测量用信号发生器课件

测量用信号发生器

模块提示：测量用信号发生器又称测量用信号源，是电子测量系统不可缺少的设备，它可以产生测量系统所需要的各种不同频率、不同幅度的波形信号，如正弦波、方波、三角波、锯齿波、正负脉冲波等，这些信号主要用于测试、校准和维修设备。通过本模块的学习，学生可以掌握低频信号发生器、函数信号发生器和高频信号发生器的工作原理和调试方法，了解脉冲信号发生器的原理，为更好地完成各种测量任务打好基础。图5.1测量用信号发生器信号发生器有3方面的作用：①作为电子设备的激励信号②作为信号仿真③校准源测量任务：对小信号单级共射极放大电路进行动态特性测试与研究，测出放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。电路如图5.2所示。图5.2小信号单级共射极放大电路模块学习要点：5.1信号发生器概述5.2低频信号发生器5.3函数信号发生器

5.4小信号单级共射级放大电路动态特性测试与研究5.5高频信号发生器5.6脉冲信号发生器模块总结与归纳1.按频率范围分：如表5.1所示。5.1信号发生器概述5.1.1信号发生器的分类表5.1信号发生器的频率划分 2.按用途分 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类。

3.按输出波形分 根据所输出信号波形的不同，信号发生器可分为正弦信号发生器、脉冲信号发生器、三角波信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器和噪声信号发生器等。

4.按调制方式分 按调制方式的不同，信号发生器可分为调频、调幅、调相、脉冲调制等类型。

图5.3信号发生器的基本组成框图5.1.2信号发生器的基本组成不同类型的信号发生器其性能、用途虽不相同，但基本构成是类似的，如图5.3所示，一般包括振荡器、变换器、指示器、电源及输出电路等五部分。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。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，它将振荡器输出的微弱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。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。

信号源的等效电路模型负载阻抗等于信号源内阻时，负载可得最大功率通常为50Ω、75Ω、600Ω

内阻图5.4信号源的等效电路模型图5.3信号发生器的基本组成框图指示器提供观察输出信号的装置。通常是电压表、功率表、调制度指示器、示波器和频率计等。仪器输出特性可根据需要，由输出指示电路显示，调整到规定的数值。电源通常包括交流变压器、整流和稳压电路，将50Hz交流市电整流成直流，为信号发生器的各部分电路提供所需的各种供电电压。 5.1.3信号发生器的主要技术指标

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，其表达式为(5-1)三大指标：频率特性输出特性调制特性

3)频率稳定度 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于预设值变化的大小。分为频率短期稳定度和长期稳定度。

频率短期稳定度定义为信号发生器经规定的预热时间后，输出信号频率在任意规定的一个较短时间间隔（如15分钟）内的最大变化，表示为

频率长期稳定度是指信号发生器经规定的预热时间后，输出信号频率在任意规定的较长时间间隔（如3小时、15小时、月、年等）内的最大变化，表达式仍可按5-2表示。(5-2)

准确度与稳定度的关系：频率准确度是由主振荡器的频率稳定度来保证的，频率稳定度是一个信号发生器的重要指标，一般稳定度应比所要求的频率准确度高1~2个数量级。

2.输出特性信号发生器的输出特性主要有输出电平范围及其频响、谐波失真、输出阻抗和输出波形等。

(1)输出电平范围 输出电平范围是指输出信号幅度的有效范围，也就是信号发生器的最大和最小输出电平的可调范围。 (2)输出电平的频率响应 输出电平的频率响应是指在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化情况，也就是输出电平的平坦度。(3)输出电平准确度输出电平准确度一般由电压表刻度误差、输出衰减器换档误差、0dB准确度和输出电平平坦度等几项指标综合组成。此外，温度及供电电源的变化也会导致输出电平的变化。输出电平准确度一般在±3%~±10%的范围内。

(4)输出阻抗输出阻抗的高低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只有50Ω或75Ω两种。(5)输出信号的频谱纯度指正弦信号发生器输出频谱逼近理想频谱的程度，常用谐波失真度来表示。

(5-3)

式中，U1为输出信号基波的有效值(或幅值)；

U2、U3、……、Un为各次谐波分量的有效值（或幅值）。一般信号发生器的非线性失真应小于1%。(6)输出波形输出波形是指信号发生器所能输出信号的波形。

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。

5.2低频信号发生器

低频信号发生器的输出信号频率范围通常为20Hz~20KHz，也称音频信号发生器。现代低频信号发生器输出信号频率范围通常为1Hz~1MHz。输出波形以正弦为主，兼有方波及其他波形。

5.2.1低频信号发生器的组成 低频信号发生器组成框图如图5.5所示，主要包括主振器、放大器、输出衰减器、和指示电压表等部分。图5.5低频信号发生器的原理框图 1.主振器 主振器是低频信号发生器的核心部分，它通过自激产生频率可调的低频正弦信号，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有多种，现代低频信号发生器中，主振器常采用RC文氏电桥振荡电路。其原理框图如图5.6所示。图5.6文氏电桥振荡器的原理框图通常选R1=R2，文氏电桥振荡频率为：正反馈，产生正弦振荡负反馈，稳幅和减小失真R3负温度系数电阻稳幅原理？2.放大器低频信号发生器的放大器一般包括电压放大器和功率放大器两级，以达到电压输出幅度和功率的要求。

(1)电压放大器电压放大器兼有缓冲和电压放大的作用。

(2)功率放大器功率放大器的作用是保证信号发生器具有足够大的输出功率，以驱动低阻抗负载。要求工作效率高，谐波失真小。图5.7输出衰减器3.输出衰减器图5.7所示电路为低频信号发生器中最常用的输出衰减器。4.指示电压表输出电压表用来指示输出电压或输出功率的幅度，或对外部信号电压进行测量，可以是指针式电压表、数码LED或LCD电压表。此外还有阻抗变换器，阻抗变换器用于匹配不同阻抗的负载，以便在负载上获得最大输出功率。

5.2.2低频信号发生器的主要性能指标

(1)频率范围：一般为1Hz~20kHz或延展到1MHz，连续可调。

(2)频率准确度：±(1~3)%。

(3)频率稳定度：优于0.1%/h。

(4)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。

(8)输出形式：平衡输出与不平衡输出。

5.2.3低频信号发生器的使用要点其使用要点如下：1)了解面板2)注意正确的操作步骤信号发生器的使用包括如下步骤：(1)开机准备。(2)选择频率。(3)输出阻抗的配接。(4)选择输出电路的形式。(5)输出电压的调节和测读。*衰减倍数和输出方式表头指示

电平0dB10dB20dB30dB40dB50dB60dB70dB80dB90dB2V平衡方式输出：输出电压=电压表示值不平衡方式输出：输出电压=电压表示值的2倍2V0.2V0.02V0.002V0.0002V0.63V0.063V0.0063V0.00063V0.000063V例：衰减分贝与衰减倍数的对应关系衰减分贝数/dB相对应的衰减倍数01103.1620103031.64010050316601000703160801000090316001.各旋钮及开关功能5.2.4XD-2型低频信号发生器图5.8XD—2型信号发生器2.使用方法：1）开机前检查输出调节旋钮是否置于最小值处（逆时针旋到底）。2）接通电源.预热5分钟以上。3）频率选择:将频率范围选择开关旋至相应频段，然后调节三个频率调节旋钮，至所需频率，如48.7KHz。4）输出电压幅度调节：先通过衰减开关选择适当的衰减倍数，再调节输出细调旋钮，使输出信号电压为所需值。如所需电压为0.03V。则应将衰减开关置于40dB，调节输出细调旋钮使表针指在3V位置处，仪器就会输出0.03V的信号。5）阻尼调整:挡输出信号频率低于10Hz时，表头指针会产生抖动，此时应将“阻尼”开关置于“慢”的位置。6）过载保护：如工作过程中，过载指示灯闪亮，应增大负载阻抗值，使灯熄灭。7）仪器使用完毕，将输出细调旋钮调至最小，然后关闭电源。3.低频信号发生器的应用低频放大器放大倍数的测量用毫伏表分别测出被测放大器输入输出信号电压的有效值，即可求出放大器的电压放大倍数图5.9放大器放大倍数测量连线图5.3函数信号发生器

函数信号发生器实际上是一种多波形信号源，可以输出正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲波及指数波等，由于其输出波形均可用数学函数描述，故命名为函数发生器。 5.3.1函数信号发生器的基本组成与原理

构成函数发生器的方案有三种：脉冲式、正弦式、三角波式。

图5.10脉冲式函数信号发生器原理框图1.脉冲式函数信号发生器脉冲式函数信号发生器的原理框图如图5.10所示。三角波产生(积分器)原理其工作过程用图5.11说明：图5.11三角波产生原理第一步：假设开始工作时开关S1接通，形成三角波的斜升过程，积分器输出电压uo为：因为充电电流是电流源I1，故上式可表示为：当uo上升到限值电平+E时，控制信号使开关S1断开、S2接通。三角波的斜升过程结束。第二步：由于S2接通，电流源I2向电容C充电，且充电方向与第一步时相反，形成三角波的斜降过程。当下降到-E限值电平时，幅度控制电路又使S2断开、S1接通，重复第一步的过程。图5.11三角波产生原理图5.12由二极管组成的正弦波形成电路图5.21所示为典型的二极管网络变换电路，可将对称的三角波转换成正弦波。分压网络级数越多，逼近的程度越好，获得的正弦信号失真越小。uo(2)正弦波形成原理图5.13正弦式函数信号发生器的组成框图2.正弦式函数信号发生器正弦式函数信号发生器的组成框图如图5.13所示。图5.14三角波式函数信号发生器的原理框图3.三角波式函数发生器三角波式函数信号发生器的原理框图如图5.14所示。 5.3.2函数信号发生器的主要性能指标 对于函数信号发生器，其性能指标有：

(1)输出波形：通常输出波形有正弦波、方波、脉冲和三角波等波形，有的还具有锯齿波、斜波、TTL同步输出及单次脉冲输出等。

(2)频率范围：函数发生器的整个工作频率范围一般分为若干频段，如1~10Hz、10~100Hz、100Hz~1kHz、1~10kHz、10~100kHz、100kH~1MHz等波段。 (3)输出电压：对正弦信号，一般指输出电压的峰-峰值，通常可达10UP-P以上；对脉冲数字信号,则包括TTL和CMOS输出电平。

(4)波形特性：不同波形有不同的表示法。正弦波的特性一般用非线性失真系数表示，一般要求小于等于3%；三角波的特性用非线性系数表示，一般要求小于等于2%；方波的特性参数是上升时间，一般要求小于等于100ns。

(5)输出阻抗：函数输出50Ω；TTL同步输出600Ω。5.3.3EM1642型函数信号发生器

1.面板说明如图5.15所示为EM1642型函数信号发生器面板图图5.15EM1642型函数信号发生器面板图2.技术指标输出信号：三角波、方波、正弦波、脉冲波、单次脉冲、TTL电平、直流电平电压输出：输出幅度1mV—25Vp-p，输出阻抗:50Ω±10%输出频率：0.2Hz—2MHz，频率误差：±1％，4位数显外测频率：0.1Hz－４0MHz，±0.1%衰减：0dB、-20dB、-40dB、–60dB直流电平：－10V——+10V连续可调占空比:10%－90%连续可调失真度：≤2%(20Hz－20kHz)方波上升时间：≤50nSTTL方波输出：≥3Vp-p上升时间≤25ns外电压控制扫频：输入电平０－10V，输出频率1:100电源:220V±10%50Hz－60Hz外形尺寸：240(W)×90(H)×280(D)重量：约2.5Kg3.使用方法(1)将仪器接入AC电源，按下电源开关。(2)按下所需选择波形的功能开关。(3)当需要脉冲波和锯齿波时，按入f÷10开关，并调节RAMP/PULSE旋钮。此时频率值÷10，其它状态时关掉。(4)当需要小信号输出时，按入衰减器。(5)调节幅度至需要的输出幅度。(6)调节直流电平偏移至需要设置的电平值，其它状态时关掉，直流电平将为零。(7)当需要TTL信号时，从TTL输出端输出，此电平将不随功能开关改变。(8)把控制电压从VCF端输入，则输出信号频率将随输入电压值而变化。(9)需要单次脉冲时，从OUTSPSS端输出，按动一次SPSS开关，即可得到一个单次脉冲。4.函数信号发生器的应用可用于音频放大器、滤波器及自动测试系统的测试，如用于测量低频放大器的幅频特性。测试过程如下：(1)按图5.16连线(2)调节函数信号发生器，使输出频率为1KHz、幅度为10mV(3)保持幅度不变，逐点改变信号发生器的频率，画出频率特性曲线图5.16低频放大器幅频特性测量连线图5.5高频信号发生器

高频信号发生器也称射频信号发生器，信号频率范围：30KHz~1GHZ，广泛应用在高频电路测试中。除可以产生标准正弦信号外，为了测试通信设备，这种仪器还具有一种或一种以上调制或组合调制功能，其输出信号的频率、电平及调制度可在一定范围内调节并能准确读出。 5.5.1高频信号发生器的组成 高频信号发生器的组成框图如图5.19所示，主要包括振荡器、缓冲级、调制级、输出级、内调制振荡器、频率调制器、监测指示电路等。

图5.19高频信号发生器原理框图用于产生高频振荡信号。它是信号发生器的核心，信号发生器的主要工作特性大都由它决定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。主要完成对主振信号的调制。主要由功率放大器、输出微调、步进衰减器和阻抗匹配等组成。输出电阻一般为50Ω或75Ω监测指示电路：监测指示输出信号的载波电平和调制系数。5.5.2高频信号发生器的分类按主振级产生主振信号的方法不同，高频信号发生器可分为调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器三类。

图5.20LC振荡器电路的三种构成形式(a)变压器反馈式；(b)电感三点式；(c)电容三点式1.调谐信号发生器常用的调谐振荡器就是晶体管LC振荡电路，实质上是一个正反馈调谐放大器，主要包括放大器和反馈网络两个部分。根据反馈方式，可分为如图5.20所示三种振荡形式。三种振荡电路工作频率：

通常通过改变L来改变频段，改变C来进行频段内的频率微调。

调谐信号发生器的优点是电路简单，但频率准确度、稳定度均不高，随着通信及电子测量水平的不断提高，对信号源频率的准确度、稳定度要求越来越高，一个信号发生器输出信号频率的准确度、稳定度在很大程度上是由主振器的输出频率稳定度所决定的。前面介绍的LC振荡电路已满足不了高性能信号发生器的要求，而利用频率合成器代替调谐信号发生器中的LC振荡电路，就可以有效地解决上述问题，这就诞生了合成信号发生器。其频率稳定度和准确度可达10-8以上。

2.合成信号发生器频率合成器把一个高稳定度基准频率源经过加、减，乘、除等算术运算以产生在一定频率范围内、按一定频率间隔变化的一系列离散频率，这些输出频率均具有与基准频率相同的高稳定度。合成信号发生器具有良好的输出特性和调制特性，又具有高稳定度和高分辨率的优点，输出频谱纯度高，频带宽，输出频率、电平、调制深度均可由微机控制、显示，因此性能优越，代表当今信号发生器的主流。石英晶体振荡器

频率合成的方法很多，但基本上分为直接合成法和间接合成法两类①直接合成法分为模拟直接合成法和数字直接合成法。模拟直接合成法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；数字直接合成法则是利用ROM和DAC结合，通过控制电路，从ROM单元中读出数据，再进行数/模转换，得到一定频率的输出波形。②间接合成法则通过锁相技术进行频率的算术运算，最后得到所需的频率。实际上，一个信号发生器中可能同时采用多种合成方法，我们重点介绍模拟直接合成法和间接合成法。(1)直接合成法——模拟直接合成法

1)固定频率合成法

图5.21(a)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fr，Ｄ为分频器的分频系数，N为倍频器的倍频系数。因此，输出频率f0为

在式中，Ｄ和N均为给定的正整数。输出频率f0为定值，所以称为固定频率合成法。5.21固定频率合成原理图 2)可变频率合成法 图5.22所示为模拟直接合成法的例子直接频率合成器的原理框图，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4.628MHz输出信号。图5.22直接频率合成器原理框图

直接模拟合成技术有如下一些特点。

①从原理来说，频率分辨力几乎是无限的。②能够迅速改变产生的输出频率，具有很小的频率转换时间，通常其转换时间为微秒量级。③由于采用混频等电路会引入很多寄生频率分量，带来相位杂散，因此必须采用大量滤波器以改善输出信号的频谱纯度。这样将导致电路庞大、复杂、不易集成，这是直接模拟合成法的一大弱点。 (2)间接合成技术 间接合成法是基于锁相环(phaselockedloop，PLL)的原理实现的。能够完成两个电信号相位同步的自动控制系统称为锁相环。如果在锁相环内加入相应电路就可以对基准频率进行算术运算，产生人们需要的各种频率。由于它不是用电子线路直接对基准频率进行运算，故称为间接合成法。图5.23给出了锁相环的基本原理框图。

基本锁相环是个闭环相位负反馈环路，由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)及压控振荡器(VCO)三大部分组成。

(1)鉴相器(PD，又称相位比较器)。

(2)低通滤波器(LPF)。

(3)压控振荡器(VCO)。

图5.23锁相环的基本原理框图工作原理：f0≠fr比较(PD)Ud∝Δψ滤波

UC控制VCO“频率牵引”

f0=fr锁定。图5.24倍频式锁相环原理图

将基本锁相环的结构稍加变化，在反馈回路中加入有关电路就可实现对基准频率进行各种运算，得到各种所需频率。如图5.24所示为倍频式锁相环原理图。

从而有

fo=Nfr

(5-5)

(5-4)当锁相环锁定时，鉴相器PD两输入端信号的频率差为零，即

如图5.25和5.26、5.27分别为分频式锁相环和混频式锁相环原理图。图5.25分频式锁相环图5.26混频式锁相环原理图fo=(1/N)frfo=fr1±fr2图5.27混频式锁相环

小结：锁相环技术具有体积小、功耗低、输出频点多、频率准确度及稳定度高、频率分辨率高、便于微机控制等优点。并可方便实现频率调制功能。缺点是频率转换速度慢，转换时间毫秒级，比直接合成器大200倍。直接合成技术和间接合成技术从根本上解决了普通信号发生器输出信号频率的稳定度与准确度问题，能方便的在微机控制下工作，满足自动测试的需求。 5.5.3高频信号发生器的主要性能指标 其主要性能指标如下：

(1)频率范围：100kHz~30MHz，共分八个波段。

(2)频率刻度误差：±1%。

(3)输出电压：0~1V(有效值)。

(4)输出阻抗：40Ω(0~1V输出孔)、8Ω(0~0.1V输出孔)(5)电压表刻度误差：±5%(载波为1MHz，1V电压时)。

(6)内调制信号频率：400Hz、1000Hz，误差为±5%。

(7)外调制信号频率：50Hz~8kHz。

(8)调幅范围：当m＜60%时，误差为±5%；当m＞60%时，误差为±10%。

(9)谐波电平：＜25dB。5.5.4YB1052高频信号发生器5.28YB1052实物面板图YB1052高频信号发生器可提供载频、调频、调幅信号。它采用了单片机、数码电位器等数字技术，因此使信号发生器的各项技术性能得到较大提高。其有效工作频率范围为0.1MHz~150MHz。输出频率由5位数码管LED指示。YB1052面板示意图1.电源开关；2.内音频输出；3.外调制输入；4.外调制选择按键；5.调幅控制按键；6.调频控制按键；7.内调制频率选择按键；8.射频输出幅度调节钮；9.射频信号输出插座；10.频率调谐钮；11.调制度调节钮；12.工作频段选择按键；13.频率快速调谐选择按键；14.存储的频率和工作方式调取按键；15.射频频率和信号工作方式存储按键；16.存储或调取单元编号显示数码管：0~9；17.射频频率数码显示：5位；5.6脉冲信号发生器

脉冲信号通常是指持续时间较短、宽度及幅度有特定变化规律的电压或电流信号。常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、等等。是时域测量的重要仪器。广泛应用于测试和校准脉冲设备和宽带设备。

5.6.1脉冲信号发生器的基本参数

最基本的脉冲信号是矩形脉冲信号，如图5.29所示。它有以下一些基本参数：

(1)脉冲振幅A：指脉冲顶量值与底量值之差。

(2)上升时间tr：指由10%电平处上升到90%电平处所需的时间，也叫脉冲前沿。图5.29矩形脉冲信号 (3)下降时间tf：指由90%电平处下降到10%电平处所需的时间，也叫脉冲后沿。

(4)脉冲宽度τ(或tw