电子测量技术（西电版）第6章 测量用信号源ppt课件

1、第6章测量用信号源第第6章丈量用信号源章丈量用信号源6.1 信号源概述信号源概述6.2 信号产生方法及信号发生器开展趋势信号产生方法及信号发生器开展趋势6.3 频率合成技术及锁相频率合成频率合成技术及锁相频率合成6.4 直接数字频率合成技术直接数字频率合成技术6.5 频率合成技术的开展频率合成技术的开展思索与练习思索与练习第6章测量用信号源6.1信信 号号 源源 概概 述述6.1.1信号源的作用信号源的作用能产生不同频率、能产生不同频率、 不同幅度的规那么或不同幅度的规那么或不规那么波形的信号发生器称为信号源，不规那么波形的信号发生器称为信号源， 信信号源在电子系统的研制、号源在电子系统的研制

2、、 消费、消费、 测试、测试、 校校准及维护中有着广泛的运用。准及维护中有着广泛的运用。 例如在电子丈例如在电子丈量中，量中， 一个系统电参数的数值或特性一个系统电参数的数值或特性(如电如电阻的阻值、阻的阻值、 放大器的放大倍数、放大器的放大倍数、 四端网络四端网络的频率特性等的频率特性等)必需在一定的电信号作用下必需在一定的电信号作用下才干表现出来。才干表现出来。第6章测量用信号源这时可以借助于信号源， 将其产生的信号作为输入鼓励信号， 察看系统呼应的方法进展丈量。 另一方面， 许多电子系统的性能只需在一定信号的作用下才干显现出来， 如扬声器， 电视机等。 扬声器只需在外加音频信号时才干发声

3、， 假设不给电视机外加电视信号， 其屏幕上就不会有图像。 和示波器、 电压表、 频率计等仪器一样， 信号源是电子丈量领域中最根本、 运用最广泛的一类电子仪器。 第6章测量用信号源 在其他领域， 信号源也有着广泛的运用， 例如机械部门的超声波探伤、 医疗部门的超声波诊断、 频谱治疗仪等。 归纳起来， 信号源的用途主要有以下三个方面： (1) 鼓励源。 在研制、 消费、 运用、 测试和维修各种电子元器件、 部件及整机设备时， 都需求有信号源作为鼓励信号， 由它产生不同频率、 不同波形的电压、 电流信号并加到被测器件设备上， 用其他丈量仪器察看、 丈量被测者的输出呼应， 以分析确定它们的性能参数。第

4、6章测量用信号源(2) 规范信号源。 如规范的正弦波发生器、 方波发生器、 脉冲波发生器、 电视信号发生器等。 这些信号一类是用于产生一些规范信号， 提供应某类设备丈量公用； 另一类是用作对普通讯号源校准， 亦称为校准源。 第6章测量用信号源(3) 信号仿真。 假设要研讨设备在实践环境下所遭到的影响， 而又暂时无法到实践环境中丈量时， 可以利用信号源给其施加与实践环境一样特性的信号来丈量， 这时信号源就要仿真实践的特征信号， 如噪声信号、 高频干扰信号等。 第6章测量用信号源6.1.2 信号源的分类信号源的分类信号源的运用领域广泛，信号源的运用领域广泛， 种类繁多，种类繁多， 性能目性能目的各

5、异，的各异， 分类方法亦不同。分类方法亦不同。 按用途有公用和通用按用途有公用和通用之分；之分； 按性能有普通和规范信号源之分；按性能有普通和规范信号源之分； 按调试按调试类型可以分为调幅、类型可以分为调幅、 调频、调频、 调相、调相、 脉冲调制及组脉冲调制及组合调制信号发生器等；合调制信号发生器等； 按频率调理方式可分为扫频、按频率调理方式可分为扫频、 程控信号发生器等。程控信号发生器等。 下面引见几种主要的分类方法。下面引见几种主要的分类方法。 第6章测量用信号源按照输出信号的频率来分， 大致可以分为6类： 超低频率信号发生器， 频率范围为0.0011000 Hz； 低频信号发生器， 频率

6、范围1 Hz1 MHz; 视频信号发生器， 频率范围为20 Hz10 MHz； 高频信号发生器， 频率范围为200 kHz30 MHz； 甚高频信号发生器， 频率范围在30 kHz300 MHz； 超高频信号发生器， 频率在300 MHz以上。 应该指出， 按频段划分的方法并不是一种严厉的界限， 目前许多信号发生器可以跨越几个频段。 第6章测量用信号源 按输出的波形可以分为： 正弦波形发生器， 产生正弦波形或受调制的正弦信号； 脉冲信号发生器， 产生脉冲宽度不同的反复脉冲； 函数信号发生器， 产生幅度与时间成一定函数关系的信号； 噪声信号发生器， 产生模拟各种干扰的电压信号。 按照信号发生器的

7、性能规范， 可以分为普通的信号发生器和规范信号发生器。第6章测量用信号源规范信号发生器的技术目的要求较高， 有的规范信号发生器用于为收音机、 电视机和通讯设备的丈量校准提供规范信号； 还有一类高精度的直流或交流规范信号源是用于对数字多用表等高精度仪器或普通讯号源进展校准， 其输出信号的频率、 幅度、 调制系数等可以在一定范围内调理， 而且准确度、 稳定度、 波形失真等目的要求很高。 而普通讯号源对输出信号的频率、 幅度的技术目的要求相对低一些。 第6章测量用信号源6.1.3 信号发生器的根本组成信号发生器的根本组成 信号源的种类很多，信号源的种类很多， 信号产生方法各不一信号产生方法各不一样，

8、样， 但其根本构造是一致的，但其根本构造是一致的， 如图如图6-1所示。所示。 它它主要包括主振器、主要包括主振器、 缓冲级、缓冲级、 输出级及相关的外部输出级及相关的外部环节。环节。 第6章测量用信号源图6- 1 信号发生器的构造框图第6章测量用信号源主振器： 它是信号源的中心， 由它产生不同频率、 不同波形的信号。 由于要产生的信号频率、 波形不同， 其原理、 构造差别很大。 缓冲级： 对主振器产生的信号进展放大、 整形等。 调制级： 在需求输出调制波形时， 对原始信号按照调幅、 调频等要求进展调制。 输出级： 输出级的功能是调理输出信号的电平和输出阻抗， 可以由衰减器、 匹配变压器以及射

9、极跟随器等构成。 第6章测量用信号源 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。 运用时可经过指示器来调整输出信号的频率、 幅度及其他特征。 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践特性需求其他更准确的丈量仪表来丈量。 电源： 提供信号发生器各部分的任务电源电压。 通常是将50 Hz交流市电整流成直流， 并有良好的稳压措施。 第6章测量用信号源6.1.4 正弦信号发生器的性能目的正弦信号发生器的性能目的在各类信号发生器中，在各类信号发生器中，

10、正弦信号发生器是正弦信号发生器是最普通、最普通、 运用最广泛的一类，运用最广泛的一类， 几乎浸透到一切几乎浸透到一切的电子学实验及丈量中。的电子学实验及丈量中。 其缘由除了正弦信号其缘由除了正弦信号容易产生，容易产生， 容易描画，容易描画， 又是运用最广的载波信又是运用最广的载波信号外，号外， 还由于任何线性双口网络的特性，还由于任何线性双口网络的特性， 都可都可以用它对正弦信号的呼应来表征。以用它对正弦信号的呼应来表征。第6章测量用信号源显然， 由于信号发生器作为丈量系统的鼓励源， 那么被测器件、 设备的各项性能参数丈量的质量， 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

11、制特性(俗称三大目的)来评价正弦信号发生器的性能， 其中包括30余项详细目的。 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目的进展考核。 另外， 各消费厂家出厂检验规范及技术阐明书中的术语也不尽一致。 这里仅引见信号发生器中几项最根本最常用的性能目的。 第6章测量用信号源1. 频率特性正弦信号的频率特性包括频率范围、 频率准确度、 频率稳定度三项目的。 (1) 频率范围。 频率范围指信号发生器所产生的信号频率范围， 该范围内既可延续又可由假设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。 例如国产XD1型信号发生器， 输出信号频率范围为1 Hz1 MH

12、z, 分六档, 即六个频段， 为了保证有效频率范围延续， 两相邻频段间有相互衔接的公共部分, 即频段重叠。 又如HP公司HP- 8660C 型频率合成器产生的正弦信号的频率范围为10 kHz2600 MHz, 可提供间隔为1 Hz总共近26亿个分立频率。 第6章测量用信号源011100fff(2) 频率准确度。 频率准确度是指信号发生器盘(或数字显示)数值与实践输出信号频率间的偏向， 通常用相对误差表示 (6- 1)%第6章测量用信号源式中， f0为刻度盘或数字显示数值， 也称预调值，f1是输出正弦信号频率的实践值。 频率准确度实践上是输出信号频率的任务误差。 用刻度盘读数的信号发生器频率准确

13、度约为(1%10%)， 精细低频信号发生器频率准确度可达0.5%。 例如调谐式XFC- 6型规范信号发生器， 其频率规范优于1%， 而一些采用频率合成技术带有数字显示的信号发生器， 其输出信号具有基准频率(晶振)的准确度， 假设机内采用高稳定度晶体振荡器， 输出频率的准确度可到达10-810-10。 第6章测量用信号源(3) 频率稳定度。 频率稳定度目的要求与频率准确度相关。 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于预调值变化的大小。 按照国家规范， 频率稳定又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

14、， 信号频率在恣意15分钟内所发生的最大变化， 表示为 (6- 2)maxmin0100fff%第6章测量用信号源式中， f0为预调频率， fmax、fmin分别为恣意15分钟的信号频率的最大值和最小值。 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， 信号频率在恣意3小时所发生的最大变化， 表示为 x10-6+y (6- 3)第6章测量用信号源式中, x、y是由厂家确定的性能目的值， 也可以用式(6-2)表示频率长期稳定度。 需求指出， 许多厂商的产品技术阐明书中， 并未按上述方式给出频率稳定度目的。 例如国产HG1010信号发生器和(美)KH4024信号发生器的频率稳定度都是0.01

15、%/h，含义是经过规定的预热时间后， 两种信号发生器每小时(h)的频率漂移(fmax-fmin)与预调值f0之比为0.01%。第6章测量用信号源有些那么以天为时间单位表示稳定度， 例如国产QF1480合成信号发生器频率稳定度为510-10/天， 而QF1076信号发生器(频率范围10 MHz520 MHz)频率稳定度为5010-6/5 min+1 kHz， 是用相对值和绝对值的组合方式表示稳定度。 又如， 国产XD1型低频信号发生器通电预热30分钟后， 第一小时内频率漂移不超越0.1%f0(Hz)， 其后7小时内不超越0.2%f0(Hz)。 第6章测量用信号源 通常， 通用信号发声器的频率稳定

16、度为10-210-4， 用于精细丈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, 而且要求频率稳定度普通应比频率准确度高12个数量级。 例如XD2型低频信号发生器的频率稳定度优于0.1%，频率准确度优于(13)%。 第6章测量用信号源2. 输出特性输出特性目的主要有输出阻抗、 输出电平、 非线性失真系数三项目的。 (1) 输出阻抗。 作为信号源， 输出阻抗的概念在“电路或“电子电路课程中都有阐明。 信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。 低频信号发生器， 电压输出端的输出阻抗普通为600 (或1 k)， 功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50 ，75 ，150 ，6

17、00 和5 k等挡。 高频信号发生器普通仅有50 或75 挡。当运用高频信号发生器时， 要特别留意阻抗的匹配。 第6章测量用信号源(2) 输出电平。 输出电平指的是输出信号幅度的有效范围， 即由产品规范规定的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。 输出幅度可以用电压(V，mV, V)或分贝表示。 例如XD1低频率信号发生器的最大电压输出为1 Hz1 MHz5 V， 最大功率输出为10 Hz700 kHz(50 、 75 、 150 、 600 )4 W。 第6章测量用信号源在图6- 1信号发生器框图的输出级中， 普通都包括衰减器， 其目的是获得从微伏级(

18、V)到毫伏(mV)级的小信号电压。例如XD1型信号发生器最大信号电压为5 V， 经过080 dB的步进衰减输出， 可获得500 V的小信号电压。 在信号发生器的性能目的中， 就包括“衰减器特征这一目的， 主要指衰减范围和衰减误差， 例如上述XD1型信号发生器的衰减器特性为：电压输出，1 Hz1 MHz； 衰减801.5 dB。 第6章测量用信号源和频率稳定度目的类似， 还有输出信号幅度稳定度及平坦度目的。 幅度稳定度是指信号发生器经规定时间预热后， 在规定时间间隔内输出信号幅度对预调幅度值的相对变化量。 例如HG1010信号发生器幅度稳定度为0.01%/h。平坦度分别指温度、 电源、 频率等引

19、起的输出幅度变动量。 运用者通常主要关怀输出幅度随频率变化的情况。 像用静态“点频法丈量放大器的幅频特性时就是如此。 现代信号发生器普通都有自动电平控制电路(ALC)，可以使平坦度坚持在1 dB以内， 即幅度动摇控制在10%以内，例如XD8B超低频信号发生器的幅频特性小于3%。 第6章测量用信号源(3) 非线性失真系数(失真度)。 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， 除了所需求的正弦波频率外， 还有其他谐波分量。 人们通常用信号频谱纯度来阐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：

20、(6- 4)222231nUUUU%100第6章测量用信号源2222322212nnUUUUUU式中，U1为输出信号基波有效值，U2、U3、为各次谐波有效值。由于U2、U3、Un等较U1小得多，为了丈量上的方便，也常用下面的公式定义；(6-5)%100第6章测量用信号源普通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%。 例如XD2低频信号发生器电压输出的失真度0.1%。 而ZN1030的非线性失真系数0.003%。 对于高频信号发生器， 这项目的要求很低，作为工程丈量用仪器， 其非线性失真系数5%，以眼睛察看不到波形失真即可。 另外， 人们通常只用非线

21、性失真来评价低频信号发生器， 而用频谱纯度来评价高频信号发生器， 频谱纯度不仅要思索高次谐波呵斥的失真， 还要思索由非谐波噪声而呵斥的正弦波失真。 第6章测量用信号源3. 调制特性高频信号发生器在输出正弦波的同时， 普通还能输出一种或两种以上的已被调制的信号。 多数情况下是调幅信号和调频信号，有些还带有调相和脉冲调制功能。当调制信号由信号发生器内部产生时成为内调制，当调制信号由外部加到信号发生器时，称为外调制。这类带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收发设备等场所不可短少的仪器。例如， XFC- 6规范信号发生器， 就具备内、外调幅，内、外调频，或进展内调幅时进展外调频， 或同时进展外

22、调幅与外调频等功能。而像HP8663这类高档合成信号发生器，同时具有调幅、调频、调相、脉冲调制等功能。 第6章测量用信号源评价信号发生器的性能目的不止上述各项， 这里仅就最常用的最重要的工程作了概括引见。 由于运用目的、 制造工艺、 任务机理等诸方面的要素， 各类信号发生器的性能目的相差是很悬殊的， 因此价钱相差也就很大， 所以在选用信号发生器的时候(选用其他丈量仪器也是如此)，必需思索合理性和经济性。 以对频率的准确度要求为例，当测试谐振回路的频率特性、 电阻值和电容损耗角随频率变化时，仅需求110-2110-3的准确度，而当测广播通讯设备时， 那么要求10-510-7的准确度，显然，两种场

23、所应中选用不同档次的信号发生器。 第6章测量用信号源6.2 信号产生方法及信号发生器开展趋势信号产生方法及信号发生器开展趋势6.2.1 正弦信号发生器正弦信号发生器正弦信号发生器可以产生正弦信号或受正弦信号发生器可以产生正弦信号或受调制的正弦信号。调制的正弦信号。 它包括低频信号发生器，它包括低频信号发生器， 高频信号发生器，高频信号发生器， 微波信号发生器，微波信号发生器， 合成合成信号发生器，信号发生器， 扫频信号发生器。扫频信号发生器。 这里对低这里对低频信号发生器和高频信号发生器作简单引见。频信号发生器和高频信号发生器作简单引见。 第6章测量用信号源1. 低频信号发生器低频信号发生器是

24、信号发生器大家族中一个非常重要的组成部分， 在模拟电子线路与系统设计、 测试和维修中获得广泛的运用， 其中最明显的一个例子是收音机、电视机、 有线广播和音响设备中的音频放大器。 现实上， “低频就是从“音频(20 Hz20 kHz)的含义演化而来的。由于其他电路测试的需求， 频率向上向下分别延伸至超低频和高频段。 如今普通“低频信号发生器是指1 Hz1 MHz频段， 最新的低频信号发生器的频率范围已达1 Hz10 MHz，输出波形以正弦波为主， 或兼有方涉及其他波形的发生器。 第6章测量用信号源(1) 低频信号发生器主要性能目的： 频率范围为1 Hz1 MHz延续可调； 频率稳定度(0.10.

25、4)%/h； 频率准确度(12)%； 输出电压010 V延续可调； 输出功率约(0.55)W延续可调； 非线性失真(0.11)%； 输出阻抗可为50 、 75 、150、 600 及5 k。 (2) 低频信号发生器组成框图。 通用低频信号发生器的组成框图如图6- 2所示。 主要包括： 主振级、 缓冲放大、 功率放大、 衰减器、 阻抗变换以及有关调理安装。 第6章测量用信号源图6- 2 低频信号发生器组成框图第6章测量用信号源iUoU(3) 通用RC振荡器。 低频信号发生器中产生振荡信号(图6- 2中主振级)的方法有多种，在通用信号发生器(如XD1、 XD2、 XD7)中， 主振器通常是运用RC

26、振荡器， 而其中运用最多的当属文氏桥振荡器。 图6-3给出了文氏桥网络及其传输函数的幅频、 相频特性， 我们简要分析其任务原理。 在图(a)中，是网络的输入电压， 是输出电压， Z1为R、 C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗， 那么网络的传输函数 (6- 6) 0212113()iUZUZZj R CR C0000113()3()ffjjffjN第6章测量用信号源01RC,012fRC式中 (6-7)由式(6- 6)得到传输函数的幅频特性N()和相频特性()分别为(6-9)(6-8)2200133/00| )j (|)(NNarctan)(第6章测量用信号源或 N()和()分别示于图6- 3(b

27、)和(c)中。 由图(b)、 (c)可以看出： 时， 输出信号与输入信号同相， 且此时传输函数模最大(N(0)=N()max=1/3), 假设输出信号后接放大倍数的同相放大器(普通由两极反相放大器级联实现)， 那么就可以维持=0或者的正弦振荡。 而由于RC 网络的选频特性， 其他频率的信号被抑制。 RC10RCf210oU3)(10VNKRCff210第6章测量用信号源图6- 3 RC文氏桥网络(a) 文氏桥式网络； (b) 幅频特性； (c) 相频特性 第6章测量用信号源 但是， 放大倍数 KV=3的放大器是不稳定的， 又由于文氏桥电路的选频特性很差， 放大器增益不稳， 不但会引起振荡振幅变

28、化， 还会呵斥输出波形失真。 因此， 总是运用高增益的二级放大器加上负反响， 使得在维持振荡期间， 总电压增益为3， 这样就构成了图6- 4 所示的文氏桥振荡电路。 图中负温度系数热敏电阻Rt和电阻Rf就构成了电压负反响电路。第6章测量用信号源热敏电阻Rt的阻值随环境温度升高或流过的电流添加而减少， 当由于各种缘由引起输出电压增大时， 由于该电压也直接接在Rt、Rf串联电路， 流过Rt的电流也随之添加而导致Rt阻值降低，负反响加大，放大器总增益降低， 使输出电压减小， 到达稳定输出信号振幅的目的。 而在振荡器起振阶段， 由于Rt温度低， 阻值大， 负反响小， 放大器实践总增益大于3， 振荡器容

29、易起振。 第6章测量用信号源图6- 4 运用热敏电阻Rt作为增益控制器件的文氏桥振荡电路框图第6章测量用信号源由式(6- 7)可知， 改动电阻R和电容C数值可调理振荡频率， 可以运用同轴电阻器改动电阻R进展粗调， 使得换挡时频率变化10倍， 而用改动双联同轴电容C的方法在一个波段内进展频率细调。 第6章测量用信号源图6- 5 放大器输入输出阻抗对RC网络的影响 第6章测量用信号源在上边的分析中， 没有思索放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro的影响， Ri和Ro对RC网络的影响如图6- 5所示， 由图不难看出， 应使Ri尽能够大而Ro尽能够小。 为此实践振荡器电路中放大器输入级常采用场效应管， 以

30、提高输入阻抗Ri，输出时加接射极跟随器， 以降低输出阻抗Ro。 假设仅提供电压输出，那么RC振荡器后加接电压放大器即可， 如图6- 4中A2。假设要求功率输出， 那么还应加接功率放大器和阻抗变换器。 第6章测量用信号源40450minmaxminmaxCCffK(4) LC振荡器。 当谈到正弦振荡器时， 很容易想到用L、 C构成谐振电路和晶体管放大器来实现。 实践上根本不用这种电路作为低频信号发生器的主振荡器， 这是由于对LC振荡电路， 振荡频率。 当频率较低时，L、C都比较大，分布电容、 漏电导等也都相应很大， 而质量因数Q值降低很多， 谐振特性变坏， 且调整困难。 其次由于f0与成反比，

31、因此同一频段内的频率覆盖系数很小。 例如L固定， 调理电容C改动振荡频率， 设电容调理范围为40450 pF，那么频率覆盖系数 (6- 10) 012fLCLC3第6章测量用信号源 假设用RC桥式振荡器， 仍以上面的情况为例， 根据式(6- 7), 得到频率覆盖系数为 (6- 11)现实上， 假设以RC文氏桥电路构成振荡器的XD1型低频信号源， 其信号频率范围为1 kHz1 MHz，分为6个频段， 每个频段内的频率覆盖系数均为10。 40450minmaxminmaxCCffK11第6章测量用信号源(5) 差频式振荡器。 RC振荡器的每一分波段的频率覆盖系数(最高频率与最低频率的比值)通常为1

32、0。 因此， 要覆盖1 Hz1 MHz的频率范围， 至少要6个波段， 对于某些丈量(特别是扫频丈量)， 极不方便。 而差频式低频信号发生器可以在不分波段的情况下得到较宽的频率覆盖范围。 图6- 6为差频式低频信号发生器的原理框图。 第6章测量用信号源图6- 6 差频式低频信号发生器原理框图第6章测量用信号源图6- 6中， 可变频率的高频振荡器和固定频率振荡器分别产生可变频率的高频振荡f1和固定频率的高频振荡f2， 经过混频器产生两者差频f=f1-f2， 后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高频分量。 当可变频率振荡器频率从f1max变到f1min时， 低通滤波器后就得到了fminfmax的低

33、频信号， 再经放大器和输出衰减器后得到所需幅度的低频信号。 这种方法的主要缺陷是电路复杂， 频率准确度、 稳定度较差， 波形失真较大； 最大的优点是容易做到在整个频段内频率可延续调理而不用改换波段， 输出电平也较均匀， 所以常用在扫频振荡器中。 第6章测量用信号源 高频振荡器是一个可调的LC振荡器， 其输出频率为f1， 固定频率振荡器输出频率为f2, 设f1的变化范围为f11f12, 那么差频信号的频率范围为f1(f11-f2)f2(f12-f2)。 假设f1与f2的值都很高， 那么差频的频率覆盖系数f1/f2可以到达很大的值， 因此对f1进展调频指数不大的调频也可以使f具有很宽的范围。例如，

34、f23.4 MHz， 而f1可以从3.4003 MHz 到5.1 MHz， 那么输出频率可为300 Hz1.7 MHz。但是当f1与f2接近时， 容易产生频率牵引(强迫同步)， 使得f可以从某一较小值突变为零， 而且差频振荡器的频率准确度较差， 每次丈量都要校准， 而且校准后频率准确度依然不高， 因此该方法已较少运用。 第6章测量用信号源2. 高频信号发生器高频信号发生器输出范围普通在300 kHz1 GHz， 稳定度普通优于10-4/15 min, 输出电压在0.1 V1 V左右， 输出阻抗为规范的50 (或75 ), 大多数具有调幅、 调频及脉冲调制等功能。 图6- 7为高频信号发生器的原

35、理图， 它包括主振荡器、 调制级、 输出级及监测设备(载波电平表， 调制度表)等。第6章测量用信号源主振级通常采用LC振荡器， 在波段选择及频率细调控制下产生的高频信号， 经缓冲后耦合至调制级。 根据反响方式， LC高频振荡器可分为变压器反响式、 电感反响式(也称电感三点式)及电容反响式(也称电容三点式)三种振荡器方式。 通常用改动电感L来改动频段， 改动电容C进展频段内频率细调。缓冲级是为了保证主振级振荡器频率稳定， 防止寄生调制和提高信噪比， 缓冲普通采用选频放大器。 信号根据调制要求进展相应调制， 调制信号可以由内部调制振荡器产生， 也可由外部输入。 输出级对信号进展放大、 滤波、 电平

36、调理以及获得准确固定的源阻抗(普通为50 或75 )。 监测器用于监测载波电平和调制系数等。 第6章测量用信号源图6- 7 高频信号发生器原理图第6章测量用信号源6.2.2 脉冲信号发生器脉冲信号发生器脉冲信号通常指继续时间短，脉冲信号通常指继续时间短， 按特定规律变按特定规律变化的电压或电流信号。化的电压或电流信号。 常见的脉冲信号有矩形、常见的脉冲信号有矩形、 锯齿形、锯齿形、 阶梯形、阶梯形、 钟形和数字编码序列等，钟形和数字编码序列等， 如如图图6- 8所示，所示， 其中最根本的是矩形脉冲信号。其中最根本的是矩形脉冲信号。 第6章测量用信号源图6-8 常见的脉冲信号(a) 矩形波； (

37、b) 锯齿波； (c) 阶梯波； (d) 钟形脉冲； (e) 数字编码序列第6章测量用信号源脉冲信号发生器是专门用于产生脉冲波形的信号源， 它常用于丈量宽带放大器的振幅特性、 过渡特性， 数字系统的开关特性， 示波器、 雷达及通讯机等。 根据脉冲发生器的用途和产生方法， 可以分为通用脉冲发生器、 快速(广谱)脉冲发生器、 函数发生器、 数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。 其中运用最广泛的是通用矩形脉冲发生器， 它可以产生宽度可变， 且上升、 下降沿极短的矩形脉冲。 这里简单引见一下通用脉冲发生器和快速(广谱)脉冲发生器的根本原理。 第6章测量用信号源1. 通用脉冲发生器为了满足普通丈量的

38、要求， 通用脉冲发生器可以调理脉冲的反复频率、 宽度、 输出幅度和极性等。 有的脉冲发生器除了能输出主脉冲外， 还可以输出一个超前于主脉冲的前置脉冲(亦称同步脉冲)， 而且两个脉冲间的延时可调。 双脉冲输出功能主要用于丈量电路分辨间隔极近的相邻脉冲的才干。 脉冲发生器的根本原理如图6- 9所示。 第6章测量用信号源图6- 9 脉冲信号发生器组成原理框图第6章测量用信号源主振级是脉冲信号发生器的振荡源， 普通采用恒流源射级耦合自激多谐振荡器产生矩形波， 也可采用正弦振荡及限幅放大等构成， 它应具有波段调理(粗调)和频率细调。 同时也可选择外部触发信号或手动触发输入作为延时级的脉冲输入信号。 延时

39、级将输入信号转换为脉冲构成单元所需的延时脉冲， 脉冲构成单元在延时脉冲作用下， 构成宽度准确、 波形良好的矩形脉冲。 输出级对脉冲进展整形、 放大等处置后输出。 同时主振级的输出信号驱动同步脉冲电路构成并输出前置同步脉冲。 第6章测量用信号源通用脉冲发生器输出脉冲的频率、 幅度、 延迟时间、 脉冲宽度、 过渡时间等可在一定范围内调理， 但他们产生的脉冲继续时间和过渡时间普通在1 ns以上， 有的过渡时间虽然可到300 ps， 但参数固定不能调理。 而在某些丈量场所， 需求脉宽更窄、 过渡时间更短的脉冲， 这时通用的脉冲发生器就无法满足要求， 而要采用快速脉冲发生器。 第6章测量用信号源2. 快

40、速(广谱)脉冲发生器快速脉冲发生器广泛运用于雷达、 数字通讯、 时域特性丈量等场所。 在时域丈量中， 快速脉冲信号发生器用来提供广谱的鼓励信号， 尤其在微波网络、 宽带元器件的时域丈量中， 脉冲信号发生器相当于频域丈量中的扫频信号源。 实际上脉冲信号可以产生无限的频谱， 但是实践丈量中由于器件、 电路、 工艺以及噪声等要素的限制， 其频谱是有限的。 在时域丈量中提供边沿时间极短、 幅度很大的快速脉冲信号具有非常重要的意义。 例如一个前沿上升时间为1 ns的脉冲，其可用频谱分量为1 GHz， 而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快达15 ps， 那么其可用频谱高达30 GHz。 第6章测

41、量用信号源快速脉冲信号的产生技术主要有： 水银开关脉冲发生器、 雪崩晶体管脉冲发生器、 阶跃恢复二极管脉冲发生器以及隧道二极管脉冲发生器等。 水银开关脉冲发生器原理如图6- 10所示， 它由直流电压源UD， 充电电阻RC， 特征阻抗为R0的同轴电缆及水银开关组成。 第6章测量用信号源图6- 10 水银开关脉冲发生器原理第6章测量用信号源同轴电缆传输线呈电容特性， 开关翻开时， 直流电源经充电电阻RC将同轴传输线充电至电压UD。当开封锁合时， 同轴传输线向负载RL放电，此时传输线被看作内阻为R0(R0RC)、电压为UD的电压源， 假设负载与传输线匹配， 那么负载上得到的输出电压为UD/2，继续时

42、间为传输线过渡过程时间2倍的脉冲。 该方法产生的脉冲幅度可达50100 V， 过渡继续时间为500 ps，假设采用超小型水银开关, 其过渡时间还可以更短。 但是由于水银开关的机械特性， 脉冲反复频率很低， 而且开封锁合产生的触发不确定性导致了较大的相位抖动。 第6章测量用信号源采用雪崩晶体管来替代机械式的水银开关还可以处理水银开关呵斥的反复频率低及触发不确定的问题。 雪崩晶体管脉冲发生器的触发抖动可以小于10 ps， 反复频率可以到达数兆赫兹， 但是它的脉冲幅度较低， 过渡时间为数百皮秒。 为了使过渡时间进一步缩短， 采用阶跃恢复二极管对雪崩二极管的输出脉冲进展整形， 可以获得100 ps以下

43、量级的过渡继续时间， 脉冲幅度能到达1030 V，其可用频谱可提高到微波波段。 第6章测量用信号源6.2.3 函数发生器函数发生器在低频在低频(或超低频或超低频)信号发生器的家族中，信号发生器的家族中， 还有还有一种被称为函数信号发生器，一种被称为函数信号发生器， 简称函数发生器，简称函数发生器， 它在输出正弦波的同时还能输出同频率的三角波、它在输出正弦波的同时还能输出同频率的三角波、 方波、方波、 锯齿波等波形，锯齿波等波形， 以满足不同的测试要求，以满足不同的测试要求， 因其时间波形可用某些时间函数来描画而得名。因其时间波形可用某些时间函数来描画而得名。 第6章测量用信号源1. 函数发生器

44、的性能和组成函数发生器普通能输出方波、 三角波、 锯齿波、 正弦波等波形， 具有较宽的频率范围(0.1 Hz到几十兆赫兹)及较稳定的频率。 具有可变的上升时间(对方波)以及可变的直流补偿， 具有较高的频率准确度和较强的驱动才干， 波形失真应比较小。 函数发生器的典型原理框图如图6- 11所示。 第6章测量用信号源图6- 11 函数发生器的根本组成原理框图第6章测量用信号源比较完好的函数发生器主要由频率控制网络、 恒流源电路、 积分电路、 比较器、 波形综合及缓冲电路、 输出级等组成。 其中频率控制网络控制恒流源电流大小， 即改动积分器充放电斜率， 进而改动输出三角波的周期， 从而控制输出信号频

45、率。 恒流源提供一个稳定的充放电电流， 以使积分电路输出电压呈线性上升和下降。 比较器将三角波与两个门限电压比较， 从而控制恒流源的任务， 到达双稳态电路的功能。 正弦波波形综合电路由三角波得到一个正弦波输出， 而方波电路是由三角波产生一个方波输出。 函数选择及其他波形产生部分那么根据需求选择一个波形输出， 或由三种根本波形产生锯齿波等波形并输出。 输出级完成对输出信号的放大或衰减， 阻抗匹配及直流补偿等功能。 第6章测量用信号源2. 函数发生器的根本任务原理函数发生器普通以某种波形为第一波形， 然后在该波形根底上转换导出其他波形。 因第一波形的不同， 而采取不同的波形导出方式， 主要的导出方

46、式有： 方波三角波正弦波， 正弦波方波三角波， 三角波正弦波方波等， 这里主要讨论第一种方法。 图6- 12是方波三角波正弦波方式的函数发生器原理框图， 图中由双稳态触发器， 比较器、 和积分器构成方涉及三角波振荡电路， 然后由二极管整形网络将三角波整构成正弦波。 第6章测量用信号源图6- 12 函数发生器原理图第6章测量用信号源其简要任务原理如下：设开场任务时， 双稳输出端电压为-E，经过电位器P分压， 设分压系数， 那么积分器输出端D点电位随时间t正比上升(6-12)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， 那么积分器输出端D点

47、电位为 (6- 13)221RaRRDa EutRCtRCEuDQQ第6章测量用信号源再经过时间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。 假设比较器、 正负比较电平完全一样， 那么得到的将是完全对称的方波和三角波。 假设改动积分器正向， 反向积分时间常数， 比如用二极管替代电阻R， 由式(6-12)、 (6- 13)可以看到， uD到达+Um和-Um各自需求的时间T1将不等于T2， 从而可以产生锯齿波和不对称的方波， 上述情况下函数发生器的波形如图6-13所示。 Q第6章测量用

48、信号源图6- 13 函数发生器波形图第6章测量用信号源将对称三角波转换为正弦波的原理图如图6-14(a)所示。 正弦波可以看做是由许多斜率不同的直线段组成， 只需直线段足够多， 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， 只需将三角波ui经过一个分压网络，根据ui大小改动分压网络的分压系数， 便可以得到近似的正弦波输出。 二级管整形网络就可实现这种功能， 我们用图6- 14(b)所示的二级管整形网络来阐明其任务原理。 第6章测量用信号源图中E1、E2、E3及-E1、-E2、-E3等为由正负电源+E和-E经过分压电阻

49、R7、R8、R14分压得到的不同电位， 由于各二极管串联的电阻R1、R2、 、 R6及R0都比R7、R8、R14大得多， 因此它们的接入几乎不会影响E1、E2等的数值。 第6章测量用信号源开场阶段(tt1), uiE1, 二级管VD1VD6全部截止， 输出电压uo等于输入电压ui；t1tt2阶段，E1uiE2， 二极管VD3导通， 此阶段uo等于ui经R0和R3分压输出， uo上升斜率减小； 在t2tt3阶段，E2uiE3， 即tt3后，VD3、VD2、VD1全部导通， uo等于ui经R0和(R3R2R1)(R3、R2、R1三个电阻并联)分压输出， 上升斜率最小； 当到达t=后， ui逐渐减小

50、， 二极管VD1、VD2、VD3依次截止， uo下降斜率又逐渐增大， 完成正弦波的正半周期近似； 负半周期情况类似， 不再赘述。 3t第6章测量用信号源通常将正弦波一个周期分为22段或26段， 用10个或12个二极管组成整形网络， 只需电路参数选择得合理、 对称， 就可以得到非线形失真小于0.5的波形良好的正弦波。 第6章测量用信号源图6- 14 由三角波整构成正弦波(a) 正弦波的折线近似； (b)二极管整形网络第6章测量用信号源3. 集成函数信号发生器由大规模集成电路构成的集成函数信号发生器， 能产生方波、 三角波、 锯齿涉及正弦波； 由于这种集成电路的功能很强， 除了输出固定频率的信号外

51、， 还可以输出调频或扫频信号。 其典型芯片为5G8038，电路组成如图 6- 15所示。 三角波由电流源I1、I2对外接电容器CT充放电实现。 当RS触发器输出Q=0时， 内部开关S断开， 电流源I1对CT正向充电， 充电电流使CT的端电压上升。TCu第6章测量用信号源TCu当上升到比较器1门限电平EC/3时， 触发器置位(Q1)。 由于Q1， 开关S接通，CT被电流I1I2充电。 调理RB可使|I2|=|2I1|， 那么CT的反相充电电流也等于|I1|(由于I2I1-2I1I1-I1)。 在反向充电的过程中，CT上的电压()线性下降。 当降至比较器2的门限电平-EC/3时， 触发器复位(Q=

52、0)， 开关S再次断开， 再由I1向CT正向充电。 如此反复进展， CT上构成的三角波经过缓冲器1在引脚3输出。 TCu第6章测量用信号源， 三角波的频率(f0)取决于外接元件CT、RA和RB，其关系可以参考下面的关系式表达： (6- 14)式中， 设， |+EC|=|-EC|=|E|。假设RA=RB=RT， 那么 (6- 15)21 (351BABTA0RRRCRf12|5AEIR24|5BEIR00.3TTfRC第6章测量用信号源5G8038的输出频率范围为1 MHz300 kHz。 假设改动两个电阻RA和RB的比值， 那么将输出非对称三角波或锯齿波。 在RS触发器的输出Q端后接缓冲器2就

53、可以从引脚9输出方波或脉冲波， 这时调理RA和RB的比值可得到占空比为2%98%的脉冲波。 三角波在缓冲器1后经过正弦波变换电路就在引脚1(或2、 12)输出正弦波， 经过外接元件可以对正弦波的非线形失真进展改善。 在引脚7输入调频电压， 引脚8外接适当控制信号可以使输出信号实现扫频和调频。 所以， 5G8038是一个功能很强的集成函数信号发生器。 第6章测量用信号源图 6- 15 集成函数信号发生器芯片原理图第6章测量用信号源以5G8038为中心接入少量外部元件就可以构成一个适用的函数信号发生器， 原理电路如图6-16所示。 图中5G8038是该发生器的中心， 可以输出三角波、 正弦波和方波

54、， 经过4选1模拟开关可以选择其中一种波形。 A4为该信号源的输出级， 输出具有一定幅度和功率的信号。 调理引脚8的电位可以改动输出信号的频率以实现扫频或调频。 在图6- 16中引脚8的电位由数/模转换系统提供。 当它输出定值电压时， 信号源输出点频； 当它输出扫描电压时， 其输出信号的频率随扫描电压的规律变化， 从而实现扫频。 数/模转换系统包括D/A转换器(DAC0832)及运算放大器A1和A2。A3是跟随器， 起缓冲作用。 图中D/A及4选1模拟开关所需的数据线(DB)及控制线(CB)均由微机提供。 第6章测量用信号源图6- 16 集成函数信号发生器运用电路第6章测量用信号源6.2.4

55、合成信号发生器合成信号发生器合成信号发生器是借助电子技术及计算机技合成信号发生器是借助电子技术及计算机技术将一个术将一个(或几个或几个)基准频率经过合成产生一系列基准频率经过合成产生一系列满足实践需求频率的信号源。满足实践需求频率的信号源。 其基准信号通常由其基准信号通常由石英晶体振荡器产生。石英晶体振荡器产生。 第6章测量用信号源1. 现代科学技术对信号源技术的要求 随着电子科学技术的开展， 对信号频率的稳定度和准确度提出了愈来愈高的要求。 例如在无线电通讯系统中， 蜂窝通讯频段在912 MHz并以30 kHz步进， 为此， 信号频率稳定度的要求必需优于10-6。同样， 在电子丈量技术中，

56、假设信号源频率的稳定度和准确度不够高， 就很难做到对电子设备特性进展准确的丈量。 因此， 频率的稳定度和准确度是信号源的一个重要的技术目的。 第6章测量用信号源在以RC、 LC为主振荡器的信号源中， 频率准确度普通只能到达10-2量级， 频率稳定度只能到达10-310-4量级， 远远不能满足现代电子丈量和无线电通讯等方面的要求。 另外， 以石英晶体组成的晶体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， 为此需求采用频率合成技术， 产生一定频段的高稳定度的信号。第6章测量用信号源频率合成技术是对一个或几个高稳定度频率进展加、 减、 乘、 除算术运算， 得到一系列所要求的频率信

57、号。 采用频率合成技术做成的信号源称为频率合成器， 用于各种公用设备或系统中， 例如通讯系统中的鼓励源和本振。 用这种技术做成通用的电子仪器， 称为合成信号发生器(或称合成信号源)。 频率的加、 减经过混频获得， 乘、 除经过倍频、 分频获得， 采用锁相环也可以实现加、 减、 乘、 除运算。 第6章测量用信号源合成信号源可任务于调制形状， 可对输出电平进展调理， 也可输出各种波形， 它是当前运用最广泛且性能较高的信号源。 其详细原理将在本章第三节中作比较详细的引见。 第6章测量用信号源2. 合成信号源的主要技术目的好像6.1.4节所述， 合成信号源的任务特性应该包括以下几个方面： 频率特性、

58、频谱纯度、 输出特性、 调制特性等。 下面就对频率特性和频谱纯度作进一步的表达。 (1) 频率准确度和稳定度。 其取决于内部基准源， 普通能到达10-8/日或更好的程度。 HP8663A合成信号发生器的频率稳定度曾经到达510-10/日。 (2) 频率分辨力。 由于合成信号源的频率稳定度较高， 所以分辨力也较好， 可达0.0110 Hz。第6章测量用信号源(3) 相位噪声。 信号相位的随机变化称为相位噪声， 相位噪声会引起频率稳定度的下降。 在合成信号源中， 由于其频率稳定度较高， 所以对相位噪声也应该严厉限制， 通常带宽相位噪声应低于-60dB， 远端相位噪声(功率谱密度)应低于-120 d

59、B/Hz。 第6章测量用信号源(4) 相位杂散。 在频率合成的过程中经常会产生各种寄生频率分量， 称为相位杂散， 相位杂散普通限制在-70dB以下。 需求阐明的是： 在频域里， 相位杂散是在信号谱两旁呈对称的离散谱线分布， 而相位噪声那么在两旁呈延续分布。 (5) 频率转换速度。 指信号源的输出从一个频率变换到另一个频率所需求的时间。 直接合成信号源的转换时间为微秒量级， 而间接合成那么需求毫秒量级。 第6章测量用信号源6.2.5 信号发生器的开展趋势信号发生器的开展趋势由于电子丈量及其他部门对各类信号发生器的由于电子丈量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速开展，广泛需求及电子

60、技术的迅速开展， 促使信号发生促使信号发生器种类日益增多，器种类日益增多， 性能日益提高，性能日益提高， 尤其随着上个尤其随着上个世纪世纪70年代微处置器的出现，年代微处置器的出现， 更促使信号发生器更促使信号发生器向着自动化、向着自动化、 智能化的方向开展。智能化的方向开展。 如今，如今， 许多信许多信号发生器除由于带有微处置器而具备号发生器除由于带有微处置器而具备了自校、了自校、 自检、自检、 自动缺点诊断和自动波形构成与自动缺点诊断和自动波形构成与修正等功能外，修正等功能外， 还带有还带有IEEE- 488或或RS232总线，总线， 可以控制计算机及其他丈量仪器一同方便地构成自可以控制计