第3章-信号发生器

第3章信号发生器3.1信号发生器概述3.2正弦信号发生器的性能指标3.3低频信号发生器3.4射频信号发生器3.5扫频信号发生器3.1信号发生器的概述信号发生器的用途和基本构成信号发生器的分类3.1.1信号源在电子测量中的用途和组成1.信号源的作用

信号发生器也称信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面：☆激励源。☆信号仿真。☆标准信号源。2.信号源的组成图3．1—3信号发生器原理框图8.1.2信号源的分类1.按频率范围大致可分为六类：名称频率范围主要应用领域超低频信号发生器低频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器

30kHz以下

30kHz～300kHz300kHz～6MHz6MHz～30MHz30MHz～300MHz300MHz～3000MHz电声学、声纳电报通讯无线电广播广播、电报电视、调频广播、导航雷达、导航、气象表3.1—12.按输出波形,大致可分为：正弦波形发生器；脉冲信号发生器；函数信号发生器；噪声信号发生器。3.按照信号发生器的性能指标可分为：一般信号发生器；标准信号发生器；图3.1—2几种典型的信号波形3.2正弦信号源的性能指标1.频率特性（1）频率范围（2）频率准确度

:通常用相对误差表示（3）频率稳定度

(4)由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量

在第一章第§1．4节中曾提到测量仪器的稳定性指标，其一为稳定度，其二为影响量。前述规定时间间隔内的频率漂移即稳定度，而由温度、电源、负载变化等外界因素造成的频率漂移(或变动)即为影响量.l)温度引起的变动量

环境温度每变化工℃所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的x.10-6℃，即（3.2-4）

式中△t为温度变化值，f0为预调值，f1为温度改变后的频率值.2)电源引起的频率变动量

供电电源变化±10％所产生的相对频率变化，表为：，即（3.2-5）3)负载变化引起的频率变动量

负载电阻从开路变化到额定值时所引起的相对频率变化，表示为：，即（3.2-6）式中f1为空载时的输出频率，f2为额定负载时的输出频率。2.输出特性（1）输出电平范围。（2）输出电平的平坦度（3）输出电平稳定度（4）输出阻抗（5）输出信号的非线性失真系数。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表示：3.调制特性调制特性的恒量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频偏，调制线性等。（3.2-7）式中U1为输出信号基波有效值，

为各次谐波有效值。1.

低频信号发生器的组成框图低频信号发生器频率范围一般为20Hz～20KHz，故又称音频信号发生器3.3

低频信号发生器图3.3—1低频信号发生器框图一、低频信号发生器图3.3—1低频信号发生器框图低频信号发生器的核心部分是振荡器，作用：产生频率可调的正弦信号，决定了信号源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(图3．3-1中主振器)的方法有多种，在通用信号发生器(如XD-1、XD-2、XD-7)中，主振器通常使用RC振荡器，而其中应用最多的当属文氏桥振荡器。2.通用RC振荡器图3.3—2RC文氏桥网络这里主要介绍文氏桥振荡器的核心部件——文氏桥式选频网络图3.3—2RC文氏桥网络图3．3-2给出了文氏桥式网络及其传输函数的幅频相频特性。我们简要分析其工作原理。在图(a)中，是网络的输入电压，是输出电压，Z1为R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗，则网络的传输函数（3.3-1）式中（3.3-2）由式(3。3—1)得到传输函数的幅频特性和相频特性分别为（3.3-3）（3.3-4）和分别示于图3．3-2中(b)和©.由图(b)、(c)可以看出：当，或时，输出信号与输入信号同相，且此时传输函数模最大，如果输出信号后接放大倍数的同相放大器(一般由两级反相放大器级联实现)，那么就可以维持或者的正弦振荡，而由于RC网络的选频特性，其他频率的信号将被抑制。但是，放大倍数Kv＝3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，不但会引起振荡振幅变化，还会造成输出波形失真。因此，总是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，总电压增益为3，这样就形成了图3，3—3所示的文氏桥振荡电路。图中负温度系数热敏电阻Rt和电阻Rf就构成了电压负反馈电路。图3.3—3使用热敏电阻Rt作为增益控制器件的文氏桥式振荡器方框图

(l)LC振荡器当谈到正弦振荡时，很容易想到用L、C构成谐振电路和晶体管放大器来实现。实际上基本不用这种电路做为低频信号发生器的主振荡器。这是因为对L、C振荡电路，振荡频率当频率较低时，L、C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Q值降低很多，谐振特性变坏，且调节困难。3.其它低频振荡器

(2)差频式振荡器可变频率振荡器和固定频率振荡器分别产生可变频率的高频振荡f1和固定频率的高频振荡f2，经过混频器M产生两者差频信号f＝f1–f2

，后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高频分量。图3.3—6差频信号发生器框图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，通常将能产生士Hz以下频率的信号源称为超低频信号发生器，目前超低频信号发生器的频率低端已可低于10-8Hz.这类信号发生器主要用于自动控制系统的测试。二、超低频信号发生器1．用积分器构成的超低频信号发生器

(1)运算放大器及其理想化模型图3．3-8(a)中虚框内表示运算放大器，(b)中虚框内部分为其等效电路，图3．3-8中(c)的理想化运放模型。图3.3—8运算放大器及其理想化模型图3.3—8运算放大器及其理想化模型图3.3—8运算放大器及其理想化模型(2)用运放构成的超低频信号发生器仍考虑图3.3—9(c)积分电路和式(3.3—10)，当输入为角频率的正弦函数时也为同频率正弦函数，用相量表示有(3.3-12)或者图3.3—9运算放大器的运算功能即积分器产生相移，增益为如果用两级积分器级联并在反馈环路中加接一个反相器()，如图3.3—1.0(a)所示，则闭环增益(3.3-13)或者当(3.3-14)时，闭环增益，这正好是维持振荡的相位和振幅条件，也就是说图3．3—10(a)图电路可产生频率为式(3．3—14)所表示的正弦振荡。在实际振荡器中，为了调节方便，结构简单，一般取，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，分压比均为a，如图3．3—l0(b)所示，不难得出其振荡频率为(3.3-15)实际振荡器中，用改变R或C的办法改变频段，改变。进行频率细调。图3.3—10用积分器构成的超低频信号发生器在低频(或超低频)信号发生器的家族中，还有一种被称为函数信号发生器，简称函数发生器，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，以满足不同的测试需求。函数发生器的基本工作原理是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(例如二极管整形网络)将三角波整形成正弦波。2、函数信号发生器1）方波——三角波发生器

图3．3—1l是函数发生器的原理图，图中由双稳态触发器，比较器I、Ⅱ和积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。其简要工作原理如下：图3.3—11函数发生器原理图图3.3—12函数发生器波形图2）正弦波形成电路将对称三角波转换为正弦波的原理如图3.3—13(a)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).因此，只要将三角波叭通过二个分压网络，根据叭的大小改变分压网络的分压系数，便可以得到近似的正弦波输出。二极管整形网络就可实现这种功能，我们用图3.3—13(b)所示的二极管整形网络来说明其工作原理。图3.3—13由三角波整形成正弦波图3.3—13由三角波整形成正弦波3.4

高频信号发生器高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz～1GHz，大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能图3.41—1高频信号发生器框图

一、锁相信号发生器随着通信及电子测量水平的发展与提高，需要信号发生器能有足够宽的频率复盖，足够高的频率准确度和稳定度。由LC振荡电路或RC振荡器为主振器的信号发生器已不能适应更高的要求。锁相信号发生器是在高性能的调谐式信号发生器中增加频率计数器，并将信号源的振荡频率利用锁相原理锁定在频率计数器的时基上，而频率计数器又是以高稳定度的石英晶体振荡器为基准的，从而使锁相信号发生器的输出频率的稳定度和准确度大大提高，信号频谱纯度等性能特性也有很大改善。图3.4—6锁相环基本方框图锁相环基本工作原理

锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、电压控制振荡器（VCO）及基准晶体振荡器等部分组成。锁相环的主要性能指标:同步带宽：锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围捕捉带宽：环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的频差环路带宽:锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。二、合成信号发生器频率1输出石英晶体代数运算（加、减、乘、除）频率合成原理频率n输出基准频率2.频率合成分类及特点⑴直接频率合成

通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。晶振谐波发生器（倍频）分频（÷10）8MHz混频（+）混频（+）2MHz滤波分频（÷10）2.8MHz滤波0.28MHz分频（÷10）混频（+）滤波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图1MHz1MHz9MHz优点：频率切换迅速，相位噪声很低。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。⑵锁相式频率合成

–间接频率合成一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低等优点。缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。

图3．4—9间接式频率合成器原理框图间接合成法即锁相环路法，图3．4—9是它的原理框图。图中压控振荡器输出频率经分频后得到频率的信号送往鉴相器，与采自晶振输出经n2次分频的频率f0/n2的信号进行相位比较，由前面的锁相环路的介绍可知，当即(3.4-1)例：下面是一个三环锁相频率合成器原理框图

三环PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfi÷NB÷MVCOCPDCLPFC－BPFfoVCOAPDALPFA+÷NAfA×NAPLL+PLL÷M×NBPLLfifo三环合成器简化框图fBfA环A输出频率为:环B的输出频率为:由环C有：因此，合成器的输出频率为：3.5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一定范围内反复变化的正弦信号发生器，它是频率特性测试仪(扫频仪)的核心，主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。一、线性电路幅频特性的测量

在测量技术分类中，频域测量占有重要地位，其中主要原因是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，一般情况下都是频率的函数。我们已经知道，正弦稳态下的系统函数或传输函数N()就反映了该系统激励与响应间的关系(3.5-1)式中(或写成)与)(或写成)分别称为电路(系统)的幅频特性和相频特性.1．点频法测量幅频特性所谓点频法，简单说就是“逐点”测量幅频特性或相频特性的方法，点频法原理简单，需要的设备也不复杂。但由于要逐点测量，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，而这常常是我们在测试和分析电路性能时非常关注的问题。

这种快速直观的测量方法就是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，称为扫频信号源或扫频振荡器。图3.5—1点频法测量系统的幅频特性图3.5—1点频法测量系统的幅频特性2．扫频法测量频率特性扫频法测量电路幅频特性的原理图示于图3.5—2中，在图(a)的原理框图中，除被测网络外，其余部分通常都安装于称为频率特性测试仪(也称扫频仪)的同一仪器中，扫频信号发生器实际上是频率可控的正弦振荡器，比如前面所说的压控振荡器(VCO)，它的振荡频率受扫描电压us控制。图3.5—2扫频法测量网络频率特性原理图3.5—2扫频法测量网络频率特性原理图3.5—2扫频法测量网络频率特性原理2．扫频振荡器的工作原理