电子测量仪器-信号发生器

电子测量仪器 第 2章 测量用信号发生器 概述 信号发生器的用途 信号发生器的分类 信号发生器的主要技术指标 低频信号发生器 低频信号发生器的组成 低频信号发生器的主要性能指标 低频信号发生器的使用 第 2章 测量用信号发生器 高频信号发生器 高频信号发生器的组成 高频信号发生器的使用 合成信号发生器 合成信号发生器的基本原理 合成信号发生器的主要技术指标 函数信号发生器 函数信号发生器的工作原理 函数信号发生器的使用 本章重点 熟悉函数信号发生器的组成和原理 掌握信号发生器的性能指标 熟练掌握信号发生器的正确使用 本章难点 各种信号发生器的原理分析 合成信号发生器中倍频式锁相环、混频式锁相环、分频式锁相环电路的区别与理解 第 2章 测量用信号发生器 第 2章 测量用信号发生器 概 述 测量用信号发生器又称测量用信号源，它能够产生不同频率、不同幅度的正弦信号、 角波、锯齿波、正负脉冲信号等，其输出信号的频率、幅度、调制度等参数均可按需要进行调节。信号发生器使用灵活，广泛应用在试验、测量、校准以及维修领域。 第 2章 测量用信号发生器 信号发生器的用途 信号发生器有如下 3方面的用途。 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。 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。 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。 第 2章 测量用信号发生器 信号发生器的分类 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。 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。 第 2章 测量用信号发生器 按照输出信号的频率范围，信号发生器可按表 中类型的划分以及频率的范围不是绝对的。 第 2章 测量用信号发生器 按调制方式不同，主要有调幅 (调频 (调相及脉冲调制 (号发生器。 有谐振法和合成法等信号发生器。 第 2章 测量用信号发生器 信号发生器的主要技术指标 信号发生器的技术指标较多，针对信号发生器的用途不同，其技术指标也不相同。通常用以下几项技术指标来描述正弦信号发生器的主要技术指标。 常用以下 4项技术指标来描述信号发生器的频率特性。 （ 1）有效频率范围：各项指标均能得到保证的输出频率范围。 （ 2）频率准确度：是指输出信号频率的实际值 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。长期稳定度是指长时间内频率的变化，如变化时间为 3小时、 12小时。短期稳定度是指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变化。短期稳定度的表达式为 式中， 5分钟间隔内的最大值和最小值。 第 2章 测量用信号发生器 第 2章 测量用信号发生器 （ 4）非线性失真和频谱纯度：实际中，信号发生器不易产生理想的正弦波。通常，用非线性失真来表征低频信号发生器输出波形的好坏，约为 1%；用频谱纯度表征高频信号发生器输出波形的质量。频谱不纯的主要来源为高次谐波和非谐波。 第 2章 测量用信号发生器 （ 1）输出电平调节范围：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。例如， 19 （ 2）输出电平准确度：一般在 3% 10%的范围内。 （ 3）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，而平坦度是指调节频率时输出电平幅度的变化情况。例如 （ 4）输出阻抗：低频信号发生器的输出阻抗有 50、 600、5000三种，而高频信号发生器则为 50或 75两种。使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。 第 2章 测量用信号发生器 （ 1）调制类型：通常包含如下几种类型。 调幅 (用于整个射频频段，但主要用于高频段。 调频 (要用于甚高频或超高频段。 脉冲调制 (要用于微波波段。 视频调制 (要用于电视使用的频段，即 30000 （ 2）调制频率及其范围 :调制频率可以是固定的或连续可调的，可以是内调制也可以是外调制（由外部向仪器提供调制信号）。调幅的调制频率通常为 4001000调频的调制频率在1010 第 2章 测量用信号发生器 （ 3）调制系数的有效范围：调幅系数的范围为 080%;调频的频偏通常不小于 75 （ 4）调制系数的准确度：一般优于 10%。 （ 5）调制线性度：一般在 1% 5%的范围内。 （ 6）寄生调制：寄生调制是指不加调制时，信号载波的残余调幅、残余调频；或调幅时有感生的调频、调频时有感生的调幅。通常寄生调制应低于 40 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。 第 2章 测量用信号发生器 低频信号发生器 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 11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。 第 2章 测量用信号发生器 低频信号发生器的组成 低频信号发生器由主振器、电压放大器、输出衰减器和电压表组成，如图 第 2章 测量用信号发生器 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 氏电桥振荡器由两级 图中 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。为两级放大器。 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 由式 (2见，调节 R(2)的大小可以改变输出信号的频率，调节 C（ 2）也可以改变频率。通常 于粗调频率范围。输出信号的幅度由输出衰减器控制。 第 2章 测量用信号发生器 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。 第 2章 测量用信号发生器 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。 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 第 2章 测量用信号发生器 低频信号发生器的主要性能指标 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 201连续可调。 （ 2）频率准确度： 1% 3%。 （ 3）频率稳定度：一般 小时。 （ 4）输出电压： 0 10 （ 5）输出功率： 5 （ 6）输出阻抗： 50、 75、 150、 600、 5 （ 7）非线性失真范围： 1%。 （ 8）输出形式：平衡输出与不平衡输出。 第 2章 测量用信号发生器 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 300300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。 高频信号发生器的组成 高频信号发生器的组成如图 要包括主振级、缓冲级、调制级、内调制振荡器、输出级、监测器等部分。 第 2章 测量用信号发生器 主振级是信号发生器的核心，用于产生高频振荡信号并可实现调频功能。它一般采用可调频率范围宽、频率准确度高、稳定度好的 频是用调制信号控制高频振荡器回路中的某个电抗元件，使振荡频率随调制信号的幅值变化。主振级电路结构简单，输出功率不大，一般在几毫瓦到几十毫瓦的范围内。 缓冲级主要起隔离放大的作用，用来隔离调制级对主振级产生的不良影响，保证主振级工作稳定并将主振信号放大到一定的电平。 第 2章 测量用信号发生器 调制级实现调制信号对载波的调制，它包括调频、调幅和脉冲调制等调制方式。调频主要用于 301000幅多用于 30030冲调制多用于 300号发生器的调制方式通过面板上的选择开关来进行选择。调制信号可来自内调制振荡器，也可来自外部。 内调制振荡器用于产生调制信号，供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。 高频信号发生器的输出级通常要满足下列 3方面的要求。 （ 1）足够的输出功率，因此，输出级应该包含功率放大级。 第 2章 测量用信号发生器 （ 2）输出信号的幅度大小可以任意调节，因此，输出级必须具备输出微调和步进衰减电路；常采用电位器和电压分压器进行调节。 （ 3）必须工作在负载匹配的条件下，如果不是这样，不仅要引起衰减系数误差，而且还可能影响前级电路的正常工作，减少信号发生器的输出功率，在输出电缆中出现驻波。因此，必须在信号发生器输出端与负载之间加入阻抗变换器，进行阻抗匹配。 监测器一般由调制计和电子电压表组成，用于监测输出信号的载波幅度和调制系数。 用来供给各部分所需的电压和电流。 第 2章 测量用信号发生器 高频信号发生器的使用 下面以 绍其主要性能和使用方法。 高频信号发生器是无线电调试和修理的重要仪器，特别是在收音机的生产调试中，它得到了广泛的应用， 频立体声信号发生器和稳定电源。高频信号发生器采用稳幅的调频、调幅电路，性能稳定，波形好，是一种高可靠多用途的信号发生器。 第 2章 测量用信号发生器 (1)调频立体声信号发生器 工作频率： 881081%。 导频频率： 191 1（ L）、右（ R）和左 +右（ L+R）。 外调输入：输入的信号发生器内阻小于 600，输入幅度小于15 输入插孔：左声道输入和右声道输入。 高频输出：不小于 50高、低挡输出连续调节。（ 2）调频、调幅高频信号发生器 工作频率：范围为 100150450分六个频段。依次为 第 2章 测量用信号发生器 1 1110374150 1幅、载频（等幅）和调频。 高频输出：不小于 50高、低挡输出连续调节。 (3)音频信号发生器 工作频率： 110%。 失真度：小于 1%。 音频输出：最大 高、中、低 3挡输出连续可调，最小可达微伏数量级。 (4)正常工作条件 电源电压： 220 22V； 50 电源功耗： 4W。 第 2章 测量用信号发生器 合成信号发生器 随着电子技术的发展，对信号频率的稳定度和准确度提出了愈来愈高的要求。同样，在电子测量领域中，如果信号发生器频率的稳定度和准确度不够高，就很难胜任对电子设备进行准确的频率测量。因此，信号发生器的频率稳定度和准确度是尤为重要的技术指标。而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建立在主振器的输出频率的稳定度基础上。前面讲的以 率准确度达 10率稳定度达 1010远远不能满足现代电子测量和无线电通信等方面的要求。 第 2章 测量用信号发生器 合成信号发生器是用频率合成技术代替信号发生器中的主振器，即将一个 (或几个 )基准频率通过合成产生一系列满足实际需要频率的信号发生器，其基准频率通常由石英晶体振荡器产生。以石英晶体组成的振荡器其稳定度优于 10是它只能产生某些固定的频率，不能满足对各种频率的需求，为此需要采用频率合成技术而得到频率间隔较密的各种频率。频率合成技术是把一个或几个高稳定度基准频率源经加减（混频）、乘（倍频）、除（分频）四则运算，得到一系列所要求的频率。采用锁相环也可实现加、减、乘和除运算。合成信号发生器可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。它是当前应用最广泛的、性能较高的信号发生器。 第 2章 测量用信号发生器 合成信号发生器的基本原理 频率合成的方法很多，但通常实现频率合成的方法有两种，即间接合成法和直接合成法。间接合成法又称锁相合成法，它是利用锁相环技术进行频率的算术运算实现的，使输出频率与基准频率之间保持整数或分数关系；直接合成法又分为模拟直接合成法和数字直接合成法两种，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实现的；数字直接合成法则是利用 过控制电路从 进行数、模转换实现的。实际上，在一个信号发生器中可能同时采用多种合成方法。下面重点讨论这两种合成方法。 第 2章 测量用信号发生器 间接合成法是基于锁相环 (原理实现的。锁相环可以看作为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。 （ 1）锁相环的组成 锁相环由基准频率源（晶振）、鉴相器 (低通滤波器(及压控振荡器 (部分组成，如图 第 2章 测量用信号发生器 鉴相器亦称相位比较器，用来比较鉴别两个输入信号的相位关系，其输出电压与两信号的相位差成比例关系。 低通滤波器是用来滤除相位比较器输出电压中的高频成分和噪声，以稳定环路工作和改善环路性能。 第 2章 测量用信号发生器 压控振荡器（ 振荡频率可用电压控制，一般都 利用变容二极管作为回路电容。这样改变变容管的反向偏压，其 而使振荡频率随反向偏压而变化，故叫压控振荡器。 锁相环的工作过程如下：压控振荡器输出频率 此与基准频率 晶体振荡器产生 )进行相位比较。鉴相器（ 输出 相位差成正比。 环路稳定时， 由式（ 2见，锁相环的输出频率（ 基准频率（ 有同等稳定度，也可以说输出频率的稳定度可以提高到晶体振荡器（ 10水平，这是 第 2章 测量用信号发生器 （ 2）锁相环的频率合成方法 下面叙述利用锁相环进行频率运算的方法，在锁相环反馈回路中加入有关电路就可实现对基准频率 到各种所需频率。 图 图 a）中，反馈支路接入 此在环路锁定时 N= 由式（ 2知，图 a）实现了倍频作用，在图 b）中，基准频率 以其 N用于锁相环。因此有 频式锁相环的符号为 第 2章 测量用信号发生器 第 2章 测量用信号发生器 图 于图 2.7(a)或图 2.7(b)均可得到 图 谓数字环是由数字分频器或倍频器实现的，其数值可以为任意值，根据 谓脉冲环是以窄脉冲形成电路产生若干种谐波频率，只取其 此得名于脉冲环。 图 以压控振荡器 (输出信号（频率为 一个已知频率为 后再至鉴相器与基准频率 图 混频器之后加一带通滤波器 (消除由于混频作用而引入的组合干扰。 第 2章 测量用信号发生器 第 2章 测量用信号发生器 在图 环路稳定时有 得 在图中混频器若取“”为和频混频，相应地“”为差频混频。 小结：从图 于在锁相环的反馈支路中加入数字频率运算电路，所以锁相环的输出信号频率 式 (2式 (2的运算结果。表达式中的运算符号正好与运算电路的相反。例如前者为乘（即倍频环），则后者是除（即反馈支路中为分频器）。在合成信号发生器中，倍频式数字环和混频环应用更多。 第 2章 测量用信号发生器 模拟直接合成法 如前所述，模拟直接合成法是借助电子线路直接对基准频率进行算术运算，输出各种需要的频率。鉴于采用模拟电子技术，所以又称为直接模拟合成法（ 常见的电路形式有以下两种。 （ 1）固定频率合成法 图 中石英晶体振荡器提供基准频率 为分频器的分频系数， 此，输出频率 在式中， 和 出频率 以称为固定频率合成法。 （ 2）可变频率合成法 可变频率合成法可以根据需要选择各种输出频率，常见的电路形式是连续混频分频电路，如图 该合成电路中，首先使用基准频率 生各种辅助基准频率： ， 后混频器和分频器进行频率运算，实现频率合成。图 值从 ， 中纵向的混频分频电路组成一个基本运算单元，这里有个相同的单元，它们所产生的输出频率依次从左向右传递，并参与后一单元的运算。例如从左边开始的第一单元，首先 (=16行混频，其结果再与辅助基准频率 次混频得 + 2+16+( 第 2章 测量用信号发生器 经分频得（ 以该频率作为第二单元的输入频率 左至右经过次运算，最后得到输出信号的频率 据频率选择开关的状态，可以输出 1000个频率，频率间隔F=为图 果串接更多的合成单元，就可以获得更细的频率间隔，以进一步提高频率分辨力。 直接模拟合成技术有如下一些特点。 从原理来说，频率分辨力几乎是无限的。从图 加一级基本运算单元就可以使频率分辨力提高一个量级 。 第 2章 测量用信号发生器 第 2章 测量用信号发生器 合成单元由混频器、分频器及滤波器组成（有时也用倍频器、放大器等电路），其频率转换时间主要由滤波器的响应时间、频率转换开关的响应时间以及信号的传输延迟时间等决定。一般来说，转换开关时间在微秒量级，传输延迟时间亦在微秒量级，所以只要输出电路中滤波器的通带不是太窄，就能得到很快的转换速度，通常其转换时间为微秒量级，这比采用锁相环的间接合成法要快得多，间接合成的转换时间为毫秒量级。 第 2章 测量用信号发生器 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。相比之下，在间接合成中由于采用锁相环，它本身就相当于一个中心频率能自动跟踪输入基准频率的窄带滤波器，因此具有良好的抑制寄生信号能力，而且锁相环电路便于数字化、集成化，频率范围宽，调节方便且可在微机控制之下工作。 第 2章 测量用信号发生器 合成信号发生器的主要技术指标 合成信号发生器的技术指标与通用信号发生器一样，应该包括频率特性、频谱纯度、输出特性、调制特性等。 （ 1）频率准确度和稳定度：取决于内部基准源，一般能达到 1010 （ 2）频率分辨力：指相邻频率之间的频率间隔。由于合成信号发生器频率稳定度较高，所以分辨力也较好，一般为 0 （ 3）相位噪声：信号相位的不规则变化称为相位噪声，在合成信号发生器中，由于采用锁相技术，相位的不规则变化要引起频率稳定度下降，使得输出信号的频率短期稳定度低于基准频率短期稳定度。 第 2章 测量用信号发生器 所以在合成信号发生器中，虽然其长期频率稳定度较高，等于基准频率稳定度，但短期稳定度可能较低，使用中要引起注意。所以在电路设计时应尽可能降低相位噪声。 （ 4）相位杂散：信号相位的周期性变化称为相位杂散。在频率合成的过程中常常会产生各种寄生频率分量，从而形成相位杂散。相位杂散一般限制在 （ 5）频率转换速度：指信号发生器的输出从一个频率变换到另一个频率所需的时间。一般情况下，直接合成信号发生器的转换时间的典型值为 20s，而间接合成则需 20 第 2章 测量用信号发生器 函数信号发生器 函数信号发生器实际上是一种宽带频率可调的多波形信号源，由于其输出波形均可用数学函数描述，故命名为函数信号发生器。它可以输出正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲波及指数波等。目前函数发生器输出信号的重复频率可达 50具有检测数字电路用 空比调节等功能。除了作为正弦信号发生器使用之外，还可以用来测试各种电路和机电设备的瞬态特性、数字电路的逻辑功能、模数转换器（ A/D）、压控振荡器的性能。它是科研生产、测试、维修和实验室必备的设备。 第 2章 测量用信号发生器 函数信号发生器的工作原理 函数信号发生器的原理框图如图 数信号发生器为了产生各种输出波形，利用各种电路通过函数变换实现波形之间的转换，即以某种波形为第一波形，然后利用第一波形导出其他波形。通常有 3种波形：第一种方波式，先产生方波再转换为三角波和正弦波；第二种正弦波式，先产生正弦波再转换为方波和三角波；第三种是三角波式，先产生三角波再转换为方波和正弦波。近来较为流行的方案是先产生三角波，然后产生方波和正弦波等。 第 2章 测量用信号发生器 第 2章 测量用信号发生器 下面介绍函数信号发生器的典型电路，以三角波产生电路和正弦波产生电路为例。 利用恒流源对电容器充电可以获得正斜率的斜波。同理，利用恒流源将电容器上储存的电荷放掉（放电）可以获得负斜率的斜波，三角波的产生就基于这个原理。在图 1、 括积分电容器 ）构成三角波电路，其工作过程用图 第一步：假设开始工作时开关 流源 充电，形成三角的斜升过程，积分器输出电压 第 2章 测量用信号发生器 第 2章 测量用信号发生器 因为充电电流是电流源 上式可表示为 当 电路将发出控制信号，使开关 于 角波的斜升过程就此结束。从图 b)及式 (2知，三角波的斜升时间 第二步：由于 流源 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 度控制电路又使 复第一步的过程。假设斜降时间为 第 2章 测量用信号发生器 在图 |+E|=| E|,如果 |I,则 2。 可以得到对称三角波，其周期 三角波的周期 第 2章 测量用信号发生器 频率 由式（ 2以得到如下几点结论。 （ 1）当 2时可以产生对称三角波，当电流源 2时，即 三角波的斜升和斜降时间不等，当 2，此时产生负斜率的锯齿波，当 2产生正斜率的锯齿波。 （ 2）改变电流源 就可以改变三角波的频率，通常以 在积分电容为定值的情况下， 出信号的频率越低。这时降低信号频率已经不像正弦信号发生器那样受调谐元件限制了，只要 以使频率