第7章 信号发生器.ppt

第七章测量用信号发生器 7 1概述7 2低频信号发生器7 3高频信号发生器7 4函数信号发生器7 5脉冲信号发生器7 6合成信号发生器 7 1概述 7 1 1信号发生器的功能测量用信号发生器 通常称为信号源 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 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 信号发生器的功用主要包括以下三方面 1 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 7 1 2信号发生器的分类 1 按频率范围分类 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 信号发生器按输出信号频率划分表 2 按输出波形分类正弦波形发生器 脉冲信号发生器 函数信号发生器 噪声信号发生器 3 按信号发生器的性能分类一般信号发生器 指对其输出信号的频率 幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类发生器 标准信号发生器 指其输出信号的频率 幅度 调制系数等在一定范围内连续可调 并且读数准确 稳定 屏蔽良好的中 高档信号发生器 7 1 3信号发生器的组成与原理 振荡器 是信号发生器的核心部分 它产生不同频率的信号 变换器 用来完成对主振信号进行放大 整形及调制等工作 输出电路 为被测设备提供所需要的输出电平或信号功率 指示器 用以监视输出信号 电源 为仪器各部分提供所需的工作电压 低频信号发生器是指频率范围为1Hz 1MHz 由20Hz 20kHz的音频信号延伸而来 输出波形以正弦波为主 或兼有方波及其他波形的发生器 低频信号发生器可用来测量收音机 组合音响设备 电子仪器 无线电接收机等电子设备的低频放大器的频率特性 7 2低频信号发生器 7 2 1组成与工作原理 1 波段式 1 主振器 波段式信号发生器输出频率由主振器确定 通常由RC振荡器产生低频正弦波 经电压放大达到电压输出幅度的要求 由电位器和衰减器调节输出 不带功率放大器的信号发生器带负载能力弱 只能提供电压输出 加功率放大器后的信号发生器 可以有功率输出 由于RC振荡器的频率覆盖范围小 故波段式信号发生器通常做成多波段的 主振器是低频信号发生器的核心部分 产生频率可调的正弦信号 它决定了信号发生器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 文氏电桥振荡器的特点是频率稳定 易于调节 并且波形失真小和易于稳幅 文氏电桥振荡器是典型的RC正弦振荡器 其振荡频率取决于RC式反馈网络的谐振频率 表达式为 为了便于频率调节 常选R1 R2 R C1 C2 C 则RC串并联网络的选频特性为 此时 选频网络的传输系数F最大 相移 为零 可见振荡器要输出等幅振荡正弦波 必须满足两个条件振幅平衡条件相位平衡条件故A 3 R11 Rt构成的负反馈支路 利用负温度系数Rt的非线性来完成稳幅作用 避免晶体管工作到非线性区 减少输出波形失真 整个电路频率的调节是通过改变桥路电阻值和电容值进行的 用波段开关改变R1 R2进行频率粗调 用同轴双联可变电容器改变C1 C2进行频率细调 2 差频式 差频式低频信号发生器组成框图 输出 固定频率振荡器 可变频率振荡器 混频器 滤波放大 衰减器 差频信号发生器由可变频率振荡器f1和固定频率振荡器f2通过混频器产生两者差频信号f0 f1 f2 再经过低通滤波器滤除混频器输出中含有的高频分量 再经放大衰减输出 得到所需要的低频信号 其最大的优点是频率覆盖范围大 容易做到整个低频段内频率可连续调节而不用更换波段 且输出电平也比较平稳 缺点是电路复杂 频率稳定性和波形较差 特别是f1与f2接近时 极易产生干扰 这样也就很难获得较低的差频输出 2 缓冲放大器缓冲放大器兼有缓冲和电压放大的作用 隔离后级电路对主振电路的影响 保证主振频率稳定 一般采用射 源 极跟随器或运放组成的电压跟随器 电压放大的目的 使主振级的输出电压达到预定技术指标 要求频带宽 谐波失真小 工作稳定等 3 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 下图所示电路是XD22A型低频信号发生器中采用的输出衰减器 衰减器组成与作用 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 例 将XD22A型低频信号发生器的 输出衰减 旋钮置于50dB时 指示电压表的读数为6V 这时的实际输出电压是多少 解 查上表 可知50dB所对应的倍数为316 故实际输出电压为U 6 316 18 99mV 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 高频信号发生器是指能够供给标准正弦波和调制波信号的信号发生器 通常分为调幅和调频两种 高频信号发生器的工作频率一般在300KHz 30MHz范围内 甚高频信号发生器工作频率一般在30MHz 300MHz范围内 输出幅度能在较大范围内调节 并具有输出微弱信号的能力 可以适应测试接收机的需要 测试各类高频接收机灵敏度 选择性等工作特性是高频信号发生器最重要的用途之一 7 3高频信号发生器 高频信号发生器的组成 主要包括主振级 缓冲级 调制级 输出级 内调制振荡器 可变电抗器 检测器等部分 7 3 1高频信号发生器的组成 1 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 要求主振级的频率范围宽 有较高的准确度 优于10 3 和稳定度 优于10 4 主振级的电路结构简单 输出功率不大 一般在几毫瓦到几十毫瓦的范围内 为了扩大频率范围 通常也采样多波段工作方式 通过变更电感L选择不同的波段 在某一波段内 通过改变电容C来调整振荡频率 2 缓冲级缓冲级主要起阻抗变换作用 用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响 以保证主振级工作的稳定 在某些频率较高的信号发生器中 还可以采用倍频器 分频器或混频器 使主振级输出频率的范围更宽广 3 调制级为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标 必须用已调制的正弦信号作为测试信号 这个任务在调制级中完成 正弦信号经缓冲级输出到调制级 进行幅度调制和放大后输出 并保证一定的输出电平调节和输出阻抗 内调制振荡器供给符合调制级要求的音频正弦调制信号 可变电抗器与主振级的谐振回路耦合使信号发生器具有调频功能 监测器用来监测输出信号的载波和调制系数 电源供给各部分所需的工作电压 调制的方式主要有调幅 调频和脉冲调制 调幅多用于100kHz 35MHz的高频信号发生器中 高频信号的调幅一般采用正弦调制 调频主要用于30 1000MHz信号发生器中 脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号发生器中 4 输出级输出级主要由放大器 滤波器 输出微调 连续衰减电路 输出倍乘 步进衰减电路 等组成 输出级可以进一步控制输出电压的幅度 使最小输出电压达到uV数量级 对输出级的主要要求是 输出电平的调节范围宽 衰减量应能准确读数 有良好的频率特性 在输出端有准确且固定的输出阻抗 以进行阻抗匹配 7 4函数信号发生器 函数信号发生器是一种宽带频率可调的多波形信号发生器 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 一般能产生正弦波 方波 三角波等函数波形 其频率范围约几毫赫至几十兆赫 现代函数信号发生器一般具有调频 调幅等调制功能和压控频率 VCO 特性 除了作为正弦信号源使用外 还可以用来测试各种电路和机电设备的性能 特性等 被广泛应用于生产测试 仪器维修 医疗和教学实验等场合 函数信号发生器产生信号的方法有三种 第一种是脉冲式 由施密特电路产生方波 然后经变换得到三角波和正弦波形 第二种是正弦式 由正弦波振荡器产生正弦波 然后经变换得到方波和三角波 第三种是三角波式 由三角波发生器先产生三角波 再变换为方波和正弦波 正弦振荡器 施密特触发器 米勒积分器及各种相应的波形产生电路 随着微电子技术的发展 现代函数发生器可用单片集成电路和直接数字合成 DDS 技术来产生 在函数信号发生器及任意信号的产生方面有了很大的发展 7 5脉冲信号发生器 脉冲信号发生器通常是指矩形窄脉冲发生器 它广泛用于测试和校准脉冲设备和宽带设备 例如 测试视频放大器和其他宽带电路的振幅特性 过渡特性 逻辑元件的开关速度 集成电路的研究 以及对电子示波器的检定等都需要脉冲信号发生器提供测试信号 脉冲信号发生器是时域测量的重要仪器 常见的脉冲信号有矩形 锯齿形 阶梯形 钟形和数字编码序列等 最基本的矩形脉冲信号的基本参数 P 173 组成与工作原理 按照频率范围来分 射频脉冲信号发生器 视频脉冲信号发生器 按照用途和产生脉冲的方法不同来分 通用脉冲发生器 快沿脉冲发生器 函数信号发生器 特种脉冲发生器 分类 7 6合成信号发生器 合成信号发生器产生的原因频率合成的方法各种方法的基本原理及发展情况 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 为此 需要采用频率合成技术 该技术通过对一个或几个高稳定度频率进行加 减 乘 除算术运算 得到一系列所要求的频率 频率合成的方法 频率合成的方法很多 但基本上分为两大类 直接合成法和间接合成法 在具体实现中可分为下面三种方法 合成信号发生器是以晶体振荡器为基础的利用频率合成技术产生准确稳定频率的高质量信号源 合成信号发生器基本原理 原理 如何调节输出频率f调节K 频率控制字 调节fc 时钟频率 所谓锁相 就是自动实现相位同步 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 由于频率是相位对时间的微分 因而当这两个电信号相位同步时 这两个电信号的频率也就保持了一致 这样 利用锁相环和分频比可变的分频器 就可把压控振荡器 VCO 的输出频率稳定在基准频率的整数倍上 获得大量稳定度和准确度与基准频率相同的频率输出 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 频率合成技术的进展 三种合成方法基于不同原理 具有不同的特点 模拟直接合成法虽然转换速度快 us量级 但是由于电路复杂 难以集成化 因此其发展受到了一定限制 数字直接合成法基于大规模集成电路和计算机技术 尤其适用于函数波形和任意波形的信号源 将进一步得到发展 但目前有关芯片的速度还跟不上高频信号的需要 利用DDS专用芯片仅能产生几百MHz量级的正弦波 其相位累加器可达32位 在基准时钟为100MHz时输出频率分辨率可达0 023Hz 这一优良性能在其他合成方法中是难以达到的 锁相环频率合成法虽然转换速度慢 ms量级 但其输出信号频率可达超高频频段 输出信号频谱纯度高 输出信号的频率分辨率取决于分频系数N 尤其在采用小数分频技术以后 频率分辨率大大提高了 目前 已有很多锁相式合成信号源产品 提高分辨率的方法 1 微差混频法2 多环合成法3 小数合成法 扩展频率上限的方法1 前置分频法2 倍频 混频法3 吞脉冲分频法 扫频信号发生器 一线性电路幅频特性的测量 二扫频测量与扫频源 7 1 4正弦信号发生器的性能指标 1 频率特性 1 有效频率范围是指各项指标都能得到保证的输出频率范围 可简称为 频率范围 2 频率准确度是指频率度盘 或数字显示 数值f0与实际输出信号频率f间的偏差 通常用相对误差来表示 归纳为频率特性 输出特性和调制特性 3 频率稳定度是指在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 频率稳定度又分为长期频率稳定度和短期频率稳定度 频率稳定度指标要求与频率准确度相关 频率准确度是靠频率稳定度来保证的 短期频率稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后 信号频率在在任意15分钟内所发生的最大变化 表示为式中 fmax fmin分别为任意15分钟信号频率的最大值和最小值 长期频率稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后 信号频率在24小时内所发生的最大变化 表示为式中 fmax fmin分别为任意24小时内信号频率的最大值和最小值 一般来说 振荡器的频率稳定度应该比所要求的频率准确度高1 2个数量级 4 失真度与频谱纯度 正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正弦波 但由于信号发生器内部放大器等元器件的非线性 会使输出信号产生非线性失真 除了所需要的正弦波频率外 还有其它谐波分量 通常用信号失真度来评价低频信号发生器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 式中 U1为输出信号基波有效值 U2 U3 Un为各次谐波有效值 由于U2 U3 Un比U1小的多 也可用下式表示 一般低频正弦信号发生器的失真度为0 1 1 高档正弦信号发生器失真度可低于0 005 对于高频信号发生器 这项指标要求较低 作为工程测量用仪器 其非线性失真小于等于5 即以眼睛观察不到明显的波形失真即可 对于高频信号发生器的失真度 常用频谱纯度来评价 要求输出频谱纯净的信号 频谱纯度不仅要考虑高次谐波造成的非线性失真 还要考虑由非谐波干扰噪声而造成的正弦波失真 频谱纯度通常要求式中 Us是信号幅度 Un是高次谐波及干扰噪声的幅度 补充1 输入阻抗 输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗 在输入端上加上一个电压源U 测量输入端的电流I 则输入阻抗Rin就是U I 你可以把输入端想象成一个电阻的两端 这个电阻的阻值 就是输入阻抗 输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样 它反映了对电流阻碍作用的大小 对于电压驱动的电路 输入阻抗越大 则对电压源的负载就越轻 因而就越容易驱动 也不会对信号源有影响 而对于电流驱动型的电路 输入阻抗越小 则对电流源的负载就越轻 因此 我们可以这样认为 如果是用电压源来驱动的 则输入阻抗越大越好 如果是用电流源来驱动的 则阻抗越小越好 注 只适合于低频电路 在高频电路中 还要考虑阻抗匹配问题 另外如果要获取最大输出功率时 也要考虑阻抗匹配问题 补充2 输出阻抗 无论信号源或放大器还有电源 都有输出阻抗的问题 输出阻抗就是一个信号源的内阻 本来 对于一个理想的电压源 内阻应该为0 或理想电流源的阻抗应当为无穷大 但现实中的电压源 则不能做到这一点 我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源 这个跟理想电压源串联的电阻r 就是信号源 放大器输出 电源的内阻了 当这个电压源给负载供电时 就会有电流I从这个负载上流过 并在这个电阻上产生I r的电压降 这将导致电源输出电压的下降 从而限制了最大输出功率 同样的 一个理想的电流源 输出阻抗应该是无穷大 但实际的电路是不可能的 一般来说 电压源的输出阻抗越小越好 而电流源的输出阻抗越大越好 注 只适合于低频电路 在高频电路中 还要考虑阻抗匹配问题 另外 要求限流或限压保护的信号源除外 补充3 阻抗匹配 阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式 对于不同特性的电路 匹配条件是不一样的 在纯电阻电路中 当负载电阻等于信号源内阻时 负载可获得最大输出功率 这就是我们常说的阻抗匹配之一 当交流电路中含有电抗成份时 为使负载得到最大功率 负载阻抗与信号源内阻必须满足共扼关系 即实部相等 虚部互为相反数 这叫做共扼匹配 在低频电路中 我们一般不考虑传输线的匹配问题 只考虑信号源跟负载之间匹配的情况 因此 如果需要输出电流大 则选择小的负载 如果需要输出电压大 则选择大的负载 如果需要输出功率最大 则选择跟信号源内阻匹配的负载 有时 阻抗不匹配还有另外一层意思 例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的 如果负载条件改变了 则可能达不到原来的性能 这时我们也会叫做阻抗失配 在高频电路中 还必须考虑反射问题 当信号的频率很高时 信号的波长就很短 当波长短的跟传输线长度可以比拟时 反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状 如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配 相等 在负载端就会产生反射 参考传输线理论 能量传递不过去 降低效率 会在传输线上形成驻波 功率发射不出去 甚至会损坏发射设备 传输线的特征阻抗是由传