第三章信号发生器13介绍.ppt

1,第三章信号发生器,3-1信号发生器概述3-2正弦信号发生器的性能指标3-3低频信号发生器3-4射频信号发生器3-5扫频信号发生器3-6脉冲信号发生器3-7噪声发生器,2,3-1.1信号发生器的用途产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的电信号的仪器。用途：1、激励源作为某些电气设备的激励信号2、信号仿真施加与实际环境相同特性的信号3、校准源对一般信号进行校准的标准源用法：加到被测器件、设备上，用其它测量仪器观察、测量输出响应，以分析确定它们的性能参数。,3-1信号发生器概述,第三章信号发生器,3,3-1.1信号发生器的用途这种提供测试用电信号的装置，统称为信号发生器，用在电子测量领域，也称为测试信号发生器。与示波器、电压表、频率计等仪器一样，信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。,3-1信号发生器概述,图3.11由信号发生器组成的测试系统,第三章信号发生器,4,3-1.2信号发生器的分类,信号发生器应用广泛，种类及型号繁多，性能各异，分类方法也不一致，下面介绍几种常见的分类。,1.按频率范围分类：按照信号发生器输出信号的频率范围，有如表3.1-1所示的划分。,表3.1-1信号发生器按频率范围的分类,第三章信号发生器,5,频段的划分不是绝对的。“低频信号发生器”工作在1Hz1MHz频段，波形以正弦波为主，或兼有方波及其它波形的信号发生器；“射频信号发生器”指能产生正弦信号、频率范围部分或全部覆盖300kHz1GHz，并具有一种或一种以上调制功能的信号发生器。可见，这里两类信号发生器频率范围有重叠，而所谓“射频信号发生器”包含了表中视频以上各类信号发生器。各厂家生产的同类名称信号发生器的频率范围可能各不同。,第三章信号发生器,6,2、按输出波形分类：根据使用要求，可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦信号发生器包括：脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。,图3.1-2几种典型的信号波形,第三章信号发生器,7,3.按信号发生器的性能分类：可分为一般信号发生器标准信号发生器,第三章信号发生器,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。,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。,8,4.其它的分类方法:按照使用范围分为通用和专用信号发生器；按照调节方式分为普通信号发生器、扫频信号发生器和程控信号发生器；按照频率产生方法又可分为谐振信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器。上面所述仅是常用的几种大致分类方式。随着电子技术水平的不断发展，信号发生器的功能越来越齐全，性能越来越优良，一台信号发生器往往具有相当宽的频率覆盖，又具有输出多种信号波形的功能。,第三章信号发生器,9,3-1.3信号发生器的基本构成,虽然各类信号发生器产生信号的方法及功能各有不同，但其基本构成一般都可用下图的框图描述。,图3.1-3信号发生器原理框图,第三章信号发生器,10,振荡器：振荡器是信号发生器的核心部分，由它产生不同频率、不同波形的信号。产生不同频段、不同波形信号的振荡器原理、结构差别很大。(LC、RC、品振等高品振)变换器：可以是电压放大器、功率放大器、调制器或整型器。振荡器输出的信号都较微弱，需在该部分加以放大。还有像调幅、调频等信号，也需要在这部分由调制信号对载频加以调制。而像函数发生器，振荡器输出的是三角波，整形电路对其整形成方波或正弦波。输出级：其基本功能是调节输出信号的电平和输出阻抗，输出级可以是衰减器、匹配变压器和射极跟随器等。,第三章信号发生器,11,指示器：指示器用来监视输出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计和调制度表等，有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器。使用时可通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其它特性。通常情况下指示器接于衰减器之前，并且由于指示仪表本身准确度不高，其示值仅供参考，从输出端输出信号的实际特性需用其它更准确的测量仪表来测量。电源：提供信号发生器各部分的工作能量。通常是将50Hz交流电整流成直流并有良好的稳压措施。,第三章信号发生器,12,3-1.4信号发生器发展趋势,20年代信号发生器采用LC振荡电路30年代采用RC振荡电路40年代出现脉冲信号发生器60年代出现函数发生器70年代频率合成技术引入信号源，出现合成信号发生器。80年代微机技术引入信号源，出现任意波形信号源。当前信号发生器总的趋势是向着单片、宽频率覆盖、高频率精度、多功能、智能化方向发展。,第三章信号发生器,13,3-2正弦信号发生器的性能指标,正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类。原因：1：正弦信号容易产生、容易描述、应用最广；2：线性双端口网络的特性，都可以用它对正弦信号的响应来表征。信号发生器作为测量系统的激励源，被测器件、设备各项性能参数的测量质量，将直接依赖于信号发生器的性能。通常用频率特性、输出特性和调制特性（三大指标）来评价正弦信号发生器的性能，其中包括30余项具体性能指标。不过由于各种仪器的用途不同，精度等级不同，并非每类每台产品都用全部指标进行考核。另外各生产厂家出厂检验标准及技术说明书中的术语也不尽一致。,第三章信号发生器,14,3-2.1、频率范围：该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。例如HP-8660c合成频率信号发生器10Hz2600MHz可提供1Hz总共26亿个分频率。,3-2.2、频率准确度：频率准确度指信号发生器度盘（数字显示）数值f0与实际输出信号频率f1间的偏差，通常用相对误差表示,（3.2-1）,精密低频信号发生器频率准确度可达0.5%。若机内要用高稳定度的频振，频率准确度可达10-810-10,频率准确度实际上是输出信号的频率误差。刻度盘读数的信号发生器频率准确度约为（110）,第三章信号发生器,15,3-2.3频率稳定度,定义：频率稳定度指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。分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。频率短期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意15分钟内所发生的最大变化，表示为,（3.2-2）,式中f0为预调频率，fmax、fmin分别为任意15min信号频率的最大值和最小值(上式也可表示长期稳定度，例如：0.01%/h)。通常信号发生器的频率稳定度为10-210-4，用于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10-610-7，而且频率稳定度一般高于频率准确度12个数量级,第三章信号发生器,16,频率长期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意3小时内所发生的最大变化，表示为,式中x、y是由厂家确定的性能指标。例如：5010-6Hz/min+1kHz许多厂商的产品技术说明书中，并未按上述方式给出频率稳定度，例如：XD-1低通信号发生器预热30分钟后:第一小时频漂0.1%f0(Hz）以后7小时0.2%f0(Hz）。,（3.2-3）,第三章信号发生器,17,3-2.4由温度、电源、负载变化引起的频率变动量,（1）温度引起的频率变动量,即,（3.2-4）,第三章信号发生器,18,（2）电源引起的频率变动量,表示为,即,（3）负载变化引起的频率变动量,负载电阻从开路变化到额定值时所引起的相对频率变化，表示为：,即,10所产生的相对频率变化，,供电电源变化,第三章信号发生器,19,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件、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。人们通常用信号频谱纯度来说明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,3-2.5非线性失真系数（失真度）,第三章信号发生器,20,为测量方便，也用失真度公式：,低频信号发生器的失真度为0.11，高档正弦信号发生器失真度可低于0.005。用非线性失真评价低频信号发生器用频谱纯度（考虑了高次谐波及噪声的影响）来评价高频信号发生器。频率纯度不仅考虑高次谐波造成的失真，还考虑非谐波噪声而造成的正弦波失真。,第三章信号发生器,21,3-2.6输出阻抗,低频信号发生器电压输出端输出阻抗一般为600（或1k），功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50、75、150、600和5k等档。高频信号发生器一般仅有50或75档。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。,第三章信号发生器,22,3-2.7输出电平,定义：指输出信号幅度的有效范围即信号发生器的最大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围，用电压（V，mV，V）或分贝表示。也可给出输出衰减器特性输出信号幅度稳定度及平坦度指标,第三章信号发生器,23,3-2.7输出电平,幅度稳定度指信号发生器经过规定的预热时间后，在规定的时间间隔内输出信号幅度对预调幅度值的相对变化量。平坦度分别指温度、电源、频率等变化引起的输出幅度变动量。使用者通常主要关心输出幅度随频率变化的情况。,第三章信号发生器,24,高频信号发生器可输出：正弦波时调幅信号调频信号调相信号脉冲调制信号。当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调制。当调制信号由外部加到信号发生器进行调制时，称为外调制。,3-2.8、调制特性,第三章信号发生器,25,3-3低频信号发生器,主要应用在模拟电子线路与系统的设计、测试和维修中。“低频”就是从“音频”（20Hz20KHz）的含义演化而来，频率向下向上分别延伸至超低频和高频段。一般“低频信号发生器”是指1Hz1MHz频段，输出波形以正弦波为主，或兼有方波及其它波形的信号发生器。,第三章信号发生器,26,通用低频信号发生器的主要性能指标包括：（1）频率范围为1Hz1MHz连续可调；（2）频率稳定度（0.10.4）/h；（3）频率准确度,3-3.1、低频信号发生器,1.低频信号发生器主要性能指标,（12）；,（4）输出电压010v连续可调（5）输出功率约（0.55）W连续可调；（6）非线性失真（0.11）；（7）输出阻抗可为50、75、150、600及5k。,第三章信号发生器,27,2.低频信号发生器组成,通用低频信号发生器组成框图如下图所示，其中图（a）仅包括电压输出，负载能力弱，图（b）除包括电压输出外，另有功率输出能力。,第三章信号发生器,28,3.通用RC振荡器,低频信号发生器中产生振荡信号（主振器信号）的方法有多种，在通用信号发生器中，主振器通常使用RC振荡器，而其中应用最多的是文氏桥振荡器。下图给出了文氏桥式网络及其传输函数的幅频相频特性。,是网络的输入电压,是输出电压,为R、C串联阻抗,为R及C并联阻抗,第三章信号发生器,29,式中,网络的传输函数为：,第三章信号发生器,30,第三章信号发生器,31,第三章信号发生器,32,4.其它低频振荡器,（1）LC振荡器,LC振荡器晶体管放大器缺点：1、当较低时，L、C的体积大，分布电容、漏电导大。Q值降低，谐振特性变坏，调节困难。2、由于f0与成反比，同一频段内的频率覆盖系数很小。,第三章信号发生器,33,4.其它低频振荡器,缺点：电路复杂，频率准确度和稳定度较差，波形失真较大。优点：容易做到在整个低频段内频率可连续调节而不用更换频段，输出电平也较均匀，所以常用于扫频振荡器中。,（2）差频式振荡器,图3.3-5差频信号发生器框图,低频信号,第三章信号发生器,34,3-3.2、超低频信号发生器,超低频信号发生器仍属于低频信号发生器，只是输出信号频率低端较一般低频信号发生器更低一些.通常将能产生1Hz以下频率的信号源称为超低频信号发生器，目前超低频信号发生器的频率低端已可低于108Hz,这类信号发生器主要用于自动控制系统的测试。除了输出信号频率范围往低端延伸外，超低频信号发生器和一般低频信号发生器技术指标基本相同。下面主要介绍产生超低频振荡的几种常用方法，这些方法也可以用在低频信号发生器中。,第三章信号发生器,35,(3.3-6),当输入u1(t)为角频率的正弦函数时，u2(t)也为同频率的正弦函数.用相量表示有,即积分器产生,相移，增益为,。如果用两级积分器级联并在反馈环路中加接一个反相器（）维持振荡,1.用积分器构成的超低频信号发生器,积分运算电路,第三章信号发生器,36,如图下图(a)所示，则闭环增益,或者当,(3.3-7),(3.3-8),时，闭环增益，正好是维持振荡的相位和振幅条件，也就是图(a)中电路可产生频率为上式所表示的正弦振荡。,第三章信号发生器,37,在实际振荡器中，为了调节方便，结构简单，一般取R1=R2=R,C1=C2=C并在两级积分器前，各加一个同轴电位器构成的分压电路，分压比为a，如图所示，得出其振荡频率为,图3.3-8用积分器构成的超低频信号发生器,(3.3-9),实际振荡器中，用改变R或C的办法改变频段，改变a进行频率细调。,第三章信号发生器,38,2.函数信号发生器,输出正弦波的同时，还能输出同频率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足不同的测试需求。,工作原理：由双稳态触发器，比较器、和积分器构成方波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网络将三角波整形成正弦波。,图3.3-9函数发生器原理图,第三章信号发生器,39,(3.3-14),开始工作时，双稳输出端电压为E，经过电位器P分压，分压系数为=R2/(R1+R2)，积分器输出端D点电位随时间t正比上升,图3.3-9函数发生器原理图,图3.3-10函数发生器波形图,第三章信号发生器,40,当经过时间T1，UD上升到Um时,比较器输出触发脉冲,使双稳态电路翻转，端输出电压为E并输入给积分器，则积分器输出端D点电位为,(3.3-15),图3.3-9函数发生器原理图,图3.3-10函数发生器波形图,第三章信号发生器,41,图3.3-9函数发生器原理图,再经过时间T2,UD下降到Um时，比较器输出触发脉冲使双稳态电路再次翻转，端重新输出E。如此周而复始。在Q端产生周期性方波，在积分器输出端产生三角波。如果比较器、正负比较电平完全一样，则得到完全对称的方波和三角波。如果改变积分器正向和反向积分时间常数，用二极管代替电阻R，可以看到，达到Um和Um各自所需的时间T1将不等于T2，从而可以产生锯齿波和不对称方波。,图3.3-10函数发生器波形图,第三章信号发生器,42,将对称三角波转换为正弦波的原理如下图（a）所示。正弦波可以看成是由许多斜率不同的直线段组成，只要直线段足够多，由折线构成的波形就可以相当好的近似正弦波形。斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到（各段相应的分压系数不同)因此只要将三角波Ui通过一个分压网络，根据Ui的大小改变分压网络的分压系数，便可以得到近似的正弦波输出。,第三章信号发生器,43,图3.3-11由三角波整形成正弦波,二极管整形网络就可以实现这种功能。用下图（b)所示的二极管整形网络来说明其工作原理。图中E1、E2、E3及E1、-E2、E3等为由正负电源E和E通过分压电阻R7、R8R14分压得到的不同电位，这里各二极管串联的电阻R1、R2R6及R0都比R7、R8R14大的多，因而它们的接入不会影响E1、E2等值。,、,第三章信号发生器,44,图3.3-11由三角波整形成正弦波,开始阶段（tt1），uiE1，二极管D1-D6全部截至,输出电压u0等于输入电压ui；t1tt2阶段E1uiE2，二极管D3导通，此阶段u0等于ui经R0和R3分压输出,上升斜率减小；在t2tt3阶段E2E3此时D3,D2,D1全部导通,u0等于经R0和R3/R2/R1分压输出,上升