第2章测量用信号发生器

1、第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.1 信号发生器的种类和技术指标信号发生器的种类和技术指标 2.2 低频信号发生器低频信号发生器 2.3 高频信号发生器高频信号发生器 2.4 函数信号发生器函数信号发生器 2.5 合成信号发生器合成信号发生器 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.1 信号发生器的种类和技术指标信号发生器的种类和技术指标 2.1.1 信号发生器的用途 测量用信号发生器简称信号源，它可以给被测设 备提供各种不同频率的正弦波信号、方波信号、三角 波等，信号的幅值可按需要进行调节，然后由其他的 测试仪器观测其输

2、出相应。 图2.1 信号发生器的功用 输输 入入 激激 励励 信信 号号 发发 生生 器器 被被 测测 设设 备备 测测 试试 仪仪 器器 输输 出出 响响 应应 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 作激励源作激励源 作为某些电气设备的激励信号。作为某些电气设备的激励信号。 信号仿真信号仿真 在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特 性的信号，如对干扰信号进行仿真。性的信号，如对干扰信号进行仿真。 校准源校准源 产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准 （或比对）。（或比对）。 第第2章章 测量用

3、信号发生器测量用信号发生器 2.1.2 信号发生器的分类 1.1. 按频率范围分类按频率范围分类 按照输出信号的频率范围对信号发生器进行分类是传统的分 类方法，如表2.1所示。 表2.1 各种信号发生器的频率范围 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2. 2. 按用途分按用途分 专用专用-电视信号发生器、电平振荡器、误码仪电视信号发生器、电平振荡器、误码仪 通用通用-产生正弦波等通用波形产生正弦波等通用波形 4. 4. 按性能分按性能分 普通普通-功率大，频率、电压刻度不大准确，功率大，频率、电压刻度不大准确， 用于天线测试等用于天线测试等 标准标准-频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计

4、测用频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用 3. 3. 按输出波形分按输出波形分 正弦正弦- 脉冲脉冲- 函数函数-产生函数通用波形产生函数通用波形 噪声噪声- t t t t t 5. 5. 按调制方式分按调制方式分 调幅调幅 调频调频 调相调相 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.1.3 信号发生器的一般组成 不同类型的信号发生器其性能、用途虽不相同，但基本构成 是类似的，如图2.2所示，一般包括振荡器、变换器、输出电路、 电源及指示器等五部分。 图2.2 信号发生器的一般组成框图 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 1. 振荡器 振荡器是信号发生器的核心部分，由它产

5、生各种不同频率的 信号，通常是正弦波振荡器或自激脉冲发生器。它决定了信号发 生器的一些重要工作特性，如工作频率范围、频率的稳定度等。 2. 变换器 变换器可以是电压放大器、功率放大器或调制器、脉冲形成 器等，它将振荡器的输出信号进行放大或变换，进一步提高信号 的电平并给出所要求的波形。 3. 输出电路 输出电路为被测设备提供所要求的输出信号电平或信号功率， 包括调整信号输出电平和输出阻抗的装置，如衰减器、匹配用阻 抗变换器、射极跟随器等电路。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 4. 指示器 指示器用来指示输出信号的电平、频率及调制度，它可能是 电压表、功率计或调制度仪等。指示器本身

6、的准确度一般不高， 其示值仅供使用时参考。 5. 电源 电源为信号源各部分提供所需的直流电压，除了便携式仪器 带有电池外，一般的仪器都采用直流稳压电源，将220V、50Hz的 市电经变压、整流、滤波及稳压后，供给仪器使用。 图2.3 信号源的等效电路模型 信号源 输出 Rs Us 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.1.4 信号发生器的主要技术指标 1. 频率特性 1) 有效频率范围 各项指标均能得到保证时的输出频率范围称为信号发生器的 有效频率范围。 2) 频率准确度 频率准确度是指输出信号频率的实际值f与其标称值f0的相对 偏差，其表达式为 00 0 f f f ff (2-

7、1) 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 3) 频率稳定度 频率短期稳定度定义为信号发生器经规定的预热时间后，频率 在规定的时间间隔内的最大变化，表示为 0 minmax f ff (2-2) 2. 输出特性 1) 电平特性 电平特性包括输出电平及其平坦度。输出电平范围是指输出 信号幅度的有效范围，也就是信号发生器的最大和最小输出电平 的可调范围，通常采用有效值来度量。 输出电平平坦度是在有效地频率范围内，输出电平随频率变 化的程度。通常的电平平坦度保持在1dB。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2) 输出阻抗 输出阻抗的高低随信号发生器类型而异。低频信号发生器一般有

8、50、600、5 k等几种不同的输出阻抗，而高频信号发生器一般只有 50(或75)不平衡输出，在使用高频信号发生器时，要注意阻抗的匹配。 3) 输出波形 输出波形是指信号发生器所能输出信号的波形。 4) 输出形式 信号发生器的输出形式有平衡输出和不平衡输出。 3. 调制特性 许多信号源还包含调制功能。如高频信号发生器，一般还具 有输出一种或多种调制信号的能力，通常为调幅和调频信号，有 些还带有调相、脉冲调制、数字调制等功能。调制特性包括调制 的种类、频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.2 低频信号发生器低频信号发生器 2.2.1 低频信号

9、发生器的组成与技术指标 低频信号发生器的输出频率范围为20Hz20KHz，而现代生产的低频 信号发生器的输出频率范围已经延伸到1Hz1MHz。低频信号发生器组成 框图如图2.4所示，主要包括振荡器、电压放大器、输出衰减器、功率放大 器、阻抗变换器和输出指示电压表等部分。 图2.4 低频信号发生器的组成框图 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 1.振荡器 振荡器是低频信号发生器的核心部分，产生频率可调的正弦 信号，它决定了信号发生器的有效频率范围和频率稳定度。低频 信号发生器中产生振荡信号的方法有多种，现代低频信号发生器 中，主振器常采用桥式振荡电路（RC文氏电桥振荡电路）或差频 振荡

10、器组成。 图2.5 文氏电桥振荡器的原理框图 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。当RC式反馈网 络的谐振频率为 时反馈系数为F=1/3，当放大电路的放 大倍数满足 时，满足振荡电路起振条件 和 相位条件，即可起振。 频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示： 4 3 13 V R A R 1 V A F RC f p2 1 0 min max f f k 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 图2.6 差频式低频信号发生器原理框图 输出输出 固定频率的固定频率的 高频振荡器高频振荡器 混混 频频 器器 可变频率的可变频率的 高频振荡器高频

11、振荡器 低低 通通 滤滤 波波 器器 f1 f2 低低 频频 放放 大大 器器 文氏桥式振荡器每个波段的频率覆盖系数较小，其最高频率与最低 频率一般仅为10，以此要覆盖1Hz1MHz的频率范围，至少要五个波段， 差频式低频信号发生器可以在不分波段的情况下得到很宽的频率覆盖范 围。差频式低频信号发生器组成框图2.6所示。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2. 放大器 放大器包括电压放大器和的功率放大器。电压放大器的作用是对 振荡器产生的微弱信号进行放大，并把功率放大器、输出衰减器以及 负载和振荡器隔离起来，防止对振荡信号的频率产生影响，又可将电 压放大器叫做缓冲放大器。 4.输出级

12、 输出级包括功率放大器、阻抗变换器和指示电压表。功率放大器 用来对衰减输出的电压信号进行功率放大，使之达到额定的功率输出， 驱动低阻抗负载。通常采用电压跟随器或BTL电路等。阻抗变换器用于 匹配不同阻抗的负载，以便在负载上获得最大输出功率和失真较小的 波形。指示电压表用于监测信号发生器的输出电压或对外来的输入电 压进行测量。阻抗变换器只有在信号发生器进行功率输出时才使用，阻抗变换器只有在信号发生器进行功率输出时才使用， 电压输出时只需要使用衰减器。电压输出时只需要使用衰减器。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 图2.7 输出衰减器原理 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8

13、 8 7 6 5 4 3 2 1 S Uo Ui C RP 3.输出衰减器 图2.7所示电路为低频信号发 生器中最常用的输出衰减器。由 电位器RP（连续调节器，电压幅 度细调）取出一部分信号电压加 于R1R8组成的步进衰减器（电 压幅度粗调），调节电位器或调 节波段开关S所接的挡位，均可 使衰减器输出不同电压。步进衰 减器以分贝(dB)即20lgUo/Ui 标注 刻度。 8 2 8 1 i Oi i i i R U U R 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.2.2 低频信号发生器的主要性能指标 通常，低频信号发生器的主要工作特性如下： l 频率范围： 一般为1 Hz20KHz，

14、连续可调。 l 频率准确度： (13)%。 l 频率稳定度：一般为（0.10.4）%/h,优于0.1% /h 。 l 输出电压： 010 V连续可调。 l 输出功率： 0.55 W连续可调。 l 非线性失真范围： 0.1%1%。 l 输出阻抗： 50 、75 、150 、600 、5 k。 l 输出形式： 平衡输出与不平衡输出（差分和单端）。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.2.3 低频信号发生器的操作使用实例 其使用要点如下： 1) 了解面板 2) 注意正确的操作步骤 信号发生器的使用包括如下步骤： (1) 开机准备。 (2) 输出频率调节。 (3) 输出阻抗的配接。 (4

15、) 输出电路的选择。 (5) 输出电压的调节和测读。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.3 高频信号发生器高频信号发生器 2.3.1 高频信号发生器的组成 高 频 信 号 发 生 器 也 称 为 射 频 信 号 发 生 器 ， 通 常 产 生 200KHz30MHz的正弦波或调幅波信号，目前高频信号发生器的频 率已延伸到30Hz30MHz的甚高频信号范围，它的组成框图如图2.8 所示，主要包括主振器、缓冲级、调制级、输出级、内调制振荡器、 监测器和电源等。主振器是信号发生器的核心，一般采用可调频率 范围宽、频率准确度高和稳定度好的LC振荡器，用于产生高频振荡 信号。高频信号发生

16、器按调制类型分为调幅和调频。 1.可变电抗器 可变电抗器与主振器的谐振回路相耦合，在调制信号作用下， 控制谐振回路电抗变化而实现调频功能。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 图2.8高频信号发生器原理框图 主振器主振器 缓冲级缓冲级 调制级调制级 输出级输出级 监测器监测器 输出输出 电电 源源 内调制内调制 振荡器振荡器 可可 变变 电抗器电抗器 外调制输入外调制输入 AMAMFMFM 内内 外外 S 若语音调制则成小电台若语音调制则成小电台 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.内调制振荡器 用于为调制级提供频率为40Hz或1KHz的内调制正弦信号，该 方式称为内调

17、制。当调制信号由外部电路提供时，称为外调制。 3.调制级 为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用 已调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制 的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于 100kHz 35MHz的高频信号发生器中，一般采用正弦调制。调频主要用于 30MHz1000MHz信号发生器中，脉冲调制多用于300MHz以上 的微波信号发生器中。 4. 输出级 主要由功率放大、输出衰减、阻抗匹配等组成。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.2.3 高频信号发生器的主要性能指标 以XFG-7为例： 1）频率范围：100KHz30MHz，分为8个频段

18、，与频率 调节刻度盘上的8条刻度线相对应。频率刻度误差为 1%。 第一频段：100180KHz；第七频段：6.514MHz 第二频段：180350KHz；第八频段：1430MHz 第三频段：350700KHz； 第四频段：700KHz1.4MHz； 第五频段：1.43MHz； 第六频段：36.5MHz 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2）输出电压与输出阻抗： 在“00.1V”插孔：分10V、 100V、1mV、 10mV 、 100mV五档，每档可以微调，输出阻抗为40。 在“01V”插孔：输出01V，输出阻抗为40。 3）调幅频率：内调幅分为400Hz和1KHz两种；外调幅在

19、508000KHz范围内连续可调。 4）漏讯：0.3 V。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.3.3 高频信号发生器的使用步骤与技巧 面板装置 使用步骤与技巧 2.3.4 调幅高频信号发生器的典型应用 接线方法 收音机中频的校准 灵敏度的测试 选择性的测试 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.4.1 函数信号发生器的组成与原理 1. 方波三角波正弦波方式（脉冲式） 脉冲式函数信号发生器先由施密特电路产生方波， 然后经变换得到三角波和正弦波形。具体包括双稳态 触发器、比较器和正弦波形成电路。其原理框图如图 2.9所示。 2.4 函数信号发生器函数信号发生器 第第2章

20、章 测量用信号发生器测量用信号发生器 图2.9 脉冲式函数信号发生器原理框图 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 正 弦 振 荡 器缓 冲 级放 大 器 方 波 形 成积 分 器 输 出 级 2.正弦波方波三角波方式（正弦式） 图2.10 正弦式函数信号发生器的组成框图 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.4.2 正弦波形成电路 图2.11 正弦波形成电路原理 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.4.3 函数信号发生器的主要性能指标 对于函数信号发生器，其性能指标有： (1) 输出波形： 通常输出波形有正弦波、方波、脉 冲和三角波等波形，有的还具有锯齿波、

21、斜波、TTL 同步输出及单次脉冲输出等。 (2) 频率范围： 函数发生器的整个工作频率范围一 般分为若干频段，如110 Hz、10100 Hz、100 Hz1 kHz、110 kHz、10100 kHz、100 kH1 MHz等 波段。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 (3) 输出电压：对正弦信号，一般指输出电压的峰- 峰值，通常可达10UP-P以上；对脉冲数字信号, 则包括 TTL和CMOS输出电平。 (4) 波形特性：不同波形有不同的表示法。正弦波 的特性一般用非线性失真系数表示，一般要求小于等 于3%；三角波的特性用非线性系数表示，一般要求小 于等于2%；方波的特性参数是上

22、升时间，一般要求小 于等于100 ns。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 (1) 直接合成法分为模拟直接合成法和数字直接合 成法。模拟直接合成法采用基准频率通过谐波发生器， 产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进 行频率的算术运算，最终得到所需的频率； 数字直接 合成法则是利用ROM和DAC结合，通过控制电路，从 ROM单元中读出数据，再进行数/模转换，得到一定频 率的输出波形。 (2) 间接合成法则通过锁相技术进行频率的算术运 算，最后得到所需的频率。 2.5 合成信号发生器合成信号发生器 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 1.固定频率合成法 2.5.1 直

23、接合成法 oo N ff D 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2. 可变频率合成法 图2.12所示为模拟直接合成法的例子直接频率合成 器的原理框图，基准频率源(石英晶体振荡器)产生1 MHz 基准频率，通过谐波发生器产生2 MHz、3 MHz、9 MHz等谐波频率，连同1 MHz基准频率一起并接在纵横 制接线的电子开关上，通过电子开关取出8 MHz、2 MHz、 6 MHz、4 MHz信号，再经过10分频器(完成10运算)、 混频器(完成加法或减法运算)和滤波器，最后产生4.628 MHz输出信号。 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 图2.12 直接频率合成器原理框图

24、 晶振 谐波发生器 (倍 频) 分频(10) 8 MHz 混频() 2 MHz 滤波分频(10) 混频() 6 MHz 滤波分频(10) 2.8 MHz 0.28 MHz 6.28 MHz 混频()滤波 4.628 MHz 0.628 MHz 4 MHz 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 3. 数字直接合成法 数字直接合成法又叫直接数字频率合成(DDS)， 它是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法， 它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域， 通过控制相位变化速度来直接产生各种不同频率信号。 DDS的基本原理如图2.13所示。 图2.13 DDS的基本原理 第第2章章 测量

25、用信号发生器测量用信号发生器 2.5.2 间接合成法 1.基本锁相环 图2.14给出了锁相环的基本原理框图。 它主要由基准频率源、 鉴相器(PD) 、低通滤波器 (LPF) 和压控振荡器(VCO)构成一个闭 环负反馈系统。 图2.14 锁相环的基本原理框图 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 将基本锁相环的结构稍加变化，在反馈回路中加入分频比为N 的可变分频器，就可得到频率合成器中经常使用的锁相环，其原理 如图2.15所示。 PDLPFVCO frfo Nfr 可 变 N分 频 器 图2.15 倍频式锁相环原理图 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 （a） 谐波倍频环谐波倍频环 VCOPDLPF fi谐波谐波 形成形成 Nfi （b）数字倍频环）数字倍频环 VCOPDLPF fi N fi N PLL Nfi （c）倍频环简化图）倍频环简化图 图2.16 倍频式锁相环 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 分频式锁相环 分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也 有两种基本形式。 VCOPDLPF fo=fi/N fi N （b）数字分频环）数字分频