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如何用信号发生器“骗过”系统：模拟传感器信号的实战指南

你有没有遇到过这样的场景？

调试一个温度采集程序，结果发现现场的PT100传感器受环境影响波动太大；
想测试压力变送器在满量程突变时控制器的响应速度，但真实设备根本不敢做这种极限操作；
更别提那些偶发的尖峰干扰、断线故障——等到真出了问题，再改代码已经晚了。

这时候，与其“等风来”，不如自己造风。
而最可靠的“造风工具”，就是——信号发生器。

它不能感知世界，但它能完美模仿任何传感器输出的电信号。换句话说：你可以让它“假装”是任何一个传感器，在任何工况下工作。

本文不讲大道理，也不堆术语，咱们从实际工程出发，一步步拆解：
如何用一台信号发生器，安全、精准、高效地模拟出温度、压力、振动等各种传感器信号，让你的系统测试不再依赖外部条件。

为什么我们需要“假”传感器？

先说个扎心的事实：真实传感器，往往是测试中最不可控的一环。

• 温度变化慢，等半小时才升5度？
• 压力源不稳定，每次加压数值都不同？
• 振动台太贵，租一次几千块还排不上队？

这些问题的本质是：物理世界的输入难以复现、难以控制、难以加速。

而信号发生器的价值就在于——把不可控变成可控，把随机变成确定，把危险变成安全。

比如：
- 想看系统对4–20mA断路的反应？直接输出0mA就行。
- 想验证ADC采样率是否够用？注入一个10kHz正弦波试试。
- 控制算法怕阶跃扰动？给个毫秒级跳变，看看PID能不能扛住。

这才是现代电子研发该有的节奏：快速迭代、闭环验证、主动出击。

信号发生器不是“函数发生器”那么简单

很多人以为，信号发生器就是能出个正弦波、方波的东西。错。

真正用于传感器模拟的，是任意波形发生器（AWG）—— 它的本质是一个“可编程电压源”。

关键能力清单：

✅ 推荐型号参考：Keysight 33612A、Tektronix AFG31000系列，支持双通道、200 MSa/s采样率、8M点深内存，适合大多数工业场景。

怎么让信号发生器“装成”某个传感器？三步走

核心思路很简单：
搞清原传感器怎么输出 → 算出对应的电压/电流值 → 让信号发生器照着这个值输出。

下面我们拿三种最常见的传感器类型举例说明。

🔹 案例一：PT100 温度传感器（电阻型）

真实情况

• PT100 是铂电阻，0°C 时为 100Ω，每 °C 上升约 0.385Ω。
• 实际使用中，通常用恒流源（如1mA）激励，将电阻变化转为电压。

所以你要做的：

不是去改变电阻，而是直接输出等效电压。

举个例子：
- 目标温度：85°C
- 对应电阻：100 + 85×0.385 ≈ 132.7Ω
- 若激励电流为1mA → 输出电压 = 132.7mV

👉配置信号发生器：输出132.7mV直流电压即可。

小技巧：

• 模拟升温过程？设置一个从100mV到140mV的缓变斜坡；
• 测试冷端补偿？叠加一个小幅正弦波模拟环境波动；
• 注意共地！断开真实传感器，防止回路冲突。

⚠️ 特别提醒：如果原系统采用三线制接法，请确保只连接信号发生器的输出端，屏蔽掉远端导线电阻的影响。

🔹 案例二：4–20mA 压力变送器（电流环）

这类传感器在工业PLC系统中极为常见。难点在于：信号发生器默认输出电压，而接收端要的是电流。

解决方案：外接负载电阻，实现 V→I 转换

标准做法：
- 使用一个精密电阻（常用250Ω），接到信号发生器输出端；
- 接收端仍由24V电源供电，构成完整电流环。

计算一下：
- 4mA × 250Ω = 1V
- 20mA × 250Ω = 5V

👉 所以只要让信号发生器输出1V ~ 5V的电压，就能等效生成4–20mA的电流信号！

连接示意：

[信号发生器] → [250Ω 精密电阻] → [PLC AI模块+] ↘ GND ← [PLC AI模块-] ↘ 24V电源负极（共地）

更优选择：

如果你经常做这类测试，建议直接上支持电流输出的专业校验仪（如Fluke 754），一键切换4–20mA模式，省事又精准。

🔹 案例三：IEPE 加速度传感器（带偏置的交流信号）

这是最难模拟的一种，因为它的输出结构特殊：

• 需要恒流源供电（2–20mA，18–30V）
• 输出是叠加在直流偏置上的交流信号（如12V DC + ±5V AC）
• 内部有隔直电容，只传AC成分

正确模拟姿势：

1. 保留原有恒流源供电（即让DAQ板卡继续提供偏置电压）；
2. 信号发生器仅注入交流信号部分；
3. 通过隔直电容耦合输入，模拟真实IEPE输出特性；
4. 信号发生器设置为高阻输出模式，避免拉低偏置电压。

示例参数配置：

• 波形：1kHz 正弦波
• 幅度：峰峰值1V
• 偏移：0V（纯交流）
• 输出阻抗：High-Z
• 外接电容：0.1μF ~ 1μF（根据频率选择）

这样，系统看到的就是一个“正常工作的振动传感器”，你可以随意调整频率、幅值、甚至加入冲击脉冲，全面验证滤波和报警逻辑。

自定义波形进阶：用Python生成非线性响应

有些传感器的输出不是线性的，比如K型热电偶、NTC热敏电阻、气体传感器等。

这时候，靠手动设几个点就不够用了。你需要用代码生成完整的电压-时间曲线。

下面这段Python脚本，教你如何生成K型热电偶的模拟波形并导入AWG：

import numpy as np # K型热电偶简化模型（单位：mV） def k_thermocouple_voltage(temp_c): # 查表近似公式（0~300°C范围内误差<0.5%） return 0.041 * temp_c + 0.0005 * temp_c**2 / 1000 # 转为伏特 # 生成温度斜坡：0°C → 300°C，持续10秒，采样1000点 time_points = np.linspace(0, 10, 1000) temps = np.linspace(0, 300, 1000) voltages = k_thermocouple_voltage(temps) # 归一化至信号发生器范围（假设±1V） waveform = np.clip(voltages, -1.0, 1.0) # 导出为CSV（供AWG加载） np.savetxt("k_type_ramp.csv", waveform, delimiter=",", fmt="%.6f")

导出后，在AWG界面中选择“Import Arbitrary Waveform”，上传这个CSV文件，就能播放一段“真实的温度上升过程”。

🎯 应用场景：
- 验证温度补偿算法
- 测试热保护延迟时间
- 模拟启动过程中的温漂效应

实战避坑指南：这些细节决定成败

即使原理清楚，新手也常栽在这几个坑里：

❌ 坑点1：没共地，导致信号漂移或噪声大

• 现象：读数跳动、零点漂移
• 解决：务必保证信号发生器与被测系统的GND相连，形成统一参考平面。

❌ 坑点2：忽略了输入阻抗，造成分压

• 现象：设定5V，实际只收到2.5V
• 原因：信号发生器设为50Ω输出，而前端输入阻抗只有100Ω，形成分压器
• 解决：
• 若前端阻抗 > 10kΩ → 发生器设为高阻模式
• 若前端阻抗较低 → 设为50Ω匹配，并提高输出幅度补偿衰减

❌ 坑点3：高频信号引发误触发

• 现象：系统误报故障、采样异常
• 原因：信号发生器输出了超过ADC带宽的高频成分
• 解决：加一级RC低通滤波（例如10kΩ + 10nF，截止频率≈1.6kHz）

✅ 秘籍：利用“波形序列”模拟复杂工况

高端AWG支持波形片段拼接+触发跳转，可以模拟：
- 正常运行 → 故障注入 → 自动恢复
- 温度循环老化测试
- 多阶段工艺流程仿真

比如你可以设置：
1. 初始输出 1V（对应10bar）
2. 5秒后跳变为 5V（满量程冲击）
3. 检测到报警信号后，自动回落至3V（模拟调节阀动作）

这种自动化测试流程，完全可以集成进产线自动化框架。

结语：信号发生器，是你系统的“导演”

你可以把它看作一名舞台导演：
你想让演员经历什么情节，就给他安排什么剧情。

• 想让他冷静应对日常工况？给个平稳信号。
• 想考验他的应急能力？突然来个断线或过压。
• 想验证长期稳定性？连续跑24小时阶梯波。

真正的系统可靠性，不是在现场撞出来，而是在实验室里练出来的。

当你掌握了用信号发生器模拟传感器的方法，你就拥有了：
- 更快的开发节奏
- 更高的测试覆盖率
- 更强的问题复现能力

对于刚入门的工程师来说，不必追求一步到位。
从最简单的直流电压模拟开始，逐步尝试斜坡、阶跃、自定义波形，你会发现：
原来很多“搞不定”的问题，只是因为你没见过足够的“极端情况”。

现在，打开你的信号发生器，试着“扮演”一次传感器吧。
下次调试时，你会感谢今天动手的自己。

💬 如果你在实际项目中遇到特定传感器模拟难题（比如CAN总线角度传感器、LVDT位移传感器等），欢迎留言讨论，我们可以一起设计解决方案。