電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)(張永瑞)(第2版)第03章

1、第3章信號(hào)發(fā)生器 3.1信號(hào)發(fā)生器概述信號(hào)發(fā)生器概述 3.2正弦信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)正弦信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo) 3.3低頻、低頻、 超低頻信號(hào)發(fā)生器超低頻信號(hào)發(fā)生器 3.4射頻信號(hào)發(fā)生器射頻信號(hào)發(fā)生器 3.5掃頻信號(hào)發(fā)生器掃頻信號(hào)發(fā)生器 3.6脈沖信號(hào)發(fā)生器脈沖信號(hào)發(fā)生器 *3.7噪聲信號(hào)發(fā)生器噪聲信號(hào)發(fā)生器 小結(jié)小結(jié) 習(xí)題習(xí)題3 3.1信號(hào)發(fā)生器概述信號(hào)發(fā)生器概述 3.1.1信號(hào)發(fā)生器的用途信號(hào)發(fā)生器的用途 產(chǎn)生不同頻率、 不同波形的電壓、 電流信號(hào)并加到被測(cè) 器件、 設(shè)備上， 用其他測(cè)量?jī)x器觀察、 測(cè)量被測(cè)者的輸出 響應(yīng)， 以分析和確定它們的性能參數(shù)， 如圖3.1-1所示。 圖3.1-1測(cè)試

2、信號(hào)發(fā)生器 提供測(cè)試用電信號(hào)的裝置統(tǒng)稱為信號(hào)發(fā)生器。 3.1.2信號(hào)發(fā)生器的分類信號(hào)發(fā)生器的分類 1. 按頻率范圍分類按頻率范圍分類 表3.1-1中頻段的劃分不是絕對(duì)的。 比如在電子儀器的 門類劃分中， “低頻信號(hào)發(fā)生器”指1 Hz1 MHz頻段， 波 形以正弦波為主， 或兼有方波及其他波形的信號(hào)發(fā)生器； “射頻信號(hào)發(fā)生器”則指能產(chǎn)生正弦信號(hào)， 頻率范圍部分 或全部覆蓋30 kHz1 GHz(允許向外延伸)， 并且具有一種或 一種以上調(diào)制功能的信號(hào)發(fā)生器。 可見， 這里兩類信號(hào)發(fā) 生器的頻率范圍有重疊， 而所謂“射頻信號(hào)發(fā)生器”包含 了表3.1-1中視頻以上各類信號(hào)發(fā)生器。 2. 按輸出波形分

3、類按輸出波形分類 根據(jù)使用要求， 信號(hào)發(fā)生器可以輸出不同波形的信號(hào)。 圖3.1-2幾種典型的信號(hào)波形 按照輸出信號(hào)的波形特性， 信號(hào)發(fā)生器可分為正弦信 號(hào)發(fā)生器和非正弦信號(hào)發(fā)生器。 非正弦信號(hào)發(fā)生器又包括脈沖信號(hào)發(fā)生器、 函數(shù)信號(hào) 發(fā)生器、 掃頻信號(hào)發(fā)生器、 數(shù)字序列信號(hào)發(fā)生器、 圖形 信號(hào)發(fā)生器、 噪聲信號(hào)發(fā)生器等。 3. 按信號(hào)發(fā)生器的性能分類按信號(hào)發(fā)生器的性能分類 按信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)， 可分為一般信號(hào)發(fā)生器和 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。 此外， 還有其他的分類方法。 比如按照使用范圍， 可分為通用和專用信號(hào)發(fā)生器(例如電聲行業(yè)中使用的立體 聲和調(diào)頻立體聲信號(hào)發(fā)生器就屬于專用信號(hào)發(fā)生器)； 按照

4、 調(diào)節(jié)方式， 可分為普通信號(hào)發(fā)生器、 掃頻信號(hào)發(fā)生器和程 控信號(hào)發(fā)生器； 按照頻率的產(chǎn)生方法又可分為諧振信號(hào)發(fā) 生器、 鎖相信號(hào)發(fā)生器及合成信號(hào)發(fā)生器等。 上面所述僅是常用的幾種分類方式， 而且是大致的分 類。 隨著電子技術(shù)水平的不斷發(fā)展， 信號(hào)發(fā)生器的功能越 來越齊全， 性能越來越優(yōu)良， 同一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器往往具有 相當(dāng)寬的頻率覆蓋范圍， 又具有輸出多種波形信號(hào)的功能。 例如， 國產(chǎn)EE1631型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的頻率覆蓋范圍為 0.005 Hz40 MHz， 跨越了超低頻、 低頻、 視頻、 高頻到 甚高頻幾個(gè)頻段， 可以輸出包括正弦波、 三角波、 方波、 鋸齒波、 脈沖波、 調(diào)幅波、 調(diào)頻波等

5、多種波形的信號(hào)。 3.1.3信號(hào)發(fā)生器的基本構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器的基本構(gòu)成 振蕩器： 是信號(hào)發(fā)生器的核心部分， 由它產(chǎn)生不同頻 率、 不同波形的信號(hào)。 產(chǎn)生不同頻段、 不同波形信號(hào)的振蕩器其原理、 結(jié)構(gòu) 差別很大。 振蕩器輸出級(jí)變換器 指示器電源 變換器： 可以是電壓放大器、 功率放大器、 調(diào)制器或 整形器。 一般情況下， 振蕩器輸出的信號(hào)都較微弱， 需在該部 分加以放大。 此外， 調(diào)幅、 調(diào)頻等信號(hào)也需在這部分由調(diào) 制信號(hào)對(duì)載頻加以調(diào)制， 而函數(shù)發(fā)生器、 振蕩器輸出的是 三角波， 需在這里由整形電路整形成方波或正弦波。 輸出級(jí)： 其基本功能是調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的電平和輸出阻 抗， 可以是衰減器、 匹配變

6、壓器和射極跟隨器等。 指示器： 用來監(jiān)視輸出信號(hào)。 通常情況下， 指示器接于衰減器之前， 并且由于指示 儀表本身準(zhǔn)確度不高， 其示值僅供參考， 從輸出端輸出信 號(hào)的實(shí)際特性需用其他更準(zhǔn)確的測(cè)量?jī)x表來測(cè)量。 電源： 提供信號(hào)發(fā)生器各部分的工作電源電壓。 通常 是將50 Hz交流市電整流成直流并有良好的穩(wěn)壓措施。 3.1.4信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)前信號(hào)發(fā)生器總的趨勢(shì)是向著寬頻率覆蓋范圍、 高頻率精度、 多功能、 多用途、 自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。 3.2正弦信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)正弦信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo) 正弦信號(hào)發(fā)生器是最普通、 應(yīng)用最廣泛的一類。 其原因是： 正弦信號(hào)容易產(chǎn)生

7、， 容易描述， 又是應(yīng)用最廣 的載波信號(hào)， 任何線性雙口網(wǎng)絡(luò)的特性都可以用它對(duì)正弦信號(hào) 的響應(yīng)來表征。 信號(hào)發(fā)生器作為測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)源， 因此被測(cè)器件、 設(shè)備 的各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)量質(zhì)量將直接依賴于信號(hào)發(fā)生器的性能。 通常用頻率特性、 輸出特性和調(diào)制特性(俗稱三大指標(biāo)) 來評(píng)價(jià)正弦信號(hào)發(fā)生器的性能， 其中包括30余項(xiàng)具體指標(biāo)。 本節(jié)僅介紹信號(hào)發(fā)生器中幾項(xiàng)最基本、 最常用的性能指標(biāo)。 3.2.1頻率范圍頻率范圍 頻率范圍指信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)頻率范圍， 該范 圍內(nèi)既可連續(xù)， 又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋， 在此范圍內(nèi)應(yīng)滿足全部誤差要求。 為了保證有效頻率范圍連續(xù)， 兩相鄰頻段間有相互銜 接

8、的公共部分， 即頻段重疊。 3.2.2頻率準(zhǔn)確度頻率準(zhǔn)確度 頻率準(zhǔn)確度是指信號(hào)發(fā)生器度盤(或數(shù)字顯示)數(shù)值與實(shí)際 輸出信號(hào)頻率間的偏差， 通常用相對(duì)誤差表示： 100% 1 10 f ff 式中， f0為度盤或數(shù)字顯示數(shù)值， 也稱預(yù)調(diào)值； f1是輸出 正弦信號(hào)頻率的實(shí)際值。 頻率準(zhǔn)確度實(shí)際上是輸出信號(hào)頻率的工作誤差。 (3.2-1) 用度盤讀數(shù)的信號(hào)發(fā)生器的頻率準(zhǔn)確度約為 (1%10%)， 精密低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率準(zhǔn)確度可達(dá) 0.5%。 例如， 調(diào)諧式XFC-6型標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的頻率準(zhǔn) 確度優(yōu)于1%， 而一些采用頻率合成技術(shù)帶有數(shù)字顯示的 信號(hào)發(fā)生器其輸出頻率具有基準(zhǔn)頻率(晶振)的準(zhǔn)確度， 若

9、 機(jī)內(nèi)采用高穩(wěn)定度晶體振蕩器， 則輸出頻率的準(zhǔn)確度可達(dá) 1081010。 3.2.3頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度是指其他外界條件恒定不變的情況下， 在規(guī) 定時(shí)間內(nèi)， 信號(hào)發(fā)生器輸出頻率相對(duì)于預(yù)調(diào)值變化的大小。 按照國家標(biāo)準(zhǔn)， 頻率穩(wěn)定度又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻 率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。 頻率短期穩(wěn)定度定義為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間 后， 信號(hào)頻率在任意15 min內(nèi)所發(fā)生的最大變化， 表示為 100% 0 minmax f ff (3.2-2) 式中， f0為預(yù)調(diào)頻率； fmax、 fmin分別為任意15 min信號(hào)頻 率的最大值和最小值。 頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度定義為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，

10、信號(hào)頻率在任意3 h內(nèi)所發(fā)生的最大變化， 表示為 預(yù)調(diào)頻率的x106+y(Hz)(3.2-3) 式中， x、 y是由廠家確定的性能指標(biāo)值。 也可以用式(3.2-2) 表示頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。 需要指出， 許多廠商的產(chǎn)品技術(shù)說明書中并未按上述 方式給出頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。 例如， 國產(chǎn)HG1010信號(hào)發(fā)生器 和(美)KH4024信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度都是0.01%/h， 含義 是經(jīng)過規(guī)定預(yù)熱時(shí)間后， 兩種信號(hào)發(fā)生器每小時(shí)(h)的頻率 漂移(fmaxfmin)與預(yù)調(diào)值f0之比為0.01%。 有些信號(hào)發(fā)生器以 天為時(shí)間單位表示穩(wěn)定度。 3.2.4由溫度、由溫度、 電源、電源、 負(fù)載變化引起的頻率變動(dòng)量負(fù)載變

11、化引起的頻率變動(dòng)量 測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定性指標(biāo)， 其一為穩(wěn)定度， 其二為影響量。 前述規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)的頻率漂移即為穩(wěn)定度， 而由溫度、 電 源、 負(fù)載變化等外界因素造成的頻率漂移(或變動(dòng))即為影響量。 1) 溫度引起的頻率變動(dòng)量 環(huán)境溫度每變化1所產(chǎn)生的相對(duì)頻率變化表示為： 預(yù)調(diào) 頻率的x 106/， 即 100% 10)( 0 6 01 tf ff /(3.2-4) 式中， t為溫度變化值； f0為預(yù)調(diào)值； f1為溫度改變 后的頻率值。 2) 電源引起的頻率變動(dòng)量 供電電源變化10%所產(chǎn)生的相對(duì)頻率變化表示為： x 106， 即 6 0 6 01 10 10)( f ff (3.2-5) 3) 負(fù)

12、載變化引起的頻率變動(dòng)量 負(fù)載電阻從開路變化到額定值時(shí)所引起的相對(duì)頻率變化 表示為： x 106， 即 6 1 6 12 10 10)( f ff (3.2-6) 式中， f1為空載(負(fù)載開路)時(shí)的輸出頻率； f2為額定負(fù)載時(shí) 的輸出頻率。 上述溫度、 電源、 負(fù)載變動(dòng)引起的頻率變動(dòng)量在有些 廠商的產(chǎn)品技術(shù)說明書中稱為穩(wěn)定度， 而且大多只對(duì)精密 信號(hào)發(fā)生器才給出。 例如， X010A精密信號(hào)發(fā)生器在環(huán)境 溫度(202)條件下， 電源變化10%時(shí)， 穩(wěn)定度 0.005%， 負(fù)載由空載到滿載時(shí)， 穩(wěn)定度0.005%； EE1610高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器在環(huán)境溫度為1035時(shí)， 頻率漂移1109。 3

13、.2.5非線性失真系數(shù)非線性失真系數(shù)(失真度失真度) 通常用信號(hào)頻譜純度來說明輸出信號(hào)波形接近正弦波的 程度， 并用非線性失真系數(shù)表示： (3.2-7) %100 + 1 222 2 3 U UUU n 式中， U1為輸出信號(hào)基波有效值， U2、 U3、 、 Un為各次 諧波有效值。 由于U2、 U3、 、 Un等較U1小得多， 因此為 了便于測(cè)量， 也用下面公式定義： %100 + + 222 1 222 2 2 3 n n UUU UUU (3.2-8) 一般低頻正弦信號(hào)發(fā)生器的失真度為0.1%1%， 高檔正 弦信號(hào)發(fā)生器的失真度可低于0.005%。 對(duì)于高頻信號(hào)發(fā)生器， 這項(xiàng)指標(biāo)要求較低

14、， 作為工程測(cè) 量用儀器， 其非線性失真5%， 即用眼睛觀察不到明顯的波 形失真即可。 另外， 人們通常只用非線性失真來評(píng)價(jià)低頻信號(hào)發(fā)生 器， 而用頻譜純度來評(píng)價(jià)高頻信號(hào)發(fā)生器。 頻譜純度不僅 要考慮高次諧波造成的失真， 還要考慮由非諧波噪聲造成的 正弦波失真。 3.2.6輸出阻抗輸出阻抗 信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗視其類型不同而異。 低頻信號(hào)發(fā)生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600 (或 1k)， 功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計(jì)而定， 通常有50 、 75 、 150 、 600 和5 k 等幾擋。 高頻信號(hào)發(fā)生器一般僅有50 或75 兩擋。 當(dāng)使用高頻信 號(hào)發(fā)生器時(shí)， 要特別注意阻抗的匹配。 3

15、.2.7輸出電平輸出電平 輸出電平指的是輸出信號(hào)幅度的有效范圍， 即由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定的信號(hào)發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率及其衰減范圍內(nèi) 所得到輸出幅度的有效范圍。 輸出幅度可用電壓(V、 mV、 V)或分貝表示。 例如XD-1型低頻信號(hào)發(fā)生器的最大電壓輸出為1 Hz1 MHz， 大于5 V， 最大功率輸出為10 Hz700 kHz(50 、 75 、 150 、 600 )， 大于4 W。 在圖3.1-3所示的信號(hào)發(fā)生器框圖的輸出級(jí)一般都包括 衰減器， 其目的是獲得從微伏級(jí)(V)到毫優(yōu)級(jí)(mV)的小信 號(hào)電壓。 例如XD-1型信號(hào)發(fā)生器的最大信號(hào)電壓為5 V， 通過 080 dB的步進(jìn)衰減

16、輸出， 可獲得500 V的小信號(hào)電壓。 在信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)中， 就包括“衰減器特性” 這一指標(biāo)， 主要指衰減范圍和衰減誤差。 例如， 上述XD- 1型信號(hào)發(fā)生器的衰減特性為： 電壓輸出， 1 Hz1 MHz， 衰減801.5 dB 和頻率穩(wěn)定度指標(biāo)類似， 還有輸出信號(hào)幅度穩(wěn)定度及平 坦度指標(biāo)。 幅度穩(wěn)定度是指信號(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定時(shí)間預(yù)熱后， 在規(guī)定 時(shí)間間隔內(nèi)輸出信號(hào)幅度對(duì)預(yù)調(diào)幅度值的相對(duì)變化量， 例如 HG1010信號(hào)發(fā)生器的幅度穩(wěn)定度為0.01%/h。 平坦度分別指溫度、 電源、 頻率等引起的輸出幅度變動(dòng) 量。 使用者通常主要關(guān)心輸出幅度隨頻率變化的情況。 現(xiàn)代信號(hào)發(fā)生器一般都有自動(dòng)電平控

17、制電路(ALC)， 可 以使平坦度保持在1 dB以內(nèi)， 即將幅度波動(dòng)控制在10% 以內(nèi)。 例如XD8B超低頻信號(hào)發(fā)生器的幅頻特性3%。 3.2.8調(diào)制特性調(diào)制特性 高頻信號(hào)發(fā)生器在輸出正弦波的同時(shí)， 一般還能輸出一 種或一種以上已被調(diào)制的信號(hào)， 多數(shù)情況下是調(diào)幅信號(hào)和調(diào) 頻信號(hào)， 有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制等功能。 當(dāng)調(diào)制信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)， 稱為內(nèi)調(diào)制； 當(dāng)調(diào) 制信號(hào)由外部加到信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)制時(shí)， 稱為外調(diào)制。 這類帶有輸出已調(diào)波功能的信號(hào)發(fā)生器是測(cè)試無線電收發(fā) 設(shè)備等場(chǎng)合不可缺少的儀器。 例如， XFC-6標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器 就具備內(nèi)、 外調(diào)幅， 內(nèi)、 外調(diào)頻， 或進(jìn)行內(nèi)調(diào)幅時(shí)同時(shí)進(jìn)行

18、 外調(diào)頻， 或同時(shí)進(jìn)行外調(diào)幅與外調(diào)頻等功能。 HP8663這類高 檔合成信號(hào)發(fā)生器同時(shí)具有調(diào)幅、 調(diào)頻、 調(diào)相、 脈沖調(diào)制等 多種調(diào)制功能。 由于使用目的、 制造工藝、 工作機(jī)理等諸方面不同， 各類信 號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)相差是很懸殊的， 因而價(jià)格相差也很大， 所 以在選用信號(hào)發(fā)生器時(shí)(選用其他測(cè)量?jī)x器也是如此)必須考慮合理 性和經(jīng)濟(jì)性。 以對(duì)頻率的準(zhǔn)確度要求為例， 當(dāng)測(cè)試諧振回路的頻率特性、 電 阻值和電容損耗角隨頻率變化時(shí)， 僅需要11021103的 準(zhǔn)確度， 而當(dāng)測(cè)試廣播通信設(shè)備時(shí)， 則要求105107的準(zhǔn)確 度。 顯然， 兩種場(chǎng)合應(yīng)當(dāng)選用不同檔次的信號(hào)發(fā)生器。 3.3低頻、低頻、 超低頻

19、信號(hào)發(fā)生器超低頻信號(hào)發(fā)生器 “低頻”就是從“音頻”(20 Hz20 kHz)的含義演化而來 的，最常見的低頻信號(hào)發(fā)生器如收音機(jī)、 電視機(jī)、 有線廣播和 音響設(shè)備中的音頻放大器。 由于其他電路測(cè)試的需要， 頻率向下、 向上分別延伸至超 低頻和高頻段。 現(xiàn)在一般“低頻信號(hào)發(fā)生器”是指1 Hz1 MHz 頻段， 輸出波形以正弦波為主， 或兼有方波及其他波形的發(fā)生 器。 3.3.1低頻信號(hào)發(fā)生器低頻信號(hào)發(fā)生器 1. 低頻信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)低頻信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo) 通用低頻信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)： 頻率范圍為1 Hz1 MHz連續(xù)可調(diào)； 頻率穩(wěn)定度為(0.10.4)%/h； 頻 率準(zhǔn)確度為(

20、12)%; 輸出電壓為010 V連續(xù)可調(diào)； 輸 出功率約為(0.55) W連續(xù)可調(diào)； 非線性失真為(0.11)%； 輸出阻抗可為50 、 75 、 150 、 600 和5 k。 2. 低頻信號(hào)發(fā)生器的組成框圖低頻信號(hào)發(fā)生器的組成框圖 通用低頻信號(hào)發(fā)生器的組成框圖如圖3.3-1所示。 圖3.3-1低頻信號(hào)發(fā)生器的組成框圖 圖(a)僅包括電壓輸出， 帶負(fù)載能力弱； 圖(b)除包括電壓輸出外， 還包括功率輸出能力。 3. 通用通用RC振蕩器振蕩器 在通用信號(hào)發(fā)生器(如XD-1、 XD-2、 XD-7)中， 主振器 通常使用RC振蕩器， 而其中應(yīng)用最多的當(dāng)屬文氏橋振蕩器。 圖3.3-2RC文氏橋網(wǎng)絡(luò)

21、 在圖(a)中， 是網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓， 是輸出電 壓， Z1為R、 C串聯(lián)阻抗， Z2為R、 C并聯(lián)阻抗， 則網(wǎng)絡(luò) 的傳輸函數(shù)： i U o U CR CR ZZ Z U U N 1 j3 1 )j ( 21 2 i o f f f f 0 0 0 0 j3 1 j3 1 (3.3-1) 式中： RC 1 0 RC f 2 1 0 (3.3-2) 傳輸函數(shù)的幅頻特性N()和相頻特性j()分別為 2 0 0 2 3 1 | )j (|)( NN (3.3-3) 3 / arctan)( 00 j (3.3-4) N()和j()分別如圖3.3-2(b)和(c)所示。 可以看出： 當(dāng)=0=1/（RC）

22、或f=f0=1/（2RC）時(shí)， 輸出信號(hào)與輸入信 號(hào)同相， 且此時(shí)傳輸函數(shù)模最大 (0)=N()max=1/3。 如果輸出信號(hào)后接放大倍數(shù)KV=1/N(0)=3的同相放大器 (一般由兩級(jí)反相放大器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn))， 那么就可以維持=0或者 f=f0=1/（2RC）的正弦振蕩， 而由于RC網(wǎng)絡(luò)的選頻特性， 其他 頻率的信號(hào)將被抑制。 o U 為使振蕩振幅穩(wěn)定并減小波形失真， 常用圖3.3-3所示的 文氏橋振蕩電路。 圖3.3-3用熱敏電阻Rt作為增益控制器件的文氏橋式振蕩器方框圖 圖中負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻Rt和電阻Rf就構(gòu)成了電壓負(fù)反饋電路。 達(dá)到穩(wěn)定輸出信號(hào)振幅的目的。 在振蕩器起振階段， 由于Rt溫

23、度低， 阻值大， 負(fù)反饋小， 放大器實(shí)際總增益大于3， 振蕩器容易起振。 由式(3.3-2)可知， 改變電阻R和電容C的數(shù)值可調(diào)節(jié)振 蕩頻率。 可以使用同軸電阻器改變電阻R來進(jìn)行粗調(diào)， 使得換 擋時(shí)頻率變化10倍， 而用改變雙聯(lián)同軸電容C的方法在一 個(gè)波段內(nèi)進(jìn)行頻率細(xì)調(diào)。 圖3.3-4是XD-2型低頻信號(hào)發(fā)生 器中的RC振蕩器部分電路。 圖3.3-4XD-2型低頻信號(hào)發(fā)生器中的RC振蕩器 Ri和Ro對(duì)RC網(wǎng)絡(luò)的影響如圖3.3-5所示。 實(shí)際振蕩器電路中放大器輸入級(jí)常采用場(chǎng)效應(yīng)管， 以提 高輸入電阻Ri， 輸出時(shí)加接射極跟隨器， 以降低輸出電阻Ro 如果僅提供電壓輸出， 那么RC振蕩器后接電壓放

24、大器即 可， 如圖3.3-3所示。 如果要求功率輸出， 則還應(yīng)接功率放 大器和阻抗變換器， 如圖3.3-1(b)所示。 圖3.3-5放大器輸入、 輸出阻抗對(duì)RC網(wǎng)絡(luò)的影響 4. 其他低頻振蕩器其他低頻振蕩器 1) LC振蕩器 對(duì)LC振蕩電路來說， 振蕩頻率 CL f 2 1 0 當(dāng)頻率較低時(shí)， L、 C的體積都相當(dāng)大，而品質(zhì)因數(shù)Q 值降低很多， 諧振特性變壞， 且調(diào)節(jié)困難。 其次， 由于f0與成反比， 因而同一頻段內(nèi)的頻 率覆蓋系數(shù)很小。 CL 實(shí)際上基本不用這種電路作為低頻信號(hào)發(fā)生器的主振蕩器。 例如L固定， 調(diào)節(jié)電容C改變振蕩頻率， 設(shè)電容調(diào)節(jié)范圍 為40450 pF， 則頻率覆蓋系數(shù)為

25、3 40 450 min max min max C C f f K 如果用RC橋式振蕩器， 仍以上面的情況為例， 則根據(jù) 式(3.3-2)可以得到頻率覆蓋系數(shù)： 11 40 450 min max min max C C f f K (3.3-5) (3.3-6) 事實(shí)上， 以RC文氏橋電路構(gòu)成振蕩器的XD-1型低頻信號(hào)源的 信號(hào)頻率范圍為1 kHz1 MHz， 分為6個(gè)頻段， 每個(gè)頻段內(nèi)的 頻率覆蓋系數(shù)均為10。 可變頻率振蕩器和固定頻率振蕩器分別產(chǎn)生可變頻率 的高頻振蕩f1和固定頻率的高頻振蕩f2， 經(jīng)過混頻器M產(chǎn)生兩者差頻信號(hào)f=f1f2， 低通濾波器濾除混頻器輸出中含有的高頻分量。

26、2) 差頻式振蕩器 圖3.3-6差頻式低頻信號(hào)發(fā)生器框圖 當(dāng)可變頻率振蕩器頻率從f1max變成f1min時(shí)， 低通濾波器 后就得到了fmaxfmin的低頻信號(hào)， 再經(jīng)放大器和輸出衰減器 后就得到了所需要的低頻信號(hào)。 這種方法的主要缺點(diǎn)是電路復(fù)雜， 頻率準(zhǔn)確度、 穩(wěn)定度 較差， 波形失真較大； 最大的優(yōu)點(diǎn)是容易做到在整個(gè)低頻段內(nèi)頻率可連續(xù)調(diào)節(jié) 而不用更換波段， 輸出電平也較均勻， 所以常用在掃頻振 蕩器中。 5. XD-1型低頻信號(hào)發(fā)生器型低頻信號(hào)發(fā)生器 1) 主要技術(shù)指標(biāo) 頻率范圍： 1 Hz1 MHz, 分成110 Hz、 10100 Hz、 100 Hz1 kHz、 110 kHz、 10

27、100 kHz、 100 kHz1 MHz六個(gè)頻 段(六擋)。 頻率漂移： 預(yù)熱30 min后， 第一小時(shí)內(nèi)， 0.4%, 0.2%, 0.1%； 其后7小時(shí)內(nèi)， 0.8%, 0.4%, 0.2%。 頻率特性(輸出信號(hào)幅頻特性)： 電壓輸出5 V; 最大功率輸出， 10 Hz700 kHz(50 、 75 、 150 、 600 )， 10 Hz200 kHz(5 k), 4 W。 非線性失真： 電壓輸出， 20 Hz20 kHz, 0.1%; 功率輸 出， 20 Hz20 kHz, 0.5%。 衰減器： 電壓輸出， 1 Hz1 MHz衰減80 dB1.5 dB； 功率輸出， 10 Hz100

28、 kHz衰減80 dB+3 dB, 100700 kHz衰減80 dB3.5 dB。 交流電壓表： 5 V、 15 V、 50 V、 150 V四擋， 5%， 電壓表輸入電阻、 電容， 100 k, 50 pF。 電源： 220 V10%, 50 Hz, 50 VA。 圖3.3-7XD-1型低頻信號(hào)發(fā)生器框圖 頻率選擇： 根據(jù)所需頻段按下“頻率范圍”按鈕， 然后再用按鍵開 關(guān)上面的“頻率調(diào)節(jié)”1、 2、 3旋鈕按照十進(jìn)制原則進(jìn)行細(xì) 調(diào)。 例如， “頻率范圍”指10100 kHz擋， “頻率調(diào)節(jié)1” 指4， “頻率調(diào)節(jié)0.1”指8， “頻率調(diào)節(jié)0.01”指7， 則此 時(shí)輸出頻率為48.7 kHz

29、。 電壓輸出： 用電纜直接從“電壓輸出”插口引起。 2）使用方法 功率輸出： 將功率開關(guān)按下， 用電纜直接從功率輸出插口引出。 為 了獲得大功率輸出， 應(yīng)考慮阻抗匹配， 適當(dāng)選擇輸出阻抗。 當(dāng)負(fù)載為高阻抗且輸出頻率接近低、 高兩端， 即接近10 Hz 或幾百kHz時(shí)， 為保證有足夠的功率輸出， 應(yīng)將面板右側(cè) “內(nèi)負(fù)載”鍵按下， 接通內(nèi)負(fù)載。 過載保護(hù)： 剛開機(jī)時(shí)， 過載保護(hù)指示燈亮， 約56 s后熄滅， 表示 進(jìn)入工作狀態(tài)。 若負(fù)載阻抗過小， 則過載指示燈會(huì)再次閃 亮， 表示已經(jīng)過載， 機(jī)內(nèi)過載保護(hù)電路動(dòng)作， 此時(shí)應(yīng)加大 負(fù)載阻抗值(即減輕負(fù)載)， 使燈熄滅。 交流電壓表： 該電壓表可撥向“內(nèi)

30、測(cè)”與“外測(cè)”擋。 當(dāng)測(cè)量開 關(guān)撥向“外測(cè)”時(shí)， 它作為一般交流電壓表測(cè)量外部電 壓大小。 當(dāng)開關(guān)撥向“內(nèi)測(cè)”時(shí)， 它作為信號(hào)發(fā)生器輸出指 示。 由于它位于輸出衰減器之前， 因此實(shí)際輸出電壓應(yīng) 根據(jù)電壓表指示值與輸出衰減分貝數(shù)按表3.3-1計(jì)算。 3.3.2超低頻信號(hào)發(fā)生器超低頻信號(hào)發(fā)生器 將能產(chǎn)生1 Hz以下頻率的信號(hào)源稱為超低頻信號(hào)發(fā)生器。 目前超低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率低端已可低于10-8 Hz。 這 類信號(hào)發(fā)生器主要用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的測(cè)試。 1. 用積分器構(gòu)成的超低頻信號(hào)發(fā)生器用積分器構(gòu)成的超低頻信號(hào)發(fā)生器 1) 運(yùn)算放大器及其理想化模型 其中， Ri為運(yùn)算放大器的輸入電阻； A為運(yùn)放的開

31、環(huán)放 大倍數(shù)； R2、 R1為構(gòu)成實(shí)際放大器的反饋電阻。 現(xiàn)在運(yùn)放的性能可以達(dá)到很高， 比如輸入電阻Ri和開環(huán) 放大倍數(shù)A可分別達(dá)到106108 及105108甚至更高。 為了便于分析， 在計(jì)算時(shí)就認(rèn)為： ui0(習(xí)慣上稱為虛 短路， 因?yàn)閡i并不真正等于零)，i0(習(xí)慣上稱為虛開路)時(shí)， 輸入電阻、 開環(huán)放大倍數(shù)分別近似認(rèn)為Ri， A， 這 樣就得到了圖3.3-8(c)所示的理想化運(yùn)放模型。 圖3.3-9運(yùn)算放大器的運(yùn)算功能 由于運(yùn)放反饋通路的構(gòu)成不同， 它可以具有乘、 加、 減、 微分、 積分等運(yùn)算功能， 運(yùn)算放大器因此而得名。 當(dāng)輸入u1(t)為角頻率的正弦函數(shù)時(shí)， u2(t)也為同頻率

32、 正弦函數(shù)， 用相量表示為 12 j 1 U RC U 或者 RCU U K 1 j 1 2 (3.3-12) ttu RC tti C tti C ud)( 1 d)( 1 d)( 1 1122 2) 用運(yùn)放構(gòu)成的超低頻信號(hào)發(fā)生器 圖3.3-9(c)所示的積分電路中： 即積分器產(chǎn)生/2相移， 增益為1/(RC)。 如果用兩級(jí)積分 器級(jí)聯(lián)并在反饋環(huán)路中接一個(gè)反相器(=1)， 如圖3.3- 10(a)所示， 則閉環(huán)增益為 1 K 2121 2 1 CCRR K (3.3-14) 或者當(dāng) 2121 0 1 CCRR 2121 0 2 1 CCRR ff (3.3-13) 時(shí)， 閉環(huán)增益=1， 這正

33、好是維持振蕩的相位和振幅條件。 K 也就是說， 圖3.3-10(a)所示的電路可產(chǎn)生頻率為式(3.3-14)表示的 正弦振蕩。 在實(shí)際振蕩器中， 為了調(diào)節(jié)方便， 使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 一般取 R1=R2=R, C1=C2=C, 并在兩級(jí)積分器前各加一個(gè)由同軸電位 器構(gòu)成的分壓電路， 分壓比均為， 如圖3.3-10(b)所示， 不 難得出其振蕩頻率為 RC f， RC2 00 實(shí)際振蕩器中， 用改變R或C的辦法改變頻段， 改變進(jìn)行頻 率細(xì)調(diào)。 圖3.3-10用積分器構(gòu)成的超低頻信號(hào)發(fā)生器 2. 函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器 在輸出正弦波的同時(shí)， 還能輸出同頻率的三角波、 方 波、 鋸齒波等波形， 以滿足不同的測(cè)

34、試需要。 函數(shù)發(fā)生器的基本工作原理是先由積分電路和觸發(fā)電 路產(chǎn)生三角波和方波， 然后通過函數(shù)轉(zhuǎn)換器(例如二極管整 形網(wǎng)絡(luò))， 將三角波整形成正弦波。 圖3.3-11 函數(shù)發(fā)生器的原理圖 設(shè)開始工作時(shí)， 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的輸出端電壓 為E， 經(jīng)過電位器RP分壓， 設(shè)分壓系數(shù)=R2（R1+R2）, 根據(jù)積分器輸出 Q t RC E uD (3.3-16) 圖中由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， 比較器、 和積分器構(gòu)成方波及 三角波振蕩電路， 然后由二極管整形網(wǎng)絡(luò)將三角波整形成 正弦波。 工作原理如下： io U RC t u 積分器輸出端D點(diǎn)電位隨時(shí)間t正比上升， 即 當(dāng)經(jīng)過時(shí)間t1, uD上升到Um時(shí)， 比較器輸出

35、觸發(fā)脈沖 使雙穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)， 端輸出電壓為E并輸入給積分器， 則積分器輸出端D點(diǎn)電位為 Q t RC E uD (3.3-17) 再經(jīng)過時(shí)間t2, uD下降到Um時(shí)， 比較器輸出觸發(fā)脈沖使 雙穩(wěn)態(tài)電路再次翻轉(zhuǎn)， 端重新輸出E， 如此周而復(fù) 始， 在Q()端產(chǎn)生周期性方波， 在積分器輸出端產(chǎn)生三 角波。 Q Q 如果比較器、 正負(fù)比較電平完全一樣， 那么得 到的將是完全對(duì)稱的方波和三角波。 如果改變積分器正向、 反向積分時(shí)間常數(shù)， 比如用二 極管代替電阻R， uD達(dá)到+Um和Um各自所需的時(shí)間t1將 不等于t2， 從而可以產(chǎn)生鋸齒波和不對(duì)稱方波。 圖3.3-12函數(shù)發(fā)生器波形圖 正弦波可看成是由

36、許多斜率不同的直線段組成的， 只要 直線段足夠多， 由折線構(gòu)成的波形就可以相當(dāng)好地近似正弦 波形， 斜率不同的直線段可由三角波經(jīng)電阻分壓得到(各段 相應(yīng)的分壓系數(shù)不同)。 因此， 只要將三角波ui通過一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)， 根據(jù)ui的大 小改變分壓網(wǎng)絡(luò)的分壓系數(shù)， 便可以得到近似的正弦波輸出。 二極管整形網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)這種功能， 將對(duì)稱三角波轉(zhuǎn)換為正弦波的原理如圖3.3-13(a)所示。 圖3.3-13由三角波整形成正弦波 圖3.3-13(b)中， U1、 U2、 U3及U1、 U2、 U3等為 由正負(fù)電源+E和E 通過分壓電阻R7、 R8、 、 R14 分壓得到的不同電位， 和各二極管串聯(lián)的電阻R1、

37、R2、 、 R6及R0都比R7、 R8、 、 R14大得多， 因而它們的接入不會(huì) 影響U1、 U2等值。 開始階段(tt1), uiU1, 二極管V1V6全部截止， 輸出電壓 uo等于輸入電壓ui; t1tt2階段， U1uiU2, 二極管V3導(dǎo)通， 此階段uo等于ui 經(jīng)R0和R3分壓輸出， uo上升斜率減??； 在t2tt3階段， U2uiE3即tt3后， V3、 V2、 V1全部導(dǎo)通， uo等于ui經(jīng)R0 和(R3R2R1)分壓輸出， 上升斜率最??； 當(dāng)?shù)竭_(dá)t=t3后， ui逐漸減小， 二極管V1、 V2、 V3依次截 止， uo下降斜率又逐步增大， 完成正弦波的正半周近似。 負(fù)半周情況類

38、似， 不再贅述。 通常將正弦波一個(gè)周期分成22段或26段， 用10個(gè)或12個(gè)二 極管組成整形網(wǎng)絡(luò)， 只要電路參數(shù)選擇得合理、 對(duì)稱， 就可 以得到非線性失真小于0.5%的波形良好的正弦波。 XD8B超低頻信號(hào)發(fā)生器(函數(shù)發(fā)生器) ： 它由積分器、 比較器、 正弦波成形網(wǎng)絡(luò)、 功率放大器及 穩(wěn)壓電源等部分組成。 比較器把恒定的正負(fù)極性電位(6 V)交替地送到積分器， 從而得到三角波， 三角波又反饋到比較器使它交替翻轉(zhuǎn)， 形 成振蕩環(huán)路， 從積分器得到三角波， 從比較器得到方波。 三角波經(jīng)過由10只二極管組成的電阻網(wǎng)絡(luò)和緩沖放大器 組成的正弦折線成形網(wǎng)絡(luò)變換成正弦波。 如果將二極管并接在積分電阻R

39、上， 則由于二極管正、 反向電阻的巨大差異而使正負(fù)積分時(shí)間常數(shù)不同， 可以獲得 鋸齒波和脈沖信號(hào)。 圖3.3-14XD8B框圖 方波、 三角波、 正弦波等七種波形經(jīng)過功率放大器 輸出， 輸出幅度可通過衰減器調(diào)節(jié)。 由式(3.3-16)和式(3.3-17)可以看到， 正、 反向積分時(shí) 間T1、 T2和RC成正比， 與成反比， 而周期T=T1+T2， 因 此， 振蕩頻率與RC成反比， 與成正比， 通?？捎酶淖?R或C的辦法改換頻段， 調(diào)節(jié)分壓系數(shù)來進(jìn)行頻段內(nèi)頻率 細(xì)調(diào)。 XD8B可以產(chǎn)生方波、 三角波、 正弦波、 鋸齒波、 正負(fù)極性的矩形脈沖等七種波形的信號(hào)， 同時(shí)具有0和 180雙相輸出； 頻率

40、范圍為0.01 Hz100 kHz； 最大輸出 電壓為15 V， 分15 V、 1.5 V、 150 mV、 15 mV四擋， 連續(xù)可調(diào)； 正弦波失真1%； 三角波非線性失真1%； 方波上升時(shí)間0.3 s； 正弦波幅度穩(wěn)定度0.3%/h。 3. 數(shù)字合成低頻信號(hào)發(fā)生器數(shù)字合成低頻信號(hào)發(fā)生器 RC文氏橋振蕩器以及以積分器為基礎(chǔ)的函數(shù)發(fā)生器， 其 突出優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單， 但頻率準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度較差， 非線性 失真較大， 而且輸出信號(hào)的幅頻特性不太平坦。 數(shù)字合成低頻信號(hào)發(fā)生器可以有效地提高上述性能指標(biāo)。 在這種儀器中， 正弦波由階梯波合成， 而階梯波的形成是由 存儲(chǔ)在只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的數(shù)字信息經(jīng)

41、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC) 形成的。 圖3.3-16數(shù)字合成低頻信號(hào)發(fā)生器框圖 工作原理： 設(shè)要產(chǎn)生的正弦波為u(t)=Um sin2ft， 周期T=1/f， 我們把 它的每個(gè)周期平均分成p個(gè)區(qū)間， 每個(gè)區(qū)間間隔為T=T/p。 在每個(gè)T區(qū)間內(nèi)， u(t)的值看做不變的常數(shù)， 即認(rèn)為當(dāng) 0tT時(shí)， u(t)=u(0)， 當(dāng)Tt2T時(shí)， u(t)=Um sin2f T， 當(dāng)2Tt3T時(shí)， u(t)=Um sin2f 2T， 以此類推。 也就是在 nTt(n+1)T 區(qū)間， n=0, , p1, 有 u(t)=Um sin2f nT (3.3-18) 由于 TpT f 11 (3.3-19) 因此 u(

42、t)=Um sin2)(nu p n (3.3-20) 通常正弦信號(hào)峰值電壓恒定， 比如設(shè)Um=255 mV, 這樣 我們可以用32個(gè)字節(jié)8比特的存儲(chǔ)器(ROM)來儲(chǔ)存n等于不 同數(shù)值時(shí)的電壓u(t)或u(n)， 最小分辨率為1 mV。 由于正弦信號(hào)四個(gè)象限內(nèi)數(shù)值具有對(duì)稱性， 若一個(gè)周期分 成p=128等份， 只有32個(gè)獨(dú)立的數(shù)值， 因此用32個(gè)字節(jié)的 ROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就夠了。 由式(3.3-19)看出， 輸出信號(hào)的頻率與T有關(guān)， 改變T 即可得到不同的輸出頻率， 這通過圖3.3-16中的晶體振蕩器 和分頻器實(shí)現(xiàn)。 由分頻器輸出的計(jì)數(shù)脈沖周期為T， 設(shè)晶體振蕩器振蕩 頻率為f0， 分頻系數(shù)為q,

43、 則輸出信號(hào)頻率為 0 1 1 f qpTp f (3.3-21) 圖3.3-16中加/減5位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、 RS觸發(fā)器、 檢波器 等構(gòu)成ROM的地址譯碼器， 根據(jù)譯出地址從ROM中取出相 對(duì)應(yīng)的幅度值(是數(shù)字量)， 經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓， 配合以相應(yīng)的倒相電路， 構(gòu)成圖3.3-15所示的階梯波， 再經(jīng) 低通濾波器加以“平滑”， 即濾除階梯波中的高次諧波， 得 到正弦波輸出。 這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)包括： 輸出頻率準(zhǔn)確度高， 基本 上等于機(jī)內(nèi)晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度； 因?yàn)楦鲄^(qū) 間的振幅值以數(shù)字形式存于ROM中不會(huì)改變， 加上現(xiàn)在的數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器性能穩(wěn)定， 因此輸出信號(hào)的幅頻特性很好

44、； 輸出 信號(hào)的非線性失真很小， 可低于0.1%。 3.3.3低頻信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀低頻信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)的發(fā)展， 低頻信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)也不 斷得到改進(jìn)與提高。 3.4射頻信號(hào)發(fā)生器射頻信號(hào)發(fā)生器 射頻信號(hào)發(fā)生器是指能產(chǎn)生正弦信號(hào)， 頻率范圍部分或 全部覆蓋300 kHz1 GHz(允許向外延伸)， 并且具有一種或一 種以上調(diào)制或組合調(diào)制(正弦調(diào)幅、 正弦調(diào)頻、 斷續(xù)脈沖 調(diào)制)的信號(hào)發(fā)生器， 也稱為高頻信號(hào)發(fā)生器。 射頻信號(hào)發(fā)生器分為調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器、 鎖相信號(hào)發(fā)生器 及合成信號(hào)發(fā)生器三類。 和低頻信號(hào)發(fā)生器相比， 高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度調(diào) 節(jié)范圍較大。 為了適應(yīng)對(duì)接收

45、機(jī)等設(shè)備的測(cè)試需要， 要求高頻信號(hào) 發(fā)生器能有可調(diào)節(jié)的微弱信號(hào)的輸出(可小于1 V)； 同時(shí)要求該類信號(hào)發(fā)生器有良好的屏蔽， 以免信號(hào)泄 漏而影響測(cè)量準(zhǔn)確性； 出于對(duì)各類接收設(shè)備性能測(cè)試的需要， 高頻信號(hào)發(fā)生 器應(yīng)有調(diào)制功能， 以輸出所需的已調(diào)高頻信號(hào)。 高頻信號(hào)發(fā)生器框圖如圖3.4-1所示。 不同類別的發(fā)生 器的主要區(qū)別在于振蕩器， 即產(chǎn)生高頻正弦波的方法不同。 圖3.4-1高頻信號(hào)發(fā)生器框圖 3.4.1調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器 調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器的振蕩器通常為L(zhǎng)C振蕩器， 根據(jù)反饋 方式， 又可分為變壓器反饋式、 電感反饋式(也稱電感三點(diǎn) 式或哈特萊式)及電容反饋式(也稱電容三點(diǎn)式或考畢茲

46、式)三 種振蕩器形式。 圖3.4-2變壓器反饋式振蕩器 圖3.4-3電感反饋式振蕩器 圖3.4-4電容反饋式振蕩器 通常通過改變電感L來改變頻段， 改變電容C進(jìn)行頻段內(nèi) 頻率細(xì)調(diào)。 放大器通常采用調(diào)諧放大器， 其作用一是放大振蕩器輸 出的高頻信號(hào)電壓； 二是在輸出器和振蕩器間起隔離作用 (因此也稱緩沖放大器)， 以提高振蕩頻率穩(wěn)定性； 三是兼作 調(diào)幅信號(hào)的調(diào)幅器。 調(diào)頻一般是在振蕩級(jí)直接進(jìn)行， 比如用改變偏壓的方法 改變LC振蕩器中的電容以達(dá)到調(diào)頻的目的。 20世紀(jì)70年代后， 逐步用寬頻帶放大器、 寬頻帶調(diào)制器和相應(yīng)的濾波器替代傳 統(tǒng)的調(diào)諧放大器， 省去了多聯(lián)可變電容等元件， 提高了高頻 信

47、號(hào)發(fā)生器的可靠性、 穩(wěn)定性及調(diào)幅特性。 XFC-6標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器可看做高頻信號(hào)發(fā)生器的一個(gè) 典型例子， 其主要技術(shù)性能為： 頻率范圍為4300 MHz， 分八擋； 頻率穩(wěn)定度210-4/10 min; 輸出電壓在端接75 負(fù)載上為0.05 V50 mV連續(xù)可 調(diào)； 具有內(nèi)調(diào)幅、 外調(diào)幅、 內(nèi)調(diào)頻、 外調(diào)頻及外部視 頻信號(hào)調(diào)幅等功能。 該信號(hào)發(fā)生器主要用來測(cè)試、 調(diào)整及 維修相應(yīng)頻率范圍內(nèi)的各種無線電接收設(shè)備。 圖3.4-5是XFC-6標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的組成框圖。 圖3.4-5XFC-6標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的組成框圖 3.4.2鎖相信號(hào)發(fā)生器鎖相信號(hào)發(fā)生器 鎖相信號(hào)發(fā)生器是在高性能的調(diào)諧式信號(hào)發(fā)生器中增

48、 加頻率計(jì)數(shù)器， 并將信號(hào)源的振蕩頻率利用鎖相原理鎖 定在頻率計(jì)數(shù)器的時(shí)基上， 而頻率計(jì)數(shù)器又以高穩(wěn)定度 的石英晶體振蕩器為基準(zhǔn)， 從而使鎖相信號(hào)發(fā)生器的輸 出頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度大大提高， 信號(hào)頻譜純度等性 能特性也得到了很大的改善。 圖3.4-6鎖相環(huán)路的基本方框圖 鎖相環(huán)路的基本方框圖， 主要由壓控振蕩器(簡(jiǎn)稱VCO， 其振蕩頻率可由偏置電壓改變。 比如改變變?nèi)荻O管兩端的直流電壓， 就可改變其等 效電容， 從而改變由它構(gòu)成的振蕩器的頻率、 鑒相器(簡(jiǎn)稱 PD ) ， 其輸出端直流電壓隨其兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差改變)、 低通濾波器(簡(jiǎn)稱PLF， 在這里的作用是濾除高頻成分， 留 下隨相位差

49、變化的直流電壓)及晶體振蕩器等部分構(gòu)成。 該鎖相環(huán)的基本工作原理為： 當(dāng)壓控振蕩器輸出頻率f2由于某種原因變化時(shí)， 相應(yīng)相 位也產(chǎn)生變化， 該相位變化在鑒相器中與基準(zhǔn)晶振頻率f1的 穩(wěn)定相位相比較， 使鑒相器輸出一個(gè)與相位差成比例的電壓 ud(t)， 經(jīng)過低通濾波器， 檢出其直流分量uc(t), 用uc(t)控制壓 控振蕩器中的壓控元件數(shù)值(如變?nèi)荻O管電容)， 從而調(diào)整 VCO的輸出頻率f2, 使其不但頻率和基準(zhǔn)晶振一致， 相位也 同步， 這時(shí)稱為相位鎖定， 因此最終VCO的頻率輸出穩(wěn)定 度就由晶振頻率f1所決定。 鎖相環(huán)的電路形式有多種， 根據(jù)不同的電路結(jié)構(gòu)， 鎖 相環(huán)可以完成頻率的加、

50、減、 乘、 除運(yùn)算。 圖3.4-7是國產(chǎn)QF1050型標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器中振蕩器和鎖相 環(huán)部分的框圖。 圖中上半部分為射頻部分： 由變?nèi)荻O管調(diào)諧的VCO直 接產(chǎn)生75110 MHz信號(hào)， 經(jīng)緩沖、 放大和衰減器后由插孔 輸出。 80 MHz晶振輸出信號(hào)與VCO輸出信號(hào)在混頻器中混 合， 取出差頻信號(hào)， 獲得0.330 MHz輸出信號(hào)。 調(diào)頻信號(hào) 加至VCO變?nèi)莨埽?實(shí)現(xiàn)調(diào)頻， 高頻段(75110 MHz)調(diào)幅由 調(diào)制器完成， 0.330 MHz頻段調(diào)幅由調(diào)制器完成。 由 衰減器輸入端取出的部分射頻信號(hào)經(jīng)檢波和運(yùn)放后， 調(diào)制 PIN二極管工作點(diǎn)， 以達(dá)到自動(dòng)電平控制(ALC)的目的。 圖3.4-7

51、QF1050型信號(hào)發(fā)生器部分電路框圖 鎖相部分： 由射頻輸出端送來的取樣信號(hào)經(jīng)放大后， 送至分頻器 和預(yù)置計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻， 變成50 Hz信號(hào)， 送入鑒相器。 預(yù)置計(jì)數(shù)器的分頻比是由控制部分設(shè)定的頻率值的代碼決 定的， 并且分頻比可變。 由16 MHz基準(zhǔn)晶振產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng) 分頻后得到的50 Hz信號(hào)也送入鑒相器， 并與取樣信號(hào)進(jìn)行 同頻鑒相， 其輸出的誤差電壓經(jīng)有源低通濾波器濾波后， 反饋到VCO的變?nèi)荻O管， 以達(dá)到鎖相的目的。 QF1050可作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器使用。 其主要性能指標(biāo) 可達(dá)到： (1) 有效頻率范圍為0.330 MHz， 75110 MHz兩頻段； (2) 6位LED顯示；

52、(3) 頻率精度： 0.330 MHz為(50106+100 Hz), 75110 MHz為（50106+1 kHz)； (4) 頻率穩(wěn)定度為(5109/15 min+30 Hz); (5) 相對(duì)諧波含量與非諧波含量均不大于30 dBc。 3.4.3合成信號(hào)發(fā)生器合成信號(hào)發(fā)生器 合成信號(hào)發(fā)生器用頻率合成器代替信號(hào)發(fā)生器中的主振 蕩器。 它既有信號(hào)發(fā)生器良好的輸出特性和調(diào)制特性， 又有 頻率合成器的高穩(wěn)定度、 高分辨率的優(yōu)點(diǎn)， 同時(shí)輸出信號(hào)的 頻率、 電平、 調(diào)制深度等均可程控， 是一種先進(jìn)的、 高檔 次的信號(hào)發(fā)生器。 為了保證良好的性能， 合成信號(hào)發(fā)生器的電路一般都相 當(dāng)復(fù)雜， 但其核心是頻率

53、合成器。 頻率合成器是把一個(gè)(或少數(shù)幾個(gè))高穩(wěn)定度頻率源fs經(jīng) 過加、 減、 乘、 除及其組合運(yùn)算， 以產(chǎn)生在一定頻率范圍 內(nèi)， 按一定的頻率間隔(或稱頻率跳步)的一系列離散頻率的 信號(hào)發(fā)生器。 頻率合成的方法分為直接合成法和間接合成法兩類。 直接合成法是將基準(zhǔn)晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)， 利 用倍頻器、 分頻器、 混頻器及濾波器等進(jìn)行一系列四則運(yùn) 算以獲得所需要的頻率輸出。 在這種合成法中， 又可分為非相干式直接合成器和相干 式直接合成器。 若用多個(gè)石英晶體產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率， 則產(chǎn)生混頻的兩個(gè)基 準(zhǔn)頻率之間相互獨(dú)立， 叫做非相干式直接合成器。 如果只用一個(gè)石英晶體產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率， 然后通過分頻、

54、 倍頻等， 使加入混頻器的頻率之間是相關(guān)的， 則稱為相干 式頻率合成器。 圖3.4-8是相干式直接頻率合成器的原理圖。 圖3.4-8相干式直接頻率合成器的原理框圖 圖中晶振產(chǎn)生1 MHz的基準(zhǔn)信號(hào)， 并由諧波發(fā)生器產(chǎn)生 相關(guān)的1 MHz、 2 MHz、 、 9 MHz等基準(zhǔn)頻率， 然后通 過十進(jìn)制分頻器(完成10運(yùn)算)、 混頻器和濾波器(完成加法 或減法運(yùn)算)， 最后產(chǎn)生4.628 MHz的輸出信號(hào)。 只要選取不同次諧波進(jìn)行合適的組合， 就能得到所需頻 率的高穩(wěn)定度信號(hào)， 頻率間隔可以做到0.1 Hz以下。 這種方法頻率轉(zhuǎn)換速度快， 頻譜純度高。 但它需要眾 多的混頻器和濾波器， 因而顯得笨重

55、。 目前， 這種方法多 用在實(shí)驗(yàn)室、 固定通信、 電子對(duì)抗和自動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域。 間接合成法即鎖相環(huán)路法， 圖3.4-9是它的原理框圖。 圖中， 壓控振蕩器輸出頻率經(jīng)分頻后得到f/n1頻率的信號(hào)， 該信號(hào)被送往鑒相器， 與來自晶振輸出經(jīng)n2次分頻的頻率為 f0/n2的信號(hào)進(jìn)行相位比較。 由前面關(guān)于鎖相環(huán)路的介紹可知， 當(dāng)f/n1=f0/n2， 即 0 2 1 f n n f (3.4-1) 圖3.4-9間接式頻率合成器的原理框圖 時(shí)， 相位鎖定 輸出信號(hào)按式(3.4-1)的頻率輸出， 且具有與f0(即晶振信號(hào)) 同樣的穩(wěn)定度。 為了有效地鎖相， 需要鑒相器的兩輸入信號(hào)頻率足夠接 近。 如果兩信號(hào)頻

56、率相差較大， 則可先進(jìn)行鑒頻， 用鑒頻器 的輸出控制VCO實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)， 而后利用鑒相器的輸出控制 VCO實(shí)現(xiàn)頻率細(xì)調(diào)。 間接式頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)是省去了濾波器和混頻器， 因 而電路簡(jiǎn)單， 價(jià)格便宜， 但頻率轉(zhuǎn)換速度較慢。 3.4.4射頻信號(hào)發(fā)生器代表性產(chǎn)品性能介紹射頻信號(hào)發(fā)生器代表性產(chǎn)品性能介紹 3.5掃頻信號(hào)發(fā)生器掃頻信號(hào)發(fā)生器 3.5.1線性電路幅頻特性的測(cè)量線性電路幅頻特性的測(cè)量 線性電路對(duì)正弦激勵(lì)的響應(yīng)仍是正弦信號(hào)， 只是與輸入 相比其振幅和相位發(fā)生了變化， 一般情況下都是頻率的函數(shù)。 我們已經(jīng)知道， 正弦穩(wěn)態(tài)下的系統(tǒng)函數(shù)或傳輸函數(shù)N(j) 反映了該系統(tǒng)激勵(lì)與響應(yīng)間的頻率關(guān)系， 即 )

57、(j i o i o e )( )j ( )j ( )j ( j N U U U U N (3.5-1) 式中， N()(或?qū)懗蒒(f)與j()(或?qū)懗?f(f)分別稱為電路(系統(tǒng)) 的幅頻特性和相頻特性。 1. 點(diǎn)頻法測(cè)量幅頻特性點(diǎn)頻法測(cè)量幅頻特性 所謂點(diǎn)頻法， 簡(jiǎn)單地說就是“逐點(diǎn)”測(cè)量幅頻特性或相 頻特性的方法， 如圖3.5-1(a)所示。 圖3.5-1點(diǎn)頻法測(cè)量系統(tǒng)的幅頻特性 圖中， ui為正弦信號(hào)源， 接于被測(cè)電路輸入端， 由低到 高不斷改變信號(hào)源頻率， 信號(hào)電壓不應(yīng)超過被測(cè)電路的線性工 作范圍， 用測(cè)量?jī)x器在各個(gè)頻率點(diǎn)上測(cè)出輸出信號(hào)與輸入信號(hào) 的振幅比(幅頻特性)和相位差(相頻特性)

58、。 以f為橫坐標(biāo)， 以振幅比(或相位差)為縱坐標(biāo)， 就可以逐 點(diǎn)描繪出如圖3.5-1(b)所示的頻率特性曲線。 點(diǎn)頻法原理簡(jiǎn)單， 需要的設(shè)備也不復(fù)雜。 但由于要逐點(diǎn) 測(cè)量， 操作繁瑣費(fèi)時(shí)， 并且由于頻率離散而不連續(xù)， 非常容 易遺漏掉某些特性突變點(diǎn)， 而這常常是我們?cè)跍y(cè)試和分析電路 性能時(shí)非常關(guān)注的問題。 另外， 當(dāng)我們?cè)噲D改變電路的結(jié)構(gòu)或元件參數(shù)時(shí)， 任何改 變都必然導(dǎo)致重新逐點(diǎn)測(cè)量。 如果能夠在測(cè)試過程中使信號(hào)源輸出信號(hào)的頻率按特定 規(guī)律自動(dòng)連續(xù)并且周期性重復(fù)， 利用檢波器將輸出包絡(luò)檢 出送到示波器上顯示， 就得到了被測(cè)電路的幅頻特性曲線。 這種快速、 直觀的測(cè)量方法就是掃頻法測(cè)量的基本思

59、想。 提供頻率可自動(dòng)連續(xù)變化的正弦波信號(hào)源稱為掃頻信號(hào) 源或掃頻振蕩器。 圖3.5-2掃頻法測(cè)量電路幅頻 特性的原理圖 2. 掃頻法測(cè)量幅頻特性掃頻法測(cè)量幅頻特性 除被測(cè)網(wǎng)絡(luò)外， 其 余部分通常都安裝于稱 為頻率特性測(cè)試儀(也稱 掃頻儀)的同一儀器中， 掃頻信號(hào)發(fā)生器實(shí)際上 是頻率可控的正弦振蕩 器， 比如前面所說的壓 控振蕩器(VCO)， 它的 振蕩頻率受掃描電壓us控 制。 若掃描電壓為三角波(見圖(b)， 則掃頻信號(hào)發(fā)生器的 瞬時(shí)頻率在掃描正程期間將隨掃描電壓的線性增加由fmin線 性地變到fmax， 在回掃期間， 又由fmax線性地變到fmin， 如 此周期性反復(fù)， 而掃描信號(hào)的幅度則

60、始終保持不變。 常用的掃描信號(hào)還有鋸齒波和對(duì)數(shù)型波等。 振幅不變而頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的正弦信號(hào)加到 被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入端， 由于調(diào)諧放大器的增益隨頻率而變， 因此其輸出信號(hào)uo的振幅也將隨頻率而改變， uo的包絡(luò)就反 映了該放大器的幅頻特性(見圖(d)， 經(jīng)峰值檢波器檢出輸出 信號(hào)的包絡(luò)uo(見圖(e)， 將它送至示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)， 同時(shí)掃描信號(hào)us加到示波管的水平系統(tǒng)作為掃描時(shí)基信號(hào)， 由于掃頻信號(hào)ui的瞬時(shí)頻率和水平掃描電壓us的瞬時(shí)值一一 對(duì)應(yīng)， 因此示波管的水平軸成為線性的頻率坐標(biāo)軸。 這樣 在us和uo的共同作用下， 示波管熒光屏上就直接顯示出該 調(diào)諧放大器的幅頻特性。 和點(diǎn)頻