第2章 信号发生器(59)

1、电 子 测 量 技 术河北师范大学职业技术学院 第2章 信号发生器 2.1 信号发生器概述 2.2 低频信号发生器 2.3 高频信号发生器 2.4 函数信号发生器 2.5 合成信号发生器 2.6 脉冲信号发生器习 题 2.1.1 信号发生器分类2.1 2.1 信号发生器概述信号发生器概述1按输出波形分类 （1）正弦信号发生器： 产生正弦波或受调制的正弦波。（2）脉冲信号发生器： 产生脉宽可调的重复脉冲波。（3）函数信号发生器： 产生幅度与时间成一定函数关系的信号，如正弦波、三角波、方波等各种信号。（4）噪声信号发生器： 产生各种模拟干扰的电信号。 2. 按输出频率范围分类（1）超低频信号发生器

2、：频率范围为0.001Hz1 kHz。（2）低频信号发生器：频率范围为1 Hz1 MHz。（3）视频信号发生器：频率范围为20Hz10 MHz。（4）高频信号发生器：频率范围为200 kHz30 MHz。（5）甚高频信号发生器：频率范围为30300 MHz。（6）超高频信号发生器：频率范围为300 MHz以上。 由于电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类日益增多，性能日益提高。随着微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在的许多信号发生器都带有微处理器，具有自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高精度、多功能、多用途、

3、自动化和智能化方向发展。 2.1.2 信号发生器发展趋势2.2.1 低频信号发生器基本组成2.2 2.2 低频信号发生器低频信号发生器主振荡器缓冲放大衰减功率放大阻抗变换电压表电压输出功率输出图2-1 低频信号发生器方框图 2.2.2 低频信号发生器工作原理1主振荡器 0112212fRC R C主振荡器采用RC文氏电挢振荡电路，它具有输出波形好、振幅稳定、频率范围宽及频率调节方便等优点。 图2-2 RC文氏桥振荡电路 R1R1R2R2C1C1C2C2RtRtR RA AU U0 0+ +- -)(31)(31)1(31)(0000212ffffjjCRCRjZZZUUjNioRCfRC21,

4、1003/ )(arctan)()(31)()(0022002jNN当= 0=1/RC;N()=1/3;K=3时，电路起振，并维持振荡。（1）工作原理（2）频率调整（3）温度补偿2、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，通常分为连续调节和步进调节。连续调节由电位器实现，步进调节由电阻分压器实现。 3、功率放大器4、阻抗变换器5、电压表2.2.3 低频信号发生器的使用1、频率选择：（1）根据所需频段按下相应“频率范围”按钮或波段开关，然后再用按键开关上面的“频率调节1、2、3旋钮按照十进制原则进行细调。例如：“频率范围”指10100kHz档，“频率调节1”指4，“频率调节 0.1”

5、指8，“频率调节 001”指7，则此时输出频率为 48.7 kHz。若产生465KHz信号则： “频率范围”指1001000kHz档，“频率调节1”指4，“频率调节 0.1”指6，“频率调节 001”指5，XD-2低频信号发生器面板2、输出电压调整：用电缆直接从“电压输出”插口引出。通过调节输出衰减旋钮和输出细调旋钮，可以得到需要的输出电压。电压输出端钮上的负载应大于5k .例如：欲得到1mV电压，可调整“输出细调”使电压表指示1V；再调整“输出衰减”开关指到“60dB”。2.3.1 高频信号发生器基本组成2.3 2.3 高频信号发生器高频信号发生器图2-3 高频信号发生器方框图 主振荡器缓冲

6、放大衰减输出级调制级电压表输出调制振荡器调制度2.3.2 高频信号发生器工作原理1主振荡器 主振荡器采用LC振荡电路，按其反馈形式，可分为变压器反馈式、电感反馈式（电感三点式或哈特来式）和电容反馈式（电容三点式或考毕兹式）三种电路形式。通过切换电感改变波段，通过改变振荡回路电容调整频率。通常用改变电感来切换频段，改变电容c进行频段内频率细调。3、内调制振荡器一般高频信号发生器产生的内调制信号有400Hz和1kHz两种。 缓冲放大器通常采用调谐放大器，其作用：一是放大振荡器输出的高频信号电压； 二是在输出器和振荡器间起隔离作用(因此也叫缓冲放大器)以提高振荡频率稳定性；三是 兼作调幅信号的调幅器

7、，（调频一般是在振荡级直接进行，比如用改变偏压的方法改变LC振 荡器中电容以达到调频的目的）。 2、缓冲放大器4、输出级其电路主要由放大器、滤波器和衰减器等组成。 XFC-6标准信号发生器频率范围100KHz300MHz，分八档；输出电压在端接75负载上为0.05V一50mV连续可调； 具有内调幅、外调幅、内调频、外调频及外部视频信号调幅等功能。2.3.3 高频信号发生器的使用 XFC6标准信号发生器组成框图1、频率选择：（1）根据所需频率将“频率范围”开关转到相应位置；（2）然后再用“频率调节”旋钮调到需要的频率。2、输出电压调整：3、调幅度调整：2.4 函数信号发生器函数信号发生器实际上是

8、一种多波形信号源，可以输出正弦波、方波、三角波、锯齿波等信号。目前函数发生器输出信号的重复频率可达50MHz。除了作为正弦信号源使用之外，还可以用来测试各种电路和机电设备的瞬态特性数字电路的逻辑功能、模数转换器（A/D）、压控振荡器以及锁相环的性能。产生信号的方法有三种：一种是用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。施密特触发器用来产生方波。方波信号送至积分器。通常积分器使用线性很好的密勒积分电路，于是在积分器输出端可得到三角波信号。三角波经过非线性网络形成正弦波。用分段折线逼近的方法来实现。例如若一

9、个电路具有如图215（a）所示的电路特性，将三角波加到该电路后，能得到如图2-15（b）所示的波形。由图可见，这种网络对信号的衰减会随三角波幅度的加大而增加，产生削顶，从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。 2.4.1 由方波产生三角波、正弦波施密特触发器积分器正弦波转换器放大器输出用二极管组成的正弦波形成电路如下图：用二极管和电阻构成三角波的“限幅”电路，它实际上是一个由输入三角波Vi控制的可变分压器。在三角波的正半周，当Vi的瞬时值很小时，所有的二极管都被偏置电压E和E截止，输入三角波经过电阻R直接输送到输出端作为V0。当三角波

10、的瞬时电压Vi上升到: 112345AiAAAAARVERRRRR 时二极管D1A导通，于是由电阻R1、R1A和R组成的分压器接通，使三角波通过该分压器输送到输出端，且输出电压V0为: 11011AARRVERRR 随着三角波电压（Vi）瞬时值不断上升，二极管D2A、D3A、D4A将依次导通，使分压器的分压比逐渐减小，从而使三角波趋于正弦波。在三角波的正峰过后就是斜降过程，由于瞬时电压逐渐下降，二极管D4A、D3A、D2A、D1A又相继截止。进入负半周后二极管D1B、D2B、D3B、D4B也按同样的过程相继导通和截止，从而在输出端得到正弦波V0. （1）集成度高，外围元件少。（2）可同时产生正

11、弦波、三角波和方波。（3）电源电压范围宽，可单、双电源供电。（4）工作频率在0.001Hz300kHz范围内可调节。（5）输出脉冲（或方波）电平可在4.2V到28V。（6）输出脉冲波占空系数可在199%范围内调节。（7）输出正弦波失真小于1%；三角波输出线性度可优于0.1%；输出各类波形的频率漂移小于50ppm/；2.4.2 函数产生器专用集成电路1、单片函数信号发生器ICL80381.正弦波线性调节；2.正弦波输出；3.三角波输出； 4. 占空比调节；5. 占空比调节； 6. 正电源；7. 调频偏置电压； 8. 调频控制输入端；9. 方波输出（集电极开路输出）； 10. 外接电容；11. 负

12、电源或接地；12.正弦波线性调节； 13、14. 空脚。2、 MAX038型单片集成电路（1）能产生精确的高频正弦波、矩形波（含方波）、三角波和锯齿波，输出波形既可以人工设定，亦可以由微机或其它数字手段控制。（2）频率范围很宽，从0.1 Hz直到20 MHz，最高可达40 MHz，频率设定分为粗调和细调两种。改变振荡电容充、放电电流，可以大幅度调节频率，改变FADJ端的电位，能对频率进行精细调节；（3）输出电压幅度均为2VP-P，对于地电位而言则是1 V1V，输出阻抗小于0.1，低阻抗输出能力可以达到20 mA 。（4）占空比调节范围宽，最大调节范围为1090（一般应用在1585%的范围内），

13、且占空比与频率均可单独调节，互不影响。（5）输出波形失真小，正弦波总谐波失真度仅为0.75，占空比调节的非线性度只有20。集成电路MAX038有20个引脚，其直插式封装引脚排列，引脚名称及功能如表下： 1脚（REF）2.5V基准电压输出端； 2脚（GND）地； 3脚（A0）和4脚（A1）波形选择输入,TTL/CMOS兼容； 5脚（COSC）外部电容接线端； 6脚（GND）地； 7脚（DADJ）占空比调节输入端； 8脚（FADJ）频率调节输入端； 9脚（GND）地； 10脚（IIN）频率控制电流输入端； 11脚（GND）地； 12脚（PDO）相位检测器输出端，若相位检测器不用，可将此端接地； 1

14、3脚（PDI）相位检测器参考时钟输入端，若相位检测器不用，可将其接地； 14脚（SYNC）TTL/CMOS兼容输出端，参考值在DV+和地之间，可以使内部振荡器与外部信号同步；若此脚不用；则让它开路； 15脚（DGND）数字地，为使SYNC失效或SYNC不用，则让它开路； 16脚（DV+）数字5V供电输入端，如果不用SYNC，则让它开路； 17脚（V+）+5V供电输入端； 18脚（GND）地； 19脚（OUT）正弦波、方波、三角波输出端； 20脚（V-）5V供电输入端。注意：五个地(GND)在内部没有互相连接，应用时要把五个地连接到靠近芯片的一个近地点。 随着电子科学技术的发展，对信号频率的稳定

15、度和准确度提出了愈来愈高的要求。例如在无线电通信系统中，蜂窝通信频段在912MHz并以30kHz步进。为此，信号频率稳定度的要求必须优于10-6。同样，在电子测量技术中，频率的稳定和准确度是信号源的一个重要的技术指标。RC、LC为主振级的信号源中，频率准确度达10-2量级，频率稳定度达10-310-4量级，远远不能满足现代电子测量和无线电通信等方面的要求。以石英晶体组成的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。 2.5 合成信号发生器频率合成技术，该技术是对一个或几个高稳定度频率源进行加、减、乘、除算术运算，得到一系列所要求的频率。频率的加、减通过混频获得，乘 、除通过倍

16、频、分频获得，采用锁相环也可实现加、减、乘、除运算。合成信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。 2.5.1 合成信号源的主要技术指标（1）频率准确度和稳定度 取决于内部基准源，一般能达到10-8/日或更好的水平。HP8663A合成信号发生器的频率稳定度已达到510-10/日。（2）频率分辨力 由于合成信号源频率稳定度较高，所以分辨力也较好，可达（0.0110）z。（3）相位噪声：信号相位的随机变化称为相位噪声，相位噪声要引起频率稳定度下降。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格限制，通常宽带相位噪声应低于-60dB ，远端相位噪声（功率谱密度）

17、应低于-120dB/Hz 。（4）相位杂散 在频率合成的过程中常常会产生各种寄生频率分量，称为相位杂散。相位杂散一般限制在-70dB以下。 需要说明的是：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；而相位噪声则在两旁呈连续分布。（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时间。直接合成信号源的转换时间为微秒量级，而间接合成则需毫秒量级。 在一个信号源中可能同时采用多种合成方法。 2.5.1 合成信号源工作原理频率合成的方法间接合成法直接合成法基于锁相环原理模拟直接合成法数字直接合合成法1、间接合成法锁相环( phase locked loop ，PLL) 可以看作

18、为中心频率能自动跟踪输入基准频率的窄带滤波器。如果在锁相环内加入有关电路就可以对基准频率进行算术运算，产生人们需要的各种频率。 锁 相 环 原 理 图锁相环由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)以及压控振荡器(VCO)组成。VCO输出频率f0反馈至鉴相器，在此与基准频率fr(由晶体振荡器产生)进行相位比较。PD的输出 V0与两个信号（fr和f0）的相位差成正比。V0 经过LPF之后得到缓慢变化的直流分量V0 控制VCO。当环路稳定时，VCO的输出频率f0 等于fr,即 f0 =fr 锁相环的输出频率（f0 ）和基准频率（fr）具有同等稳定度，或者说合成信号源的频率稳定度可以提高到晶体振荡器的水

19、平，达10-8 ， 在锁相环反馈回路中加入有关电路就可实现对基准频率fr进行各种运算。 在锁相环反馈回路中加入有关电路就可实现对基准频率fr进行各种运算，得到各种所需频率。 倍频式锁相环 反馈支路接入N分频器，在环路锁定时f0N=fr，得到：f0=Nfr 倍 频 式 锁 相 环在图（b）中，基准频率fr首先被形成窄脉冲，再以其N次谐波（N fr）作用于锁相环。因此有：f0= N fr 分频式锁相环 分 频 式 锁 相 环rrfNffNf100数字环是由数字分频器或倍频器实现的，其数值可以为任意值，根据f0的要求而设定；所谓脉冲环是以窄脉冲形成电路产生若干种谐波频率，只取其次谐波作用于鉴相器，因

20、此得名于脉冲环。 2 2、直接合成法之一、直接合成法之一 ：模拟直接合成法：模拟直接合成法 模拟直接合成法是借助电子线路直接对基准频率进行算术运算，输出各种需要的频率。 (1)(1)固定固定频频率合成法率合成法 固定频率合成原理固定频率合成原理晶体振荡器提供基准频率fr，为分频器的分频系数，为倍频器的倍频系数。因此，输出频率f0为：0rNffD（2 2）可变频率合成法）可变频率合成法 连 续 分 频 混 频 电 路连续混频分频电路，在该合成电路中，首先使用基准频率fr=5MHZ在辅助基准频率发生器中，产生各种辅基准频率：2MHz，16MHz，2.0MHz，2.1MHz，.，2.9MHz，然后借

21、助混频器和分频器进行频率运算，实现频率合成。频率选择开关是根据所需输出频率（f0）的值从2.0MHz,2.1MHz,.，2.9MHz中选择相应数值分别作为f1f4。图中纵向的混频分频电路组成一个基本运算单元，这里有个相同的单元，它们所产生的输出频率依次从左向右传递，并参予后一单元的运算。例如从左边开始的第一单元，首先fi1=2MHz和F(=16MHz)进行混频，其结果再与辅助基准f1进行混频，两次混频得:fi1+F+f1=2+16+(2.0-2.9)MHz=(20.0-20.9)MHz经分频得（2.00-2.09）MHz。再以该频率作为第二单元的输入频率fi2继续进行运算。从左至右经过次运算，

22、最后得输出信号的频率f0为: f0=(2.00000-2.09999)MHz.根据频率选择开关的状态，可以输出10000个频率，频率间隔F=10F=10HzHz， 自20世纪70年代以来，由于大规模集成电路的发展以及计算机技术的普及，开创了另一种信号合成方法直接数字合成法（Direct Digital Frequency Synthesis，简写为DDFS） 3 3、直接合成法之二：数字直接合成法、直接合成法之二：数字直接合成法 直接数字合成的过程是在标准时钟CLK的作用下，通过控制电路按照一定的地址关系从数据存储器ROM(或RAM)单元中读出数据，再进行数模转换(D/A)，就可以得出一定频率

23、的输出波形。由于输出信号(在D/A的输出端)为阶梯状，为了使之成为理想正弦波还必须进行滤波，滤除其中的高频分量，所以在D/A之后接一平滑滤波器，最后输出频率为f0的正弦信号波形。 在正弦波一周期(3600)内，按相位划分为若干等分()，将各相位所对应的幅值()按二进制编码并存入ROM。设=60，则一周期内共有60等分。由于正弦波对1800为奇对称，对900和2700为偶对称，因此ROM中只需存00900范围的幅值码。若以=60计算，在00900 之间共有15等分，其幅值在ROM中占16个地址单元。因为24=16，所以可以按4位地址码对数据ROM进行寻址。现设幅度码为位。则在00900范围内编码

24、关系如下表： 111111.0009001111111110.9948401110111110.9787801101111100.9517201100111010.9146601011111000.8666001010110100.8095401001110000.7424801000101010.6694200111100110.5883600110100000.5003000101011010.4062400100010100.3091800011001110.2071200010000110.105600001000000.000000000幅值编码幅值（满度值为）相位地址码时钟CLK的

25、速率为固定值fc。在CLK的作用下，如果按照0000000100101111的地址顺序读出中的数据，即表中的幅值编码，其输出正弦信号频率为f01；如果每隔一个地址读一次数据（即按0000001001001110次序），其输出信号频率为f02；f02将比f01提高一倍，即f02=2 f01，依此类推，这样，就可以实现直接数字频率合成器的输出频率的调节。 脉冲信号发生器主要是为脉冲电路和数字电路的动态特性的测试提供脉冲信号。如研究限幅器的限幅特性、钳位电路的钳位特性、触发器的触发特性、门电路的转换特性和延迟时间、开关电路的开关速度及数字集成电路和计算机电路时均需要脉冲信号。脉冲信号源产生的信号，其

26、重复频率（或重复周期）、脉冲宽度、输出幅度等，在较大的范围内均可调节，且能准确读数； 2.6 脉冲信号发生器2.6.1 脉冲信号发生器基本组成1主振级主振级的作用是形成一个频率稳定度高、调节性能良好的周期信号，作为下一级电路的触发信号。主振级一般由多谐振荡器组成，特点是电路简单，频率连续可调，可工作在外触发状态。当“内触发”时，主振级是一个多谐振荡器；当“外触发”时，主振级就相当一个单稳态电路了。 2. 延迟级 脉冲信号发生器除了具有主脉冲输出外，一般还要求有“同步”外部设各或仪器的同步脉冲输出，而主脉冲和同步脉冲之间需要有一定的延迟。延迟级就是为完成这种延迟作用而设置的。 3. 脉冲形成级 脉冲形成级的作用是形成脉冲宽度稳定性好、具有良好宽度调节性能的矩形脉冲波。其宽度一般为2.5 ns1 s。脉冲形成级的电路一般采用单稳态触发器和脉冲加、减电路。 4放大整形级 为了使输出的脉冲波更趋近矩形，通常要求脉冲波形的前、后沿要陡峭，而整形级能充分改善矩形脉冲的形状并具有电流放大作用。脉冲整形级由电流开关电路组成。而延迟级、形成级、整形级又构成脉冲形成级。 5极性转换级 通过倒相器和极性选择开关，控制输出脉冲极性。 6.输出级 输出级的作用是对输出脉冲信号进行幅度放大