电子测量技术基础(第二版)西安电子科技大学出版社第3章信号发生器

1、第第3章章 信号发生器信号发生器 第第3章章 信号发生器信号发生器3.1 信号发生器概述信号发生器概述3.2 正弦信号发生器的性能指标正弦信号发生器的性能指标3.3 低频信号发生器低频信号发生器3.4 射频信号发生器射频信号发生器3.5 扫频信号发生器扫频信号发生器3.6 脉冲信号发生器脉冲信号发生器习习 题题 三三第第3章章 信号发生器信号发生器3.1 信号发生器概述信号发生器概述 3.1.1 信号发生器的用途信号发生器的用途 提供测试用电信号的装置，统称为信号发生器，提供测试用电信号的装置，统称为信号发生器，用在电子测量领域，也称为测试信号发生器。用在电子测量领域，也称为测试信号发生器。

2、是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。信号发生器在其他领域也有广泛应用。子仪器。信号发生器在其他领域也有广泛应用。图3.1-1 测试信号发生器第第3章章 信号发生器信号发生器 3.1.2 信号发生器的分类信号发生器的分类 信号发生器种类型号繁多，性能各异介绍几种常见的分类。信号发生器种类型号繁多，性能各异介绍几种常见的分类。 1按频率范围分类按频率范围分类第第3章章 信号发生器信号发生器 2按输出波形分类按输出波形分类 按照输出信号的波形特性，信号发生器可分为正按照输出信号的波形特性，信号发生器可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。弦信号

3、发生器和非正弦信号发生器。 脉冲信号发生器脉冲信号发生器 函数信号发生器函数信号发生器 非正弦信号非正弦信号 扫频信号发生器扫频信号发生器 发生器发生器 数字序列信号发生器数字序列信号发生器 图形信号发生器图形信号发生器 噪声信号发生器噪声信号发生器 第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.1-2 几种典型的信号波形几种典型的信号波形第第3章章 信号发生器信号发生器 3按信号发生器的性能分类按信号发生器的性能分类 按信号发生器的性能指标，可分为一般信号发生按信号发生器的性能指标，可分为一般信号发生器和标准信号发生器。器和标准信号发生器。 前者指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳前者指对其输出

4、信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类发生器；定度以及波形失真等要求不高的一类发生器； 后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。良好的中、高档信号发生器。第第3章章 信号发生器信号发生器 其他一些分类方法：其他一些分类方法： 按照使用范围，可分为：通用信号发生器和专用信号发生器；按照使用范围，可分为：通用信号发生器和专用信号发生器； (例如电声行业中使用的立体声和调频立体声信号发生器就属例如电声行业中使用的立体声

5、和调频立体声信号发生器就属于专用信号发生器于专用信号发生器)； 按照调节方式，可分为：普通信号发生器、扫频信号发生器和按照调节方式，可分为：普通信号发生器、扫频信号发生器和程控信号发生器；程控信号发生器； 按照频率产生方法可分为：谐振信号发生器、锁相信号发生器按照频率产生方法可分为：谐振信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器等。及合成信号发生器等。 国产国产EE1631型函数信号发生器，频率覆盖范围为型函数信号发生器，频率覆盖范围为0.005Hz40MHz，跨越了超低频、低频、视频、高频到甚高频几个频段，可以输出包括正弦跨越了超低频、低频、视频、高频到甚高频几个频段，可以输出包括正弦波、三

6、角波、方波、锯齿波、脉冲波、调幅波、调频波及波、三角波、方波、锯齿波、脉冲波、调幅波、调频波及TTL波等多种波波等多种波形的信号。形的信号。第第3章章 信号发生器信号发生器 3.1.3 信号发生器的基本构成信号发生器的基本构成 振荡器振荡器：振荡器是信号发生器的核心部分，由它：振荡器是信号发生器的核心部分，由它产生不同频率、不同波形的信号。产生不同频段、不产生不同频率、不同波形的信号。产生不同频段、不同波形信号的振荡器原理、结构差别很大。同波形信号的振荡器原理、结构差别很大。图图3.1-3 信号发生器原理框图信号发生器原理框图第第3章章 信号发生器信号发生器 变换器变换器：可以是电压放大器、功

7、率放大器、调制器：可以是电压放大器、功率放大器、调制器或整形器。或整形器。 一般情况下，振荡器输出的信号都较微弱，需在该部分加以放一般情况下，振荡器输出的信号都较微弱，需在该部分加以放大。大。 调幅、调频等信号，也需在这部分由调制信号对载频加以调制。调幅、调频等信号，也需在这部分由调制信号对载频加以调制。 函数发生器，振荡器输出的是三角波，需在这里由整形电路整函数发生器，振荡器输出的是三角波，需在这里由整形电路整形成方波或正弦波。形成方波或正弦波。 输出级输出级：基本功能是调节输出信号的电平和输出阻：基本功能是调节输出信号的电平和输出阻抗，可以是衰减器、匹配变压器和射极跟随器等。抗，可以是衰减

8、器、匹配变压器和射极跟随器等。第第3章章 信号发生器信号发生器 指示器指示器：用来监视输出信号，可以是电子电压表、：用来监视输出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计和调制度表等。功率计、频率计和调制度表等。 通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其他特性。通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其他特性。 通常情况下指示器接于衰减器之前，并且由于指示仪表本身通常情况下指示器接于衰减器之前，并且由于指示仪表本身准确度不高，其示值仅供参考，从输出端输出信号的实际特性需准确度不高，其示值仅供参考，从输出端输出信号的实际特性需用其他更准确的测量仪表来测量。用其他更准确的测量仪表来测量。 电源电源：提供

9、信号发生器各部分的工作电源电压。：提供信号发生器各部分的工作电源电压。 通常是将通常是将50Hz交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。第第3章章 信号发生器信号发生器 3.1.4 信号发生器的发展趋势信号发生器的发展趋势 随着随着70年代微处理器的出现，促使信号发生器向着自动化、年代微处理器的出现，促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。智能化方向发展。 现在，许多信号发生器除带有微处理器（因而具备了自校、现在，许多信号发生器除带有微处理器（因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能）外，还带有自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功

10、能）外，还带有IEEE-488或或RS232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起构成自动测试系统。构成自动测试系统。 当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖范围、高频率精当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖范围、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。第第3章章 信号发生器信号发生器 3.2 正弦信号发生器的性能指标正弦信号发生器的性能指标 正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类，几乎渗透到正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。所有的电子学实验及测量中

11、。 原因：正弦信号容易产生，容易描述是应用最广的载波信号；原因：正弦信号容易产生，容易描述是应用最广的载波信号；任何线性双口网络的特性，都可以用它对正弦信号的响应采表征。任何线性双口网络的特性，都可以用它对正弦信号的响应采表征。 信号发生器作为测量系统的激励源，被测器件、设备各项性信号发生器作为测量系统的激励源，被测器件、设备各项性能参数的测量质量，将直接依赖于信号发生器的性能。能参数的测量质量，将直接依赖于信号发生器的性能。 通常用通常用频率特性频率特性、输出特性输出特性和和调制特性调制特性（俗称三大指标）来（俗称三大指标）来评价正弦信号发生器的性能，其中包括评价正弦信号发生器的性能，其中包

12、括30余项具体指标。余项具体指标。 第第3章章 信号发生器信号发生器 3.2.1 频率范围频率范围 指信号发生器所产生的信号频率范围，该范围内既指信号发生器所产生的信号频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。围内应满足全部误差要求。 3.2.2 频率准确度频率准确度 频率准确度是指信号发生器度盘频率准确度是指信号发生器度盘(或数字显示或数字显示)数值与数值与实际输出信号频率间的偏差实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示，通常用相对误差表示 式中式中f0为度盘或数字显示数值，也称预调值，为度

13、盘或数字显示数值，也称预调值， f1是是输出正弦信号频率的实际值。频率准确度实际上是输出输出正弦信号频率的实际值。频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。信号频率的工作误差。%100110fff（3.2-1）第第3章章 信号发生器信号发生器 3.2.3 频率稳定度频率稳定度 频率稳定度指标要求与频率准确度相关。频率稳定度指标要求与频率准确度相关。频率稳定频率稳定度是指其他外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，度是指其他外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。 按照国家标准，频率稳定度又分为频率短期稳定度按照国

14、家标准，频率稳定度又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。和频率长期稳定度。 频率短期稳定度频率短期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意时间后，信号频率在任意15min内所发生的最大变化，内所发生的最大变化，表示为表示为 式中式中f0为预调频率；为预调频率； fmax、 fmin分别为任意分别为任意15 min信信号频率的最大值和最小值。号频率的最大值和最小值。%1000minmaxfff（3.2-2）第第3章章 信号发生器信号发生器 频率长期稳定度频率长期稳定度定义为信号发生器经过规定的预定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意热

15、时间后，信号频率在任意3h内所发生的最大变化，内所发生的最大变化，表示为：表示为： 预调频率的预调频率的x10- -6+ +y (Hz) (3.2-3) 式中，式中， x、 y是由厂家确定的性能指标值。是由厂家确定的性能指标值。 也可以用式也可以用式(3.2-2)表示频率长期稳定度。表示频率长期稳定度。第第3章章 信号发生器信号发生器 3.2.4 由温度、电源、负载变化而引起的频率变动由温度、电源、负载变化而引起的频率变动 （本小节略）（本小节略） 3.2.5 非线性失真系数非线性失真系数(失真度失真度) 正弦信号发生器的理想输出为单一频率的正弦波。正弦信号发生器的理想输出为单一频率的正弦波。

16、 由于信号发生器内部放大器等元器件的非线性，会由于信号发生器内部放大器等元器件的非线性，会使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率外，外， 还有其他谐波分量。还有其他谐波分量。第第3章章 信号发生器信号发生器%100+2221222223nnUUUUUU(3.2-8) 式中，式中，U1为输出信号基波有效值，为输出信号基波有效值，U2、 U3、 、 Un为为各次谐波有效值。由于各次谐波有效值。由于U2、 U3、 、 Un等较等较U1小得多，因此小得多，因此为了便于测量，也用下面公式定义为了便于测量，也用下面公式定义：%100122322UU

17、UUn 人们通常用信号频谱纯度来说明输出信号波形接近人们通常用信号频谱纯度来说明输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数正弦波的程度，并用非线性失真系数表示：表示：(3.2-7)第第3章章 信号发生器信号发生器 3.2.6 输出阻抗输出阻抗 信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。 低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600 (或或1 k )； 功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常 有有50 、75 、150 、600和和5k等档。等档。 高频信号发生器一般仅

18、有高频信号发生器一般仅有50或或75档。档。 当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。 3.2.7 输出电平输出电平 概念：是指输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定的概念：是指输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得信号发生器的最大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。到输出幅度的有效范围。 输出幅度可用电压输出幅度可用电压(V，mV，V)或分贝表示。或分贝表示。第第3章章 信号发生器信号发生器 3.2.8 调制特性调制特性 高频信号发生器在输出正弦波的同时

19、，一般还能高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一种以上的已被调制的信号，多数情况下输出一种或一种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅信号和调频信号，有些还带有调相和脉冲调制是调幅信号和调频信号，有些还带有调相和脉冲调制等功能。等功能。 当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调制；制； 当调制信号由外部加到信号发生器进行调制时，当调制信号由外部加到信号发生器进行调制时，称为外调制。这类带有输出已调波功能的信号发生器，称为外调制。这类带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收发设备等场合不可缺少的仪器。是测试无线电收发设备等场合不可

20、缺少的仪器。第第3章章 信号发生器信号发生器3.3 低频、超低频信号发生器低频、超低频信号发生器 3.3.1 低频信号发生器低频信号发生器 1低频信号发生器主要性能指标低频信号发生器主要性能指标 通用低频信号发生器的主要性能指标：通用低频信号发生器的主要性能指标： 频率范围为频率范围为1Hz1MHz连续可调；连续可调； 频率稳定度为频率稳定度为(0.10.4)h； 频率准确度为频率准确度为(12)； 输出电压为输出电压为010V连续可调；连续可调； 输出功率约为输出功率约为(0.55)W连续可调；连续可调； 非线性失真为非线性失真为(0.11)； 输出阻抗可为输出阻抗可为50、75、150、6

21、00及及5k 。 第第3章章 信号发生器信号发生器 2低频信号发生器组成框图低频信号发生器组成框图 通用低频信号发生器的组成框图如通用低频信号发生器的组成框图如图图3.3-1所示。所示。图图(a)仅包括电压输出，带负载能力弱。图仅包括电压输出，带负载能力弱。图(b)除包括电除包括电压输出外，另有功率输出能力。压输出外，另有功率输出能力。 3通用通用RC振荡器振荡器 低频信号发生器中产生振荡信号低频信号发生器中产生振荡信号(图图3.3-1中主振器中主振器)的方法有多种，在通用信号发生器中，主振器通常使的方法有多种，在通用信号发生器中，主振器通常使用用RC振荡器，而其中应用最多的当属振荡器，而其中

22、应用最多的当属文氏桥振荡器文氏桥振荡器。 图图3.3-2给出了文氏桥式网络及其传输函数的幅频、给出了文氏桥式网络及其传输函数的幅频、 相频特性。相频特性。第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.3-1 低频信号发生器的组成框图低频信号发生器的组成框图第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.3-2 RC文氏桥网络文氏桥网络第第3章章 信号发生器信号发生器在图在图(a)中，是网络的输入电压，中，是网络的输入电压， 是输出电压，是输出电压， Z1为为R、C串联阻抗，串联阻抗，Z2为为R、C并联阻抗，则网络的传输并联阻抗，则网络的传输函数：函数：iUoUCRCRZZZUUN1j31)j (212iof

23、fff0000j31j31(3.3-1)式中：式中：RC10RCf210(3.3-2)第第3章章 信号发生器信号发生器由式由式(3.3-1)得到传输函数的幅频特性得到传输函数的幅频特性N()和相频特性和相频特性j j ()分分别为别为3/ )(arctan)(31)()(002002jjNN(3.3-3)(3.3-4)N()和和j j ()分别如分别如图图3.3-2 (b)和和(c)所示。所示。第第3章章 信号发生器信号发生器 当当 =0 = 1/(RC ) 或或f = f0 = 1/(2RC )时，时， 输出信号与输入输出信号与输入信号同相，此时传输函数模最大信号同相，此时传输函数模最大 N

24、(0) = N()max = 1/3， 如果如果输出信号输出信号 后接放大倍数后接放大倍数KV = 1/N(0) = 3的同相放大器的同相放大器(一般一般由两级反相放大器级联实现由两级反相放大器级联实现)， 那么就可以维持那么就可以维持 =0 或者或者 f = f0 = 1/(2RC ) 的正弦振荡，的正弦振荡， 而由于而由于RC网络的选频特性，网络的选频特性， 其他其他频率的信号将被抑制。频率的信号将被抑制。oU第第3章章 信号发生器信号发生器 但是，放大倍数但是，放大倍数Kv3的放大器是不稳定的，同时的放大器是不稳定的，同时由于文氏桥电路的选频特性很差，放大器增益不稳，由于文氏桥电路的选频

25、特性很差，放大器增益不稳，不但会引起振荡振幅变化，还会造成输出波形失真。不但会引起振荡振幅变化，还会造成输出波形失真。 为使振荡振幅稳定并减小波形失真，常常使用高为使振荡振幅稳定并减小波形失真，常常使用高增益的二级放大器加上负反馈，使得在维持振荡期间，增益的二级放大器加上负反馈，使得在维持振荡期间，总电压增益为总电压增益为3，这样就形成了，这样就形成了图图3.3-3所示的文氏桥振所示的文氏桥振荡电路。荡电路。 第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.3-3 用热敏电阻用热敏电阻Rt作为增益控制器件的文氏桥式振荡器方框图作为增益控制器件的文氏桥式振荡器方框图 负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻

26、Rt和电阻和电阻Rf构成了电压负反馈电路。构成了电压负反馈电路。 热热敏电阻敏电阻Rt的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减小。的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减小。 某种原因导致某种原因导致 Uo IRt Rt负反馈负反馈 Au Uo 在振荡器起振阶段，由于在振荡器起振阶段，由于Rt温度低，阻值大，负反馈小，放温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于大器实际总增益大于3，振荡器容易起振。，振荡器容易起振。第第3章章 信号发生器信号发生器由式由式(3.3-2)可知，可知， 改变电阻改变电阻R和电容和电容C的数值可调节振荡频的数值可调节振荡频率。率。 可以使用同轴电阻器改变电阻可以

27、使用同轴电阻器改变电阻R来进行粗调，来进行粗调， 使得换挡时使得换挡时频率变化频率变化10倍，倍， 而用改变双联同轴电容而用改变双联同轴电容C的方法在一个波段内的方法在一个波段内进行频率细调。进行频率细调。 图图3.3-4XD-2型低频信号发生器中的型低频信号发生器中的RC振荡器振荡器第第3章章 信号发生器信号发生器 放大器的输入电阻放大器的输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻Ro对对RC 网络的影响如网络的影响如图所示，应使图所示，应使Ri尽可能大而尽可能大而Ro尽可能小。为此实际振荡器电尽可能小。为此实际振荡器电路中放大器输入级常采用场效应管，以提高输入阻抗路中放大器输入级常采用场效应管，以提

28、高输入阻抗Ri，输，输出时加接射极跟随器，以降低输出阻抗出时加接射极跟随器，以降低输出阻抗Ro。图图3.3-5 放大器输入输出阻抗对放大器输入输出阻抗对RC网络的影响网络的影响第第3章章 信号发生器信号发生器 4其他低频振荡器其他低频振荡器 l）LC振荡器振荡器 实际上基本不用实际上基本不用L、C构成的谐振电路做为低频信号发构成的谐振电路做为低频信号发生器的主振荡器。生器的主振荡器。 LC振荡电路的振荡频率为振荡电路的振荡频率为 当频率较低时，当频率较低时， L、C的体积都相当大，分布电容、的体积都相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低很多，

29、谐振特值降低很多，谐振特性变坏，且调节困难。性变坏，且调节困难。 由于由于f0与与 成反比，因而同一频段内的频率覆盖成反比，因而同一频段内的频率覆盖系数很小。系数很小。CLf210CL第第3章章 信号发生器信号发生器例如例如L固定，调节电容固定，调节电容C改变振荡频率，设电容调节范围为改变振荡频率，设电容调节范围为40450 pF，则频率覆盖系数为，则频率覆盖系数为340450minmaxminmaxCCffK如果用如果用RC桥式振荡器，仍以上面的情况为例，根据式桥式振荡器，仍以上面的情况为例，根据式(3.3-2)可以得到频率覆盖系数：可以得到频率覆盖系数：1140450minmaxminma

30、xCCffK(3.3-5)(3.3-6)事实上，以事实上，以RC文氏桥电路构成振荡器的文氏桥电路构成振荡器的XD-1型低频信号源的信号型低频信号源的信号频率范围为频率范围为1 kHz1 MHz，分为，分为6个频段，每个频段内的频率覆盖系数个频段，每个频段内的频率覆盖系数均为均为10。第第3章章 信号发生器信号发生器2）差频式振荡器）差频式振荡器差频式低频信号发生器框图如图差频式低频信号发生器框图如图3.3-6所示。所示。 可变频率的高频振荡可变频率的高频振荡f1和固定频率的高频振荡和固定频率的高频振荡f2，经过混频，经过混频器器M产生两者差频信号产生两者差频信号 f = f1f2，后面的低通滤

31、波器滤除混频器，后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高频分量。输出中含有的高频分量。图图3.3-6 差频信号发生器框图差频信号发生器框图当可变频率振荡器频率从当可变频率振荡器频率从f1max变成变成f1min时，低通滤波器后就时，低通滤波器后就得到了得到了fmaxfmin的低频信号，再经放大器和输出衰减器后就得到的低频信号，再经放大器和输出衰减器后就得到了所需要的低频信号。了所需要的低频信号。 缺点缺点 优点优点第第3章章 信号发生器信号发生器 4XD-1型低频信号发生器型低频信号发生器频率范围：频率范围： 1 Hz1 MHz，分成，分成110 Hz、10100 Hz、100 Hz1 kHz

32、、110 kHz、10100 kHz、100 kHz1 MHz六个频段六个频段(六挡六挡)。 输出：输出： 电压输出，电压输出， 1 Hz1 MHz，5 V；最大功率输出，；最大功率输出， 10 Hz700 kHz(50 、 75 、 150 、 600 )，10 Hz200 kHz(5 k)，4 W。第第3章章 信号发生器信号发生器 3.3.2 超低频信号发生器超低频信号发生器 超低频信号发生器实际上仍属于低频信号发生器，超低频信号发生器实际上仍属于低频信号发生器，只是输出信号频率低端较一般低频信号发生器更低一些，只是输出信号频率低端较一般低频信号发生器更低一些，通常将能产生通常将能产生1H

33、z以下频率的信号源称为超低频信号发以下频率的信号源称为超低频信号发生器生器，目前超低频信号发生器的频率低端已可低于，目前超低频信号发生器的频率低端已可低于10-8 Hz。 这类信号发生器主要用于自动控制系统的测试。这类信号发生器主要用于自动控制系统的测试。 除了除了输出信号频率范围往低端延伸外输出信号频率范围往低端延伸外，超低频信号，超低频信号发生器和一般低频信号发生器技术指标基本相同。下面发生器和一般低频信号发生器技术指标基本相同。下面主要介绍产生超低频振荡的几种常用方法。主要介绍产生超低频振荡的几种常用方法。第第3章章 信号发生器信号发生器 1用积分器构成的超低频信号发生器用积分器构成的超

34、低频信号发生器 1）运算放大器及其理想化模型）运算放大器及其理想化模型 ui0(习惯上称为虚短路，习惯上称为虚短路， 因为因为ui并不真正等于零并不真正等于零) i0(习习惯上称为虚开路惯上称为虚开路)时，时， 输入电阻、输入电阻、 开环放大倍数分别近似认开环放大倍数分别近似认为为Ri， A图图3.3-8运算放大器及其理想化模型运算放大器及其理想化模型第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.3-9运算放大器的运算功能运算放大器的运算功能12112212RRiRiRuu图图(a)中考虑虚开路中考虑虚开路i0， 则则i1=i2， 联系虚短路联系虚短路ui0， 有有u2=R2i2, u1=R1i1，

35、 所以所以(3.3-7) 图图(a)电路具有比例乘法功能。电路具有比例乘法功能。第第3章章 信号发生器信号发生器(3.3-8) 在图在图(b)中，有中，有i2=i11+i12 ，u11=R11i11 ，u12=R12i12 ，u2=R2i2 ，1112221112uuuRRR 若取若取R2=R11=R12， 则上式可写为则上式可写为 u2=(u11+u12) (3.3-9) 图图(b)电路具有加法功能。电路具有加法功能。 在图在图(c)中，同样考虑虚开路、中，同样考虑虚开路、 虚短路的理想化条件，可得：虚短路的理想化条件，可得： i1=i2u1=Ri1ttuRCttiCttiCud)(1d)(

36、1d)(11122(3.3-10)图图(c)所示电路具有积分功能，所示电路具有积分功能， 积分时常数由积分时常数由R、 C决定，如果在积决定，如果在积分区间分区间u1(t)为常数为常数U， 则输出电压则输出电压u2为为2tuURC (3.3-11)第第3章章 信号发生器信号发生器2）用运放构成的超低频信号发生器）用运放构成的超低频信号发生器当输入当输入u1(t)为角频率为角频率的正弦函数时，的正弦函数时，u2(t)也为同频率也为同频率正弦函数，用相量表示为正弦函数，用相量表示为12j1URCU或者或者211jUKURC(3.3-12)即积分器产生即积分器产生/2相移，相移， 增益为增益为1/(

37、RC)。第第3章章 信号发生器信号发生器 如果用两级积分器级联并在反馈环路中接一个反相器如果用两级积分器级联并在反馈环路中接一个反相器(=1)， 如如图图3.3-10(a)所示，所示， 则闭环增益为则闭环增益为1K212121CCRRK(3.3-14)或者当或者当212101CCRR2121021CCRRff(3.3-13)时，时， 闭环增益闭环增益 = 1，这正好是维持振荡的相位和振幅条件。，这正好是维持振荡的相位和振幅条件。 也就是说，也就是说，图图3.3-10(a)所示的电路可产生频率为式所示的电路可产生频率为式(3.3-14)表表示的正弦振荡。示的正弦振荡。K第第3章章 信号发生器信号

38、发生器 在实际振荡器中，在实际振荡器中， 为了调节方便，为了调节方便， 使结构简单，使结构简单， 一般一般取取 R1=R2=R，C1=C2=C，并在两级积分器前各加一个由同轴，并在两级积分器前各加一个由同轴电位器构成的分压电路，电位器构成的分压电路， 分压比均为分压比均为， 如图如图3.3-10(b)所示，所示， 不难得出其振荡频率为不难得出其振荡频率为RCf，RC2 00 实际振荡器中，实际振荡器中， 用改变用改变R或或C的办法改变频段，的办法改变频段， 改变改变进行频率细调。进行频率细调。第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.3-10用积分器构成的超低频信号发生器用积分器构成的超低频信号

39、发生器第第3章章 信号发生器信号发生器 2函数信号发生器函数信号发生器 函数信号发生器（简称函数发生器）是低频（或函数信号发生器（简称函数发生器）是低频（或超低频）信号发生器一种，它在输出正弦波的同时，超低频）信号发生器一种，它在输出正弦波的同时，还能输出同频率的三角波、方波、锯齿波等波形。还能输出同频率的三角波、方波、锯齿波等波形。 函数发生器的基本工作原理是函数发生器的基本工作原理是先由积分电路和触先由积分电路和触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器(例如例如二极管整形网络二极管整形网络)将三角波整形成正弦波将三角波整形成正弦波。 第第3章章

40、 信号发生器信号发生器 函数发生器由双稳态触发器，比较器函数发生器由双稳态触发器，比较器 、和积和积分器构成方波及三角波振荡电路，然后由二极管整形分器构成方波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网络将三角波整形成正弦波。网络将三角波整形成正弦波。图图3.3-11函数发生器的原理框图函数发生器的原理框图SRP第第3章章 信号发生器信号发生器假设开始工作时，双稳态触发电路的假设开始工作时，双稳态触发电路的 输出端电压为输出端电压为E， 经过电位器经过电位器RP分压，若分压系数分压，若分压系数=R2(R1+R2)，根，根据式据式(3.3-11)， 积分器输出端积分器输出端D点电位随时间点电位随时间t正

41、比上升，正比上升， 即即QtRCEuD(3.3-16)SRP第第3章章 信号发生器信号发生器当经过时间当经过时间t1，uD上升到上升到Um时，时， 比较器比较器输出触发脉冲输出触发脉冲使双稳态电路翻转，端输出电压为使双稳态电路翻转，端输出电压为 E 并输入给积分器，并输入给积分器， 则则积分器输出端积分器输出端 D 点电位为点电位为QtRCEuD(3.3-17)SRP第第3章章 信号发生器信号发生器 再经过时间再经过时间t2，uD下降到下降到Um时，比较器时，比较器输出触发脉输出触发脉冲使双稳态电路再次翻转，端重新输出冲使双稳态电路再次翻转，端重新输出E， 如此周而复如此周而复始，始， 在在

42、Q () 端产生周期性方波，在积分器输出端产生三端产生周期性方波，在积分器输出端产生三角波。角波。 QQSRP第第3章章 信号发生器信号发生器若比较器正负比较电平一样，得到完全对称的波形。若比较器正负比较电平一样，得到完全对称的波形。 如果改变积分器正向、反向积分时间常数，比如用二极如果改变积分器正向、反向积分时间常数，比如用二极管代替电阻管代替电阻R，uD达到达到+Um和和Um各自所需的时间各自所需的时间t1将不等将不等于于t2，从而可以产生锯齿波和不对称方波。，从而可以产生锯齿波和不对称方波。 SRP第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.3-12函数发生器波形图函数发生器波形图第第3章章

43、 信号发生器信号发生器 对称三角波转换为正弦波的原理如图对称三角波转换为正弦波的原理如图3.3-13(a)所示。所示。 正弦波可看成是由许多斜率不同的直线段组成，只要直线段足正弦波可看成是由许多斜率不同的直线段组成，只要直线段足够多，由折线构成的波形就可以相当好地近似正弦波形，够多，由折线构成的波形就可以相当好地近似正弦波形，斜率不斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到同的直线段可由三角波经电阻分压得到(各段相应的分压系数不同各段相应的分压系数不同)。 图图3.3-13 由三角波整形成正弦波由三角波整形成正弦波第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.3-13 由三角波整形成正弦波由三角波整形

44、成正弦波将三角波将三角波ui通过一个分压网通过一个分压网络，根据络，根据ui的大小改变分压网络的大小改变分压网络的分压系数，便可以得到近似的分压系数，便可以得到近似的正弦波输出。二极管整形网的正弦波输出。二极管整形网络可以实现这种功能。络可以实现这种功能。 图中图中U1、U2、U3及及U1、U2、U3等为由正负电源等为由正负电源 +E 和和E 通过通过分压电阻分压电阻R7、R8、R14分压得到的不同电位，分压得到的不同电位，各二各二极管串联的电阻极管串联的电阻R1、 R2、R6 及及R0 远远大于远远大于R7、R8、R14，因而串联电阻的接入不会，因而串联电阻的接入不会影响影响U1、U2等值。

45、等值。第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.3-13 由三角波整形成正弦波由三角波整形成正弦波 tt1阶段：阶段：uiU1，V1V6全部截全部截止，输出电压止，输出电压uo等于等于输入电压输入电压ui ， 上升斜率最大；上升斜率最大； t1tt2阶段：阶段：U1uiU2，V3导通，导通，uo等于等于ui经经R0和和R3分压输出分压输出，uo上升上升斜率减小；斜率减小； t2tt3阶段：阶段：U2uit3阶段：阶段： uiU3，V3、V2、V1全全部导通，部导通，uo等于等于ui经经 (R3R2R1)和和R0分压输出分压输出， 上升斜率最小；上升斜率最小； t=t3后，后，ui逐渐减小，逐渐减

46、小，V1、 V2、 V3依次截止，依次截止，uo下降斜率又逐步增下降斜率又逐步增大，大， 完成正弦波的正半周近似。完成正弦波的正半周近似。第第3章章 信号发生器信号发生器 3数字合成低频信号发生器数字合成低频信号发生器 上述两种函数发生器（上述两种函数发生器（RC文氏桥振荡器和以积分文氏桥振荡器和以积分器为基础的）突出的优点是电路简单。器为基础的）突出的优点是电路简单。 缺点：频率准确度及稳定度较差，非线性失真较缺点：频率准确度及稳定度较差，非线性失真较大，而且输出信号的幅频特性不太平坦。大，而且输出信号的幅频特性不太平坦。 数字合成低频信号发生器可以有效地提高上述性数字合成低频信号发生器可以

47、有效地提高上述性能指标。在这种仪器中，能指标。在这种仪器中，正弦波由阶梯波合成正弦波由阶梯波合成，而阶，而阶梯波的形成是由存贮在只读存贮器梯波的形成是由存贮在只读存贮器(ROM)中的数字信中的数字信息经数息经数/模转换器模转换器(DAC)形成的。形成的。第第3章章 信号发生器信号发生器设要产生的正弦波为设要产生的正弦波为 u(t)=Um sin2f t，周期，周期 T=1/f，把它，把它的每个周期平均分成的每个周期平均分成 p 个区间，每个区间间隔为个区间，每个区间间隔为T=T/p。 在在每个每个T 区间内，区间内，u(t)的值看做不变的常数，即认为的值看做不变的常数，即认为 当当0tT时，时

48、，u(t)=u(0) 当当Tt2T时，时，u(t)=Um sin2f T 当当2Tt3T时，时，u(t)=Um sin2f 2T 在在nTt(n+1)T 区间，区间，n=0，p-1，有，有u(t)=Um sin2f nT (3.3-18) 由于由于TpTf11(3.3-19)因此因此u(t)=Um sin2)(nupn(3.3-20)第第3章章 信号发生器信号发生器图图3.3-15 正弦波的阶梯近似正弦波的阶梯近似第第3章章 信号发生器信号发生器改变改变T即可得到不同的输出频率，可由晶体振荡器和分频器实现。即可得到不同的输出频率，可由晶体振荡器和分频器实现。 加加/减减5位二进制计数器、位二进

49、制计数器、RS触发器、检波器等构成触发器、检波器等构成ROM的地址译码的地址译码器，根据译出地址从器，根据译出地址从ROM中取出相对应的幅度值中取出相对应的幅度值(是数字量是数字量)，经模，经模/数转数转换器转换成模拟电压，换器转换成模拟电压， 以及相应的倒相电路，构成图示的阶梯波，再经低以及相应的倒相电路，构成图示的阶梯波，再经低通滤波器，得到正弦波输出。通滤波器，得到正弦波输出。 图图3.3-16 数字合成低频信号产生器框图数字合成低频信号产生器框图（00000）第第3章章 信号发生器信号发生器第第3章章 信号发生器信号发生器3.4 射频信号发生器射频信号发生器 射频信号发生器是指能产生正

50、弦信号，频率范围射频信号发生器是指能产生正弦信号，频率范围部分或全部覆盖部分或全部覆盖300kHz1GHz(允许向外延伸允许向外延伸)，并且，并且具有一种或一种以上调制或组合调制具有一种或一种以上调制或组合调制(正弦调幅、正弦正弦调幅、正弦调频、断续脉冲调制调频、断续脉冲调制)的信号发生器。的信号发生器。 “高频信号发生器高频信号发生器” 按照国家标准按照国家标准GB1211489高频信号发生器技高频信号发生器技术条件术条件规定，射频信号发生器分为规定，射频信号发生器分为调谐信号发生器调谐信号发生器、锁相信号发生器锁相信号发生器及及合成信号发生器合成信号发生器三类。三类。第第3章章 信号发生器

51、信号发生器 不同类别的发生器的主要区别在于振荡器，即产不同类别的发生器的主要区别在于振荡器，即产生高频正弦波的方法不同。生高频正弦波的方法不同。图图3.4-1高频信号发生器框图高频信号发生器框图第第3章章 信号发生器信号发生器 3.4.1 调谐信号发生器调谐信号发生器 调谐信号发生器的振荡器通常为调谐信号发生器的振荡器通常为 LC 振荡器，根据振荡器，根据反馈方式，可分为反馈方式，可分为变压器反馈式变压器反馈式、电感反馈式电感反馈式（电感（电感三点式或哈特莱式）及三点式或哈特莱式）及电容反馈式电容反馈式（电容三点式或考（电容三点式或考毕兹式）三种振荡器形式。毕兹式）三种振荡器形式。 通常用改变

52、电感通常用改变电感 L 来改变频段，改变电容来改变频段，改变电容 C 进行进行频段内频率细调。频段内频率细调。 振荡频率：振荡频率：LCf21第第3章章 信号发生器信号发生器 3.4.2 锁相信号发生器（略）锁相信号发生器（略） 3.4.3 合成信号发生器合成信号发生器 合成信号发生器是用合成信号发生器是用频率合成器频率合成器代替信号发生器代替信号发生器中主振荡器。中主振荡器。 频率合成器是把一个（或少数几个）高稳定度频频率合成器是把一个（或少数几个）高稳定度频率源率源fs 经过加、减、乘、除及其组合运算，以产生在经过加、减、乘、除及其组合运算，以产生在一定频率范围内，按一定的频率间隔（频率跳

53、步）的一定频率范围内，按一定的频率间隔（频率跳步）的一系列离散频率的信号发生器一系列离散频率的信号发生器。 频率合成的方法分为频率合成的方法分为直接合成法直接合成法和和间接合成法间接合成法两两类。类。第第3章章 信号发生器信号发生器 直接合成法：将直接合成法：将基准晶体振荡器基准晶体振荡器产生的标准频率产生的标准频率信号，利用信号，利用倍频器倍频器、分频器分频器、混频器混频器及及滤波器滤波器等进行等进行一系列四则运算以获得所需要的频率输出。一系列四则运算以获得所需要的频率输出。 在这种合成法中，又可分为在这种合成法中，又可分为非相干式直接合成器非相干式直接合成器和和相干式直接合成器相干式直接合

54、成器。 若用若用多个石英晶体多个石英晶体产生基准频率，产生混频的两产生基准频率，产生混频的两个基准频率之间相互独立，就叫做非相干式直接合成个基准频率之间相互独立，就叫做非相干式直接合成器。器。 如果只用如果只用一个石英晶体一个石英晶体产生基准频率，然后通过产生基准频率，然后通过分频、倍频等，使加入混频器的频率之间是相关的，分频、倍频等，使加入混频器的频率之间是相关的，就称为相干式频率合成器。就称为相干式频率合成器。第第3章章 信号发生器信号发生器 图图3.4-8 相干式直接式频率合成器原理框图相干式直接式频率合成器原理框图 晶振产生晶振产生1MHz基准信号，由谐波发生器产生相关的基准信号，由谐

55、波发生器产生相关的1MHz、2MHz、9MHz等基准频率，然后通过十进制分频器（完成等基准频率，然后通过十进制分频器（完成10运算）、混频器和运算）、混频器和滤波器（完成加法或减法运算），最后产生滤波器（完成加法或减法运算），最后产生4.628MHz输出信号。输出信号。第第3章章 信号发生器信号发生器3.5 扫频信号发生器扫频信号发生器 扫频信号发生器是一种输出信号的频率随时间在扫频信号发生器是一种输出信号的频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发生器一定范围内反复变化的正弦信号发生器 它是它是频率特性测试仪频率特性测试仪(扫频仪扫频仪)的核心的核心 主要用于直接测量各种网络的频率响应特性主

56、要用于直接测量各种网络的频率响应特性第第3章章 信号发生器信号发生器 3.5.1 线性电路幅频特性的测量线性电路幅频特性的测量 频域测量的重要地位：线性电路对正弦激励的响应仍是频域测量的重要地位：线性电路对正弦激励的响应仍是正弦信号，只是与输入相比，其振幅和相位发生了变化，正弦信号，只是与输入相比，其振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频率的函数。一般情况下都是频率的函数。 正弦稳态下的系统函数或传输函数正弦稳态下的系统函数或传输函数N( j)就反映了该系就反映了该系统激励与响应间的关系统激励与响应间的关系：)()()()()(jjioioeNUUjUjUjN(3.5-1) 式中，式中，N()

57、（或写成（或写成N( f ) ）与）与 j j ()（或写成（或写成 ( f ) ）分别）分别称为电路称为电路(系统系统)的幅频特性和相频特性。的幅频特性和相频特性。第第3章章 信号发生器信号发生器 1点频法测量幅频特性点频法测量幅频特性 点频法点频法“逐点逐点”测量幅频特性或相频特性的方法测量幅频特性或相频特性的方法图图3.5-1点频法测量系统的幅频特性点频法测量系统的幅频特性 ui(t)为正弦信号源，接于被测电路输入端，由低到高不断改变信号为正弦信号源，接于被测电路输入端，由低到高不断改变信号源频率，信号电压不应超过被测电路的线性工作范围，用测量仪器在源频率，信号电压不应超过被测电路的线性

58、工作范围，用测量仪器在各个频率点上测出输出信号与输入信号的振幅比各个频率点上测出输出信号与输入信号的振幅比(幅频特性幅频特性)和相位差和相位差(相频特性相频特性)。 以振幅比以振幅比(或相位差或相位差)为纵坐标，就可以逐点描绘出频率特性曲线。为纵坐标，就可以逐点描绘出频率特性曲线。第第3章章 信号发生器信号发生器 点频法特点：点频法特点： 原理简单，需要的设备不复杂。原理简单，需要的设备不复杂。 逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，非常容易遗漏掉某些特性突变点（这常常是我们在连续，非常容易遗漏掉某些特性突变点（这常常是我们在测试和分析电

59、路性能时非常关注的问题）。测试和分析电路性能时非常关注的问题）。 当我们试图改变电路的结构或元件参数时，任何改当我们试图改变电路的结构或元件参数时，任何改变都必然导致重新逐点测量。变都必然导致重新逐点测量。 如果能够在测试过程中，使信号源输出信号的频率按如果能够在测试过程中，使信号源输出信号的频率按特定规律自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包特定规律自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就得到了被测电路的幅频特性络检出送到示波器上显示，就得到了被测电路的幅频特性曲线曲线。扫频法测量的基本思想扫频法测量的基本思想 提供频率可自动连续变化的正弦波信号源，称为提供频

60、率可自动连续变化的正弦波信号源，称为扫频扫频信号源信号源或或扫频振荡器扫频振荡器。第第3章章 信号发生器信号发生器 2扫频法测量频率特性扫频法测量频率特性 除被测网络外，其余部分都安装于除被测网络外，其余部分都安装于频率特性测试仪频率特性测试仪(也称也称扫扫频仪频仪) 中，中，扫频信号发生器实际上是频率可控的正弦振荡器扫频信号发生器实际上是频率可控的正弦振荡器。 比如压控振荡器比如压控振荡器(VCO)，它的振荡频率受扫描电压，它的振荡频率受扫描电压us控制。控制。图图3.5-2 扫频法测量网络频率特性原理扫频法测量网络频率特性原理第第3章章 信号发生器信号发生器 若扫描电压为三角波若扫描电压为