第2章 信号发生器

2.1概述

测量用信号发生器，通常称为信号源。在电子测量中，信号发生器是最基本、应用最广泛的测量仪器之一。

在研制、生产、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，常需要一种信号协助其他测量仪器观察、测量被测对象，以分析确定它们的性能参数，如下图所示。这种提供测试电信号的装置，统称为信号发生器。

信号发生器被测设备测试仪器2.1.1信号发生器的用途

信号发生器可提供符合一定电技术要求的电信号，其波形、频率和幅度都是可以调节的，并可准确读出数值。信号发生器可提供不同频率；不同幅度、及不同波形信号。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。除了在电子技术尤其是电子测量方面的应用外，信号发生器在其他领域也有广泛应用，例如机械部门的超声波探伤，医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。

信号发生器的主要用途：为电子测量提供符合一定技术要求的电信号，主要以提供交流信号为主。

信号发生器有如下3方面的用途。1.激励源激励源作为某些电气设备的激励信号。例如，激励扬声器发出声音。2.信号仿真信号仿真是当要研究一个电气设备在某种实际环境下所受影响时，需要施加具有与实际环境相同特性的信号。例如，研究高频干扰信号，就需要对干扰信号进行仿真。3.校准源校准源用于对一般信号源进行校准（或比对），有时称为标准源。2.1.2信号发生器的组成与原理信号发生器结构框图信号输出调制器振荡器变换器输出电路电源指示器

1.振荡器振荡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，通常是正弦波振荡器或自激脉冲发生器。它决定了信号发生器的一些重要工作特性，如工作频率范围、频率的稳定度等。

2.变换器变换器可以是电压放大器、功率放大器或调制器、脉冲形成器等，它将振荡器的输出信号进行放大或变换，进一步提高信号的电平并给出所要求的波形。3.输出电路输出电路为被测设备提供所要求的输出信号电平或信号功率，包括调整信号输出电平和输出阻抗的装置，如衰减器、匹配用阻抗变换器、射极跟随器等电路。 图信号源的等效电路模型

信号发生器用途广泛，种类繁多，按用途可分为通用和专用两大类。专用信号源仅适用于某些特殊测量要求或者是为专用目的而设计制造的。本章只讨论通用信号发生器。通用信号发生器可以从不同的角度进行如下分类。

1.按输出波形分类按输出信号波形的不同，主要有正弦信号发生器和非正弦波信号发生器。非正弦波信号发生器又包括函数（波形）信号发生器、脉冲信号发生器和噪声信号发生器等。实际应用中，正弦信号发生器应用最广泛。函数信号发生器也比较常用，因为它不仅可以输出多种波形，而且信号频率范围也较宽且可调。脉冲信号发生器主要用来测量脉冲数字电路的工作性能。2.1.3信号发生器的分类正弦信号方波信号锯齿波信号三角波信号钟形波信号数字信号

按照输出信号的频率范围，信号发生器可按表进行分类，表中类型的划分以及频率的范围不是绝对的。2.按频率范围分类①超低频信号发生器0.001～1000Hz；②低频信号发生器1Hz～

1MHz；③视频信号发生器20Hz～

10MHz；④高频信号发生器30kHz～

30MHz；⑤超高频信号发生器4～

300MHz。按调制方式不同，主要有调幅(AM)、调频(FM)、调相及脉冲调制(PM)信号发生器。3.按调制类型分类4.按性能指标分类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。2.1.4信号发生器的主要技术指标

对于通用的测量信号发生器最基本的要求是：①产生一个具有指定波形的振荡信号，波形的参数已知；波形失真应足够小。②信号的频率应在其有效范围内可调(步进或连续可调)，③信号的振幅应在其有效范围内可调(步进或连续可调)。④有合适的输出阻抗，高频信号发生器通常为50Ω，低频信号发生器一般为600Ω。信号发生器的技术指标主要包括频率特性、输出特性

和调制特性

等。下面结合正弦信号发生器，介绍它的主要技术指标。1.频率特性

（1)有效频率范围各项指标均能得到保证时的输出频率范围称为信号发生器的有效频率范围。

（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的相对偏差，常用相对误差表示。其表达式为

（3）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，信号发生器输出频率相对预设值变化的大小。它表征信号发生器维持工作于恒定频率的能力。根据国家标准频率的稳定度分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。

频率短期稳定度为信号发生器经规定预热时间后，信号频率在任意15分钟内所发生的最大变化。

频率长期稳定度为信号发生器经规定须热时间后．信号频率在任意3小时内所发生的最大变化。短期稳定度的表达式为式中，fmax和fmin分别为任意15分钟间隔内的最大值和最小值。

稳定性指标分为稳定度和影响量。在规定的时间间隔内的漂移即稳定度；由温度电源、负载变化等外界因素造成的漂移(或变动)即为影响量。

(1)温度引起的变动量(2)电源变化引起的频率变动量(3)负载变化引起的频率变动量

2.输出特性

信号发生器的输出特性包括它的输出阻抗、输出电平、波形等。(1)输出阻抗会因类型不同而异。低频信号源的电压输出端输出阻抗一般为600Ω(或lkΩ)，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/5kΩ等档。高频信号发生器输出阻抗一般仅有50Ω或75Ω挡。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。

(2)电平特性指输出幅度的有效范围、准确度、稳定度及平坦度。输出电平输出信号幅度有效范围。即产品规定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。低频和高频信号发生器的输出电平通常用电压电平表示，微波信号发生器则用功率电平表示。电平表示的方法可用电压，也可用分贝表示，一般输出电平并不高，但调节范围较宽，可达107。

分贝电平有功率电平和电压电平两种形式，它们是以P0或V0为基础定义的，即P0为1mW时，功率电平单位就是dBm

V0取1V时，电压电平的单位就是dBv

输出电平准确度

常用输出幅度的绝对误差与标称值之比来衡量。亦可把这个比值转化为用dB表示。有些信号源还给出输出衰减器或其他因素变化对幅度准确程度的影响。

输出电平稳定度和平坦度

输出电平稳定度是指输出电平随时间变化的情况。在规定时间内输出信号幅度对预调幅度值的相对变化量。平坦度是指调节频率时输出电平幅度的变化情况。分别指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。

波形特性指输出波形的种类及其参数。

信号源一般可输出正弦、脉冲、方波、三角波、锯齿波、阶梯波，甚至任意波形。

正弦信号发生器应输出单一频率正弦信号，但由于非线性失真、噪声等原因，其输出信号中都含有谐波等其他成分，即信号的频谱不纯。要求信号发生器具有一定的频谱纯度，常用失真度来表示信号的频谱纯度。一般信号源的失真度应<1％。

3.调制特性

许多信号源还包含调制功能。如高频信号发生器，一般还具有输出一种或多种调制信号的能力，通常为调幅和调频信号，有些还带有调相、脉冲调制、数字调制等功能。调制特性包括调制的种类、频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。

以上各项技术指标主要是对正弦信号发生器而言的，至于函数发生器、合成信号发生器、任意波形发生器等还有其他相应的技术指标，以后再予叙述。由于被测对象的性质不同就需要不同频段的信号发生器。几乎所有的电子实验、测量和维修都需要低频信号发生器。低频信号发生器用来产生频率范围为1Hz～1MHz的低频正弦信号、方波信号、三角波信号和其他波形信号。低频信号发生器以其多功能、宽量程的特点广泛应用于模拟电路的设计、测试和维修中。2.2低频信号发生器

低频信号发生器由主振器、电压放大器、输出衰减器和指示器组成，如图所示。2.2.1低频信号发生器的组成主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。电压输出端的负载能力很弱，只能供给电压，故为电压输出。振荡信号再经功率放大器放大后，才能输出较大的功率。阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗，以便获得最大的功率输出。电压表通过开关换接，测量输出电压或输出功率。1.主振器主振器是低频信号发生器的核心，它产生频率可调的正弦信号，它决定了信号发生器的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的方法很多，但现代低频信号发生器中主振器广泛采用RC文氏电桥振荡器，文氏电桥振荡器由两级RC网络和放大器组成。

图中R1、C1、R2、C2组成RC选频网络，它跨接于放大器的输入端和输出端之间，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。Ａ为两级放大器。Rf、Rs组成负反馈臂，起到稳定输出信号幅度和减小失真的作用。该电路的振荡频率f0为调节R(R1和R2)的大小可以改变输出信号的频率，调节C（C1和C2）也可以改变频率。通常R用于细调频率，C用于粗调频率范围。输出信号的幅度由输出衰减器控制。2.电压放大器电压放大器兼有隔离和电压放大的作用。隔离是为了不使后级电路影响主振器的工作；放大是把振动器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技术指标，要求其具有输入阻抗高、输出阻抗低（有一定的带负载能力）、频率范围宽、非线性失真小等性能。一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。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，也称细调；步进调节由电阻分压器实现，并以分贝值为刻度，也称粗调。

调节电位器在不同位置，实现连续调节调节波段开关S处不同档位，均可使衰减器输出不同的电压，实现步进调节

信号发生器对步进衰减量的表示通常有两种。（1）直接用步进衰减器的输出电压U0与输入电压UI的比值来表示，即U0/UI。（2）将上述的比值取对数再乘以20，即-20lg(U0/UI),单位为分贝（dB）。例如，当U0∕UI=0.1时，表示衰减10倍，对数表示则为20dB.衰减分贝数(dB)与衰减倍数的关系，见下表。实际输出电压应是电压表指示的电压值被衰减的分贝数相对应的倍数来除所得到的结果。4．功率放大器

功率放大器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。要求功率放大器的工作效率高，谐波失真小。5．阻抗变换器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。使输出信号失真小，获得最佳负载输出。6．指示电压表指示电压表用于指示输出端输出电压的幅度，或对外部信号电压进行测量，输出指示有指针式电压表、数码LED、LCD等形式。正弦波信号的输出电压，可通过调节旋钮根据实际需要进行调节。低频信号发生器的主要工作特性包括以下几项。（1）频率范围：一般为20Hz～

200kHz，现在做到1Hz～

1MHz。在有效频率范围内，频率应能连续调节。（2）频率准确度：±1%～±3%。（3）频率稳定度：一般0.4%/小时。（4）输出电压：0～10V连续可调。（5）输出功率：0.5W～5W连续可调。（6）输出阻抗：50Ω、75Ω、150Ω、600Ω、5kΩ等几种。（7）非线性失真范围：0.1%～1%。（8）输出形式：平衡输出与不平衡输出。2.2.2低频信号发生器的主要性能指标2.2.3低频信号发生器的使用

1、了解面板信号发生器面板一般包括：波形选择开关，输出频率调节(频段、粗调、微调等)、幅度调节旋钮、指示电压表及其量程选择等。

2、注意正确的操作步骤低频信号发生器的使用包括如下步骤：①准备：输出幅度调至最小(一般为逆时针到底)、预热，待仪器稳定工作后才可投入使用。②调节输出频率和幅度：先将频率范围置于相应的档位，按所需的频率调节频率度盘于相应频率点上。通常情况下，频率微调旋纽置于零位。(3)输出阻抗的配接仪器输出阻抗与负载阻抗失配过大时，将会引起输出信号失真。根据信号发生器外接负载电路的阻抗值，调节阻抗选择开关，使输出信号的输出失真小、功率大，以获得最佳负载输出。(4)输出电路选择：根据外接电路的输入方式，选择相应平衡或不平衡输出。(5)输出电压的调节和测读：调节输出电压旋钮，可以连续改变输出电压的大小。2.3高频信号发生器

高频信号发生器也称为射频信号发生器，信号的频率范围在几十kHz到几百MHz之间，广泛应用在高频电路测试中。为了测试通信设备，这种仪器具有一种或一种以上的组合调制（包括正弦调幅、正弦调频以及脉冲调制）功能。其输出信号的频率、电平、调制度可在一定范围内调节并能准确读数。高频信号发生器主要由主振级、缓冲级、调制级、内调制振荡器、输出级、监测器和电源组成。主振级产生的高频正弦信号，经缓冲级送入调制级，用内调制振荡器或外调制输入的音频信号调制，再送到输出级，以保证有一定的输出电平调节范围和恒定的源阻抗。监视器用来测量输出信号载波的电平和调幅系数。主振级就是载波发生器，也叫高频振荡器，其作用是产生高频等幅信号。振荡电路通常采用LC振荡器。通常通过切换振荡回路中不同的电感L来改变频段，通过改变振荡回路中的电容C来改变振荡频率的调节。1.主振级2、缓冲级主要起隔离放大的作用，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，并将主振信号放大到一定的电平。3、调制级主要完成对主振信号的调制。

4、内调制振荡器供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。5、输出级主要由放大器、滤波器、输出微调、输出衰减器等组成。6、监测指示电路监测指示输出信号的载波电平和调制系数。2.4合成信号发生器2.4.1合成信号发生器产生的原因1、在以RC、LC为主振级的信号源中，频率准确度只能达到10-2量级，频率稳定度只能达到10-3～10-4量级，远远不能满足现代电子测量和无线电通信等方面的要求。2、以石英晶体组成的振荡器日稳定度优于10-8量级，但是它只能产生某些特定的频率。

2.4.2频率合成定义利用一个或数个晶振，通过加减乘除四则运算，最终得到频率准确度稳定在晶振量级上的一系列新频率。2.4.3频率合成的基本原理频率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2.4.4频率合成的分类模拟直接频率合成锁相式频率合成直接数字合成（DDS）

1、模拟直接频率合成采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率。基准频率源(石英晶体振荡器)产生1MHz基准频率，通过谐波发生器产生2MHz、3MHz、…、9MHz等谐波频率，连同1MHz基准频率一起并接在纵横制接线的电子开关上，通过电子开关取出8MHz、2MHz、6MHz、4MHz信号，再经过10分频器(完成÷10运算)、混频器(完成加法或减法运算)和滤波器，最后产生输出信号。模拟直接频率合成的优点是工作可靠，频率转换速度快，但是需要大量的混频器、分频器和窄带滤波器，这样，造成体积大，难以集成化，所以价格昂贵。但是，直接频率合成切换频率的速度快，至今仍是一个特点。

2、锁相式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。相位比较器PD用来比较PD两个输入信号（频率分别为fi和f0）的相位，其输出电压比例于两信号的相位差，叫“误差电压”。相位比较器压控振荡器环路低通滤波器压控振荡器其振荡频率可用电压控制，一般都利用变容二极管(变容管)作为回路电容，这样，改变变容管的反向偏压，其结电容将改变，从而使振荡频率随反向偏压而变，故名“压控”振荡器。相位比较器压控振荡器环路低通滤波器环路滤波器它是一个低通滤波器，用来滤掉相位比较器输出的高频成分和噪声，以达到稳定环路工作和改善环路性能的目的。相位比较器压控振荡器环路低通滤波器

在锁相合成法中，输入频率为基准频率。即

。锁相环开始工作时，VCO的固有输出信号频率(即开环时VCO自由振荡频率)总是不等于基准信号频率,即存在固有频差

则两个信号和

之间的相位差将随时间变化。相位比较器压控振荡器环路低通滤波器

相位比较器将这个相位差变化鉴出，即输出与之相应的误差电压，通过环路滤波器加到VCO上。相位比较器压控振荡器环路低通滤波器

VCO受误差电压控制，其输出频率朝着减小

固有频差的方向变化，即向

靠拢，这叫“频率牵引”现象。在一定条件下，环路通过频率牵引，愈来愈接近，直至，环路进入所谓“锁定”状态。相位比较器压控振荡器环路低通滤波器几种基本形式udfif0PDLPFVCO÷Nf0=N

fiudfif0PDLPFVCO×Nf0=fi/Nudfi１f0PDLPFVCO混频器f0=fi2±fi1fi晶振×N1udfif0PDLPFVCO×

N2f0=N1

fi/N2锁相合成法克服了直接合成法的许多缺点，特别是集成技术的发展，使锁相合成法的优点——体积小、功耗小、价廉，且适合大规模生产更为突出，从而在频率合成中获得广泛应用。由于锁相式额率合成具有极宽的频率范围和十分良好的寄生信号抑制特性，从而输出频谱纯度很高(密寄输出可优于－140dB)，而且输出频率易于用微机控制，锁相技术在频率合成器中的应用至今仍占重要地位。3、直接数字频率合成把需要的波形先量化为足够多采样点的数字量，存储于波形存储器中。在需要输出信号时，将数字量从存储器中读出，经DAC变成模拟量，按一定速率输出。目前常用的方法是不改变输出时钟的周期，而改变每个输出波形的输出点数。当时钟周期不变时，如果输出一周信号所用点数减小一倍时，则输出信号的周期也减少一倍，即频率增加一倍，如图所示。在波形存储器（正弦ROM表）中存储了待输出波形对应的数据，这些数据合称检索表，它通常与输出波形的一个周期相对应。在需要输出波形时，应依次或按一定间隔寻址波形存储器地址，取出所存波形幅度数据码，经DAC输出。因各输出点间数据不变，也就是说输出波形是阶梯形的。因此，在DAC后面要加低通滤波器加以平滑。2.5函数信号发生器

函数信号发生器采用恒流对积分器中的电容器进行充、放电来产生三角波和方波。

开关二极管在电压比较器输出的开关信号作用下，用于控制恒流源对电容器进行充、放电。当正向恒流源对电容器进行充电时，电容器上的电压线性上升，若达到电压比较器的正I值时，电压比较器电路状态翻转，迫使开关二极管状态改变，于是电容器对反向恒流源放电，若电容器上的电压降至电压比较器的负I值时，电压比较器和电子开关的状态随之翻转，周而复始，于是在电容器上得到三角波，在电压比较器输出端得到方波。

如果改变充、放电的电流值或电容的容量，便可获得不同频率的信号。可通过改变电容的容量来改变输出信号的频段，通过调节电位器来改变恒流源电流的大小，以实现频率的连续变化。

改变正、负充放电流的大小可使波形由三角波变为各种斜率的锯齿波，同时，方波就变成各种占空比的脉冲。采用多级桥式二极管网络，利用二极管的非线性原理，可使三角波变换为下正弦波。由波形选择开关选出的正弦波、三角波及其他波形，经输出级的电压或功率放大后输出。2.6实训项目1：信号发生器的使用实训目的了解函数信号发生器的组成并了解其工作原理。掌握函数信号发生器使用。掌握测量数据处理的方法。实训要求了解函数信号发生器的组成并了解其工作原理。了解函数信号发生器面板各开关旋钮的作用，会使用函数信号发生器。了解测量数据处理的方法。实训内容熟悉信号发生器面板装置的名称、位置和作用。熟悉信号发生器的使用方法观察信号发生器输出信号。测试输出信号并进行数据处理EE1641C型函数信号发生器/计数器频率显示窗口（1）：显示输出信号的频率或外测频信号的频率。幅度显示窗口（2）：显示函数输出信号的幅度。频率微调电位器（3）：调节此旋钮可改变输出频率的1个频程。输出波形占空比调节旋钮（4）：调节此旋钮可改变输出信号的对称性。当电位器处在中心位置时，则输出对称信号。函数信号输出信号直流电平调节旋钮（5）：调节范围：–10V～+10V（空载），-5V～+5V（50W负载）当电位器处在中心位置时，则为0电平。函数信号输出幅度调节旋钮（6）：调节范围20dBCMOS电平调节旋钮（9）：调节此电位器可以调节输出的CMOS的电平。当电位器逆时针旋到底（绿灯亮）时，输出为标准的TTL电平。左频段选择按钮（10）：每按一次此按钮，输出频率向左调整一个频段。右频段选择按钮（11）：每按一次此按钮，输出频率向右调整一个频段。波形选择按钮（12）：可选择正弦波、三角波、脉冲波输出。衰减选择按钮（13）：可选择信号输出的0dB、20dB、40dB、60dB衰减的切换。整机电源开关（17）：此按键揿下时，机内电源接通，整机工作；此键释放为关掉整机电源。函数输出端（19）：输出多种波形受控的函数信号，输出幅度20Vp–p（空载），10Vp–p（50W负载）。同步输出端（20）：当CMOS电平调节旋钮（9）逆时针旋到底，输出标准的TTL幅度的脉冲信号，输出阻抗为600W；当CMOS电平调节旋钮打开，则输出CMOS电平脉冲信号，高电平在5V~13.5V可调。EE1640C型函数信号发生器/计数器型号分类标识（1）：区分EE1640C型函数信号发生器/计数器中型号，如1C、2C、2C1、3C等。内置保险丝电源插座（2）（AC220V）：交流市电220V输入插座，座内保险容量