第4章 测量用信号源

第五章测量用信号源4.1概述4.1.1测量用信号源的分类与主要性能指标1．信号发生器的分类信号发生器种类繁多，从不同角度可将信号发生器进行不同的分类。（1）按用途分类根据用途的不同，信号发生器可以分为通用信号发生器和专用信号发生器两大类。专用信号发生器是为特定目的而专门设计的，它只适用于某种特定的测量对象和测量条件。低频信号发生器、高频信号发生器、脉冲信号发生器、正弦信号发生器、噪声信号发生器、函数信号发生器等都属于通用信号发生器。（2）按频率范围分类根据输出信号频率范围的不同，信号发生器可以分成六种不同的种类，参见表4-1。类型 频率范围 超低频信号发生器 0.001Hz～1kHz

低频信号发生器 1Hz～1MHz

视频信号发生器 20Hz～10MHz

高频信号发生器 100kHz～30MHz

甚高频信号发生器 4MHz～300MHz

高频信号发生器 300MHz以上

（3）按输出信号波形分类

正弦信号发生器矩形信号发生器脉冲信号发生器三角波信号发生器钟形脉冲信号发生器噪声信号发生器

电视信号发生器调频立体声信号发生器

（4）按调制方式分类

调频调制调幅调制脉冲调制

2.信号发生器的主要技术特性

（1）频率特性有效频率范围：各项指标均得到保证的输出频率范围称为信号发生器的有效频率范围

频率准确度：

频率稳定度：在一定的时间间隔内频率的相对变化。

fx

频率的实际值

f0标称值频率稳定度长期稳定度短期稳定度（2）输出特性

输出阻抗、输出电平、输出波形平坦度、谐波失真

（3）调制特性调幅、调频、调相4.1.2信号发生器的基本组成

主振器

变换器

输出级

指示器

电源

输出

4.2通用信号发生器

4.2.1正弦信号发生器1.低频信号发生器特点：输出频率为1Hz～1MHz，有功率放大输出。电压表

电压放大器

输出衰减器

功率放大器

阻抗变换器

电压输出

RP

S

主振器

功放输出低频信号发生器组成:

主振器电平调节电压放大器输出衰减器功率放大器阻抗变换器电压表1）主振器:主振器是低频信号发生器的核心电路，产生频率可调的低频正弦信号，其振荡频率范围即为信号发生器的有效频率范围。在现代低频信号发生器中，主振器常采用RC文氏桥式振荡电路，利用波段开关改变RC振荡器选频网络的电容器容量来改变频段，调节电位器使同一频段内的频率连续变化。这种振荡器产生的正弦波频率调节方便、可调范围较宽、振荡频率稳定、振幅稳定、谐波失真小。RC文氏桥式振荡电路如图4-3所示，图中A为同相运算放大器，C1、R1、C2、R2为选频网络，它跨接于放大器的输出端与输入端之间，形成正反馈，产生正弦振荡，振荡频率由选频网络中的元件参数决定。R3是具有负温度系数的热敏电阻，引入负反馈起稳幅作用。在振荡器起振阶段，由于温度低，R3的阻值较大，负反馈系数小，使负反馈放大器的电压增益大于3，输出信号频率产生增幅振荡。随着该信号的增大，流过R3的电流增大，温度升高，阻值下降，反馈深度加深，负反馈放大器的电压放大倍数减小，只要R3、R4选择适当，最后将达到稳定的等幅振荡。当电路进入稳定的等幅振荡后，如果由于某种原因引起输出电压增大，由于U0直接接在R3、R4串联电路中，从而使流过R3的电流增大，R3阻值的减小也会使负反馈放大器的放大倍数下降，最终令输出电压减小，达到稳定输出电压的目的。2）电压放大器：电压放大器特点：缓冲、电压放大作用。缓冲是为了隔离后级电路对主振器的影响，保证主振频率稳定，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。放大是为了使信号发生器的输出电压达到预定技术指标，要求其频带宽、谐波失真小、工作稳定等

3）输出衰减器：用于改变信号发生器的输出电压或功率，通常分为连续调节和步进调节。连续调节由电位器实现，步进调节由电阻分压器实现。图4-4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取出一部分信号电压加于R1～R8组成的步进衰减器，调节电位器中点在不同位置，或调节波段开关S处于不同档位，均可使衰减器输出不同电压。

4）功率放大器用来对衰减器送来的电压信号进行功率放大，使之达到额定的功率输出。

5）阻抗变换器：用于匹配不同阻抗的负载，以便获得最大输出功率。

6）电压表：用来指示电压放大器或功率放大器的输出电压幅度，或对外部信号电压进行测量。(2)低频信号发生器的主要工作特性目前，低频信号发生器的主要工作特性如下：1）频率范围一般为1Hz～1MHz，且连续可调。2）频率准确度3）频率稳定度优于0.14）输出电压0～10V连续可调。5）输出功率0.5～5W连续可调。6）非线性失真范围（0.1～1）7）输出阻抗50Ω、75Ω、150Ω、600Ω、5kΩ等几种。8）输出形式平衡输出与不平衡输出。

2.高频信号发生器

（1）高频信号发生器的组成高频信号发生器的组成：

1）主振级

2）缓冲级

3）调制级

4）输出级

5）衰减器

6）内调制振荡器

7）调频器

8）监测指示

9）电源供给1）主振级：用于产生高频振荡信号。主振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（优于10-3）和稳定度（优于10-4）好的LC振荡电路。主振级电路结构简单，输出功率不大，一般在几到几十毫瓦的范围内。2）缓冲级：主要用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作稳定。3）内调制振荡器：用于为调制级提供频率为400HZ或1000HZ的内调制信号，供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。4）调制级：主振信号经缓冲级输出到调制级，进行正弦幅度调制和放大后输出，并保证一定的输出电平调节和输出阻抗。5）可变电抗器：用来实现频率调制。可变电抗器与主振的谐振回路相耦合，在调制信号作用下，控制谐振回路电抗的变化实现调频功能。为使高频信号发生器有较宽的工作频率范围和主振器工作在较窄的频率范围，以提高输出频率的稳定度和准确度，必要时可在主振级之后加入倍频器、分频器和混频器。6）输出级：主要由放大器、滤波器、输出微调、输出倍乘等组成。可进一步控制输出电压的幅度，可使最小输出电压达µV数量级。当高频信号发生器处于AM调幅工作状态时，用内调制振荡器产生的信号对主振产生的高频振荡信号的幅度进行调制，让输出的信号频率保持载波信号不变，而幅度随调制信号的变化规律变化。达到输出调幅波的目的。当高频信号发生器处于FM调频工作状态时，用内调制振荡器产生的信号对主振产生的高频振荡信号的频率进行调制，让输出的信号幅度保持载波信号幅度不变，而频率随调制信号的变化规律变化，达到输出调频波的目的。高频信号发生器的特点：有调制输出。高频信号发生器输出波形：正弦波调幅波调频波输出频率为：100kHz～30MHz

调幅器电路

V1和V2为平衡调制器

Tr1Tr2变压器载波信号通过变压器

Tr1加到V1和V2基极上

调制信号从Tr1的中心抽头加入调制调幅主要用于高频段（100KHZ—30MHZ）调频主要用于甚高频段或超高频段（4—300MHZ）脉冲调制主要用于微波段（＞300MHZ）（2）高频信号发生器实例——XFG-7高频信号发生器（3）高频信号发生器的使用高频信号发生器与低频信号发生器的使用方法步骤相类似。大致分为如下几个方面：1）准备工作除了应注意正确选用符合要求的电源，保证仪器外壳接地良好（否则，必须在使用者的脚下垫衬绝缘板），电压表调零外，还应注意将各开关和旋钮置于起始位置：输出衰减处于最大衰减档，电源开关处于关断，载波调节、调幅度调节和输出微调旋钮等处于最小位置。然后开机预热，并将波段开关置于两档中间，继续对电压表调零。2）等幅振荡输出将调幅选择开关置于等幅位置；根据所需频率，将波段开关置于相应的频段；频率粗调旋钮旋到所需的频率附近，然后再调节频率微调旋钮以得到准确的频率。反复调节载波调节旋钮和输出微调旋钮输出所需的等幅振荡信号。3）调幅波输出高频信号发生器分为内调制和外调制。用内调制信号时：①将调幅选择开关置于相应的位置（400Hz或1000kHz）。②按选择等幅振荡频率的方法选择载波频率。③调节载波调节旋钮，使电压表指示处在大小合适的位置。④调节调幅度旋钮并读出调幅度的大小，典型的调幅度为30%⑤利用输出微调旋钮和输出倍乘开关来控制载波的输出幅度。

4.2.2合成信号发生器采用频率合成技术制成的频率源统称为频率合成器，采用频率合成技术可以对一个或几个高稳定度频率进行加、减、乘、除等算术运算，得到一系列所要求的频率。频率的加、减可通过混频获得，乘、除可通过倍频、分频获得。利用频率合成技术可以产生在一定频率范围内，按一定的频率间隔变化的一系列离散频率的信号发生器。从频率合成技术的发展来看，大致可分为三个阶段：直接频率合成技术、间接频率合成技术即锁相合成技术(PLL)及数字频率合成技术(DDS)。1．直接频率合成技术利用分频、倍频和混频及滤波技术，对一个或几个基准频率进行算术运算合成所需要的频率的方法称为直接频率合成技术。（1）固定频率合成法原理如图4-8所示。图中基准频率源采用石英晶振，提供基准频率fr,经分频（分频系数为D）、倍频（倍频系数为N）后输出频率为：（2）可变频率合成法原理如图4-9所示。可变频率合成法可根据需要选择各种输出频率。将石英晶振产生的1MHZ基准频率，通过谐波发生器产生1MHZ、2MHZ、3MHZ…9MHZ等基准频率信号，然后通过10分频器、混频器和窄带滤波器，最后产生4.628MHZ的高稳定度的输出信号。只要选取不同谐波进行合适的组合，就能得到各种所需频率的高稳定度信号。可变频率合成法中，由于基准频率转换输出频率所需的时间主要取决于混频器、滤波器、倍频器、分频器等电路的稳定时间和传输时间，这些时间一般较小（μs量级），因此这种方法的频率转换速度较快，频谱纯度高。但需要大量的混频器、分频器和窄带滤波器，因而体积大、价格高，且难集成。一般只用于实验室、固定通信、电子对抗及要求时间转换较小的场合。2．数字频率合成技术数字频率合成技术有直接合成与间接合成之分，这里主要介绍间接合成法。间接合成法也称锁相合成法，它是利用锁相环PLL来完成频率的加减乘除运算。由于锁相环具有滤波作用，因此可以省掉直接合成法中大量的滤波器，它的通频带可以做得很窄，其中心频率便于调节，而且可以自动跟踪输入频率，因而结构简单、价格低廉、便于集成，在频率合成中获得广泛应用。但间接合成法受锁相环锁定过程的限制，转换速度较慢，转换时间一般为毫秒ms级。（1）基本锁相环基本锁相环由基准频率源、相位比较器又称鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)构成一个闭环负反馈系统。如图4-10所示。基本锁相环各部分作用如下：1)相位比较器(PD)相位比较器是相位比较装置，它将两个输入信号Ui和U0之间的相位进行比较，输出与两个信号的相位差成正比的误差电压Ud，送给窄带环路滤波器(LPF)。2)环路滤波器(LPF)环路低通滤波器用于滤除误差电压Ud中的高频分量和噪声，以保证环路所要求的性能，并提高系统的稳定性。3)压控振荡器(VCO)压控振荡器是受电压控制的振荡器，它可根据输入电压的大小改变振荡的频率。（2）锁相环的几种基本形式1）倍频锁相环

（a）数字控制式倍频环（b）脉冲控制式倍频环2）分频锁相环

（a）数字控制式分频环（b）脉冲控制式分频环2）分频锁相环

（a）数字控制式分频环（b）脉冲控制式分频环3）组合锁相环组合式锁相环如图4-13所示，由频率源、混频器、带通滤波器及基本锁相环组成，它可以实现频率的加、减运算。由于单个锁相环很难覆盖较宽的频率范围，将上述几种器件组合在一起，就可以得到组合式锁相环。还可根据需要将混频器与不同的分频器、倍频器组合，形成频率组合单元得到较宽的频率范围和较小的频段调节。4）可程控组合单元可程控合成单元如图4-14所示，它由PD、LPF、VCO、加法放大器、D/A转换器及可程控分频器组成。它首先用频率预调技术来预置VCO的频率，预调由频率控制数码，再经D/A转换器与加法放大器放大后送VCO实现，但准确的频率是由锁相环来完成的。（3）数字频率合成技术1）直接数字频率合成（简称DDFS）直接数字频率合成技术是采用计算机技术，使计算机参与频率的直接合成。它具有一系列优点，例如，频率切换速度快、频率分辨率高、频率和相位易于控制等。当前，这一合成方法正在获得越来越多的实际应用，而且，由于大规模集成电路和计算机技术的迅猛发展，新的高速器件的不断涌现，使得DDFS的应用前景更为广阔。以合成正弦波为例，产生正弦波最简单的办法是用一片PROM和一片DAC，加上寄存器和地址计数器，用时钟频率控制，就可以得到正弦波，如图4-15所示。在正弦表PROM中，每个地址的内容（数据）都相应于正弦波的离散采样值，整个正弦表必须包括完整的正弦波采样值。工作时，CPU先将正弦编码表送给PROM，在时钟频率fcp的作用下，输入地址计数器和寄存器，地址计数器所选中的正弦表PROM地址的内容存入寄存器，寄存器的输出再经D/A转换器恢复成连续信号，即由各个台阶（n）重构的正弦波，若n比较大，则重构的正弦波经适当平滑后失真很小。fcp改变，则DAC输出的正弦波频率就改变，但输出频率的变化仅决定于fcp的改变。为了使改变输出频率更加方便，可以采用相位累加器，使输出频率正比于时钟频率和相位增量之积。2）锁相环数字频率合成由于直接数字合成法的输出频率一般远低于时钟频率fcp，采用锁相环数字合成法的输出频率则可以低于也可以高于参考频率。如图4-16所示为CMOS全集成锁相环频率合成器。对参考频率fREF先进行Q分频，输出频率经f0经2p分频，经锁相环输出频率的参考的关系就变为：3）DDS的特点DDS完全不同于传统的频率合成方式，它是一种全数字结构形式。它的特点主要表现为下面几点：①DDS可以产生极高的频率：DDS工作在300MHZ的时钟下，根据采样原理DDS的最高输出频率应小于采样时钟频率的1/2，在实际应用中，考虑到低通滤波器的非线性影响，因此一般能达到系统时钟fcp的40%，频率很高，完全能满足设计要求中的高频率要求。②DDS具有极高的频率分辨率。③DDS输出频率的相对带宽很宽。④DDS具有极短的频率转换时间。⑤DDS具有在频率捷变时的相位连续性的特点。4.2.3函数信号发生器函数信号发生器也称为任意波形信号发生器，它是一种宽带频率可调的多波形信号发生器。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波、矩形波（宽度和重复周期可调）、正负尖脉冲等波形。现代函数信号发生器一般具有多种功能如触发、锁相、调频、调幅、扫频和VCF（电压控制频率）特性等功能，广泛应用于生产测试、仪器维修、自动测试系统和实验室。1．函数信号发生器的工作原理及结构函数信号发生器按其构成分为：正弦式（先产生正弦波再得到方波和三角波）、脉冲式（在触发脉冲的作用下，施密特触发器产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波）和合成式即利用数字合成技术（DDS）产生所需的波形。（1）脉冲式函数信号发生器脉冲式函数信号发生器的组成框图如图4-17所示。它包括脉冲发生器、施密特触发器、积分器和正弦波转换器等部分。脉冲式函数信号发生器的工作过程如下：在触发脉冲的作用下，施密特触发器产生方波，积分器将方波积分形成三角波，正弦波转换器将三角波转换成正弦波。正弦波转换器通常是令三角波信号经过非线性成形网络，用分段折线逼近的方法来实现。（2）正弦式函数信号发生器图4-21所示为正弦式函数信号发生器的组成框图。它包括正弦振荡器、缓冲级、方波形成、积分器、放大器和输出级等部分。其工作过程如下：正弦振荡器输出正弦波，经缓冲级隔离后，分为二路信号，一路送放大器输出正弦波，另一路作为方波形成电路的触发信号。方波形成电路通常是施密特触发器，后者也输出二路信号，一路送放大器，经放大后输出方波；另一路作为积分器的输入信号。积分器一般是密勒积分电路，积分器将方波积分形成三角波，经放大后输出。三种波形的输出由放大级中的选择开关控制。（3）采用直接数字合成技术的任意函数发生器AFG借助于AFG，用户可以方便地模仿各种系统的输出，而输出波形是通过微处理器系统来建立的。整个过程具有数字化技术的可编程性、可重复性、可存储性、可编辑性等一系列优点。AFG的基本结构如图4-22所示。2．函数信号发生器的性能指标（1）输出波形：正弦波、方波、三角波和脉冲波等，具有TTL同步输出及单次脉冲输出等。（2）频率范围：一般分为若干频段，如1～10HZ、10～100HZ、100HZ～1KHZ、1～10KHZ、10～100KHZ、100KHZ～1MHZ等六个波段。（3）输出电压：一般指输出电压的峰峰值。（4）输出阻抗：函数波形输出500Ω；TTL同步输出600Ω。（5）波形特性：正弦波形特性用非线性失真系数表示，一般要求≤3%；三角波形特性用非线性系数表示，一般要求≤2%；方波特性参数是上升时间，一般要求≤100ns。本