторы синусоидальных сигналов с цифровым синтезом умеренной
сложности .......................................................................................................58

1.7.1. Отечественные генераторы с цифровым синтезом ................................ 58

1.7.2. Генератор SG1501B фирмы JungJin ...................................................... 60

1.7.3. Генератор VC2003 фирмы VICTOR ........................................................... 61

1.7.4. Генераторы высокочастотные АKTAKOM AHP2015/ 2150 ....................... 62

1.7.5. Генераторы высокочастотные АКИП ГСВЧ3000 ..................................... 63

1.8. Генераторы с цифровым синтезом фирмы Agilent Technologies .....................63

1.8.1. Генератор аналоговых сигналов E4428C ................................................. 63

1.8.2. Генератор аналоговых сигналов N5181C MSG ........................................ 65

1.8.3. Генератор аналоговых сигналов E8663B ................................................. 65

1.8.4. Генератор N9310A RF .............................................................................. 66

1.8.5. Генератор E8257D PSG с частотой до 67 ГГц ........................................... 68

1.9. Генераторы синусоидальных сигналов фирмы ROHDE&SCHWARE .................69

1.9.1. Портативный переносный генератор R&S SM300 ................................... 69

1.9.2. Стационарные генераторы R&S серии SML/SMV .................................... 70

1.9.3. Стационарные генераторы R&S SMA/SMB/SMF100A ............................. 71

1.9.4. Серия генераторов R&S SMP0* с частотами до 20, 27 и 40 ГГц ............... 73

1.9.5. Серия генераторов R&S SMR** с частотами до 60 ГГц ............................ 74

1.9.6. Векторное представление сигналов и цифровая модуляция .................. 75

1.9.7. Векторные генераторы фирмы R&S SMU200A/SMJ100A/SMATE200A .... 77

1.9.8. Векторные генераторы фирмы Model 2910 Keithley ................................ 79

1.10. Генератор со сверхмалыми нелинейными искажениями DS360 фирмы
Stanford Research Systems ..............................................................................81

1.11. Генераторы качающейся частоты (ГКЧ) и измерители АЧХ ...........................82

1.11.1. Промышленные ГКЧ и измерители АЧХ................................................. 82

1.11.2. Работа с измерителем АЧХ Х150 ......................................................... 84

1.12. Гетеродинные индикаторы резонанса (ГИР) ................................................88

1.12.1. Назначение и принципы работы ГИР ..................................................... 88

1.12.2. Простой ГИР на одном полевом транзисторе ....................................... 89

1.12.3. ГИР на транзисторном аналоге негатрона ............................................ 90

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

5

Глава 2. Генераторы импульсов ........................................91

2.1. Импульсные сигналы и принципы их генерации ............................................91

2.1.1. Формы и параметры импульсов.............................................................. 91

2.1.2. Принципы генерации импульсных сигналов ........................................... 94

2.1.3. Спектр сигналов ..................................................................................... 95

2.2. Схемотехника простых генераторов импульсов.............................................98

2.2.1. Импульсные генераторы на транзисторах и интегральных
микросхемах ............................................................................................... 98

2.2.2. Импульсные генераторы на интегральном таймере ............................... 99

2.2.3. Обзор импульсных устройств на негатронах ......................................... 102

2.2.4. Импульсные устройства на однопереходных транзисторах .................. 104

2.2.5. Особенности лавинных транзисторов ................................................... 106

2.2.6. Емкостной релаксатор на лавинном транзисторе ................................. 108

2.2.7. Генератор прямоугольных импульсов на лавинном транзисторе
с накопительной линией ............................................................................ 110

2.2.8. Генератор наносекундных импульсов тока в 25 А на лавинном
транзисторе .............................................................................................. 111

2.3. Серийные генераторы импульсов ............................................................... 114

2.3.1. Обзор рынка серийных генераторов импульсов ................................... 114

2.3.2. Типовая функциональная схема аналогового импульсного
генератора ................................................................................................ 114

2.3.3. Отечественные серийные генераторы микросекундных импульсов ..... 115

2.3.4. Отечественные серийные генераторы наносекундных
импульсов ................................................................................................. 118

2.3.5. Универсальные генераторы импульсов серии 8500 фирмы Tabor ........ 122

2.4. Генераторы телевизионных сигналов .......................................................... 123

2.4.1. Назначение и особенности генераторов телевизионных
сигналов .................................................................................................... 123

2.4.2. Генератор телевизионных сигналов PG401L фирмы EZ Digital ............. 124

2.4.3. Виртуальные генераторы телевизионных сигналов АКТАКОМ
AHP3125/3126 ......................................................................................... 125

2.4.4. Линейка генераторов телевизионных сигналов корпорации
Tektronix ..................................................................................................... 129

2.4.5. Стационарный генератор телевизионных сигналов Г635 .................... 131

2.5. Генераторы коротких импульсов .................................................................. 132

2.5.1. Принципы генерации импульсов с субнаносекундным временем
нарастания ................................................................................................ 132

2.5.2. Генератор HZ603 для испытания аналоговых осциллографов ............. 134

2.5.3. Исследование динамики излучения лазерных диодов .......................... 135

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

6

2.5.4. Генераторы пикосекундных импульсов серии 4000 фирмы
Picosecond Pulse Lab ................................................................................. 137

2.5.5. Импульсные генераторы и оптические модули фирмы DEI ................... 141

2.5.6. Высоковольтные модули HVS фирмы ALPHALAS ................................... 143

2.5.7. Генераторы наносекундных импульсов на фотоноинжекционных
импульсных коммутаторах ........................................................................ 145

Глава 3. Функциональные генераторы ............................. 151

3.1. Принципы построения функциональных генераторов .................................. 151

3.1.1. Основные типы функциональных генераторов ..................................... 151

3.1.2. Функциональные генераторы с интегратором на интегральном
операционном усилителе .......................................................................... 152

3.1.3. Пример простой схемы функционального генератора.......................... 153

3.1.4. Функциональные генераторы, управляемые напряжением или
током ......................................................................................................... 154

3.1.5. Формирователи синусоидального сигнала из треугольного ................. 157

3.2. Микросхема функционального генератора XR2206 .................................... 159

3.2.1. Назначение и вид микросхемы XR2206 ............................................... 159

3.2.2. Блоксхема и принципиальная схема микросхемы XR2206 ................. 160

3.2.3. Назначение выводов микросхемы XR2206 .......................................... 162

3.2.4. Типовая схема применения микросхемы XR2206 ................................ 162

3.3. Микросхема функционального генератора MAX038..................................... 165

3.3.1. Назначение и вид микросхемы MAX038 ................................................ 165

3.3.2. Функциональная схема микросхемы MAX038 ....................................... 165

3.3.3. Основные схемы включения микросхемы MAX038................................ 166

3.3.4. Осциллограммы и спектры сигналов микросхемы MAX038 .................. 166

3.4. Серийные аналоговые функциональные генераторы .................................. 168

3.4.1. Функциональные генераторы времен СССР ......................................... 169

3.4.2. Функциональные генераторы фирмы МНИПИ ...................................... 170

3.4.3. Функциональные генераторы фирмы Wavetek Meterman ...................... 173

3.4.4. Функциональные генераторы и частотомеры фирмы METEX ................ 173

3.4.5. Программа стыковки приборов METEX с компьютером ........................ 177

3.4.6. Измерительные комплексы MS9160/9170 фирмы METEX ................... 179

3.4.7. Функциональные генераторы MFG82**A фирмы MATRIX ..................... 181

3.4.8. Функциональные генераторы фирмы EZ Digital .................................... 184

3.4.9. Функциональный генератор VC2002 фирмы VICTOR............................. 186

3.4.10. Функциональные генераторы АКТАКОМ ............................................. 187

3.4.11. Заключительные замечания по аналоговым функциональным
генераторам .............................................................................................. 188

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

7

3.5. Функциональные генераторы с цифровым синтезом выходных сигналов .... 189

3.5.1. Принципы построения функциональных генераторов с цифровым
синтезом выходных сигналов .................................................................... 189

3.5.2. Генератор сигналов VC2003 фирмы VICTOR .......................................... 190

3.5.3. Программируемый функциональный генератор G5100 ........................ 191

3.5.4. Функциональный свипгенератор B821 фирмы Protek ......................... 192

3.5.5. Функциональные генераторы АКТАКОМ серии AHP .............................. 193

3.6. Виртуальные функциональные генераторы ................................................. 195

3.6.1. Назначение и особенности виртуальных функциональных
генераторов .............................................................................................. 195

3.6.2. Виртуальные функциональные генераторы фирмы Velleman ................ 195

3.6.3. Работа с виртуальным функциональным генератором фирмы
Velleman .................................................................................................... 198

3.6.4. Создание компьютеризированной лаборатории PCLab 2000 .............. 200

3.6.5. Функциональные генераторы АКТАКОМ AHP3121/3122 ...................... 201

3.6.6. Комбинированный прибор АKTAKOM АСК4106 ................................... 202

Глава 4. Генераторы сигналов произвольной формы .......... 207

4.1. Генераторы сигналов произвольной формы зарубежных фирм ................... 207

4.1.1. Назначение и особенности генераторов сигналов произвольной
формы ....................................................................................................... 207

4.1.2. Генераторы сигналов произвольной формы фирмы Protek................... 209

4.1.3. Генераторы сигналов произвольной формы AKTAKOM и АКИП ............. 209

4.1.4. Функциональный генератор 33220A фирмы Agilent .............................. 210

4.1.5. Двухканальный генератор произвольных сигналов R&S AM300 ............ 212

4.1.6. Генераторы произвольных сигналов фирмы Tabor ................................ 214

4.2. Многофункциональные генераторы произвольных сигналов серии
Tektronix АFG3000 ......................................................................................... 215

4.2.1. Внешний вид и органы управления генератора AFG3000...................... 215

4.2.2. Технические характеристики генераторов AFG3000 ............................. 219

4.2.3. Работа с генератором AFG3000 ............................................................ 220

4.2.4. Основные возможности генераторов AFG3101 ..................................... 221

4.2.5. Основные возможности генераторов AFG3251/3252............................ 233

4.3. Программное обеспечение генераторов AFG3000 ...................................... 237

4.3.1. Назначение программы ArbExpress и ее интерфейс ............................. 237

4.3.2. Создание сигналов стандартных форм ................................................. 238

4.3.3. Настройка на типы приборов и работа с файлами ................................ 240

4.3.4. Программирование формы сигналов ................................................... 242

4.3.5. Применение графического редактора формы сигналов ....................... 247

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

8

4.3.6. Математические операции с сигналами ............................................... 248

4.3.7. Построение сигнала по осциллограмме ............................................... 249

4.4. Работа измерительных приборов с системой MATLAB ................................. 253

4.4.1. Назначение матричной системы MATLAB ............................................. 253

4.4.2. Подготовка к стыковке осциллографов с системой MATLAB ................. 254

4.4.3. MATLABпрограммы для работы с цифровыми осциллографами ......... 256

4.4.4. Спектральный анализ осциллограмм в MATLAB.................................... 260

4.4.5. Построение спектрограмм осциллограмм в MATLAB ............................ 263

4.4.6. Управление генераторами серии AFG3000 от матричной системы
MATLAB ..................................................................................................... 266

4.4.7. Применение системы MATLAB при совместной работе генератора
и цифрового осциллографа....................................................................... 269

4.5. Генераторы сигналов произвольной формы класса AWG ............................. 272

4.5.1. Сравнение генераторов класса AFG и AWG ........................................... 272

4.5.2. Генераторы серии AWG7000 ................................................................. 273

4.5.3. Генераторы серии AWG5000 ................................................................. 276

4.6. Генераторы цифровых сигналов произвольной формы ................................ 279

4.6.1. Функциональная схема генератора паттернов данных ......................... 279

4.6.2. Генераторы цифровых сигналов Tektronix DG2020A .............................. 280

4.6.3. Генераторы цифровых сигналов Tektronix DG5078/5274/DTG5334 ....... 281

4.7. Программа NI Signal Express Tektronix Edition ............................................... 284

4.7.1. Назначение программы ........................................................................ 284

4.7.2. Выбор и запуск программы................................................................... 285

4.7.3. Основное окно программы при работе с осциллографом..................... 287

4.7.4. Работа с  инструментами программы ................................................... 289

4.7.5. Работа с генератором серии AFG3000 .................................................. 290

4.7.6. Дополнительные возможности программы .......................................... 294

Глава 5. Применение генераторов сигналов ..................... 297

5.1. Современная лаборатория разработчика электронных устройств ............... 297

5.1.1. Назначение лаборатории ...................................................................... 297

5.1.2. Лаборатория начального уровня ........................................................... 298

5.1.3 Лаборатория среднего уровня ............................................................... 300

5.1.4. Лаборатория высшего (HiFi) уровня ...................................................... 305

5.2. Контроль параметров генераторов сигналов ............................................... 314

5.2.1. Осциллографический контроль формы сигналов ................................. 314

5.2.2. Контроль и измерение амплитудных параметров генераторов ............ 316

5.2.3. Контроль временных параметров сигналов генераторов...................... 317

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

9

5.2.3. Контроль временных параметров сигналов генераторов...................... 317

5.2.4. Проведение автоматических измерений .............................................. 318

5.2.5. Контроль времени нарастания импульсов генератора ......................... 319

5.2.6. Контроль спектра сигналов с помощью осциллографа ......................... 320

5.2.7. Анализ спектра сигналов генераторов анализатором спектра

реального времени ................................................................................... 322

5.3. Примеры применения генераторов сигналов .............................................. 328

5.3.1. Применение AFG3000 для запуска формирователей импульсов

со временами нарастания и спада до 50 пс ............................................... 328

5.3.2. Измерение АЧХ осциллографов ............................................................ 336

5.3.3. Проверка переходных характеристик осциллографов .......................... 337

5.3.4. Применение AFG3000 для измерения добротности LCконтуров ......... 338

5.3.5. Применение AFG3000 в качестве генератора качающейся частоты ...... 340

5.3.6. Применение функциональных генераторов в качестве ГКЧ .................. 341

5.3.7. Исследование линейных цепей............................................................. 345

5.3.8. Применение генераторов Tektronix AFG3000 для измерения

емкости ..................................................................................................... 349

5.3.9. Контроль динамики интегральных микросхем ...................................... 352

5.3.10. Контроль индикаторной панели .......................................................... 354

5.3.11. Контроль режима XY осциллографов .................................................. 355

5.4. Специальные применения генераторов сигналов........................................ 355

5.4.1. Проверка чувствительности радиоприемников .................................... 355

5.4.2. Создание сигнала с кодоимпульсной модуляцией................................ 357

5.4.3. Контроль импульсных сигналов с помощью глазковых диаграмм ......... 360

5.4.4. Контроль за деградацией сигнала при его передаче по каналам

связи ......................................................................................................... 362

5.4.5. Контроль ультраширокополосных систем ............................................. 363

5.4.6. Генератор R&S SMA100A как средство контроля аэронавигационных

систем ....................................................................................................... 367

Литература ................................................................. 369

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ Ë Ó·ÁÓ
ÎËÚÂ‡ÚÛ˚

Современная измерительная техника переживает драматический период. Пожалуй,
впервые за многие десятки лет техника генерации, регистрации и измерения сигналов
сильно отстала от многих передовых направлений применения электронных устройств. Так, даже в таких массовых устройствах, как микропроцессоры для персональных компьютеров, цифровые и импульсные схемы уже работают на частотах в единицы ГГц (109 Гц), а в ближайшей перспективе будут работать на частотах в десятки ГГц и
выше [1].
Основной разработчик микропроцессоров — корпорация Intel объявила о создании терагерцовых полевых микротранзисторов с изолированным затвором, работающих на частотах в тысячи ГГц. Еще большие рабочие частоты имеют гетеропереходные SiGe микротранзисторы. При исследовании прохождения мощных световых
импульсов через нелинейные среды обнаружены явления сокращения длительности
их перепадов до пикосекунд и долей пикосекунды. Возникла необходимость в регистрации и имитации таких сигналов.
Между тем, только недавно серийные электронные стробоскопические осциллографы преодолели частотный барьер в 100 ГГц и фактически остановились у него [25].
Это уникальные и дорогие приборы, объем продаж которых у нас составляет единицы
приборов в год. От них заметно отстали разработки генераторов импульсных сигналов. Так, генераторы импульсов субнаносекундной длительности выпускаются тоже
как уникальные и дорогие приборы очень небольшим числом фирм, преимущественно зарубежных.
В период распада СССР отечественные разработки в области генерации сигналов,
особенно импульсных, в былые времена проводимые с большим размахом [616],
практически прекратились. Этим немедленно воспользовались наши западные кон10

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ Ë Ó·ÁÓ ÎËÚÂ‡ÚÛ˚

куренты — на наш рынок хлынул поток зарубежных разработок таких устройств, которые не так давно мы разрабатывали вполне самостоятельно. Это особенно печально,
если учесть, что во времена СССР развитие теории и проектирования импульсных устройств у нас не уступали зарубежному уровню, что отражено в многочисленной монографической и учебной литературе тех лет [824].
Главной причиной указанного отставания у нас стало отсутствие современной элементной базы и разрушение производственных связей между странами — бывшими
республиками СССР. Достаточно отметить, что большая часть советских скоростных
осциллографов и генераторов импульсов создавалась и выпускалась в Вильнюсском
НИИ радиоизмерительных приборов и в Минском приборостроительном институте,
множество микросхем выпускалось в Киевском НПО "Кристалл" и т. д.
Автор этой монографии, заведуя кафедрой промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ, еще с конца 60х годов занимался проблематикой импульсных
устройств, начиная с исследования уникальных возможностей биполярных транзисторов в лавинном режиме их работы. В 1973 г. вышла его монография [21] — единственная
в мире по данному направлению [20, 25]. В те годы были разработаны и всесторонне
изучены первые советские германиевые специальные лавинные транзисторы серии
ГТ338 [2629].
Обширное исследование германиевых и кремниевых транзисторов в лавинном режиме работы [2645, 73] показало, что особой необходимости в создании специальных
кремниевых лавинных транзисторов нет, поскольку большинство обычных серийных
кремниевых транзисторов надежно работает в лавинном режиме и не уступает параметрам специальных кремниевых транзисторов, созданных за рубежом (кстати, тоже
на основе обычных серийных транзисторов).
В ходе этого исследования был обнаружен и описан в [21, 3238] комплекс физических явлений, позволивший в деталях объяснить уникальные возможности биполярных транзисторов в лавинном режиме работы, в частности, сочетание предельно
высокого быстродействия с предельными импульсными токами и напряжениями.
Ныне это нашло практическое применение как в создании новейших высоковольтных кремниевых лавинных транзисторов, так и в разработке целого ряда уникальных
и серийных генераторов мощных импульсов. Недавно была издана новая книга по
применению лавинных транзисторов [73], в которой отражены достижения в этой области за последние годы, увы, по большей части зарубежные.
В дальнейшем наши исследования охватили применение и других типов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Так, впервые были показаны уникальные импульсные свойства новых в то время мощных ВЧ и СВЧ МДПтранзисторов (полевых транзисторов со структурой "металлдиэлектрикполупроводник" и
мощных СВЧ арсенидгаллиевых полевых транзисторов c барьером Шоттки [17, 18].
Совместное их применение с лавинными транзисторами [4269, 73] открывает новые
возможности в построении генераторов импульсов нанои даже пикосекундного диапазона времен нарастания и спада. Многие из этих возможностей до сих пор не реализованы в серийных генераторах импульсов и ждут своей очереди.

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ Ë Ó·ÁÓ ÎËÚÂ‡ÚÛ˚

В области генерации импульсов микрои миллисекундной длительности долгожителями оказались устройства на однопереходных транзисторах [2224]. Наряду с
обычными однопереходными транзисторами были созданы программируемые однопереходные транзисторы. Основной областью их применения стали устройства управления энергетическими преобразователями, в частности, установленными на борту
самолетов и других транспортных средств. Неприхотливость и высокая надежность
таких устройств способствовали их применению и в наши дни [71].
Схемы на других негатронах (приборах с падающими участками вольтамперных
характеристик), например на туннельных диодах, лямбдадиодах и транзисторах и их
аналогах показали высокие функциональные возможности, но широкого распространения не получили. Причиной стали их известные недостатки — применение в релаксаторах индуктивностей, плохая технологичность и др.
Не очень прижились и импульсные устройства на стандартных логических интегральных микросхемах и интегральных операционных усилителях, например [16]. Эти
микросхемы были изначально оптимизированы для построения цифровых и логических, а не импульсных устройств, и потому не реализуют в последних нужные возможности. Хотя отдельные схемные решения, например [70, 7476], показали интересные
возможности. Весьма привлекательными надолго оказались возможности специализированных для импульсных применений микросхем интегральных таймеров [10, 11].
В наше время они превратились в "рабочих лошадок", используемых повсеместно, но
не очень привлекательных для глубоких исследований.
Между тем, потребность в стабильных и модулируемых различными видами модуляции сигналах, как синусоидальных, так и импульсных в последние годы многократно
возросла в связи с развитием новых областей их применения — электроннооптических приборов, видеоимпульсных и ультразвуковых локаторов, геои подповерхностных радаров [7785] и разнообразных систем цифровой связи, в частности мобильных
[8688].
Во времена СССР потребности в новых средствах генерации сигналов удовлетворялись разработкой огромного числа всевозможных аналоговых генераторов сигналов — низкочастотных, высокочастотных, сверхвысокочастотных и импульсных. Уже
тогда была ясна необходимость в универсальных генераторах сигналов типовых форм —
синусоидальной, прямоугольной, пилообразной и треугольной. Это привело к развитию некоторых, давно известных устройств — функциональных генераторов [8, 9, 91].
Их частотный диапазон достиг десятков МГц, габариты и масса приборов уменьшились в несколько раз, а функциональные возможности заметно возросли. Обязательной, к примеру, стала электронная регулировка частоты, а нередко и амплитуды, и
возможность применения их в качестве генераторов качающейся частоты.
Начиная с разработок генераторов телевизионных сигналов, например в виде приставок к персональному компьютеру [92, 93], появилась необходимость в генерации
сигналов намного более сложной формы, чем у функциональных генераторов. К тому
же по диапазону частот и стабильности частоты аналоговые функциональные генераторы оказались не способными удовлетворить требования к современным системам

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ Ë Ó·ÁÓ ÎËÚÂ‡ÚÛ˚

цифровой связи, особенно многоканальным, таким, как системы мобильной связи.
Острым стал вопрос об осуществимости регулировки всех параметров сигналов генераторов в широких пределах электронными методами.
В связи с этим появились новейшие разработки генераторов сигналов на основе
прямого цифрового синтеза частот и форм сигналов [94102]. В таких генераторах
применение аналоговой элементной базы резко ограничено, и приборы строятся на
основе как стандартных, так и специализированных сверхскоростных цифровых микросхем, аналогоцифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ЦАП) преобразователей. Это
обеспечивает легкую и естественную стыковку таких генераторов с цифровыми системами и современными персональными и промышленными компьютерами и открывает широкие возможности их применения в испытании и отладке различных электронных и радиотехнических систем и устройств [102124].
Эта книга посвящена описанию техники генерации сигналов различной формы —
от простых синусоидальных и импульсных сигналов до мощных наносекундных импульсов и сложнейших сигналов произвольной формы. Хотя книга не является каталогом по генераторам сигналов, она дает достаточно подробный обзор рынка современных генераторов сигналов и областей их применения. Автор надеется, что это
практически поможет нашим специалистам в выборе современных генераторов сигналов различного типа.
Книга рассчитана на специалистов в различных областях науки и техники, применяющих генераторы сигналов, научных работников и инженеров, студентов и преподавателей технических университетов и вузов. Она полезна и подготовленным радиолюбителям.

Å·„Ó‰‡ÌÓÒÚË Ë ‡‰ÂÒ‡ ‰Îfl
ÔÂÂÔËÒÍË

Автор благодарит генерального директора фирмы "Эликс" А. А. Афонского и ее сотрудников А. Ю. Уткина и И. А. Шумского за помощь в практическом знакомстве с
некоторыми из описанных в этой книге уникальных приборов и информацией об их
характеристиках.
Своими впечатлениями о книге читатель может поделиться с автором, написав ему
по адресу электронной почты vpdyak@keytown.com. А также о своих соображениях
читатель может сообщить по адресу издательства, выпустившего книгу.

14

ÉÂÌÂ‡ÚÓ˚
ÒËÌÛÒÓˉ‡Î¸Ì˚ı
Ò˄̇ÎÓ‚

В этой главе описаны техника генерации и генераторы сигналов синусоидальной формы — как немодулированных, так и модулированных. Эти сигналы широко применяются при тестировании различных радиоэлектронных устройств. Наряду с классическими вариантами таких устройств (LC, RCи кварцевых генераторов) описаны новые
методы генерации сигналов путем частотного синтеза и прямого цифрового синтеза
синусоидальных колебаний с высочайшей стабильностью частоты и высоким ее разрешением. Приведены данные по промышленным генераторам сигналов, генераторам качающейся частоты и гетеродинным индикаторам резонанса.

1.1. éÒÌÓ‚Ì˚ ÚËÔ˚ Ò˄̇ÎÓ‚ Ë Ëı Ô‡‡ÏÂÚ˚

1.1.1. ë˄̇Î˚ ÔÓÒÚÓflÌÌÓ„Ó ÛÓ‚Ìfl

Термин "сигнал" происходит от слова signum (знак), где знак подразумевается не в
смысле полярности напряжения или тока, а в информационном смысле — сигналы
являются переносчиками неких знаков, образующих информационную основу (алфавит) передаваемых сообщений. Строго говоря, это означает, что постоянный ток
I=const или напряжение U=const, как и иные представления стационарных процессов, параметры которых не меняются во времени, к сигналам не относятся.
Тем не менее, мы будем относить постоянный ток к простейшим сигналам, которые несут определенную информацию: полярность напряжения или тока и их величина — напряжение в вольтах или ток в амперах. Не стоит также забывать о том, что в
природе нет чисто стационарных явлений, все процессы медленно или быстро меняются.
Сами по себе постоянные напряжения и токи в качестве сигналов по существу не
используются, хотя манипуляция (прерывание постоянного тока) использовалась в

É·‚‡ 1

15

É·‚‡ 1. ÉÂÌÂ‡ÚÓ˚ ÒËÌÛÒÓˉ‡Î¸Ì˚ı Ò˄̇ÎÓ‚

16

первых телеграфных аппаратах. Но постоянные напряжения и токи, как правило,
подмешиваются к сигналам (синусоидальным или импульсным) и задают их смещение по вертикали — Offset. Поэтому знать их основные характеристики необходимо.

1.1.2. àÒÚÓ˜ÌËÍË ÔÓÒÚÓflÌÌÓ„Ó Ì‡ÔflÊÂÌËfl Ë ÚÓ͇

Разумеется, сигнал постоянного уровня может иметь любую физическую природу, например, представлять давление атмосферы, температуру окружающей среды и т. д.
Однако в дальнейшем мы ограничимся рассмотрением только источников постоянного напряжения и тока.
Источники напряжения и тока принято подразделять на первичные (например, химические элементы) и вторичные (например, выпрямители напряжения питающей
цепи), на идеальные и реальные источники.
Реальные источники постоянного напряжения характеризуется эквивалентной
ЭДС Еэ и эквивалентным сопротивлением Rэ. Реальный источник напряжения можно
описать эквивалентной схемой (рис. 1.1, а), содержащей последовательно включенные источники электродвижущей силы (ЭДС) E и внутреннюю резистивность Ri. Сразу же отметим, что термин "резистивность" у нас не прижился, и многие предпочитают
более привычный термин "сопротивление", так что Ri — внутреннее сопротивление. В тоже
время "сопротивление", как деталь электронных схем, стали называть резистором.

У идеального источника напряжения Ri=0. Строго говоря, внутреннее сопротивление — комплексная величина. Но пока речь идет о постоянных напряжениях и токах, мы
ограничимся только действительными Ri, которые определяются как Ri=dU/dI, где dU —
приращение напряжения на зажимах источника, а dI — приращение отбираемого от
него тока. Ri может быть нелинейной величиной, зависящей от тока, и даже отрицательной (приборы с падающей вольтамперной характеристикой — негатроны). Но в
дальнейшем мы ограничимся представлением Ri как сопротивления постоянного (линейного).
Реальный источник постоянного тока состоит из идеального источника тока I и
параллельно включенного внутреннего сопротивления Ri (рис. 1.1, б). Первичные источники постоянного тока хотя и существуют, но широкого практического применения не нашли. Тем не менее, с возможностью их существования (как и с необходимоРис. 1.1.
Эквивалентные схемы реального источника постоянного напряжения (а)
и тока (б)

а)
б)

стью измерения их параметров) надо считаться. Если внутреннее сопротивление источников постоянного напряжения обычно очень мало, то внутреннее сопротивление
источников постоянного тока весьма велико и достигает десятковсотен кОм, а порою
и единицдесятков МОм и выше. У идеального источника постоянного тока Ri=∞.
Первичных источников постоянного напряжения существует достаточно много:
электрохимические и нормальные элементы, гальванические и аккумуляторные батареи,
солнечные батареи и др. К вторичным источникам постоянного напряжения относятся всевозможные выпрямители, стабилизаторы напряжения (например, на кремниевых
стабилитронах или компенсационные, микросхемы для создания высокостабильных
(опорных напряжений) и т. д. Однако, за исключением источников высокостабильного напряжения большинство этих устройств используется не в измерительной, а в преобразовательной технике.
Характеристиками источников постоянного тока в некотором диапазоне напряжений обладают многие полупроводниковые приборы, например биполярные и полевые транзисторы. Выпускаются также специальные микросхемы для стабилизации малых токов, например, микросхема стабилизатора постоянного тока КЖ101А, которая
позволяет стабилизировать ток от десятков до сотен мкА в диапазоне напряжений от
1,8 до 230 В. Значение Ri у нее составляет 8 МОм. Однако не следует путать устройства
с большим динамическим дифференциальным сопротивлением с реальными первичными источниками постоянного тока. Первые всегда являются потребителями электрической энергии, тогда как вторые — ее источниками.
Измерение ЭДС первичных источников напряжения (например, аккумуляторов в
начале и в конце заряда, или гальванической батареи после покупки или хранения)
является довольно частой и довольно простой задачей. Как видно из измерительной
схемы рис. 1.2, оно сводится просто к подключению вольтметра измерительной головкой V с входным сопротивлением Rвх к источнику напряжения. Учтите, что измерительная головка V на деле может быть измерителем тока, например, микроамперметром тестера.

Важное значение имеет измерение напряжения на резисторах произвольных электрических и электронных цепей, когда их внутреннее сопротивление сопоставимо с
Rвх (рис. 1.3). В этом случае внешняя относительно резистора R цепь характеризуется
эквивалентной ЭДС Еэ и эквивалентным сопротивлением Rэ. Они могут быть найдены по известным законам и методам электротехники (например, по закону Кирхгофа,
методам контурных токов или узловых потенциалов).

éÒÌÓ‚Ì˚ ÚËÔ˚ Ò˄̇ÎÓ‚ Ë Ëı Ô‡‡ÏÂÚ˚

Рис. 1.2.
Измерение ЭДС первичного источника напряжения
постоянного тока