第2章 测量用信号源

第2章测量用信号源2.1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2.7电视信号发生器本章小结2.1概述2.1.1信号发生器的功能2.1.2信号发生器的分类2.1.3信号发生器的发展趋势2.1.1信号发生器的功能

信号源是指测量用信号发生器。它是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号设备，是电子测量中最基本、应用最广泛的电子测量仪器之一。如图2-1所示。图2-1信号源的功能信号源被测网络测试设备输入激励输出相应2.1.2信号发生器的分类

信号发生器的分类标准较多，下面仅介绍几种常见标准的分类。（1）按信号发生器的输出波形分类①正弦信号发生器。主要输出正弦波或受调制的正弦波信号。②脉冲信号发生器。主要输出脉宽可调的重复脉冲波信号。③函数信号发生器。主要输出幅度与时间成一定函数关系的电信号，如正弦波、三角波、方波以及调制波等各种电信号。④噪声信号发生器。主要输出各种模拟干扰的电信号。（2）按信号发生器的输出频率范围分类①超低频信号发生器。其频率范围为0.001Hz～1KHz，主要用于电声学、声纳学、地震测量等领域。②低频信号发生器。其频率范围为1Hz～1MHz，主要用于音频、电报通信、家用电器等领域。③视频信号发生器。其频率范围为20Hz～10MHz，主要用于电视设备、无线电广播等领域。④高频信号发生器。其频率范围为200KHz～30MHz，主要用于广播、电报等领域。⑤甚高频信号发生器。其频率范围为30～300MHz，主要用于电视、调频广播、导航等领域。⑥超高频信号发生器。其频率范围为300MHz以上，主要用于雷达、导航、气象等领域。（3）按信号发生器的性能指标分类①一般信号发生器。是指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度及波形失真等要求不高的一类信号发生器。②标准信号发生器。是指输出信号的频率、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，屏蔽性良好的中、高档信号发生器。此外，还有其他的一些分类方法。如按作用范围可分为通用信号发生器和专用信号发生器（如调频立体声信号发生器、电视信号发生器及矢量信号发生器等）。按调节方式可分为普通信号发生器、扫频信号发生器和程控信号发生器等。按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等。2.1.3信号发生器的发展趋势由于电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类日益增多，性能日益增强。特别是随着微处理器的发展，更促进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、自动化和智能化方向发展。2.2低频信号发生器2.2.1基本组成和工作原理2.2.2XD-22A型低频信号发生器2.2.1基本组成和工作原理低频信号发生器的基本组成框图如图2-2所示。图2-2低频信号发生器框图主振荡缓冲放大电平调节功率放大衰减器阻抗变换电压输出功率输出电压指示表产生低频正弦信号缓冲和电压放大的作用改变信号发生器的输出电压和功率对信号进行功率放大匹配负载指示输出电压1．主振荡也叫主振级，用来产生低频正弦信号，其振荡频率范围即为低频信号发生器的有效频率范围。常见的电路形式有差频式振荡器和RC振荡器两类。（1）差频式振荡器其工作原理是：两个高频振荡器分别产生一个频率固定的振荡信号ƒ1和一个频率可变的振荡信号ƒ2，同时进入混频器，产生低频差频信号，再经过低通滤波器去掉高频部分，最后通过低频放大器放大，即可得到具有一定幅度的低频电压信号。用这种方法产生的低频正弦信号，其频率覆盖面比较宽。其缺点是频率稳定性差，特别是ƒ1与ƒ2接近时，极易产生干扰，这样也就很难获得频率较低的差频输出。固定频率振荡器可变频率振荡器混频器低通滤波器放大器f1f2（2）RC振荡器

为了克服差频式振荡器的缺点，现代低频信号发生器普遍采用RC振荡器。RC振荡器又可以分为RC移相振荡器、RC双T振荡器以及RC文氏电桥振荡器三种。由于频率特性不理想或调节不方便等原因，一般不采用前两种振荡器，而用得较多的是RC文氏电桥振荡器。它具有输出波形好、振幅稳定、频率范围宽以及频率调节方便等优点。图2-4XD-22A型振荡器原理图图2-5串-并联正反馈选频网络

RC文氏振荡器实际上是一种电压反馈式振荡器，由运算放大器A、具有选频作用的正反馈之路和具有稳幅作用的负反馈之路三个部分组成。其中，电阻R1与R2、可变电容C1与C2等组成具有选频功能的串-并联正反馈之路。由热敏电阻Rt与电阻R11组成的负反馈之路主要起稳幅作用。整个电路频率的调节是通过改变桥路电阻值和电容值来实现的，用波段开关改变R1与R2进行频率粗调，用同轴双联可变电容改变C1和C2进行频率细调。R112．缓冲放大器缓冲放大器兼有缓冲和电压放大的作用。缓冲的目的是为了隔离后级电路对主振荡电路的影响，确保主振频率稳定，一般采用射（源）极跟随器或运放组成的电压跟随器。放大的目的是为了使主振荡的输出电压达到预定技术指标，要求其频带宽、谐波失真小、工作稳定等。3．电平调节器①作用。电平调节器相当于衰减器，用于改变信号发生器的输出电压或功率。②电路形式。图2-6所示电路是XD-22A型低频信号发生器中所使用的输出衰减器。由图可见，它由连续调节和步进调节两级衰减组成。连续调节由连续调节电位器RP来实现，步进调节由电阻R1～R8组成的电阻分压器以及输出衰减开关S来实现。图2-6衰减器原理图工作原理：由连续调节电位器Rp取出一部分信号电压Ui加于电阻R1~R8组成的电阻分压器（步进衰减器）上，调节电位器Rp在不同位置，或调节输出衰减开关S与不同档位，均可使衰减器输出不同的电压值。图2-6中，输出电压U0与输入电压Ui的关系为：衰减量的表示

衰减量的表示通常有两种方法，一种是直接用步进衰减器的输出电压U0与输入电压Ui的比值来表示，及U0/Ui。例如当U0/Ui=0.1时，表示为×0.1,即衰减十倍。另一种是将上述比值取对数再乘以20，即：20lg（U0/Ui

），其单位为dB（分贝）。由于比值总是小于1，所以对数必定为负数。但在不造成混淆的情况下，可将负号省掉。4．功率放大器功率放大器的作用是对衰减器送来的电信号进行功率放大，使其能够达到额定的输出功率。要求功率放大器的工作效率高，谐波失真小。5．阻抗变换器阻抗变换器用于匹配不同阻抗的负载，以获得最大输出功率。6．电压指示表电压指示表用于指示电压放大器的输出电压幅度。注意，指示值不是仪器最终输出电压幅度。最终输出电压幅度应等于电压指示表所指示的电压幅度除以衰减器的衰减倍数。XD-22A型低频信号发生器是一款多功能，宽频带的通用测量仪器，它除了产生正弦波信号外，还能产生脉冲信号和逻辑信号，并采用3位LED数码管来显示频率。1、主要技术性能（1）频率范围：1Hz~1MHz，共分为六个波段。

Ⅰ波段：1~10HzⅡ波段：10~100HzⅢ波段：100Hz~1KHzⅣ波段：1KHz~10KHzⅤ波段：10KHz~100KHzⅥ波段：100KHz~1MHz2.2.2XD-22A型低频信号发生器（2）频率误差Ⅰ~Ⅴ波段小于±1.5%输出频率，Ⅵ波段小于±2%输出频率（3）正弦信号幅度：＞6V频率响应：＜±1dB，这一技术性能的含义是，信号频率在1Hz~1MHz范围内变化时，信号发生器对不同频率的信号增益的偏差要小于1dB电压表误差：＜±5%满刻度值输出阻抗：（600±10）Ω（4）脉冲信号（10Hz~200KHz）电压幅度（峰-峰值）为0~10V，且连续可调上升、下降时间：＜0.3μs上冲、下冲时间：＜7%脉冲宽度：连续可调（5）逻辑信号波形：方波（正极性）幅度：高电平为（4.5±0.5）V，低电平＜0.3V2、面板结构图及按键功能1)面板结构图及按键功能XD-22A型低频信号发生器的面板结构如图2-7所示。图2-7XD-22A型低频信号发生器面板图指示电压表XD-22A型低频信号发生器输出衰减dB输出细调频率开电源占空比频率显示窗接通电源步进旋钮微调旋钮占空比调节旋钮：调节脉冲信号的占空比波形输出开关信号输出插孔：S弹出：下输出孔输出正弦波信号S按进：下：脉冲波信号上：逻辑信号波段输出细调旋钮：调节电压指示表显示的电压输出衰减调节开关：调节衰减器的衰减倍数频率单位显示显示输出信号的频率值电压指示表：指示缓冲放大器的输出电压幅度值波段选择开关：选择调节波段频率调节旋钮（1）电源开关。（2）波段选择开关。共有六个波段。（3）频率调节旋钮。又包括三个步进旋钮和一个微调旋钮。（4）占空比调节旋钮。用于调节脉冲信号的占空比。（5）输出波形转换开关S。（6）信号输出插孔。（7）输出细调旋钮。用于调节电压指示表所显示的电压。（8）输出衰减调节开关。用于调节衰减器的衰减倍数。（9）频率单位指示。（10）频率显示窗。（11）电压指示表。2）使用注意事项：开机前，把输出细调旋钮置于最小值处，防止开机时因起振幅度超过正常值而打坏表针开机后，让仪器预热片刻，等表头指示稳定后再开始使用输出波形由输出波形开关S控制信号输出电缆的长度以（1±10%）m为宜，太长或太短都会引起高频段（f＞500KHz）电压误差3）使用方法（1）选择波形。由输出波形转换开关S控制。（2）调频率。先调波段开关，选择待输出信号频率所在的波段，再调频率调节旋钮及频率微调旋钮。即由波段选择开关和三个频率调节旋钮配合使用，进行调节；在数码显示窗上将显示出读数，三个数码管对应显示三个频率旋钮的调节值；Hz、KHz指示灯指示所显示频率的单位。如，需要输出频率为2370Hz的信号，首先将波段选择开关置于Ⅳ波段，此时KHz指示灯亮；然后分别调节三个频率调节旋钮，从左至右分别置于“2”、“3”和“7”刻度；此时数码显示出2.37，即2.37KHz。输出即为2370Hz。（3）幅度调节。先调输出细调旋钮，再调输出衰减旋钮。即由输出细调旋钮和输出衰减旋钮配合使用，进行调节；面板左上方的表头将显示出电压读数；实际输出值等于电压读数除以衰减倍数，即U实＝U示/衰减倍数。【例2-1】要用XD-22A输出一个频率为74000Hz，电压为10mV(有效值)的正弦信号，如何调节？解：第1步，弹出输出波形转换开关S，使输出为正弦信号。第2步，将波段选择开关置于Ⅴ波段，此时KHz指示灯亮；然后分别调节三个频率调节旋钮，从左至右分别置于“7”、“4”和“0”刻度；此时数码显示出74.0，即74.0KHz。第3步，调节输出细调旋钮使电压读数为“1”；再调节输出衰减旋钮，使其置于“40”，即衰减40dB，由表2-1可知，衰减了100倍（即为原值的0.01）；输出有效电压则为1V÷100＝10mV。2.3高频信号发生器高频信号发生器是一种向电子设备提供等幅正弦波和调制波的高频信号源，其工作频率一般为100KHz~35MHz。高频信号发生器按性能指标可分为：标准高频信号发生器和一般高频信号发生器；高频信号发生器按照调制方式可分为：调频和调幅高频信号发生器主要内容：2.3.1基本组成和工作原理2.3.2EE1051型高频信号发生器2.3.1基本组成和工作原理

高频信号发生器主要由主振级、调制级、内调制振荡器、输出级、监视器和电源等六部分组成。其原理框图如图2-8所示。图2-8高频信号发生器的基本框图主振级调制级输出级外调制输入外内内调制振荡器监视器电源输出工作原理：由主振级产生的高频等幅正弦信号，被送入调制级内，在此内调制振荡器产生的音频信号或外调制输入的音频信号对其进行幅度（或频率）调制，然后送到输出级，由内部的衰减电路衰减后输出，以保证有一定的输出电平调节范围和恒定的源阻抗。当然，也可直接输出高频等幅正弦信号和音频信号。监视器则用来测量输出信号载波的电平和调幅系数。1．主振级主振级就是载波信号发生器，又叫高频振荡器，其作用是产生高频等幅载波信号。振荡电路通常采用LC振荡器，根据反馈方式的不同，可以分为电容反馈式、电感反馈式及变压器反馈式等三种振荡器形式。通常通过切换振荡回路中不同的电感L来改变频段，通过改变振荡回路中的电容C来实现振荡频率的调节。频率稳定度是高频信号发生器的主要指标，必须采取措施来提高。主振频率的不稳定原因一般有两方面。一方面是外界条件（如，温度、电源电压、负载、湿度等）的变化，直接影响LC振荡回路参数的变化。另一方面是电路和元件内部的噪声、元器件老化等产生的寄生相移，引起间接的频率变化。2．调制级将主振级产生的高频等幅载波信号与调制信号发生器产生的音频调制信号（400Hz或1KHz）同时送到调制级后，从调制级输出的就是载有音频信号的已调波了。高频信号发生器中的调制，多采用正弦波幅度调制、脉冲调制、视频幅度调制和正弦波频率调制等。调幅主要用于高频段，调频主要用于甚高频和超高频段，脉冲调制多用于微波信号发生器，视频调制主要用于电视使用的频段。现在的高频信号发生器大都能同时进行调幅和调频两种调制。

3．输出级高频信号发生器中的输出级，主要由放大器、滤波器、连续可调衰减器、步级衰减器等组成。其作用主要是对已调信号进行放大和滤波，然后在此基础上通过衰减器对输出电平进行较大范围的调节和输出阻抗的变换，以适应各种不同的需要。对输出级的要求是：输出电平调节范围宽，能准确读出衰减量，有良好的频率特性，输出端有固定而准确的内阻。4．调制信号发生器调制信号有内调制信号和外调制信号两种。调制信号发生器就是产生内调制信号的，也叫内调制振荡器，一般的高频信号发生器产生的内调制信号有400Hz和1KHz两种。5．监视器

监视器主要用来测量输出信号载波的电平和调幅系数，显示输出信号的频率、幅度、波形等，对输出信号进行监视。

6．电源

电源供给各部分所需的直流电压，使各部分正常稳定地工作。1、主要技术参数（1）信号频率频率范围。100KHz~150（谐波450）MHz，共分为六个频段。Ⅰ频段：100KHz~0.32MHzⅡ频段：0.32MHz~1MHzⅢ频段：1MHz~3.2MHzⅣ频段：3.2MHz~10MHzⅤ频段：10MHZ~35MHzⅥ频段：35MHz~150（谐波450）MHz频率显示。采用四位LED显示输出信号频率2.3.2EE1051型高频信号发生器（2）信号幅度：信号幅度不小于60mV有效值，有高低电平控制，并可连续调节。（3）调制方式：调制方式有调频、调幅两种。内调制：1KHz正弦波；外调制：50Hz~20KHz。（4）音频信号：工作频率：1KHz±20%；失真度：小于3%；输出幅度：不小于1.5V有效值。（5）电源和功耗：电源电压220V±10%；电源频率：50Hz±5%；功率：不大于10W。（6）环境要求：工作温度0~+40℃（7）可靠性：平均无故障工作时间（MTBF）≥3000h2、整机结构和工作原理图2-12EE1051型高频信号发生器整机结构框图频率调节频段选择（1~6）振荡器ALC放大音频源调制控制计数器电源微机显示振荡输出信号输出FM调制输入/输出-12V+5VAM1KHzALC主要工作原理：

频率范围选择开关和频率微调旋钮使振荡器产生所需频率的振荡，振荡器的输出信号经ALC放大电路进行稳幅放大后分为两路，一路有计数器计数后送微机单元显示，另一路通过衰减网络送至前面板输出。内部音频发生器产生1KHz的音频信号，内、外调制有开关控制，选出的信号一路至振荡器进行调频，另一路至ALC放大器进行调幅。3）仪器面板图。EE1051高频信号发生器的前面板结构示意图如图2-13所示。图2-13EE1051高频信号发生器前面板示意图型高频信号发生器电源关开频率微调调幅连续波外调制单声道右/内调频调制波内调制立体声左/外调制方式输出幅度带宽微调粗调射频输出频率范围音频输出/输入电源开关频率显示输出信号端口音频信号的输出、输入端口频率范围旋钮用于选择输出信号频率连续调节范围粗调按钮用于调整输出信号的电平高低。按下按键，高电平输出，按键弹出，低电平输出。在频率小于32MHz时，约有20dB的衰减量微调旋钮用于在一定范围内调节输出信号幅度的大小频率微调旋钮用于在所选的频段内对输出信号频率进行连续调节调制控制调制波/连续波按键可以打开或关闭调制功能。按下：调制波，弹出：连续波内调制/外调制按键可对音频调制信号进行选择。按键弹出：外部调制，调制信号从“音频输出/输入”端口输入；按键按下：内部1KHz调制，同时1KHz音频信号可从“音频输出/输入”端口输出调频/调幅按钮用于控制调制方式。按下：输出调幅信号；弹出：输出调频信号，调频产生频偏可以通过带宽调节旋钮进行调整2.4函数信号发生器函数信号发生器是一种多波形的信号源。它能产生某些特定的周期性时间函数波形，如正弦波、矩形波、三角波、锯齿波、正负脉冲波，甚至任意波形。此外，函数信号发生器也可以利用其本身所具有的电压控制振荡频率（VCF）的功能，而作为扫描电路使用。一些函数信号发生器还具有调制功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和压控振荡器（VCO）控制。函数信号发生器的频率范围很宽，从几毫赫兹直至几十兆赫兹，使用范围广，是一种不可或缺的通用信号源。主要内容：2.4.1函数信号发生器的基本原理2.4.2MFG-8216A型函数信号发生器2.4.1函数信号发生器的基本原理

函数信号发生器产生信号的方法有三种：第一种是先产生正弦波再得到方波和三角波；第二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；第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波1．由正弦波产生方波、三角波其工作原理是：首先由文氏电桥振荡电路产生正弦波信号，再送入放大器进行幅度放大。所得的正弦波信号一方面送在波形选择开关K处待命，另一方面送入正负矩形脉冲形成电路，经其内部的整形电路限幅，再经微分、单稳态调宽、放大后便得到正负矩形脉冲信号。所得的正负矩形脉冲信号一方面送到波形选择开关K处待命，另一方面同时送入正负尖脉冲形成电路和锯齿波形成电路，使其分别产生正负尖脉冲信号和锯齿波信号。最后，正弦波信号、正负矩形脉冲信号、正负尖脉冲信号和锯齿波信号由波形选择开关K选择后送入衰减器进行衰减后输出。

这种方法产生的正弦波的波形很好，都在20Hz~20KHz范围内，谐波失真课小于0.1%。正负矩形脉冲信号的幅度可调，其宽度也可在0.1~10000μs内连续可调。脉冲前沿小于40ns。正负尖脉冲信号的宽度可小于0.1μs。锯齿波信号的扫描时间可连续调节，调节范围为0.1~10000μs。但是由于这种方法采用的是文氏电桥振荡器，所以其工作频率不是很宽，通常为1Hz~1MHz。2．由方波产生三角波、正弦波图2-15由方波产生正弦波和三角波的原理图施密特触发器用来产生方波。它可由外触发脉冲触发，也可由内触发脉冲发生器产生的触发信号触发，由图中的触发源选择开关S1进行选择。施密特触发器在触发信号的作用下翻转，并产生方波，方波再送至积分器（通常积分器采用线性很好的积分电路），于是在积分器的输出端可得到三角波信号。调节积分器的积分时间常数RC的值，可改变积分速度，即改变输出的三角波的斜率，从而调节三角波的幅度。或者将积分器输出的三角波信号反馈至施密特触发器的输入端，作为反馈信号，通过调节积分时间常数RC值可到达触发电平所需的时间，从而改变所产生的方波和三角波信号的频率，RC很大时即可获得频率很低的信号。正弦波形通常是用三角波经非线性成形网络，用分段折线逼近的方法来产生。电路图2-16所示为一种正弦波形成电路。其功能是将三角波整形为近似的正弦波输出。电路中使用了6对二极管。+2V、-2V直流电源和电阻R1～R6及为二极管提供适当的偏压，以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置。随着输入三角波信号电压升高或降低的变化，6对二极管依次导通或截止，并把电阻R8～R12依次接入电路或从电路中断开。图2-16正弦波整形电路

由图可知，多导通一个二极管将多增加一条电阻并联支路，因而输出电压斜率会降低，形成一段折线。相反，若多截止一个二极管将多减少一条电阻并联支路，因而输出电压斜率会升高，同样也将形成一段折线。图中Rd1和Rd2分别为二极管V1和V2的正向导通电阻。（a）VD1导通时的等效电路（b）VD1和VD2同时导通时的等效电路图2-17二极管导通时的等效电路其输出波形如图2-18所示。其中Vλ为二极管的正向导通电压。总之，电路中每个二极管可产生一个转折点。第一对二极管（VD1和）在正半周时可获得3段折线；在负半周时也产生3段折线。这样第一对二极管就可获得6段折线。以后每增加一对二极管，正负半周可各增加二段。因此整个电路可产生26段折线。由这种正弦波形成网络所获得的正弦波信号失真小，用5对二极管时失真度可小于1%，用6对时可小于0.25%。图2-18二极管V1、V2导通时的输出波形3．由三角波产生方波、正弦波图2-19由三角波产生方波和正弦波的原理方框图正向电流源频率调谐电路(VCF)负向电流源积分电容输出放大器衰减器信号输出缓冲放大器正弦波形成网络电平检测器在一些新型的函数信号发生器中，常采用正负电流源对电容积分，先产生三角波，再转换为方波和正弦波。其原理