第2章測量用信號發(fā)生器

1、第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.1 信號發(fā)生器的種類和技術指標信號發(fā)生器的種類和技術指標2.2 低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器2.3 高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器2.4 函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器2.5 合成信號發(fā)生器合成信號發(fā)生器第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.1 信號發(fā)生器的種類和技術指標信號發(fā)生器的種類和技術指標2.1.1 信號發(fā)生器的用途測量用信號發(fā)生器簡稱信號源，它可以給被測設備提供各種不同頻率的正弦波信號、方波信號、三角波等，信號的幅值可按需要進行調(diào)節(jié)，然后由其他的測試儀器觀測其輸出相應。圖2.1 信

2、號發(fā)生器的功用輸輸 入入激激 勵勵信信號號發(fā)發(fā)生生器器被被測測設設備備測測試試儀儀器器輸輸 出出響響 應應第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 作激勵源作激勵源 作為某些電氣設備的激勵信號。作為某些電氣設備的激勵信號。信號仿真信號仿真 在設備測量中，常需要產(chǎn)生模擬實際環(huán)境相同特在設備測量中，常需要產(chǎn)生模擬實際環(huán)境相同特性的信號，如對干擾信號進行仿真。性的信號，如對干擾信號進行仿真。校準源校準源 產(chǎn)生一些標準信號，用于對一般信號源進行校準產(chǎn)生一些標準信號，用于對一般信號源進行校準（或比對）。（或比對）。 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.1.2 信號發(fā)生器的分類1.1.

3、按頻率范圍分類按頻率范圍分類按照輸出信號的頻率范圍對信號發(fā)生器進行分類是傳統(tǒng)的分類方法，如表2.1所示。 表2.1 各種信號發(fā)生器的頻率范圍 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2. 2. 按用途分按用途分 專用專用-電視信號發(fā)生器、電平振蕩器、誤碼儀電視信號發(fā)生器、電平振蕩器、誤碼儀 通用通用-產(chǎn)生正弦波等通用波形產(chǎn)生正弦波等通用波形 4. 4. 按性能分按性能分 普通普通-功率大，頻率、電壓刻度不大準確，功率大，頻率、電壓刻度不大準確， 用于天線測試等用于天線測試等 標準標準-頻率、電壓刻度準確，屏蔽好，供計測用頻率、電壓刻度準確，屏蔽好，供計測用3. 3. 按輸出波形分按輸出波

4、形分 正弦正弦-脈沖脈沖-函數(shù)函數(shù)-產(chǎn)生函數(shù)通用波形產(chǎn)生函數(shù)通用波形 噪聲噪聲-ttttt5. 5. 按調(diào)制方式分按調(diào)制方式分 調(diào)幅調(diào)幅 調(diào)頻調(diào)頻 調(diào)相調(diào)相 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.1.3 信號發(fā)生器的一般組成不同類型的信號發(fā)生器其性能、用途雖不相同，但基本構(gòu)成是類似的，如圖2.2所示，一般包括振蕩器、變換器、輸出電路、電源及指示器等五部分。圖2.2 信號發(fā)生器的一般組成框圖第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 1. 振蕩器振蕩器是信號發(fā)生器的核心部分，由它產(chǎn)生各種不同頻率的信號，通常是正弦波振蕩器或自激脈沖發(fā)生器。它決定了信號發(fā)生器的一些重要工作特性，如工作

5、頻率范圍、頻率的穩(wěn)定度等。 2. 變換器變換器可以是電壓放大器、功率放大器或調(diào)制器、脈沖形成器等，它將振蕩器的輸出信號進行放大或變換，進一步提高信號的電平并給出所要求的波形。 3. 輸出電路輸出電路為被測設備提供所要求的輸出信號電平或信號功率，包括調(diào)整信號輸出電平和輸出阻抗的裝置，如衰減器、匹配用阻抗變換器、射極跟隨器等電路。 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 4. 指示器 指示器用來指示輸出信號的電平、頻率及調(diào)制度，它可能是電壓表、功率計或調(diào)制度儀等。指示器本身的準確度一般不高，其示值僅供使用時參考。 5. 電源 電源為信號源各部分提供所需的直流電壓，除了便攜式儀器帶有電池外，一

6、般的儀器都采用直流穩(wěn)壓電源，將220V、50Hz的市電經(jīng)變壓、整流、濾波及穩(wěn)壓后，供給儀器使用。圖2.3 信號源的等效電路模型信號源輸出RsUs第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.1.4 信號發(fā)生器的主要技術指標1. 頻率特性1) 有效頻率范圍各項指標均能得到保證時的輸出頻率范圍稱為信號發(fā)生器的有效頻率范圍。 2) 頻率準確度頻率準確度是指輸出信號頻率的實際值f與其標稱值f0的相對偏差，其表達式為000fffff(2-1) 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 3) 頻率穩(wěn)定度頻率短期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)規(guī)定的預熱時間后，頻率在規(guī)定的時間間隔內(nèi)的最大變化，表示為0mi

7、nmaxfff (2-2) 2. 輸出特性1) 電平特性電平特性包括輸出電平及其平坦度。輸出電平范圍是指輸出信號幅度的有效范圍，也就是信號發(fā)生器的最大和最小輸出電平的可調(diào)范圍，通常采用有效值來度量。 輸出電平平坦度是在有效地頻率范圍內(nèi)，輸出電平隨頻率變化的程度。通常的電平平坦度保持在1dB。第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2) 輸出阻抗輸出阻抗的高低隨信號發(fā)生器類型而異。低頻信號發(fā)生器一般有50、600、5 k等幾種不同的輸出阻抗，而高頻信號發(fā)生器一般只有50(或75)不平衡輸出，在使用高頻信號發(fā)生器時，要注意阻抗的匹配。 3) 輸出波形輸出波形是指信號發(fā)生器所能輸出信號的波形。

8、 4) 輸出形式 信號發(fā)生器的輸出形式有平衡輸出和不平衡輸出。 3. 調(diào)制特性 許多信號源還包含調(diào)制功能。如高頻信號發(fā)生器，一般還具有輸出一種或多種調(diào)制信號的能力，通常為調(diào)幅和調(diào)頻信號，有些還帶有調(diào)相、脈沖調(diào)制、數(shù)字調(diào)制等功能。調(diào)制特性包括調(diào)制的種類、頻率、調(diào)幅系數(shù)或最大頻偏以及調(diào)制線性等。第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.2 低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器2.2.1 低頻信號發(fā)生器的組成與技術指標 低頻信號發(fā)生器的輸出頻率范圍為20Hz20KHz，而現(xiàn)代生產(chǎn)的低頻信號發(fā)生器的輸出頻率范圍已經(jīng)延伸到1Hz1MHz。低頻信號發(fā)生器組成框圖如圖2.4所示，主要包括振蕩器、電壓放大器、

9、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器和輸出指示電壓表等部分。圖2.4 低頻信號發(fā)生器的組成框圖第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 1.振蕩器 振蕩器是低頻信號發(fā)生器的核心部分，產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號，它決定了信號發(fā)生器的有效頻率范圍和頻率穩(wěn)定度。低頻信號發(fā)生器中產(chǎn)生振蕩信號的方法有多種，現(xiàn)代低頻信號發(fā)生器中，主振器常采用橋式振蕩電路（RC文氏電橋振蕩電路）或差頻振蕩器組成。 圖2.5 文氏電橋振蕩器的原理框圖第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 文氏橋式振蕩器是典型的RC正弦振蕩器。當RC式反饋網(wǎng)絡的諧振頻率為 時反饋系數(shù)為F=1/3，當放大電路的放大倍數(shù)滿足 時，滿足振蕩電路

10、起振條件 和相位條件，即可起振。頻率覆蓋范圍大小通常用頻率覆蓋系數(shù)表示： 4313VRAR 1VA F RCfp210minmaxffk 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 圖2.6 差頻式低頻信號發(fā)生器原理框圖輸出輸出固定頻率的固定頻率的高頻振蕩器高頻振蕩器混混頻頻器器可變頻率的可變頻率的高頻振蕩器高頻振蕩器低低通通濾濾波波器器f1f2低低頻頻放放大大器器 文氏橋式振蕩器每個波段的頻率覆蓋系數(shù)較小，其最高頻率與最低頻率一般僅為10，以此要覆蓋1Hz1MHz的頻率范圍，至少要五個波段，差頻式低頻信號發(fā)生器可以在不分波段的情況下得到很寬的頻率覆蓋范圍。差頻式低頻信號發(fā)生器組成框圖2.6

11、所示。第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2. 放大器放大器包括電壓放大器和的功率放大器。電壓放大器的作用是對振蕩器產(chǎn)生的微弱信號進行放大，并把功率放大器、輸出衰減器以及負載和振蕩器隔離起來，防止對振蕩信號的頻率產(chǎn)生影響，又可將電壓放大器叫做緩沖放大器。 4.輸出級輸出級包括功率放大器、阻抗變換器和指示電壓表。功率放大器用來對衰減輸出的電壓信號進行功率放大，使之達到額定的功率輸出，驅(qū)動低阻抗負載。通常采用電壓跟隨器或BTL電路等。阻抗變換器用于匹配不同阻抗的負載，以便在負載上獲得最大輸出功率和失真較小的波形。指示電壓表用于監(jiān)測信號發(fā)生器的輸出電壓或?qū)ν鈦淼妮斎腚妷哼M行測量。阻抗變換器

12、只有在信號發(fā)生器進行功率輸出時才使用，阻抗變換器只有在信號發(fā)生器進行功率輸出時才使用，電壓輸出時只需要使用衰減器。電壓輸出時只需要使用衰減器。第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 圖2.7 輸出衰減器原理R1R2R3R4R5R6R7R887654321SUoUiCRP3.輸出衰減器 圖2.7所示電路為低頻信號發(fā)生器中最常用的輸出衰減器。由電位器RP（連續(xù)調(diào)節(jié)器，電壓幅度細調(diào)）取出一部分信號電壓加于R1R8組成的步進衰減器（電壓幅度粗調(diào)），調(diào)節(jié)電位器或調(diào)節(jié)波段開關S所接的擋位，均可使衰減器輸出不同電壓。步進衰減器以分貝(dB)即20lgUo/Ui 標注刻度。8281iOiiiiRUUR第

13、第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.2.2 低頻信號發(fā)生器的主要性能指標 通常，低頻信號發(fā)生器的主要工作特性如下： l 頻率范圍： 一般為1 Hz20KHz，連續(xù)可調(diào)。l 頻率準確度： (13)%。l 頻率穩(wěn)定度：一般為（0.10.4）%/h,優(yōu)于0.1% /h 。l 輸出電壓： 010 V連續(xù)可調(diào)。l 輸出功率： 0.55 W連續(xù)可調(diào)。l 非線性失真范圍： 0.1%1%。l 輸出阻抗： 50 、75 、150 、600 、5 k。l 輸出形式： 平衡輸出與不平衡輸出（差分和單端）。 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.2.3 低頻信號發(fā)生器的操作使用實例其使用要點如

14、下： 1) 了解面板2) 注意正確的操作步驟 信號發(fā)生器的使用包括如下步驟： (1) 開機準備。(2) 輸出頻率調(diào)節(jié)。 (3) 輸出阻抗的配接。 (4) 輸出電路的選擇。 (5) 輸出電壓的調(diào)節(jié)和測讀。 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.3 高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器2.3.1 高頻信號發(fā)生器的組成高 頻 信 號 發(fā) 生 器 也 稱 為 射 頻 信 號 發(fā) 生 器 ， 通 常 產(chǎn) 生200KHz30MHz的正弦波或調(diào)幅波信號，目前高頻信號發(fā)生器的頻率已延伸到30Hz30MHz的甚高頻信號范圍，它的組成框圖如圖2.8所示，主要包括主振器、緩沖級、調(diào)制級、輸出級、內(nèi)調(diào)制振蕩器、監(jiān)

15、測器和電源等。主振器是信號發(fā)生器的核心，一般采用可調(diào)頻率范圍寬、頻率準確度高和穩(wěn)定度好的LC振蕩器，用于產(chǎn)生高頻振蕩信號。高頻信號發(fā)生器按調(diào)制類型分為調(diào)幅和調(diào)頻。1.可變電抗器 可變電抗器與主振器的諧振回路相耦合，在調(diào)制信號作用下，控制諧振回路電抗變化而實現(xiàn)調(diào)頻功能。第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 圖2.8高頻信號發(fā)生器原理框圖主振器主振器緩沖級緩沖級調(diào)制級調(diào)制級輸出級輸出級監(jiān)測器監(jiān)測器輸出輸出電電 源源內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制振蕩器振蕩器可可 變變電抗器電抗器外調(diào)制輸入外調(diào)制輸入AMAMFMFM內(nèi)內(nèi)外外S若語音調(diào)制則成小電臺若語音調(diào)制則成小電臺第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器

16、2.內(nèi)調(diào)制振蕩器 用于為調(diào)制級提供頻率為40Hz或1KHz的內(nèi)調(diào)制正弦信號，該方式稱為內(nèi)調(diào)制。當調(diào)制信號由外部電路提供時，稱為外調(diào)制。3.調(diào)制級 為了測試各種接收機的靈敏度和選擇性等性能指標，必須用已調(diào)制正弦信號作為測試信號，這個任務在調(diào)制級中完成。調(diào)制的方式主要有調(diào)幅、調(diào)頻和脈沖調(diào)制。調(diào)幅多用于 100kHz35MHz的高頻信號發(fā)生器中，一般采用正弦調(diào)制。調(diào)頻主要用于30MHz1000MHz信號發(fā)生器中，脈沖調(diào)制多用于300MHz以上的微波信號發(fā)生器中。 4. 輸出級 主要由功率放大、輸出衰減、阻抗匹配等組成。 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.2.3 高頻信號發(fā)生器的主要性

17、能指標 以XFG-7為例：1）頻率范圍：100KHz30MHz，分為8個頻段，與頻率調(diào)節(jié)刻度盤上的8條刻度線相對應。頻率刻度誤差為1%。 第一頻段：100180KHz；第七頻段：6.514MHz 第二頻段：180350KHz；第八頻段：1430MHz 第三頻段：350700KHz； 第四頻段：700KHz1.4MHz； 第五頻段：1.43MHz； 第六頻段：36.5MHz第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2）輸出電壓與輸出阻抗： 在“00.1V”插孔：分10V、 100V、1mV、 10mV 、100mV五檔，每檔可以微調(diào)，輸出阻抗為40。 在“01V”插孔：輸出01V，輸出阻抗為

18、40。3）調(diào)幅頻率：內(nèi)調(diào)幅分為400Hz和1KHz兩種；外調(diào)幅在508000KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。4）漏訊：0.3 V。 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.3.3 高頻信號發(fā)生器的使用步驟與技巧1. 面板裝置2. 使用步驟與技巧2.3.4 調(diào)幅高頻信號發(fā)生器的典型應用3. 接線方法4. 收音機中頻的校準5. 靈敏度的測試6. 選擇性的測試第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.4.1 函數(shù)信號發(fā)生器的組成與原理1. 方波三角波正弦波方式（脈沖式） 脈沖式函數(shù)信號發(fā)生器先由施密特電路產(chǎn)生方波，然后經(jīng)變換得到三角波和正弦波形。具體包括雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、比較器和正弦波形成電路。

19、其原理框圖如圖2.9所示。2.4 函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 圖2.9 脈沖式函數(shù)信號發(fā)生器原理框圖第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 正 弦 振 蕩 器緩 沖 級放 大 器方 波 形 成積 分 器輸 出 級2.正弦波方波三角波方式（正弦式）圖2.10 正弦式函數(shù)信號發(fā)生器的組成框圖第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.4.2 正弦波形成電路圖2.11 正弦波形成電路原理第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.4.3 函數(shù)信號發(fā)生器的主要性能指標對于函數(shù)信號發(fā)生器，其性能指標有： (1) 輸出波形： 通常輸出波形有正

20、弦波、方波、脈沖和三角波等波形，有的還具有鋸齒波、斜波、TTL同步輸出及單次脈沖輸出等。(2) 頻率范圍： 函數(shù)發(fā)生器的整個工作頻率范圍一般分為若干頻段，如110 Hz、10100 Hz、100 Hz1 kHz、110 kHz、10100 kHz、100 kH1 MHz等波段。 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 (3) 輸出電壓：對正弦信號，一般指輸出電壓的峰-峰值，通?？蛇_10UP-P以上；對脈沖數(shù)字信號, 則包括TTL和CMOS輸出電平。(4) 波形特性：不同波形有不同的表示法。正弦波的特性一般用非線性失真系數(shù)表示，一般要求小于等于3%；三角波的特性用非線性系數(shù)表示，一般要求小

21、于等于2%；方波的特性參數(shù)是上升時間，一般要求小于等于100 ns。第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 (1) 直接合成法分為模擬直接合成法和數(shù)字直接合成法。模擬直接合成法采用基準頻率通過諧波發(fā)生器，產(chǎn)生一系列諧波頻率，然后利用混頻、倍頻和分頻進行頻率的算術運算，最終得到所需的頻率； 數(shù)字直接合成法則是利用ROM和DAC結(jié)合，通過控制電路，從ROM單元中讀出數(shù)據(jù)，再進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，得到一定頻率的輸出波形。(2) 間接合成法則通過鎖相技術進行頻率的算術運算，最后得到所需的頻率。2.5 合成信號發(fā)生器合成信號發(fā)生器第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 1.固定頻率合成法2.5.1

22、 直接合成法ooNffD第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2. 可變頻率合成法 圖2.12所示為模擬直接合成法的例子直接頻率合成器的原理框圖，基準頻率源(石英晶體振蕩器)產(chǎn)生1 MHz基準頻率，通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生2 MHz、3 MHz、9 MHz等諧波頻率，連同1 MHz基準頻率一起并接在縱橫制接線的電子開關上，通過電子開關取出8 MHz、2 MHz、6 MHz、4 MHz信號，再經(jīng)過10分頻器(完成10運算)、混頻器(完成加法或減法運算)和濾波器，最后產(chǎn)生4.628 MHz輸出信號。 第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 圖2.12 直接頻率合成器原理框圖晶振諧波發(fā)生器(

23、倍 頻)分頻(10)8 MHz混頻()2 MHz濾波分頻(10)混頻()6 MHz濾波分頻(10)2.8 MHz0.28 MHz6.28 MHz混頻()濾波4.628 MHz0.628 MHz4 MHz第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 3. 數(shù)字直接合成法 數(shù)字直接合成法又叫直接數(shù)字頻率合成(DDS)，它是近年來迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法，它將先進的數(shù)字處理理論與方法引入信號合成領域，通過控制相位變化速度來直接產(chǎn)生各種不同頻率信號。DDS的基本原理如圖2.13所示。 圖2.13 DDS的基本原理第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 2.5.2 間接合成法 1.基本鎖

24、相環(huán) 圖2.14給出了鎖相環(huán)的基本原理框圖。 它主要由基準頻率源、鑒相器(PD) 、低通濾波器 (LPF) 和壓控振蕩器(VCO)構(gòu)成一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng)。 圖2.14 鎖相環(huán)的基本原理框圖第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 將基本鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)稍加變化，在反饋回路中加入分頻比為N的可變分頻器，就可得到頻率合成器中經(jīng)常使用的鎖相環(huán)，其原理如圖2.15所示。 PDLPFVCOfrfo Nfr可變 N分頻器圖2.15 倍頻式鎖相環(huán)原理圖第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 （a） 諧波倍頻環(huán)諧波倍頻環(huán)VCOPDLPFfi諧波諧波形成形成Nfi（b）數(shù)字倍頻環(huán)）數(shù)字倍頻環(huán)VCOPDLPFfiNfiNPLLNfi（c）倍頻環(huán)簡化圖）倍頻環(huán)簡化圖圖2.16 倍頻式鎖相環(huán)第第2章章 測量用信號發(fā)生器測量用信號發(fā)生器 分頻式鎖相環(huán) 分頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率的除法運算，與倍頻環(huán)相似，也有