项目3 信号发生器及应用

项目3信号发生器及应用任务1知识引领——信号发生器基本知识任务2仪器介绍——低频信号发生器任务3仪器介绍——高频信号发生器任务4仪器介绍——函数信号发生器任务5应用实训——信号发生器应用实训任务1知识引领——信号发生器基本知识

信号发生器又叫信号源，是在电子测量中提供符合一定技术要求的各种电信号的仪器。信号发生器可产生不同波形、不同频率和不同幅度的信号，为测试各种模拟系统和数字系统提供所需的信号源。知识1.1信号发生器的分类

信号发生器的类型很多，通常可从以下几方面分类。

1．按输出波形分类信号发生器按输出波形可分为以下类型，适合于不同的应用场合。

(1)正弦信号发生器。产生正弦波或受调制的正弦波，用于模拟系统测试。

(2)函数信号发生器。产生幅度与时间成一定函数关系的信号，如正弦波、三角波、方波等各种波形的信号，用于各种测试或实验。(3)脉冲信号发生器。产生脉宽可调的重复脉冲波，用于脉冲电路测试。

(4)噪声信号发生器。产生各种模拟干扰噪声信号，用于噪声测试。

(5)数字序列发生器。产生各种不同的数字序列信号，用于数字系统测试。

(6)特殊信号发生器。产生特殊或专用电信号，如电视信号发生器、扫频信号发生器、任意波形发生器等，用于一些特殊应用场合。

2．按输出频率范围分类信号发生器按输出频率范围可分为以下类型，适合于不同的应用领域。

(1)超低频信号发生器。频率范围为0.001Hz～1kHz，用于地震、电声、医疗设备的测试。

(2)低频信号发生器。频率范围为1Hz～1MHz，用于音频、家电、通信设备的测试与维修。

(3)视频信号发生器。频率范围为20Hz～10MHz，用于电视设备的测试与维修。(4)高频信号发生器。频率范围为100kHz～30MHz.，用于调幅广播、电报、通信设备的测试。

(5)甚高频信号发生器。频率范围为30～300MHz，用于调频广播、电视、通信、导航设备的测试。

(6)超高频信号发生器，频率范围为300MHz以上，用于雷达、微波、卫星通信设备的测试。3．按信号产生方式分类按信号产生的方式不同可分为以下几类，适合于不同的应用场合。

(1)调谐信号发生器。主振信号由调谐振荡器产生，用于一般信号发生器。

(2)锁相信号发生器。主振信号由锁相环电路产生，用于标准信号发生器。

(3)合成信号发生器。主振信号由频率合成器产生，用于高档次的信号发生器。知识1.2信号发生器的基本组成

不同类型的信号发生器其性能、用途虽然各不相同，但基本构成是相似的，一般信号发生器的基本组成框图如图3-1所示，它包括主振器、变换器、放大器、指示器、输出电路及电源等几部分。图3-1信号发生器的基本组成框图1．主振器主振器是信号发生器的核心部分，由它产生各种不同频率的信号。主振器通常是正弦波振荡器或多谐振荡器。它决定了信号发生器的工作频率范围、频率稳定度、频率准确度等一些重要性能。

2．变换器变换器包括信号调制器、脉冲形成器、波形变换器等，它将主振器的输出信号进行调制或变换，输出所要求的波形。

3．放大器放大器包括缓冲放大器、电压放大器、功率放大器等，它将振荡器的输出信号进行隔离和放大，以提高信号电压，或使信号发生器具有一定的输出功率。4．输出电路输出电路包括输出衰减器、阻抗变换器、射极跟随器等。它用于输出电压调整和输出阻抗变换，为被测设备提供所需要的信号电压或功率。

5．指示器指示器用来监视输出信号。不同功用的信号发生器，指示器的种类也不同，它可以是电压表、频率计、功率计、调制度仪或以上几种。

6．电源电源为信号发生器的各部分电路提供所需的各种直流工作电压，通常是由50Hz的交流电(市电)经过变压、整流、滤波和稳压后得到。知识1.3信号发生器的技术指标

信号发生器的性能通常可用频率特性、输出特性和调制特性(俗称三大指标)来评价。其性能指标很多，其中最常用的共有的性能指标有以下一些。

1．频率特性

(1)有效频率范围信号发生器的有效频率范围是指各项指标均能得到保证时的输出频率范围。

(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

的相对误差，其表达式为(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相对变化量，其表达式为

(4)频谱纯度频谱纯度是正弦信号发生器的重要指标之一。它是指正弦信号发生器输出的频谱逼近理想频谱的程度，常用谐波电平或谐波失真度等参数来衡量。2．输出特性

(1)输出电压范围输出电压范围是指输出信号幅度的有效范围，也就是输出信号幅度的可调范围，通常采用有效值来度量。

(2)输出电压准确度输出电压准确度是指输出信号的实际值与其标称值的相对误差。

(3)输出电压平坦度输出电压平坦度也就是输出电压的频率响应，它是指在有效频率范围内调节频率时，输出电压的相对变化量。(4)输出阻抗输出阻抗的大小，随信号发生器类型而异。低频信号发生器一般有50Ω、600Ω、5kΩ等几种不同的输出阻抗，而高频信号发生器一般为50Ω(或75Ω)不平衡输出阻抗，在使用高频信号发生器时，要注意阻抗的匹配。

(5)输出波形输出波形是指信号发生器所能输出的信号波形。低频信号发生器一般输出正弦波和方波；函数信号发生器能输出正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲波和阶梯波等；高频信号发生器则能输出正弦波和各种调制波。3．调制特性

(1)调制类型许多信号发生器都具有调制功能，如高频信号发生器，一般都具有输出一种或多种调制信号的功能，通常为调幅和调频，有些还具有调相、脉冲调制、数字调制、矢量调制等。

(2)调制频率调制频率是指调制信号的频率，它可以是固定的或连续可调的，调幅信号的调制频率通常为400Hz和1000Hz；而调频信号的调制频率可在10Hz~100kHz范围内改变。(3)调制深度调制深度是指调幅信号的调幅系数或调频信号的最大频偏以及调制的线性度等参数。

(4)调制信号源当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调制；当调制信号由外部加到信号发生器上进行调制时，称为外调制。

知识1.4信号发生器的选择

由于信号发生器的种类、型号繁多，使用时可根据具体情况从以下几个方面进行选择：

(1)根据测试功能选择

(2)根据输出信号波形选择

(3)根据信号频率选择

(4)根据测量准确度要求选择任务2仪器介绍——低频信号发生器

低频信号发生器主要用来产生频率范围为1Hz～1MHz的正弦波信号。有些低频信号发生器除了产生正弦波外，还能产生方波和脉冲波信号。低频信号发生器可用来测试无线电接收机、组合音响及各种电子设备中低频放大器的性能。知识2.1低频信号发生器的组成

低频信号发生器的基本组成框图如图3-2所示。

1．主振荡器低频信号发生器的主振荡器用来产生低频正弦波信号，其振荡频率的调节范围即为信号发生器的有效频率范围。低频信号发生器主振荡器的电路形式主要有差频式振荡器和RC振荡器两类。图3-2低频信号发生器的组成框图2．缓冲放大器缓冲放大器兼有缓冲和电压放大的作用。缓冲的目的是为了隔离后级电路对主振电路的影响，保证主振频率稳定，一般采用射(源)极跟随器或运算放大器组成的电压跟随器；电压放大的目的是为了对主振级产生的微弱振荡信号进行放大，使信号发生器的输出电压达到预定的值。

3．输出衰减器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。低频信号发生器中采用的输出衰减器如图3-3所示。由电位器Rp

取出一部分信号电压加于由R1～R8组成的步进衰减器，调节电位器在不同位置，或调节波段开关S于不同挡位，均可使衰减器输出不同的电压。

信号发生器对步进衰减量的表示方法通常有两种，一种是直接用步进衰减器的输出电压Uo与输入电压Ui的比值来表示，即Uo/Ui。例如，当Uo/Ui

=0.1时，表示为×0.1。另一种是将上述的比值用分贝值表示，即201g(Uo/Ui)，单位为dB。例如，当Uo/Ui

=0.1时，表示为-20dB，由于其比值总是小于1，其对数都为负值，不会造成混淆，有时也省去负号。图3-3输出衰减器4．功率放大器功率放大器对电平调节器送来的电压信号进行功率放大，使之达到一定的输出功率。要求功率放大器的输出阻抗低、工作效率高、谐波失真小。

5．监测仪表监测仪表主要有电压表和频率计。电压表用于指示输出信号的幅度，频率计用于指示输出信号的频率，它们可以是指针式的也可以是数字式的。知识2.2主振荡器类型与工作原理

低频信号发生器的主振荡器电路形式有差频式振荡器和RC振荡器两类。

1．差频式振荡器差频式振荡器的原理框图如图3-4所示。图3-4差频式振荡器原理框图

它有两个高频振荡器，一个产生频率固定的振荡信号f1，另一个产生频率可变的振荡信号f2

，两信号同时送入混频器，产生低频差频信号，经过低通滤波器去掉高频成分，再通过缓冲放大器放大，即可得到具有一定幅度的低频信号电压。用这种方法产生的低频正弦波信号，其频率覆盖范围比较宽；缺点是频率稳定性差，特别是f1与f2接近时，极易产生干扰，因此很难获得较低的差频输出。2.RC文氏电桥振荡器

(1)振荡器工作原理

RC文氏电桥振荡器实际上是一种电压反馈式振荡器，它由负反馈放大器和一个具有选频作用的正反馈回路组成。图3-5中

R1、C1、R2、C2

组成具有选频作用的串一并联正反馈回路，Rt和Rf为负反馈回路，它们构成一个电桥，放大器的输入信号取自电桥的两个对角线上，输出信号则送至电桥的另两个对角线上。

图3-5RC文氏电桥振荡器

振荡器的频率调节是通过改变桥路电阻和电容值，通常用波段开关改变R1、R2进行频率分段调节，波段内的最高频率与最低频率比一般为10。在同一波段中，用同轴双联可变电容器改变C1、C2

进行频率的连续调节。通常取R1=R2=R，C1=C2=C。为满足振荡的振幅条件，要求放大器的闭环增益等于3，这时振荡频率为(2)幅度自稳定作用接于负反馈支路中的电阻Rt是一只具有负温度系数的热敏电阻，在电路中起着加速振荡过程的建立和自动稳定输出振幅的双重作用，它的工作原理如下。热敏电阻是一个非线性的温度敏感元件，它的电阻值是温度的函数，当交变电流流过Rt时，在一个周期内，阻值不会呈现明显的变化。但若电流持续流过电阻，经过几个周期后，其阻值就会随电流平均值而变化，即具有时滞现象。在起振后，若由于某种因素使放大器的增益升高时，输出电压会随之增高，在Rt和Rf上的电压也增高，流过Rt上的电流加大，使Rt的温度升高，阻值减小，负反馈量加大，使放大器的闭环增益降低，输出电压减小；当放大器的增益降低时，则向相反的方向变化，从而保持振荡幅度的稳定。知识2.3低频信号发生器的使用

低频信号发生器的型号很多，但基本使用方法相似，下面以常用的XD-22B型低频信号发生器为例，说明其使用方法。XD-22B型低频信号发生器的外形如图3-6所示。图3-6XD-22B型低频信号发生器外形图图3-7XD-22B型低频信号发生器面板图1．XD-22B型低频信号发生器的主要技术性能2．XD-22B型低频信号发生器的面板如图3-7所示。

表3-2衰减分贝数与衰减倍数的对应关系衰减分贝数对应的输出衰减倍数对应的电压调节范围000～5V103.160～1.58V20100～500mV3031.60～158mV401000～50mV503160～15.8mV6010000～5mV7031600～1.58mV80100000～0.5mV任务3仪器介绍——高频信号发生器

高频信号发生器是一种向电子设备和电路提供高频等幅正弦波和调制波的信号源，其工作频率一般为100kHz～30MHz，主要用于各种无线电接收机的灵敏度、选择性等参数的测量和调试。高频信号发生器按调制类型不同分有调幅信号发生器和调频信号发生器；按高频信号的产生方法不同又分有调谐信号发生器与合成信号发生器。知识3.1高频信号发生器的组成

高频信号发生器的组成如图3-8所示。主要包括主振级、内调制振荡级、调制级、输出级、监测仪表及电源等几部分。由主振级产生的高频正弦波信号，经缓冲级进行缓冲放大，再经调制级进行调制后送至输出级，由内部衰减电路衰减后输出。图3-8高频信号发生器的组成框图1．主振级主振级就是高频振荡器，其作用是产生高频等幅信号。主振级通常采用LC调谐振荡器，高档产品则采用频率合成器。LC振荡器根据反馈方式不同，可分为变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式；频率合成器可分为直接频率合成和间接频率合成。

2．内调制振荡器调制信号分内调制和外调制两种。内调制振荡器就是内调制信号发生器。一般高频信号发生器的内调制信号有400Hz和1kHz两种。3．调制级调制级的作用是进行幅度调制，将主振级产生的高频等幅信号(载波)与调制信号发生器产生的音频调制信号(400Hz或1kHz)同时送到调制级，从调制级输出的就是载有音频信号的调幅波；而调频则是直接对主振级进行频率调制。

4．输出级输出级的作用是对高频信号进行放大和滤波，在此基础上通过衰减器对输出信号进行衰减调节和输出阻抗变换，以适应各种不同的需要。输出级主要由放大器、滤波器、衰减器和阻抗变换器组成。知识3.2主振级的类型和工作原理

高频信号发生器的主振级通常采用LC调谐振荡器或频率合成器。

1．LC调谐振荡器

LC振荡器根据反馈方式不同，可分为变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式等三种振荡电路形式，如图3-9所示。通常通过切换振荡回路中不同的电感L来改变频段，通过改变振荡回路的电容C来对振荡频率进行连续调节。LC振荡器的特点是电路结构简单、成本低，但频率稳定度较差，通常用于一般的高频信号发生器。图3-9LC调谐振荡器2．频率合成器频率合成器是把一个(或少数几个)高稳定度频率源fs

经过加(产生和频)、减(产生差频)、乘(倍频)、除(分频)等运算，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信号。频率合成方法分有间接频率合成法、模拟直接频率合成法(ADFS)和数字直接频率合成法(DDFS)。图3-10锁相环组成框图(1)间接频率合成法间接合成法又称为锁相合成法，是基于锁相环(PLL)的原理实现的。锁相环可以看作是中心频率能自动跟踪输入基准频率的窄带滤波器。如果在锁相环内加入相应电路就可以对基准频率进行各种算术运算，产生所需要的频率。由于它不是直接对基准频率进行运算，故称为间接合成法。锁相环由基准频率源(晶振)、鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)、以及反馈环节几部分组成，如图3-10所示。间接合成法具有良好的抑制寄生频率的能力，频率范围宽，调节方便，而且锁相环电路便于实现数字化、集成化，可在微机控制下工作。频率合成器中经常使用的一些基本锁相环路如图3-11所示。图3-11常用基本锁相环路(2)模拟直接频率合成法模拟直接频率合成法(ADFS)，由于采用的是模拟电子技术，故称为模拟直接合成法。它是对基准晶体振荡器产生的标准频率信号，利用倍频器、分频器、混频器及滤波器等进行一系列四则运算以获得所需要的频率输出。在信号发生器中，常用的是连续混频分频电路，如图3-12所示。在该频率合成器中，首先使用频率为fs=5MHz的辅助基准频率发生器，产生各种辅助基准频率信号：2.0MHz，2.1MHz，…，2.9MHz，然后用混频器和分频器进行频率运算，实现频率合成。图3-12连续混频分频电路(3)数字直接频率合成法数字直接频率合成法(DDFS)，它是近些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。

DDFS的基本原理如图3-13所示。它是把一个单位振幅的正弦函数的相位在2π弧度内分成A个点，求出相应各点的正弦函数值，并用D位二进制数表示，写入ROM中构成一个所谓的正弦表。在高速、稳定的参考时钟控制下依次读出每个相位所对应的正弦函数值，经D/A转换得到需要的模拟信号，改变频率控制码即可控制输出信号的频率。图3-13DDFS的基本原理

数字频率合成法与模拟频率合成法相比，具有频率分辨率高、频率转换快、相位连续、相位噪声小、便于实现复杂方式的信号调制、可在微机控制之下工作，由于它采用大规模集成电路，因此其体积小，功耗低，重量轻。知识3.3高频信号发生器的使用

高频信号发生器的型号很多，但基本使用方法相似，下面以常用的YB1051高频信号发生器为例，说明其使用方法。YB1051高频信号发生器的外形如图3-14所示。图3-14YB1051高频信号发生器外形图1．YB1051高频信号发生器的主要性能指标2．YB1051高频信号发生器的面板如图2-15所示。图3-15YB1051高频信号发生器面板图3．YB1051高频信号发生器的使用(1)使用前的准备(2)音频信号输出(3)等幅高频信号输出(4)调制波信号输出任务4仪器介绍——函数信号发生器

函数信号发生器是一种多波形信号源，它能产生频率从mHz至10MHz的一些特定周期性时间函数信号。一般能产生正弦波、方波和三角波，有的还可以产生锯齿波、矩形波(占空比可调)、正负脉冲波等，有的还具有调频、调幅等调制功能。函数信号发生器可在电子产品生产测试、仪器维修和电路实验时用做信号源。知识4.1函数信号发生器的类型

函数信号发生器按产生信号的方法分通常有脉冲式、正弦波式、三角波式三种类型。

1.脉冲式函数信号发生器脉冲式函数信号发生器是先产生脉冲和方波，然后经变换得到三角波和正弦波，其原理框图如图3-16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。图3-16脉冲式函数信号发生器原理框图

脉冲发生器产生触发脉冲，施密特触发器在触发脉冲的作用下翻转，并产生方波，它可由内触发脉冲触发，也可由外触发脉冲提供触发信号，其输出方波信号频率由触发信号的频率所决定。方波信号送至积分器，在积分器输出端可得到三角波信号。通常积分器使用线性很好的密勒积分电路，调节积分器的积分时间常数RC的值，可改变积分速度，即改变输出的三角波斜率，从而可改变三角波的幅度。

也可按图中虚线所示，将积分器输出的三角波信号反馈至施密特触发器的输入端，构成正反馈环路，组成振荡器。这时工作频率由反馈决定。由于将三角波引至施密特触发器的输入端作为反馈信号，而施密特触发器的触发电平又是固定的，所以这时调节RC值可改变到达触发电平所需的时间，从而可调节方波和三角波信号的频率，当RC数值很大时可获得频率很低的信号。三种波形由波形选择开关选择，经放大后输出。2.正弦波式函数信号发生器正弦波式函数信号发生器是先产生正弦波，再得到方波和三角波，其组成框图如图3-17所示。它包括正弦振荡器、缓冲放大器、方波形成电路、积分器和输出电路等部分。图3-17正弦波式函数信号发生器原理框图

正弦波振荡器通常采用文氏电桥振荡器，输出正弦波的波形很好。其工作过程如下：正弦波振荡器输出正弦波，经缓冲放大级隔离放大后，分为两路信号，一路送输出放大器输出正弦波，另一路作为方波形成电路的输入信号。方波形成电路通常是施密特触发器，后者也输出两路信号，一路送输出放大器输出方波，另一路作为积分器的输入信号。积分器一般使用线性很好的米勒积分电路，它将方波积分形成三角波，三种波形的输出由波形选择开关选择，然后经放大器和输出电路输出。3.三角波式函数信号发生器三角波式函数信号发生器是先产生三角波，再转换为方波和正弦波，其原理框图如图3-18所示。由三角波发生器产生三角波，然后分为两路，一路经方波形成电路产生方波，另一路经正弦波形成电路形成正弦波。三角波、方波和正弦波信号经波形选择开关选择，再经缓冲放大器放大，最后由输出电路输出。虽然方波是由三角波通过方波形成电路变换而来，但实际上三角波和方波电路是相互联系的，方波形成电路通常是三角波发生器的组成部分。图3-18三角波式函数信号发生器原理框图知识4.2三角波产生与正弦波变换1．三角波产生电路原理三角波产生电路及波形如图3-1