第2章 信号发生器(12-13)

1、第2章信号发生器 本章要点n信号发生器性能指标与分类信号发生器性能指标与分类n各类信号发生器的工作原理及使用方法各类信号发生器的工作原理及使用方法n合成信号发生器的频率合成技术合成信号发生器的频率合成技术n脉冲波形的表征。脉冲波形的表征。 2.1 信号发生器概述2.1.1 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）。 图2.1 信号源的功用输 入激 励信号发生器被测设备测试仪器输 出响 应2.1.2 信号发生器的分类 1

2、. 按用途分 专用-电视信号发生器、电平振荡器、误码仪 通用-产生正弦波等通用波形 3. 按性能分 普通-功率大，频率、电压刻度不大准确， 用于天线测试等 标准-频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用2. 按波形分 正弦-脉冲-函数-产生函数通用波形 噪声-ttttt4. 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 无低频高频微波频段频率范围主振电路调制方式RC电路1Hz1MHz磁控管、体效应管、1MHz1GHz1GHz100GHzLC电路AM、FM、PMAM、FM2.1.2 信号发生器的分类 表2.1

3、信号源按频率划分表 名名 称称频频 率率 范范 围围主要应用领域主要应用领域超低频信号发生器超低频信号发生器低频信号发生器低频信号发生器视频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器超高频信号发生器30kHz30kHz以下以下30kHz300kHz30kHz300kHz300kHz6MHz300kHz6MHz6MHz30MHz6MHz30MHz30MHz300MHz30MHz300MHz300MHz3000MHz300MHz3000MHz电声学、声纳电声学、声纳电报通讯电报通讯无线电广播无线电广播广播、电报广播、电报电视、调频广播、导航

4、电视、调频广播、导航雷达、导航、气象雷达、导航、气象2.1.3 正弦信号发生器的性能指标 在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。 一. 频率特性 指信号发生器所产生信号的频率范围，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。 2.频率准确度 频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示 %100000fffff（2.1） 1. 频率范围 3. 频率稳定度 频率稳定度是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

5、小。 按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。 %1000minmaxfff短期：15分钟内 长期：3小时内 （3.2） 2.1.3 正弦信号发生器的性能指标 1. 输出阻抗 低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为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5 k等档 高频信号发生器一般仅有50或75档。 信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。 2.1.3 正弦信号发生器的性能指标 二. 输出特性 2.失真度与频谱纯度 定义 %100122322 U

6、UUUn测量：低频信号发生器用失真系数高频信号发生器用频谱纯度 20lg80 100SnUdBUUSUnfAfAtU2.1.3 正弦信号发生器的性能指标 二. 输出特性 %100.2222122322nnUUUUUU3. 输出电平 输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，讨论：信号源输出100mv，示波器上显示却为200mv，为什么会这样？ 信号源100mv示波器200mv信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波有效值标定的。 7.调制特性 高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅AM信号和调频FM信号，有些还带有调相和脉冲调制P

7、M等功能 3.1.3 正弦信号发生器的性能指标 2.2 通用信号发生器 本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，以区别后面介绍的合成信号发生器。 专业课讲系统、整机的组成的框图原理、特点及实例基础课讲部件、单元电路如振荡器、放大器等单元 模拟电路 课程特点 例：超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展，但框图原理未变。 高 放天线混频器中 放检 波低 放功放本 振2.2.1 低频信号发生器 图2.3 低频信号源组成框图主振器放大器衰减器输出电压指示(a)输出(b)固定频率振荡器可变频率振荡器混频器滤波放大衰减器f2=3.4000MHzf1=3.39975.1000MHz

8、f0=300Hz1.7000MHz频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示： minmaxffk （3.7） 以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器）为例，f1=3.3997MHz5.1000MHz，f2=3.4000MHz，则f0=300Hz1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数 301063007000. 1HzMHzk而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为 5 . 13997. 31000. 51k可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。 2.2.1 低频信号发生器 2. 主振荡器的特点 低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器，其特点是频率

9、稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。 文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。其振荡频率决定于RC式反馈网络的谐振频率，表达式为： RCf210（3.8） 输出(f0)R1AR1R3C1C2R2振荡条件？2.2.1 低频信号发生器 LCf210在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的LC振荡器呢？这是因为LC振荡器的频率决定于：（3.9） 原因 频率较低时，L、C 数值大，相应的体积、重量也相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在RC振荡器中，频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。 原因 在LC振荡器中 LCf 与0成反比，因而同

10、一波段内频率覆盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容器调节范围为40 pF450pF，则频率覆盖系数为340450minmaxminmaxCCffk2.2.1 低频信号发生器 而用RC振荡器，RCf 与0成反比，频率覆盖系数为1140450minmaxminmaxCCffk在一个波段内有较大的频率覆盖系数。 3.低频信号发生器的主要技术特性 目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下： 频率范围： 1Hz1MHz分频段，均匀连续可调 频率稳定度：优于0.1%非线性失真：0.1%1% 输出电压：0V10V 输出功率：0.5 W5W 连续可调 输出阻抗：50,75,600，

11、5k 输出形式：平衡输出与不平衡输出 2.2.1 低频信号发生器 2.2.2高频信号发生器 1. 高频信号发生器的组成原理 图3.4高频信号发生器原理框图主振级缓冲级调制级输出级监测器输出电 源内调制振荡器可 变电抗器外调制输入AMFM内外标准调制：F=1000Hz m=30%若语音调制则成小电台l)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。 2)缓冲级 它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级的影响。 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，必须用已调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。

12、调幅多用于 100kHz35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般采用正弦调制。调频主要用于30MHz1000MHz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 输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到V数量级。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。2.2.2 高频信号发生器面板图2.高频信号发生器使用中的问题1)接收机的测量 测试接收机的性能，如选择性、灵敏度等指标，是高频信号发生器的典型应用。为了使接收机符合实际的工作情况，必须在接收机与仪器间接一个等效天线。等效天线接在电缆分压

13、器的分压接线柱（有电位的一端）与接收机的天线接线柱之间。一般可采用如图所示的接法。它适合于540kHz几十MHz的接收机测试。 等效天线输出插孔电缆分压器输出孔0-0.1天线接线拄被 测接收机地线高频信号发生器XFG-7 20uH400400pF200pF2）输出匹配 信号源被测设备阻 抗变换器2.高频信号发生器使用中的问题 信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波有效值标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。因此，在实际就用中遇到失配的状态时，就在信号发生器和输出端与负载之间加一个阻抗变换器。2.2.3函数信号发生器 函数信号发生器的三种组成方案：

14、第一种是施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波；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转换为方波和正弦波。 函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。 3.2.4函数信号发生器 若双稳态触发器输出端的电压u1为正，则积分器的输出电压u2将线性下降，当u2下降到等于参考电动势Er2时，电压比较器2使双稳态触发器翻转，输出电压u1由正变负，积分器的输出电压u2将线性上升。当上升到等于参考电动势Er1时，电压比较 器1使双稳态触发器又翻回到原来状态，完成一个循环周期。从双稳态触发器输出端可得到方波信号；从积分器的输出端可得到三角波信号。u1

15、0Er1Er2u2t0t2.2.3函数信号发生器 三角波三角波正弦波变换原理正弦波变换原理3.2.4函数信号发生器 2、三角波正弦波变换原理 上图为实际的正弦波形成网络。电路中使用了6对二极管。正、负直流电源和电阻为二用管提供适当的偏压，以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置。直流稳压电源uiuoR0R1R2R3R4R5R6R7R1R2R3R4R5R6R7VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7VD8VD9VD10VD11VD12+-2.2.4脉冲信号发生器 U0tUm0.9Um0.1UmU0.5Umtrtf矩形脉冲的参数 可以产生频率、脉宽、极性、上升、下降时间可任意调节的矩形脉冲、窄脉冲。

16、脉冲幅度Um: 0-100%Um脉冲宽度 : 50%Um-100%Um上升时间 : 10%Um-90%Um下降时间 : 90%Um-10%Umrf2.2.4 脉冲信号发生器 可以产生频率、脉宽、极性、上升、下降时间可任意调节的矩形脉冲、窄脉冲。外同步放 大主振级同步输出外同步输入延迟级形成级整形级输出级主脉冲acbdef2.2.4 脉冲信号发生器2.3 合成信号发生器 频率合成的方法 直接模拟频率合成法（DAFS ）直接数字频率合成法（DDS ） 间接锁相式合成法（ Direct Analog Frequency Synthesis）（ Direct Digital Frequency Syn

17、thesis ） 信号源 主振级 频率准确度 频率稳定度 通用信号源 RC、LC振荡器 10-2量级 10-310-4 合成信号源 晶体振荡器 10-8量级 10-7量级 3.3.1 直接模拟频率合成法 利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成，且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。 1.固定频率合成法 固定频率合成法原理晶体振荡器DNfrfo为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供基准频率 rfD为分频器的分频系数，N 为倍频器的倍频系数。例：直接合成法：例：

18、直接合成法：3.3.1 直接模拟频率合成法 直接模拟合成技术特点： 1)频率分辨力高 2)频率切换快 -用于跳频通信对抗 （因频率点不太多）3)电路庞大、复杂 -现不用它做信号源 （因信号源频率范围宽）2.3.1 直接模拟频率合成法 2.3.2 直接数字频率合成法 直接数字合成法（DDS，Direct Digital Frequency Synthests）。它突破了频率合成法的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至可以给出各种任意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无法实现的。 正弦波：预存正弦函数表，AD9850是美国Analog Devices公司生产的DDS单片频率合成器，在DDFS的ROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按二进制分辨率量化；其相位一个周期360按 32min2/2的分辨率设立相位取样点，然后存入ROM的相应地址中。 2.3.3 间接合成法 1.基本锁相环路 间接合成法即锁相合成法，它是利用锁相环（PLL）的频率合成方法。 基本锁相环路是由相位比较器（PD），压控振荡器（VCO）和环路滤波器（LPF）组成的闭