第1章信号发生器资料.ppt

第1章信号发生器,学习要点：,1,2,3,信号发生器的工作原理,信号发生器的性能指标,信号发生器的使用方法及应用,信号发生器又称信号源。在进行电路及电子设备的电参数测量时，信号发生器是必不可少的的电子测量仪器，它可以产生不同频率、幅度和波形的各种供测试信号，如正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲波、调幅波和调频波等信号。信号发生器广泛应用于实验、试验、检测、测试等方面。凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。,1.1信号发生器概述,1.1.1信号发生器的功用,1.作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）。,1.1.2信号发生器的分类,2.按波形分,正弦-,脉冲-,函数-产生函数通用波形,噪声-,t,4.按频率产生办法分,谐振-由频率选择回路控制正反馈产生振荡。,合成-由基准频率通过加、减、乘、除组合一系列频率。,5.按频率范围分,表1.1信号源按频率划分表,111低频信号发生器,低频信号发生器用来产生频率为1Hz1MHz的正弦信号。除具有电压输出外，有的还有功率输出。所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。121低频信号发生器的工作原理1.低频信号发生器的原理方框图低频信号发生器的原理方框图如图1-1所示。包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。,1.2低频信号发生器,图1-1低频信号发生器原理方框图,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.,2低频信号发生器的主振电路,低频信号发生器的主振级几乎都采用RC桥式振荡电路。这种振荡器的频率调节方便，调节范围也较宽。RC桥式振荡器是一种反馈式振荡器，其原理电路如图1-2所示。T1、T2构成同相放大器，R1、C1、R2、C2为选频网络。选频网络的反馈系数与频率有关（为反馈电压，为放大器输出电压）。因此，反馈网络具有选频特性，使得只有某一频率满足振荡的两个基本条件，即振幅和相位平衡条件。,图1-2RC桥式振荡器,选频网络是一个RC串并联反馈电路，其电路及频率特性如图1-3（a）、（b）所示。当频率很低接近零时，C1、C2的容抗趋向无穷大，Vo几乎全部降落在Cl上，VF与F近似为零，流过R2的电流也就是流过C1的电流，而主要由C1来决定，故i相位超前90，所以相位也超前90。随着频率逐渐升高，C1的容抗逐渐减小，因此C1上的压降减小，R2上的分压则逐渐增加，VF与F亦逐渐增大，选频网络所引起的相移也逐渐变小。,图1-3RC选频网络频率特性,当频率很高趋向无穷大时，Cl和C2的容抗都很小，Cl是串联于回路中，它与R1相比可以略，C2是与R2并联，由于C2的容抗很小，所以与F很小，为在C2上的降压，与同相，所以近似落后于90。随着频率逐渐降低，VF和F也随着增大，相角也逐渐减小。当=0时，VF和F达到最大，相移=0,由于RC串并联网络对不同频率的信号具有上述选频特性，因此，当它与放大器组成正反馈放大器时，就有可能使=1/RC的频率满足振幅和相位条件，从而得到单一频率的正弦振荡。如图1-2所示，T1、T2组成两级阻容耦合放大器。其频率特性很宽，可以把放大倍数A看成常数，每级放大器倒相180，两级放大器共产生360的相移，为同相放大。在=0=1/RC时，=0，满足相位平衡条件。只要放大器总放大倍数A3，则AF1，即可满足振幅平衡条件。因此，在频率为0时满足振幅、相位条件而产生振荡，对于其他频率，由于RC网络相移不为零，且振幅传输系数很快下降，所以其他任何频率都不可能形成振荡。,图1-4加热敏电阻负反馈桥式振荡器原理图,在实际的RC桥式振荡电路中，由于两级放大器的放大量很大（远大于3），正反馈信号很强，使振荡幅度不断增长，直到增长到晶体管输出特性的非线性区域，放大倍数降低，振荡才能稳定。这样，振荡信号很强，一方面使波形失真严重，另一方面可能使晶体管过载。因此放大器需加入很深的负反馈，使放大倍数降为3左右。其电路如图1-4（a）所示。Rt、R6为负反馈支路，它与正反馈支路组成一个电桥，即为文氏电桥。如图1-4（b）所示，四个桥臂中AB和BC两个桥臂是由正反馈选频网络构成。另外两个桥臂AD和DC则是由放大器负反馈网络Rt和R6构成。电桥的两个端点A、C接到放大器的输出端，引回输出电压Uo，电桥的另外两个端点B、D接到放大器输入级T1的基极和发射极，以供给放大器的输入信号Ui。这种振荡器又称为文氏电桥振荡器。,反馈电阻Rt是具有负温度系数的热敏电阻，可以自动稳定振荡幅度。当振荡输出电压幅度增大时，通过Rt电流加大，引起Rt温度升高，Rt阻值减小，使负反馈增强，振荡器输出电压幅度的增大受到抑制。此外，振荡器开始起振时，热敏电阻Rt的阻值较大，负反馈较弱，整个振荡器也比较容易起振。这样，不再利用晶体管的非线性特性来限制振幅，使放大器可以工作在线性区，从而减少了振荡器的波形失真。文氏电桥振荡器的优点是稳定度高，非线性失真小，正弦波形好，因此在低频信号发生器中获得广泛的应用。,3低频信号发生器的放大电珞,放大电路包括电压放大器和功率放大器，简述如下,电压放大器:电压放大器兼有缓冲与电压放大的作用。缓冲是为了使后级电路不影响主振器的工作，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。放大是为了使信号发生器的输出电压达到预定技术指标。为了使主振输出调节电位器的阻值变化不影响电压放大倍数，要求电压放大器的输入阻抗较高。为了在调节输出衰减器时，不影响电压放大器，要求电压放大器的输出阻抗低，有一定的带负载能力。为了适应信号发生器宽频带等的要求，电压放大器应具有宽的频带、小的谐波失真和稳定的工作性能。,2)功率放大器功率放大器用来对衰减器输出的电压信号进行功率放大，使信号发生器达到额定功率输出。为了能实现与不同负载匹配，功率放大器之后与阻抗变换器相接，这样可以得到失真小的波形和最大的功率输出。,现以波段开关置于第二档为例，根据下式计算衰减量为,4低频信号发生器的输出电路,根据X22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,图1-5衰减器原理图,依此类推，波段开关每增加一档，就增加10dB的衰减量，根据需要可任选衰减量。输出电路还包括电子电压表，一般接在衰减器之前。经过衰减的输出电压应根据电压表读数和衰减量进行估算。,112低频信号发生器的主要性能指标与要求,1频率范围频率范围是指各项指标都能得到保证时的输出频率范围，或称有效频率范围。一般为20Hz200kHz，现在做到1HzlMHz并不困难。在有效频率范围内，频率应能连续调节。2频率准确度频率准确度是表明实际频率值与其标称频率值的相对偏离程度。一般为3%。3频率稳定度频率稳定度是表明在一定时间间隔内，频率准确度的变化，所以实际上是频率不稳定度或漂移。没有足够的频率稳定度，就不可能保证足够的频率准确度。另外，频率的不稳定可能使某些测试无法进行。频率稳定度分长期稳定度和短期稳定度。频率稳定度一般应比频率准确度高一至二个数量级，一般应为（0.10.4）%/小时。4非线性失真振荡波形应尽可能接近正弦波，这项特性用非线性失真系数表示，希望失真系数不超过（13）%，有时要求低至0.1%。,5输出电压输出电压须能连续或步进调节，幅度应在010V范围内连续可调。6.输出功率某些低频信号发生器要求有功率输出，以提供负载所需要的功率。输出功率一般为0.55W连续可调。7输出阻抗对于需要功率输出的低频信号发生器，为了与负载完美地匹配以减小波形失真和获得最大输出功率，必须有匹配输出变压器来改变输出阻抗以获得最佳匹配。如50、75、150、600和1.5k等几种。8输出形式低频信号发生器应可以平衡输出与不平衡输出。,113低频信号发生器的使用,低频信号发生器虽然型号很多，但是它们除频率范围、输出电压和功率大小等有些差异外，它们的基本测试方法和应用范围是相同的。低频信号发生器面板装置、测试步骤与技巧等方面的一些共性的内容，以便使用者能在此基础上可适应各种不同型号的低频信号发生器。下面就以如图1-6所示的AS1033型为例进行介绍：,图1-6AS1033低频信号发生器,1.AS1033低频信号发生器指标正弦波特性方波特性频段调节频率调节输出电压调节输出阻抗正常工作条件2.面板装置波段选择按钮、频率调节旋钮、频率微调旋钮、输出调节旋旋钮、衰减旋转钮、频率和幅度显示、电源开关与指示灯等,低频信号发生器型号很多，但它们的使用方法基本类似。（1）了解面板结构使用仪器之前，应结合面板文字符号及技术说明书对各开关旋钮的功能及使用方法进行耐心细致的分析了解，切忌盲目猜测。信号发生器面板上有关部分通常按其功能分区布置，一般包括：波形选择开关、输出频率调谐部分（包括波段、粗调、微调等）、幅度调节旋钮（包括粗调、细调）、阻抗变换开关、指示电压表及其量程选择、电源开关及电源指示、输出接线柱等。,（2）注意正确的操作步骤信号发生器的使用步骤如下：准备工作正确选择符合要求的电源电压，把幅度调节旋钮置于起始位置（最小）开机预热23min后方可投入使用。选择频率根据需要选择合适的波段，调节频率度盘（粗调）于相应的频率点上，而频率微调旋钮一般置于零位。,输出阻抗的配接根据负载阻抗的大小，拨动阻抗变换开关于相应挡级以获得最佳负载输出，否则信号发生器的输出功率小、输出波形失真大。输出电路形式的选择根据负载电路的输入方式，用短路片变换信号发生器输出接线柱的接法以选择相应的平衡输出或不平衡输出。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电压输出。在使用衰减器（除0dB挡外）时，如图2.7所示，电压表测量的是未经衰减器衰减的电压大小，所,以输出电压的大小为电压表的示值除以电压衰减倍数。例如，信号发生器指示电压表示值为20V，衰减分贝数为60dB时，实际输出电压应为0.02V(20V1060/20=0.02V)。当信号发生器不平衡输出时，电压表示值即为输出电压值；当信号发生器平衡输出时，输出电压为电压表示值的两倍。,1.2高频信号发生器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，它们在高频电路测试中应用比较广泛。高频信号发生器通常用来产生200kHz30MHz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30MHz300MHz的正弦波、调幅波或调频波信号。1.高频信号发生器的组成和工作原理高频信号发生器的组成框图如图1-8所示，主要包括主振级、缓冲级、调制级、输出级、衰减器、内调制振荡器、调频器等部分。,（1）主振级主振级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、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。,（2）缓冲级缓冲级主要起阻抗变换的作用，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。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。（3）调制级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。在输出载波或调频波时，图1-8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。（4）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。（5）内调制振荡器内调制振荡器用于为调制级提供频率为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）输出级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。输出级还用来提供合适的输出阻抗。,（7）监测器监测器用以监测输出信号的载波幅度和调制系数。（8）电源电源用来供给各部分所需要的电压和电流。1.2.2.高频信号发生器应用图1-11所示为YB1051型高频信号发生器，它是一个具有标准频率与标准输出电压的高频信号发生器。它既能产生等幅波，又能产调幅波，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。,主要性能指标（1）频率范围：0.140MHZ,数字显示，误差0.1%（2）输出阻抗：50欧(3)输出幅度：最大1V有效值，稳幅，数字显示，连续可调(4)调制方式：内调制信号1KHZ调幅：深度050%，连续可调调频：频宽100KHZ,连续可调(5)低频输出：1KHZ失真度：小于1%输出幅度：最大2.5V有效值，连续可调衰减：1040dB,2.面板说明图112为YB1051型高频信号发生器面板图.,准备工作，开启电源对机器进行预热（510min)音频信号的使用高频信号的使用调幅信号的使用：内调制；外调制调频信号的使用：内调频；外调频,3.使用方法,1.3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（VCF）特性，被广泛应用于生产测试、仪器维修等工作中。,2.函数信号发生器工作原理图1-13为正弦式函数信号发生器基本原理框图。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。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输入信号。积分器通常为密勒积分器，积分器将方波变换为三角波，经放大后输出。三个波形的输出由选择开关控制。,1.3.2函数信号发生器的应用,1.主要特点（1）采用大规模单片集成精密函数发生器电路（2）采用单片微机电路进行整周期频率测量和智能化管理，对于输出信号的频率幅度可以直观、准确地了解到。（3）该机采用了精密电流源电路，使输出信号在整个频带内均具有相当高的精度，同时多种电流源的变换使用，不仅具有正弦波、方波、三角波等基本波形，更具有锯齿波、脉冲波等多种非对称波形的输出，同时对各种波形均可以实现扫描功能。,2.技术参数（1）函数信号发生器技术参数输出频率、输出信号阻抗、输出信号波形、输出信号幅度、函数输出信号直流电平、函数输出信号衰减、输出信号类型、扫描方式、内扫描特性、输出信号特征、等（2）频率计数器技术参数频率测量范围、输入电压范围、输入阻抗、波形适应性、滤波器截止频率、测量时间、测量误差、时基、（3）电源适应性与整机功能电压、频率、功耗,3.工作原理,（1）整机电路如图1-15所示，由单片机进行管理，主要功能为：控制函数发生器产生频率；控制输出信号的波形；测量输出地频率或测量外部输入的频率并显示；测量输出信号的幅度并显示。（2）函数信号由专门的集成电路产生，该电路集成度大、线路简单、精度高并易于与微机接口，使得整机指标得到可靠保证（3）扫描电路由多片运算放大器组成，以满足扫描宽度、扫描速度的需要。（4）整机电源采用线性电路以保证输出波形的纯净性，具有过压、过流、过热保护。,4.使用说明,（1）EE1641B前面板各部分的名称和作用（2）后面板各部分的名称和作用（3）测量、试验的准备工作（4）自校检查（5）函数信号输出,1.4合成信号发生器合成信号发生器是用频率合成器代替主振级的正弦信号发生器。频率合成器是以一个或少量几个标准频率为基准，利用锁相环（PLL）等进行频率合成的频率振荡器，频率合成器产生的信号具有很高的频率稳定度和极纯的频谱。频率合成器是以一个固定的频率为参考频率，能接受外来指令，合成一个其他频率的输出，所合成的频率具有与参考频率一样的准确度和稳定度；其控制的线路使用数字电路设计的，可编程控制，故而多用做自动化测试设备的信号。频率合成器可以合成频率范围极广的信号输出，由毫赫兹的到数兆赫兹。频率合成的方法一般有两种：直接合成法和间接合成法。,1.4.1直接合成法,图1-19所示为直接合成法的电路的方框图。晶体振荡器产生一个参考时基，该参考时基也可由外部供给，使其和另一台频率合成器的相位完全锁定。此参考频率作为本机的取样频率，将取样频率送入相位累加器中。所设定的频率经由相位计算逻辑来控制累加器，输出所设定频率的相位值，此相位值用10bit的数字信号来表示0-360度。相位/振幅变换器为一个只读存储器，函数的资料已固化在此存储器中，由相位累加器输出的相位值经由变换器找出其对应的振幅值；此值以一个8bit的数字信号来表示。,将此数字信号输入数字/模拟变换器变换成模拟信号；该模拟信号经过低通滤波器，将残存的取样噪声等滤除，得到较为纯净的信号输出；将该信号经由放大器进行放大，最终输出。工作在不同波形时，只是从存储器中读取不同的数据而已，方波的产生是由正弦波所形成的。,1.4.2间接合成法,间接合成法也称锁相合成法，它是通过锁相环来完成频率的合成。锁相环具有过滤器作用，其通频带可以做得很窄，且中心频率易调，又能自动跟踪输入频率，因而可以省去直接合成法中所使用的大量滤波器，有利于简化结构、降低成本、易于集成。锁相的意义在于相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。锁相环路是间接合成法的基本电路。锁相环主要由相位比较器、压控振荡器、环路低通滤波器三部分组成，如图1-20所示。,压控振荡器的输出uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压ud大小决定。施加于相位器另一个输入端的外部输入信号ui和uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压ud。这个平均值电压ud朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直到VCO输出频率和输入信号频率获得一致。这两个信号的频率相同，两相位保持恒定