第2章-测量用信号发生器.ppt

第2章 测量用信号发生器 返回课程目录 本章主要介绍给被测设备提供各种不同频率波形信号的信号发生器 内容提要 本章内容主要有 信号发生器的分类和技术指标 低频信号发生器及其基本应用 高频信号发生器及其基本应用 函数信号发生器及其使用 合成信号发生器 一 学习目标 二 技能目标 基本了解 低频 高频信号发生器的组成原理 频率合成原理与正弦波形成电路原理 重点掌握 信号发生器分类与功能 主要技术指标 基本操作使用 掌握常见低频 高频信号发生器的使用方法 仪器示例1函数信号发生器 计数器 仪器示例2高频信号发生器 2 1信号发生器的分类和技术指标 2 1 1信号发生器的用途 测量用信号发生器可以给被测设备提供各种不同频率的正弦波信号 方波信号 三角波信号等 信号的幅值可按需要进行调节 然后由其它的测试仪器观测其输出响应 信号发生器是最基本和应用最广泛的电子测量仪器之一 信号源产生不同频率 不同波形或调制的电压 电流信号并加到被测电路与设备上 用其它测量仪器观察 测量被测对象的输出响应 以分析确定被测对象的性能参数 信号发生器的功用主要有以下三方面 1 用作激励源 产生的信号可作为电子设备的激励信号 2 用作信号仿真 产生模拟实际环境相同特性的信号 如干扰信号 模拟干扰信号 对电子设备进行仿真测量 3 用作校准源 产生标准信号 可用于一般的信号源进行校准或比对 2 1 2信号发生器的分类 1 按频率范围分按照输出信号的频率范围对无线电测量用正弦信号发生器进行分类是传统的分类方法 如下表所示 频率范围的划分并不是绝对的 各类信号发生器的频率范围也存在重叠的情况 这与它们的不同应用范围有关 如 有的低频信号发生器的频率上限高于1MHz 有时也将0Hz 6MHz划分为视频信号发生器的频率范围 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 专用信号发生器是为某种特殊用途而设计生产的 能提供特殊的测量信号 如电视信号发生器 调频信号发生器等 通用信号发生器具有广泛而灵活的应用性 按输出波形可分为正弦波信号发生器 函数信号发生器 脉冲信号发生器等 通用信号发生器根据工作频率的不同 可分为超低频 低频 视频 高频 甚高频 超高频几大类 正弦波信号发生器在线性系统的测试中应用最广 它作为线性系统的正弦输入信号 经运行后 其输出仍为同频正弦信号 不会产生畸变 只是幅值和相位略有差别 函数信号发生器也比较常用 它不仅可以产生多种波形 而且信号的频率范围较宽 脉冲信号发生器主要用来测量数字电路的工作性能和测量模拟电路的瞬态响应 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 矩形信号发生器 脉冲信号发生器 三角波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 调相式 脉冲调制等类型 5 按性能指标分 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 3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 如下图所示 一般包括振荡器 变换器 指示器 电源及输出电路等五部分 图信号发生器的基本组成框图 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 4 电源电源为信号源各部分提供所需的直流电压 除了便携式仪器带有电池外 一般的仪器都采用直流稳压电源 将220V 50Hz的市电经变压 整流 滤波及稳压后 供给仪器使用 5 指示器指示器是用来指示输出信号的电平 频率及调制度 它可能是电压表 功率计 频率计或调制度仪等 可采用指针表 数码LED或LCD显示 指示器本身的准确度一般不高 其示值仅供使用时参考 信号发生器的频率特性包括有效频率范围 频率准确度和频率稳定度等 2 1 4信号发生器的主要技术指标 1 有效频率范围 信号发生器的有效频率范围 各项指标均能得到保证时的输出频率范围 在该频率范围内 有的仪器要求频率连续可调 有的仪器是分波段连续调节 有的则由一系列的离散频率覆盖 1 频率特性 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 频率准确度实际上表示了输出信号频率的误差 一般用度盘读数的信号发生器 其频率准确度在 1 10 之间 而一些采用频率合成技术带有数字显示的信号发生器 机内采用高稳定度的石英晶振 其输出频率的准确度可高达10 8 10 9 信号发生器的频率稳定度是指在一定时间内一起输出频率准确度的变化 它表示了信号源维持工作于某一恒定频率的能力 3 频率稳定度 频率短期稳定度定义为信号发生器经规定的预热时间后 频率在规定的时间间隔内的最大变化 表示为 信号发生器的频率稳定度是由振荡器的频率稳定度来保证的 可分为短期频率稳定度和长期频率稳定度 一般地 振荡器的频率稳定度应比所要求的仪器频率准确度高1 2个数量级 长期频率稳定度是指信号源在长时间内 如3h 24h等 输出频率的变化 通用信号发生器的频率稳定度一般为10 2 10 4之间 用于高精密测量的高精度高稳定度信号发生器的频率稳定度应高于10 6 10 7 4 频谱纯度 频谱纯度是指信号源输出的实际频谱与理想频谱的逼近程度 在频谱分析仪中 则是指显示频谱相对于输入信号频谱的真实程度 对于正弦信号发生器 频谱纯度也是其重要指标之一 1 输出电平输出电平包括输出电平范围和输出电平准确度 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 通常采用有效值来度量 2 输出特性 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 现代的信号发生器一般都使用自动电平控制电路 可使其电平平坦度保持在 1dB以内 3 谐波失真 谐波失真 指原有频率的各种倍频的有害干扰 放大1kHZ的频率信号时会产生2kHZ的2次谐波和3kHZ及许多更高次的谐波 理论上此数值越小 失真度越低 由于放大器不够理想 输出的信号除了包含放大了的输入成分之外 还新添了一些原信号的2倍 3倍 4倍 甚至更高倍的频率成分 谐波 致使输出波形走样 这种因谐波引起的失真叫做谐波失真 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50 600 5k 等几种不同的输出阻抗 而高频信号发生器一般只有50 或75 不平衡输出 在使用高频信号发生器时 要注意阻抗的匹配 5 输出波形及其非线性失真 输出波形是指信号发生器所能输出信号的波形 函数信号发生器除可以输出正弦波外 还可以输出三角波 方波 锯齿波等 正弦信号发生器应输出单一频率的正弦信号 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 用来表征信号频谱纯度的技术指标就是非线性失真度 其值一般小于1 6 输出形式信号发生器的输出形式有平衡输出 即对称输出u2 和不平衡输出 即不对称输出u1 两种形式 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 如QF1481型合成信号发生器同时具有调幅 调频 调相和脉冲调制特性 2 2低频信号发生器及其基本应用 2 2 1低频信号发生器的组成 低频信号发生器组成框图如下图所示 主要包括主振器 缓冲放大器 电平调节器 功率放大器 输出衰减器 阻抗变换器和输出指示器等部分 1 振荡器 振荡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 振荡器常采用RC文氏电桥振荡电路或差频式振荡器组成 它决定了输出信号的频率范围和频率稳定度 图文氏电桥振荡器的原理框图 1 文氏电桥振荡器 RC文氏桥式振荡器具有输出波形失真小 振幅稳定 频率调节方便和频率可调范围宽等特点 故被普遍应用于低频信号发生器的振荡器中 2 差频式振荡器RC文氏桥式振荡器每个波段的频率覆盖系数比较小 为了在不分波段的情况下得到很宽的频率覆盖范围 可以采用差频式低频振荡器 例如 假设f2 3 4MHz f1可调范围为3 3997MHz 5 1MHz 则振荡器输出的差频信号频率范围为300Hz 1 7MHz 输出频率覆盖系数为k0 1 7 106 300 6000 可见 差频式振荡器产生的低频正弦信号其频率覆盖范围很宽 且无需转换波段就可在整个频段内实现连续可调 差频式振荡器的缺点是电路复杂 其频率稳定度也比较低 差频式振荡器的缺点是对两个振荡器的频率稳定性要求很高 两个振荡器应远离整流管 功率管等发热元件 彼此分开 并良好屏蔽 2 放大器低频信号发生器的放大器包括电压放大器和功率放大器 以达到实现输出一定电压幅度和功率的要求 电压放大器的作用是对振荡器产生的微弱信号进行放大 并把功率放大器 输出衰减器以及负载和振荡器隔离起来 防止对振荡信号的频率产生影响 所以又把电压放大器称为缓冲放大器 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 由连续调节器和步进调节器组成 常用的输出衰减器原理图如下图所示 图中的电位器R为连续调节器 电压幅度细调 电阻R1 R8与开关构成了步进衰减器 开关就是步进调节器 电压幅度粗调 由电位器RP取出一部分信号电压加于R1 R8组成的步进衰减器 调节电位器或调节波段开关S所接的挡位 均可使衰减器输出不同电压 步进衰减器一般以分贝 dB 值即20lg UO Ui 来标注刻度 图输出衰减器 接放大器输出 信号发生器输出 现以波段开关置于第二档为例 根据下式计算出衰减量为 根据XD2型低频信号发生器衰减器的参数计算得 两边取对数 同理第三档为 4 功率放大器 功率放大器用来对电平调节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 驱动低阻抗负载 通常采用电压跟随器或BTL电路等 5 阻抗变换器功率放大器之后是一个阻抗变换器 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和失真较小的波形 阻抗变换器只有在信号发生器进行功率输出时才使用 在进行电压衰减时只需要使用衰减器 6 输出指示输出指示用来指示输出端输出电压的幅度 或对来的输入电压进行测量 可能是指针式电压表 数码LED或LCD 2 2 2低频信号发生器的主要性能指标 通常 低频信号发生器的主要工作特性如下 1 频率范围 一般为20Hz 1MHz 连续可调 2 频率准确度 1 3 3 频率稳定度 优于0 1 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 50 75 600 5k 8 输出形式 平衡输出与不平衡输出 2 2 3低频信号发生器的使用要点 1 熟悉面板仪器的面板结构通常按功能分区 一般包括 波形选择开关 输出频率调节 波段 粗调 微调 幅度调节旋钮 阻抗转换开关 指示电压表及量程选择 输出接线柱等 2 掌握正确的操作步骤 1 准备工作 幅度调节 旋钮调至最小位置 逆时针旋到底 开机预热五分钟 2 输出频率调节 选择合适的频率波段 频率度盘的 粗调 旋到相应的频率点上 微调 置于零点 3 输出阻抗的配接 根据外接负载阻抗大小 调节 阻抗变换 开关至相应的档级以便获得最佳负载阻抗匹配 否则当仪器的输出阻抗与负载阻抗匹配过大时 将会引起输出功率减小 输出波形失真等现象 4 输出形式的选择 根据外接负载电路的不同输入输入方式 用短路片对信号发生器的输出接线柱的接法进行变换 以实现相应的平衡输出或不平衡输出 图低频信号发生器功率输出端及其接法 5 输出电压的调节和测读 调节幅度调节旋钮可以得到相应大小的输出电压 在使用衰减器 0dB挡除外 时 由于指示电压表的示值是未经衰减器之前的电压 故实际输出电压的大小应为 示值 电压衰减倍数 例如 信号发生器的指示电压表示值为20V 衰减分贝数为60dB 输出电压应为0 02V 20V 1060 20 0 02V 表2 2列出了衰减分贝数与电压衰减倍数的对应关系 表2 2衰减分贝 dB 与电压衰减倍数的对应关系 图2 8FJ XD22PS低频信号发生器的面板 1 FJ XD22PS低频信号发生器面板上各旋钮开关的作用 3 FJ XD22PS低频信号发生器的操作使用 实验部分 2 FJ XD22PS低频信号发生器的主要技术性能 信号源部分 频率计部分 内测和外测 3 基本操作 4 测量实例用FJ XD22PS低频信号发生器输出频率为1000Hz 有效值为10mV的正弦波 必须说明的是 该信号发生器的测频电路的显示滞后于调节 所以旋转旋钮时要求缓慢一些 信号发生器本身不能显示输出信号的电压值 所以需要另配交流毫伏表测量输出电压 当输出电压不符合要求时 选择不同的衰减再配合调节输出正弦信号的幅度旋钮 直到输出电压为10mV 2 2 4低频信号发生器的典型应用 低频信号发生器输出中频段的某一频率 如音频放大器可选1kHz左右 信号 加到被测放大电路的输入端 输入幅度由毫伏表监测 不要过大 否则输出会失真 输出同时用毫伏表和示波器测试 使输出信号在基本不失真 无振荡和严重干扰的情况下进行定量测试 电压放大倍数为 AV UO Ui 被测放大器和测量仪器连接图 放大电路 信号发生器 示波器 毫伏表 2 3高频信号发生器及其基本应用 高频信号发生器和甚高频信号发生器统称为高频信号发生器 它们在高频电路工作特性 如各类高频接收机的灵敏度 选择性等 测试中应用比较广泛 高频信号发生器通常用来产生200kHz 30MHz的正弦波或调幅波信号 如无特别说明 均特指此种高频信号发生器 甚高频信号发生器用来产生30MHz 300MHz的正弦波 调幅波或调频波信号 调频技术具有较强的抗干扰能力而得到了广泛的应用 但调频后信号占据的频带较宽 故此调频技术主要应用在甚高频以上的频段 一般频率在30MHz以上的信号发生器才具有调频功能 2 3 1高频信号发生器的组成与原理 高频信号发生器组成的基本框图如图2 10所示 主要包括主振器 缓冲级 调制级 输出级 衰减器 内调制振荡器 监测电路和电源等部分 主振器是信号发生器的核心 一般采用可调频率范围宽 频率准确度高和稳定度好的LC振荡器 它用于产生高频振荡信号 该信号经缓冲后送到调制级进行幅度调制和放大 然后再送至输出级输出 进而保证有一定的输出电平调节范围 监测器监测输出的载波电平和调制系数 电源电路用于提供各部分所需的直流电压 图2 10高频信号发生器组成框图 各部分单元电路功能 1 可变电抗器 可变电抗器与主振级的谐振回路相耦合 在调制信号作用下 控制谐振回路电抗的变化而实现调频功能 为了使高频信号有较宽的工作频率范围和主振器工作在较窄的频率范围 以提高输出频率的稳定度和准确度 必要时可在主振级之后加上倍频器 分频器和混频器等 2 主振器 振荡器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 主振器一般采用可调频率范围宽 频率准确度高 稳定度好的LC振荡器 它用于产生高频振荡信号 为了使信号发生器有较宽的工作频率范围 可以在主振级之后加入倍频器 分频器或混频器 主振级电路结构简单 输出功率不大 一般在几到几十毫瓦的范围内 3 缓冲级 缓冲级主要起隔离放大 阻抗变换的作用 用来隔离调制级对主振级产生的不良影响 以保证主振级稳定工作 并将主振信号放大到一定的电平 否则 由于调制级输入阻抗不高且在调幅过程中不断变化 而使主振级振荡频率不稳定并产生寄生调频 4 调制级 调制级主要完成对主振信号的调制 高频信号发生器主要采用正弦幅度调制 AM 正弦频率调制 FM 脉冲调制 PM 视频幅度调制 VM 等几种调制方式 在输出载波或调频波时 图2 10中的调制级实际上是一个宽带放大器 在输出调幅波时 实现振幅调制和信号放大 5 内调制振荡器 内调制振荡器用于为调制级调幅时提供频率为400Hz或1kHz的内调制正弦信号 该方式称为内调制 当调制信号由外部电路提供时 称为外调制 6 监测指示电路 监测指示电路监测指示输出信号的载波电平和调制系数 7 电源 电源用来供给各部分所需要的直流电压和电流 输出级主要由放大器 滤波器 输出微调器 输出倍乘器等组成 对高频输出信号进行调节以得到所需的输出电平 最小输出电压可达 V数量级 8 输出级 输出级还用来提供合适的输出阻抗 由于高频信号源必须工作在阻抗匹配的条件下 否则将影响衰减系数 前一级电路的正常工作 降低输出功率 或在输出电缆中出现驻波等 因此 必须在高频信号源输出端与负载之间加入阻抗变换器以实现阻抗的匹配 2 3 2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 40 0 1V输出孔 8 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 2 3 3 高频信号发生器实例 XFG 7型高频信号发生器是一个具有标准频率与标准输出电压的高频信号发生器 XFG 7型高频信号发生器既能产生等幅波 又能产生调幅波 可以方便地应用于高频放大器 调制器以及滤波器性能指标的测量 特别适用于无线电接收机性能指标的测试 1 整机组成 XFG 7型高频信号发生器组成框图如图2 11所示 图2 11XFG 7型高频信号发生器 主振器是一个LC振荡电路 它通过变换振荡回路中的电感线圈L来改变频段 调节电容C来连续改变频率 高频放大器具有防大 调幅作用 细调衰减器用来连续调节输出幅度 调节范围在0 1V之间 步进衰减器用于对输出信号作进一步衰减 其输出电压最大仅为0 1V 为了获得更小的输出电压 信号发生器还配有一根内藏分压器的输出电缆 分压比分别为1 1和1 10 在这根电缆的插口上分别标有 1 和 0 1 字样 由此可选择附加分压比 内调制信号发生器是一个LC振荡器 产生供调幅用的400Hz或1kHz低频正弦信号 当高频信号幅度一定时 调幅度的大小由调制信号电压决定 调幅度指示器是通过测量低频信号的振幅来指示调幅波的调幅度 图2 12为XFG 7型高频信号发生器面板图 其使用方法如下 2 使用方法 图2 12XFG 7型高频信号发生器面板图 1 波段开关 变换振荡电路工作频段 分8个频段 与频率调节度盘上的8条刻度线相对应 2 频率调节旋钮 在每个频段中连续地改变频率 使用时可先调节粗调旋钮到需要的频率附近 再利用微调旋钮调节到准确的频率上 3 载波调节旋钮 用以改变载波信号的幅度值 一般情况下都应该调节它使电压表指在1V上 4 输出 微调旋钮 用以改变输出信号 载波或调幅波 的幅度 共分10大格 每大格又分为10小格 这样就组成一个1 100的可变分压器 5 输出 倍乘开关 用来改变输出电压的步进衰减器 共分5档 1 10 100 1000和10000 当电压表准确地指在1V红线上时 从0 0 1V插孔输出的信号电压幅度 就是微调旋钮上的读数与这个开关上倍乘的乘积 单位为 V 6 调幅选择开关 用以选择输出信号为等幅信号或调幅信号 当开关在等幅档时 输出为等幅波信号 当开关在400Hz或1000Hz档时 输出分别为调制频率是400Hz或1000Hz的典型调幅波信号 7 外调幅输入接线柱 当需要在400Hz或1000Hz以外的调幅波时 可由此输入音频调制信号 调幅度开关应置于等幅档 另外 也可以将内调制信号发生器输出的400Hz或1000Hz音频信号由此引出 此时调幅度选择开关应置于400Hz或1000Hz档 当连接不平衡式的信号时 应该注意标有接地符号的黑色接线柱表示接地 8 调幅度调节旋钮 用以改变内调制信号发生器的音频输出信号的幅度 当载波频率的幅度一定 1V 时 改变音频调制信号的幅度就是改变输出高频调幅波的调幅度 9 0 1V输出插孔 它是从步进衰减器前引出的 一般是电压表指示值保持在1V红线上时 调节输出一微调旋钮改变输出电压 实际输出值为微调旋钮所指的读数的1 10 即为输出信号的幅度值 单位为V 10 0 0 1V输出插孔 它是从步进衰减器后引出的 从这个插孔输出的信号幅度由 输出 微调 旋钮 输出 倍乘 开关和带有分压器电缆接线柱的三者读数的乘积决定 单位为 V 11 电压表 V表 它指示输出载波信号的电压值 只有在1V时 即红线处 才能保证指示值的准确度 其他刻度仅供参考 12 V表零点旋钮 调节电压表零点用 13 调幅度表 M 表 它指示输出调幅波信号的调幅度 不论对内调制和外调制均可指示 在30 调幅度处标有红线 此为常用的调幅度值 14 1V校准电位器 用以校准V表的1V档读数 刻度 平常用螺丝盖盖着 不得随意旋动 15 M表零点旋钮 在调幅度调节旋钮置于起始位置 即逆时针旋到底 将M表调整到零点 这一调整过程须在电压表在1V时进行 否则M 表的指示是不正确的 准备工作 通电前将载波调节 调幅度调节和输出微调旋钮逆时针旋转到最小位置 将输出倍乘开关置于1 3 使用步骤 调零 通电前对指示电表进行机械调零 通电后 将波段开关置于任意两挡之间 使主振器停振 调节 零点旋钮使V表指针处在零点 接着将波段开关调至任意挡使振荡器振荡 调节载波调节旋钮 使V表指针指在红线1上 调节M 零点旋钮使M 表指针指在零点 调节频率 将波段开关置于所需波段位置 调节频率调节粗调 细调旋钮得到准确频率 调节电压 调节载波调节旋钮使 表指针指在红线 1 上 根据所需电压选择输出插孔 输出电压在0 1V以上时选择0 1V插孔 输出电压由输出微调旋钮读出 其读盘最大读数为1 调节输出微调旋钮至所需的输出电压值 输出电压在0 1V以下时选择0 0 1V插孔 这时输出电压等于输出微调读数与输出倍乘开关读数的乘积 单位为微伏 如果要求输出低阻抗的微弱信号 可在0 0 1V插孔上加接带有分压器的电缆 并在 0 1 插口处引出信号 输出电压为上述读数方法所得结果的1 10 高频等幅信号输出 将调幅选择开关置于等幅位置 调幅波输出 根据调制信号来源分为内调幅和外调幅 内调幅时 将 调幅选择 开关置于400Hz或1kHz位置 在V表指示为1情况下 调节调幅度调节旋钮使M 表指针指在所需的位置上 最常用的标准调幅度为30 外调幅时 将调幅选择开关置于等幅位置 在外调幅输入接线柱上接入频率在50Hz 8kHz范围的低频正弦信号作为外调制信号 其他操作与内调幅相同 使用注意事项 使用0 0 1V插孔时 应把0 1V插孔盖住 反之亦然 使用内调幅时 不能在接线柱上加外调制信号 使用高频信号发生器还应注意如下两点 接收机的测试 高频信号发生器的典型应用是用来测试接收机的性能 为了使接收机符合实际工作情况 必须在接收机与仪器间接一个等效的天线 等效天线接在电缆分压器的分压接线柱与接收机的天线接线柱之间 阻抗匹配 信号发生器只有在阻抗匹配情况下才能正常工作 否则 除引起衰减系数误差外 还影响前级电路的工作 降低信号发生器的功率 在输出电路中出现驻波 因此 在失配的状态下 应在信号发生器的输出端与负载间加一个阻抗变换器 4 使用技巧 1 等幅波输出 将调幅选择开关置于等幅位置 根据所需频率 将波段开关置于相应的频段 粗调旋钮调到所需的频率附近 然后再调节频率微调旋钮 以得到准确的频率 调载波调节旋钮 使电压表指示在红线上 如果需要的信号电压值大于0 1V时 应从0 lV插孔输出 这时仍应调节载波调节旋钮 使电压表指示在lV上 如果输出 微调旋钮置于5处 就表示输出电压为0 5V 2 调幅波输出 将调幅选择开关置于相应的位置 400Hz或1000Hz 按选择等幅波频率的方法选择载波频率 调节载波调节旋钮 使电压表指示为1V 调节调幅度调节按钮 使调幅度表指示出所需的调幅度 一般调节指示在30 处 使用内调制信号时 利用输出 微调旋钮和输出 倍乘旋钮来控制载波的输出幅度 计算方法与输出等幅信号相同 将调幅选择开关置于等幅位置 按选择等幅信号频率的方法选择载波频率 选择合适的信号发生器作为音频调幅信号源 音频信号发生器应具有相应的工作频段 而且它的输出应能提供0 5W以上的功率 在20K负载上输出大于100V 接通音频信号发生器 将输出调到最小 然后将它接到外调幅输入接线柱上 将调幅度旋钮置于最大位置 顺时针旋到底 逐渐增大输出 直到调幅度表上的读数满足为止 这时调幅度表上的读数就是输出调幅度 使用外调制信号时 利用输出 微调旋钮和输出 倍乘旋钮来控制载波的输出幅度 计算方法与输出等幅信号相同 2 3 4调幅高频信号发生器的典型应用 调幅高频信号发生器是一种载波频率 调幅范围 0 100 连续可调的标准高频信号发生器 广泛应用于无线电接收机的测试实践中 1 接线方法 注意 输出电缆不应靠近仪器的电源线 两者更不能绞在一起 1 被测接收机 收音机 置于仪器输出插孔的一侧 两者距离应使输出电缆可以达到 2 仪器机壳与接收机壳用不长于30cm的导线连接 并接地线 3 用带有分压器的输出电缆 从0 0 1V插孔输出 为了避免误接高电位 可以在电缆输出端串接一个0 01uF 0 1uF的电容器 0 1V插孔应用金属插孔盖盖住 4 为了使接收机符合实际工作情况 必须在接收机与仪器间接一个等效天线 电缆分压器分压接线柱与天线接线柱之间 2 收音机中频的校准 超外差式收音机中频变压器的调整又称校中周 即调整中周磁芯或磁帽使中频选频回路的谐振频率为465kHz 从而保证中频信号得到充分的放大 1 将高频信号发生器按要求调在载频为465kHz 调幅度为30 的调幅信号上 然后把该信号引入收音机的天线调谐回路中 再将示波器 电子电压表接入前置低放级的输出端 2 由小到大调高频信号发生器的输出信号 直到能听到扬声器发出调制音频信号的声音 3 用无感旋具 不锈钢 铝片等 由末级逐级向前反复调整调各级中周的磁芯 直到扬声器的声音最响或毫伏表的指示值最大为止 1 调整仪器输出信号的载波频率到需要的数值 一般用600kHz 1000kHz 1400kHz三点测定广播段 这时输出信号仍为30 调幅度的400Hz调幅波 3 灵敏度的测试 2 调节仪器的输出电压使接收机达到标准的输出功率值 按各种接收机的技术条件定 3 依次测试各频率 仍维持标准输出功率值 将各个频率时仪器的输出电压作为纵坐标 频率作为横坐标 绘成曲线 就得到接收机的灵敏度曲线 1 调整仪器输出信号的载波频率到需要的数值 输出信号仍为30 调幅度的400Hz调幅波 4 选择性的测试 2 调整接收机 使输出最大 再调节输出 微调旋钮 使接收机输出维持标准输出功率值 3 改变仪器输出频率 每5kHz变一次 这时维持接收机不动 再调节输出 微调旋钮 使接收机输出仍为标准输出功率值 记下仪器的输出电压值 4 依次用同样方法测试各频率 将各个频率时的电压值与第一次的电压值的比值作为纵坐标 频率作为横坐标 绘成曲线 就得到接收机的选择性曲线 2 4函数信号发生器 函数信号发生器是一种产生正弦波 方波 三角波等函数波形的仪器 其频率范围约几兆赫至几十兆赫 由于其输出波形均为数学函数 故称为函数信号发生器 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 VCF 特性 被广泛应用于生产测试 仪器维修等工作中 是一种不可缺少的通用信号发生器 2 4 1函数信号发生器的组成与原理 函数信号发生器产生信号的方法有三种 一种是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 第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波 第三种是先产生三角波再变换为方波和正弦波 在此主要介绍以下比较常见的两种 脉冲式函数信号发生器的组成如图 a 所示 它包括双稳态触发器 积分器和正弦波变换电路等部分 双稳态触发器通常采用施密特触发器 积分器则采用密勒积分器 1 方波 三角波方式 正弦波 脉冲式 脉冲式函数信号发生器的工作过程 假设开关S1悬空 当双稳态触发器输出为u1 U1时 积分器输出u2将开始线性下降 当u2下降到等于参考电平 Ur时 比较器使双稳态触发器翻转 u1由U1变为 U1 同时 u2将开始以与线性下降相等的速率线性上升 当u2上升到等于参考电平Ur时 双稳态触发器又翻转回去 于是完成一个循环周期 不断重复上述过程 即得到方波信号u1 三角波信号u2 以及由u2经过正弦波形成电路变换成的正弦波 三种波形再经过输出级放大后即可在输出端得到所需的波形 如果S1与VD2相接 当触发器输出为U1时 VD2导通 电阻R3被短路 积分器很快下降 当下降到 Ur时 触发电路翻转 触发器输出为 U1 VD2截止 R3接入电路 积分器输出缓慢上升 形成正向锯齿波u2 t 触发器输出为矩形波u1 t 如图 c 所示 如果S1与VD1相接 将得到反向锯齿波和极性相反的矩形波 由上述分析得出 脉冲式函数信号发生器无独立的主振级 而是由施密特触发器 积分器和比较器构成的闭合回路组成的自激振荡器 它产生的最基本波形是方波和三角波 调换积分电容或改变电位器RP可以改变输出信号的频率 如果用压控元件 如场效应管 代替电阻R2 可使振荡电路成为压控振荡器 实现调频或脉宽调制 如果在电阻R3两端并接一支二极管VD1 或VD2 可使积分器充放电时间常数不等 由此得到矩形波和反向锯齿波 或正向锯齿波 如果再改用电位器调整比较器参考电压 调整该电位器可以改变矩形波的占空比 正弦式函数信号发生器先振荡出正弦波 然后经变换得到方波和三角波 其组成如图2 17所示 它包括正弦振荡器 缓冲级 方波形成器 积分器 放大器和输出级等部分 2 正弦波 方波 三角波方式 正弦式 其工作过程是 正弦振荡器输出正弦波 经缓冲级隔离后 分为两路信号 一路送放大器输出正弦波 另一路作为方波形成器的触发信号 方波形成器通常是施密特触发器 它输出两路信号 一路送放大器 经放大后输出方波 另一路作为积分器的后输出 三个波形的输出由选择开关控制 2 4 2正弦波形成电路 在前面讲过的脉冲式函数信号发生器中 正弦波形成电路起着非常重要的作用 它主要用于将三角波变换成正弦波 正弦波形成电路一般采用分段折线逼近的方法将三角波变换成为正弦波 图 a 图 b 和图 c 分别为电路输出特性 输入波形 输出波形 图正弦波形成电路原理 由于该网络对信号的衰减随三角波幅度的加大而增加 而使输出波形向正弦波逼近 如果折线段选得足够多 并适当选择转折点的位置 便能得到非常逼真的正弦波 下图为实际正弦波形成电路 图正弦波形成电路实例 电路中使用了6对二极管 正 负直流电源和电阻R1 R7及R1 R7 为二极管提供适当的偏压 以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置 随着输入电压的变化 6对二极管依次导通和截止 并把电阻R8 R13依次接入电路或从电路断开 这样就改变了电路输入输出比例 电路中每个二极管可产生一个转折点 图正弦波成形电路实例 在正半周时 一对二极管可获得3段折线 负半周也得到3段折线 即1对二极管可获得6段折线 以后每增加1对二极管 正负半周可各增加2段折线 因此它可以产生由26段折线逼近而成的正弦波 其波形失真小于0 25 现在以典型的二极管网络变换电路 如图2 18所示 对其工作原理进行分析 具体原理如下 在三角波的正半周 当ui瞬时值较小时 所有的二极管都被 E和 E截止 ui经电阻R直接输出 即uo ui 输出与输入波形相同 当ui瞬时值上升到U1时 二极管VD1导通 电阻R R1 R1a构成第一级分压器 输入三角波通过该分压器分压后送到输出端 uo比ui有所降低 当ui瞬时值上升到U2时 二极管VD3导通 电阻R2 R2a接入 与第一级分压器电阻共同构成第二级分压器 此时 分压比进一步减小 uo的衰减增大 随着ui的不断增大 VD5 VD7依次导通 分压比逐步减小 uo的衰减幅度更大 使输出由三角波趋于正弦波 2 5合成信号发生器 近年来 随着通信技术和电子测量水平的不断发展与提高 对信号源输出频率稳定度和准确度的要求越来越高 普通的LC振荡器已满足不了高性能信号源的技术要求 若利用频率合成技术代替调谐信号发生器中的LC振荡器 就可以有效地解决上述问题 频率合成的方法很多 但基本上分为两大类 一类是直接合成法 一类是间接合成法 1 直接合成法包括模拟直接合成法和数字直接合成法 2 间接合成法则通过锁相技术进行频率的运算合成 最后得到所需的频率 D 分频器的分频系数 N 倍频器的倍频系数 fo 输出频率 fr 基准频率 利用分频 倍频和混频及滤波技术 对一个或几个基准频率进行算术运算从而产生所需频率的方法 称为直接频率合成法 2 5 1直接合成法 1 固定频率合成法 固定频率合成法的原理如下图所示 可变频率合成法可以根据需要选择各种输出频率 即将基准振荡器产生的标准频率信号 利用倍频器 分频器 混频器和滤波器等进行一系列运算可获得所需的频率输出 2 可变频率合成法 例如 采用图2 22所示的方法 就可以得到4 628MHz高稳定度的频率信号 图2 22可变频率合成器的原理框图 这两种方法均属于模拟直接合成法 3 数字直接合成法 自20世纪70年代以来 由于大规模集成电路及计算机技术的发展 数字直接合成法 DDS 应运而生 这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波 而且还可以产生不同初始相位的正弦波 甚至可以产生各种任意波形 图2 23所示为数字直接合成法的原理框图 由顺序地址发生器 ROM 锁存器和DAC等电路构成 所有单元电路均在标准时钟控制下协调工作 图2 23数字直接合成法原理图 数字直接合成法的工作过程 CPU先将余弦编码表和正弦编码表送给ROM1和ROM2 然后在标准时钟的作用下 推动顺序地址发生器工作 产生连续变化的地址 将ROM1和ROM2的内容顺序读出 再通过锁存器及DAC分别输出正弦及余弦波形的一个电压点 当顺序地址发生器从0开始计数到满度值再回到全0时 表示一个完整的周期波形已经输出完毕 如此重复进行 便可以得到连续的波形信号 2 5 2间接合成法 锁相信号发生器的输出频率稳定度和准确度大大提高 能达到与基准频率相同的水平 间接合成法也称锁相合成法 它是利用锁相环 PLL 的频率合成方法 即对频率的加 减 乘 除运算是通过锁相环来间接完成的 1 基本锁相环图2 24所示为锁相环的基本框图 图2 24基本锁相环电路框图 PD LPF VCO 它主要由基准频率源 鉴相器 低通滤波器和压控振荡器构成的一个闭环负反馈系统 所以习惯上又称为锁相环电路 锁相原理 利用鉴相器比较fi和fo的相位差 输出与相位差成正比的误差电压Ud Ud经低通滤波器滤波后送至压控振荡器 改变压控振荡器的固有振荡频率fo 并使fo向基准频率源输入频率fi靠拢 这个过程称为频率牵引 当fo fi时 环路很快就稳定下来 此时鉴相器的两个输入信号的相位差为一个恒定值 即相位差为常量 这种状态称为环路的相位锁定状态 锁相环电路的工作过程 锁相原理 为开始 fi PD LPF VCO最后 f0 fi 当环路锁定时 其输出频率fo具有与fi相同的频率特性 即锁相环能够使VCO输出频率的指标与基准频率的指标相同 2 锁相环的几种基本形式 1 倍频锁相环倍频锁相环可对输入信号频率进行乘法运算 由两种基本形式 如图2 25所示 数字倍频环 它首先将fo进行N分频 然后在PD中与输入频率fi比较 当环路锁定时 PD两输入信号的频率相等 即fo N fi 因此 倍频环的输出频率为fo Nfi 脉冲倍频环 它先将fi信号形成含有丰富谐波分量的窄脉冲 然后让其中的第N次谐波与fo信号在PD中进行比较 当环路锁定后 VCO的输出频率fo与fi的第N次谐波频率相等 即fo Nfi 从而达到倍频的目的 脉冲倍频环可获得高达上千次的倍频 分频锁相环对输入信号频率进行除法运算 分频环可用于向低端扩展合成器的频率范围 它也有两种形式 如图2 26所示 2 分频锁相环 3 混频锁相环 当混频器为差频 时 fi1 f0 fi2 则f0 fi1 fi2 当混频器为和频 时 fi1 f0 fi2 则f0 fi1 fi2 混频锁相环有混频器M 带通滤波器BPF和基本锁相环组成 它可以实现频率的加 减运算 如图2 27所示 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2 28所示 因为 所以 2 多环合成单元多环合成单元有多种形式 图2 29所示是一个由倍频环与混频环组成的双环合成单元 由倍频环可得 由混频环可得 专用信号发生器介绍 前面我们学习的是一些通用信号发生器 除此之外 针对特定的应用 为了适用于某种特定的测量条件和测量对象 还需要用到一些专用信号发生器 如任意波形发生器 电视信号发生器和调频立体声信号发生器等 任意波形发生器 AWC 具有产生任意波形的能力 其基本原理框图如图2 30所示 1 任意波形发生器 任意波形发生器的工作原理 任意波形发生器 AWC 的工作原理主要是利用数字直接频率合成技术 要产生波形的样点数据通过编程存储在波形存储器 RAM 中 由地址计数器输出地址数据 使波形存储器中的数据顺序地出现在数 模转换器 DAC 的输入口 则DAC就会产生正比于其输入口的数字数据电压 当地址循环通过地址计数器技术时 波形数据就转换成电压波形 在DAC中周期性的输出 由于压控振荡器的输出作为地址计数器的时钟 因而其时钟速率是可变的 从而使输出波形的周期可变 时钟速率越高 输出波形的频率也越高 最后幅值经放大后再通过可变衰减器输出任意波形 只要可利用数字形式存储 任意波形发生器就可以模拟产生各种波形 如正弦波 方波 脉冲波 三角波 斜波 心率波等 波形数据通常可由用户自行设计通过计算机软件载入 也可由数字存储示波器采集后载入 因此任意波形发生器具有强大的波形可定制能力 用来满足一些需要特殊波形的测试应用场合 广泛应用于科研院所 高等院校和企业厂矿等各个领域中 任意波形发生器 电视信号发生器是用来调试 检查 测试和维修电视机 电视发射台及差转台的专用信号源 它能够提供多种图像测试信号 可以对电视机的主要性能指标进行测试 2 电视信号发生器 视频和电视信号发生器 本章小结 一 信号发生器的分类和技术指标 1 信号发生器的用途 2 信号发生器的分类 3 信号发生器的一般组成 4 信号发生器的主要技术指标 二 低频信号发生器及其基本应用 2 低频信号发生器的操作使用 1 低频信号发生器的组成与原理 3 低频信号发生器的典型应用 三 高频信号发生器及其基本应用 2 高频信号发生器的主要性能指标 1 高频信号发生器的组成与原理 3 高频信号发生器的使用步骤与技巧 4 调幅高频信号发生器的典型应用 四 函数信号发生器及其基本应用 2 正弦波形成电路 1 函数信号发生器的组成与原理 3 函数信号发生器的操作使用实例 五 合成信号发生器 2 间接合成法 1 直接合成法 课堂练习 1 信号发生器是电子测量中最基本的电子仪器 主要用来提供电参量测量时所需的 其和按需要可以进行调节 3 函数信号发生器一般能够输出 等三种基本波形 按其结构可分为 等 主要用于要求不高的测试场合 2 衡量信号发生器的主要性能指标有 和等 各种激励电信号 输出幅值 频率 频率准确度 频率稳定度 输出特性 输出形式 非线性失真度 正弦波 三角波 方波 脉冲式 正弦式 4 按照输出信号波形的不同 通用信号发生器分为 和四类 为电路或系统检修提供低频