电子仪器测量第3章信号发生器

第3章信号发生器第一：信号发生器的用途？第二：信号发生器的分类？第三：信号发生器的性能指标？第四：信号发生器的结构？要研究的问题（一）：用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。

在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。

第一个问题：信号发生器的用途？1.作激励源作为某些电气设备的激励信号。2.信号仿真在设备测量中，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。3.校准源产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准（或比对）。图3.1信号源的功用输入激励信号发生器被测设备测试仪器输出响应1.按用途分

专用----电视信号发生器、电平振荡器、误码仪通用----产生正弦:波等通用波形3.按性能分

普通----功率大，频率、电压刻度不大准确，用于天线测试等标准----频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用2.按波形分

正弦----脉冲----函数----产生函数通用波形噪声----ttttt第二个问题：信号发生器的分类？4.按频率产生办法分

谐振----由频率选择回路控制正反馈产生振荡。合成----由基准频率通过加、减、乘、除组合一系列频率。5.按频率范围分

无低频高频微波频段频率范围主振电路调制方式RC电路1Hz~1MHz磁控管、体效应管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC电路AM、FM、PMAM、FM表3.1频段的划分λ实用频段划频率与波长的关系（λ=C/f，C=3×108m）名称波形示意图主要特性正弦波信号正弦波是电子系统中最基本的测试信号，频率从µHz至几十GHz。大多信号源都具备正弦波输出。函数信号通常包含正弦波、方波、三角波三种，有的还包含锯齿波、脉冲波、梯形波、阶梯波等波形，频率从几Hz至上百MHz。扫频信号频率可在某区间有规律地扫动，多为用锯齿波进行线性扫频。多数扫频源是以正弦波扫频，也有以方波、三角波扫频。还有非线性的对数扫频。脉冲信号输出的脉冲信号可按需要设置其重复频率、脉冲宽度、占空比、上升及下降时间等参数。脉冲信号有的还有双脉冲输出。数字信号可按编码要求产生0/1逻辑电平（多为TTL或ECL电平），也称数据发生器、图形或模式发生器。通常是具备多路数字输出的。噪声信号提供随机噪声信号，具有很宽的均匀频谱。常用于测量接收机的噪声系数或调制到高频、射频载波上作干扰源。伪随机信号是一串0/1电平随机编码的数字序列信号，因其序列周期相当长（在足够宽的频带内产生相当平坦的离散频谱），故有点类似随机信号。任意波形能产生任意形状的模拟信号，例如：模仿产生心电图、雷电干扰、机械运动等形状复杂的波形。调制信号将模拟信号或数字信号调制到射频载波信号上，以便于远程传输。通常调制方式有：调幅、调频、调相、脉冲调制、数字调制等。数字矢量信号通过正交调制（I-Q调制），可以同时传递幅度和相位信息，故称为数字矢量信号源。该内容将在本章3.4节射频信号发生器中介绍。在各类信号发生器中，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。1.频率范围

指信号发生器所产生信号的频率范围，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，在此范围内应满足全部误差要求。2.频率准确度

频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示（3.1）第三个问题：信号发生器的性能指标？3.频率稳定度

频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率稳定度来保证的。频率稳定度是指其它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。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。短期：15分钟内长期：3小时内（3.2）4.失真度与频谱纯度

定义测量：低频信号发生器用失真系数高频信号发生器用频谱纯度USUnfAfAtU5.输出阻抗

低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Ω（或1kΩ）功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等档高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω档。信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。6.输出电平

输出电平指的是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输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。讨论：信号源输出：100mv示波器显示：200mv信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波有效值标定的。7.调制特性

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，多数情况下是调幅AM信号和调频FM信号，有些还带有调相和脉冲调制PM等功能50Ω50Ω，匹配时100mv100mv不匹配时，不确知。示波器输入阻抗高约1MΩ，故显示200mv不匹配时，不确知。示波器输入阻抗高约1MΩ，故显示200mv为什么？本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，以区别后面介绍的合成信号发生器。专业课讲系统、整机的组成的框图原理、特点及实例基础课讲部件、单元电路如振荡器、放大器等单元模拟电路课程特点

例：超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展，但框图原理未变。高放天线混频器中放检波低放功放本振第四个问题：信号发生器的结构（通用信号发生器）？1低频信号发生器主振器放大器衰减器输出电压指示(a)图3.3低频信号源组成框图输出(b)固定频率振荡器可变频率振荡器混频器滤波放大衰减器f2=3.4000MHzf1=3.3997~5.1000MHzf0=300Hz~1.7000MHz频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示：（3.7）以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器）为例，f1=3.3997MHz～5.1000MHz，f2=3.4000MHz，则f0=300Hz～1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。2.主振荡器的特点低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器，其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。其振荡频率决定于RC式反馈网络的谐振频率，表达式为：（3.8）选频网络放大器放大器0º180º180ºU0输出(f0)R1AR1R3C1C2R2•振荡条件？在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的LC振荡器呢？这是因为LC振荡器的频率决定于：（3.9）原因①频率较低时，L、C数值大，相应的体积、重量也相当大，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，频率调节也困难。而在RC振荡器中，频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。原因②在LC振荡器中成反比，因而同一波段内频率覆盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容器调节范围为40pF～450pF，则频率覆盖系数为而用RC振荡器，由（3.8）式可知，成反比，频率覆盖系数为在一个波段内有较大的频率覆盖系数。3.低频信号发生器的主要技术特性目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下：频率范围：1Hz～1MHz分频段，均匀连续可调频率稳定度：优于0.1%非线性失真：＜0.1%～1%输出电压：0V～10V输出功率：0.5W～5W连续可调输出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ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原理图3.4高频信号发生器原理框图主振级缓冲级调制级输出级监测器输出电源内调制振荡器可变电抗器外调制输入AMFM内外标准调制：F=1000Hzm=30%若语音调制则成小电台主振级主振级通常是LC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率范围的正弦信号。高频信号发生器主振级的LC振荡器，通常是固定电感L，通过改变电容C来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算：图3.4LC回路L1CL2Ln....例3.1XFC-6型高频信号发生器f=4MHz～300MHz，试问应划分几个波段？上式中0.9k的含义是让单回路覆盖系数取小—些，这里取k=2，以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n=8，即要划分8个波段。这时相邻波段的电感值可按下式计算。（3.11）（3.10）2.高频信号发生器的使用信号发生器是向外提供激励信号的仪器，使用比较简单容易。主要调节输出频率和幅度，关键是注意其使用说明书上输出幅度是如何标定的，然后才能正确读数。1)输出频率的读数LC振荡器，通过调节电容来改变输出频率的，调节频率时来回转动时其齿轮的回差会给频率读数带来误差，因此频率准确度不太高，通常只有±1％左右。2)输出幅度的读数图3.6信号源模型及加载等效电路输出电阻常取50、75、150、600欧姆等数值输出电压显示值均为阻抗匹配时信号源输出端电压值:V、mV、μV；或分贝电平dBm（分贝毫瓦）、dBV（分贝伏）的电压。浮地信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。RiR0RbRbRbRbRLR0RaRaRa3）输出匹配变换器图3.8阻抗匹配信号源被测设备阻抗变换器(a)(b)R3R1Rs50Ω

R2RL75Ω

RsRL美国夏威夷大学曾来电询问如何设计？3脉冲信号发生器外同步放大主振级同步输出外同步输入延迟级形成级整形级输出级主脉冲acbdefabcdetzτtrfUtttTU0tUm0.9Um0.1UmδΔU0.5UmτtrtfΔ矩形脉冲的参数4函数信号发生器图3.12函数信号发生器的基本组成正弦振荡器缓冲级放大级输出级方波形成积分器（a）（b）积分器外触发输入施密特触发器脉冲触发器正弦波转换电路放大器（a）正弦式（b）脉冲式现在多用数字频率合成技术来实现函数信号发生器，待述5噪声发生器图3.14噪声发生器的结构噪声源变换器电平指示器电源输出衰减器t3.3合成信号发生器频率合成的方法直接数字频率合成法（DDS）间接锁相式合成法（DirectAnalogFrequencySynthesis）（DirectDigitalFrequencySynthesis）直接模拟频率合成法（DAFS）信号源主振级频率准确度频率稳定度通用信号源RC、LC振荡器10-2量级10-3～10-4合成信号源晶体振荡器10-8量级10-7量级3.3.1直接模拟频率合成法利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成，且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。1.固定频率合成法图3.15固定频率合成法原理晶体振荡器÷D×Nfrfo图3.15为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供基准频率，D为分频器的分频系数，N为倍频器的倍频系数。因此，图3.15固定频率合成法输出频率为在式中，D和N均为给定的正整数。输出频率人为定值，所以称为固定频率合成法。2.可变频率合成法带通13MHz10MHz1M2M34混频图3.16固定频率合成法原理……fi1÷10++÷10++÷10++÷10++频率选择开关辅助基准频率发生器2.00～2.09MHz2.000～2.099MHz2.0000～2.0999MHz2.00000～2.099999MHzfofi2fi3fi4f1f2f3f4fr2.0～2.9MHzF=16MHz2MHz5MHz=[2＋16＋(2.0～2.9)]MHz=(20.0～20.9)MHz=（2.00000～2.09999）MHz直接模拟合成技术特点：1)频率分辨力高

2)频率切换快----用于跳频通信对抗（因频率点不太多）3)电路庞大、复杂----现不用它做信号源（因信号源频率范围宽）3.3.2直接数字频率合成法直接数字合成法（DDS，DirectDigitalFrequencySynthests）。它突破了频率合成法的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至可以给出各种任意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无法实现的。这里先讨论正弦波的合成问题，关于任意波形将在后面进行讨论。1.直接数字合成基本原理三角波：+1、+1……-1、-1……方波：0、0、……1、1、……正弦波：预存正弦函数表，如图3.18。2实例说明（信号的频率关系）：AD9850是美国AnalogDevices公司生产的DDS单片频率合成器，在DDFS的ROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按二进制分辨率量化；其相位一个周期360°按的分辨率设立相位取样点，然后存入ROM的相应地址中。实用中，改变读取ROM的地址数目，即可改变输出频率。若在系统时钟频率的控制下，依次读取全部地址中的相位点，则输出频率最低。因为这时一个周期要读取232相位点，点间间隔时间为时钟周期Tc，则Tout=232Tc

因此这时输出频率为图3.19AD9850内部组成框图频率相位码寄存器相位和控制字频率码32位高速DDS码输入寄存器并行8位×5输入时钟输入复位频率更新/寄存器复位码输入时钟串行1位×40输入比较器＋－方波输出模拟输入模拟输出DAC复位地＋Vs（3.16）若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推可得输出频率的一般表达式（3.17）3.任意波形发生器直接数字频率合成技术重要的特色，它可以产生任意波形。从上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存储器的数据。因此，产生任意波形的方法取决于向该存储器（RAM）提供数据的方法。目前有以下几种方法：1)表格法将波形画在小方格纸上，纵坐标按幅度相对值进行二进制量化，横坐标按时间间隔编制地址，然后制成对应的数据表格，按序放入RAM。对经常使用的定了“形”的波形，可将数据固化于ROM或存入非易失性RAM中，以便反复使用。图3.21表格法示意图0.20UAPQRST0.40.6t(s)（AWG）或任意函数发生器（AFG）2)数学方程法3)复制法将其它仪器（例如数字存储示波器，X—Y绘图仪）获得的波形数据通过微机系统总线或GPIB接口总线传输给波形数据存储器。该法很适于复制不再复现的信号波形。自然界中有很多无规律的现象，例如雷电、地震及机器运转时的振动等现象都是无规律的，甚至一去不复返。为了研究这些问题，就要模拟这些现象的产生。在过去只能采用很复杂的方法来实现，现在采用任意波形产生器则方便得多了。国内外已有多种型号的任意波形产生器可供选用。用数学方程描述的波形，先将其方程（算法）存入计算机，经过运算提供波形数据。任意波形发生器的主要技术指标1)任意波形长度或波形存储器容量：因为任意波形发生器的波形实质上是由许多样点拼凑出来的，样点多则可拼凑较长的波形，所以用点数来表示波形长度。波形存储器容量亦称波形存储器深度，是指每个通道能存储的最大点数。容量越大，存储的点数越多，表现波形随时间变化的内容越丰富，当然存储器的成本也相应提高。曾经提出一些技术或算法用来节省波形存储器容量。2)采样率：通常将A/D对模拟信号采样的时钟频率称为采样率。在AWG中是指D/A从波形存储器中读取数据的时钟频率。因此，将A/D或D/A转换的时钟频率都称作采样率。在AWG中可以这样理解，采样率中的“采样”不是从波形采集，而是从波形存储器中“采集”。3)幅度分辨率---表现幅度细小变化的程度，它主要取决于DAC的位数，通常幅度分辨率取10位或略高。4)通道数---可实现2至多路的任意波形发生器。石家庄无线电四厂生产的DDS函数信号发生器按AD9850允许最高时钟频率fc=125MHz来进行具体说明，当A0＝1，而A31，A30，…，A1均为0时，则输出频率最低，也是AD9850输出频率的分辨率：与上面从概念导出的结果一致。当A31＝1，而A0，A1，…，A30均为0时，输出频率最高：应当指出，这时一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允许值，所以当A31＝1后，以下码值只能取0。实际应用中，为了得到好的波形，设计最高输出频率小于时钟频率的1/3。这样，只要改变32位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率的准确度与时钟频率同数量级。例如HP33120A函数/任意波形发生器可以产生10种标准波形和任意波形，采样速率为40MS/s，输出最高频率15MHz（正弦波），波形幅度分辨力为12位。HP33120A3.3.3间接合成法1.基本锁相环路间接合成法即锁相合成法，它是利用锁相环（PLL）的频率合成方法。基本锁相环路是由相位比较器（PD），压控振荡器（VCO）和环路滤波器（LPF）组成的闭合环路，如图3.22(a)所示。ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf

(a)(b)(c)开始：f0≈fi→PD→LPF→VCO最后：f0=fi(a)锁相环(b)PD的鉴相特性(c)VCO的压控特性相位比较器即鉴相器，它比较两个输入信号fo和fi的相位差输出与相位差成比例的电压，这个电压称为误差电压ud其鉴相特性如图3.22(b)所示。基本锁相环只能输出一个频率，而作为信号源必须要能输出一系列频率。2.锁相环的几种基本形式1)倍频锁相环fiLPFVCOPDfo=Nfi÷N1MHzi10MHzifo/N当环路锁定时，PD两输入信号的频率相等，即①根据PD两输入频率相等列出等式:

fo/N＝fi②从等式中解出输出频率:

重点掌握脉冲倍频环LPFVCOPDfo=Nfifi脉冲形成NfiNfi①根据PD两输入频率相等列出等式:fi1MHzLPFVCOPDfo=fi/N100kHz×NNfifi＝Nfo

②从等式中解出输出频率:2)分频锁相环脉冲分频环LPFVCOPDfofi

Nfo3)混频锁相环混频器fi11MHzLPVCOPDfo=|fi1-fi2|=1000-100=900kHzBPFM+fi2=100kHzf0+fi2①②-3.频率合成单元1)组合环一个典型的组合环及其输出频率，如图所示。因为所以LPFPDfo=—fiVCO÷N2÷N1fiN1N22)多环合成单元由倍频环可得由混频环可得:因为所以(3.22)(3.23)LPFPDfo1=Nfi1VCO1fi

图3.27双环合成单元VCO2M(-)晶振PDLPF内插振荡器f

i2同轴倍频环混频环fo2=Nfi1+fi2Nfi1fo13)十进合成单元图3.29DS-1合成单元的级联100KHz9MHz×1Hz0～90～90～90～90～9×10Hz×100Hz×1KHz×10KHz基准DS-11DS-12DS-13DS-14DS-154)可程控合成单元频率范围为1.200000MHz～1.299999MHz图3.30可程控合成单元PDLPF＋VCOD/A可程控分频器fi频率控制数码fo3.3.4频率合成技术的进展1.三种合成方法的比较频谱纯度好100GHz(微波)ms级间接锁相可得任意波形300MHzμs级直接数字硬件电路复杂100MHzμs级直接模拟主要特点最高工作频率速度合成方法2.提高频率分辨力的方法1)微差混频法该方法将两个频率相差甚微的信号源进行差频混频，如图3.31所示。混频器的输出频率为图3.31微差混频原理fofi1fi2M(-)在微差混频法中，由于参与混频的两个信号频率十分接近，所以分辨力得到提高。但是当这两个频率很接近时，在混频器工作中频率牵引现象也很严重，且很难解决。2)多环合成法PLL1(N1=2)fo=(N2+0.1N1)fr=(10+0.2)10Hz=102Hzfr10HzPLL2(N2=10)M(+)110N1fr20HzN2fr100Hz0.1N1fr2Hz3)小数合成法LPFVCOPDfo=1890kHzfi=100kHz小数分频器(N+1)和N次

=18.9控制电路令N=18

则平均分频系数18.9若要平均分频系数=18.6，怎么控制？3.扩展频率上限的方法前题条件：VCO能工作在很高频率（如GHz微波段），然后锁定。1)前置分频法前置分频法是在程序分频器之前设置一个固定分频器，如图3.34所示。图中D为固定分频器，其分频系数为D。因此，其输出频率fo为图3.34前置分器的锁相环fi8MHzLPFVCOPDfo=DNfi==

8GHz÷N

10÷D100

fo＝DNfi

固定

2)倍频混频法fo=Nfi1+fi2=101MHzVCOLPFMBPFPDfi10MHz图3.35倍频—混频环÷N10(－)(fo-fi2)Nfi21MHz3)吞脉冲分频法吞脉冲分频法是在锁相环的反馈支路中加入吞脉冲分频器，这时锁相环的组成如图3.36所示。VCOLPFfiPD图3.36吞脉冲分频法频率合成器原理框图参考分频÷N1÷N2双模分频器÷P/（P+1）晶体振荡器频率合成器集成电路模式控制1/0吞食计数器fo=(PN1+N2)fi÷11/10教材上少箭头在一次计数循环开始时，计数器开始计数，“模式控制”信号为“1”，双模分频器分频系数为11；当N2计数器溢出后“模式控制”信号就为“0”，双模分频器分频数为10。例如设N2=4,则双模分频器分频系数有4次为11，而后为10，直至N计数结束，控制信号再恢复为“1”。由于在N2计数期间双模分频器要多计一个脉冲，就认为由于N2而吞食了一个被计数的脉冲，因此称为吞食计数器。

N＝(P＋1)N2＋(N1－N2)P=PN1＋N2即N=PN1＋N2（3.30）在前述讨论中，P＝10，因此得N=10N1＋N2

吞脉冲分频器小结如下：（1）双模分频器的分频系数为P／(P＋1），对于N1和N2两个分频器，分频系数的设置必须N1＞N2，例如，N2＝0～9，那么N1至少为10；（2）由N1和N2可以求得Nmin和Nmax的范围。例3.2P=10，N1=10，N2＝0～9，则Nmin=100；若设N1＝10～19，则Nmax=199。例3.3P＝100，N1＝100～199，N2=0～99，则N＝PN1+N2=100（100~199）+0~99=10000～19999。（3）吞脉冲分频器可以提高锁相环的输出频率上限。3.4射频合成信号发生器（数字调制信号源、矢量信号源）所谓“射频”是指能通过天线发射变为电磁波