第3章-信號發(fā)生器

第3章信號發(fā)生器3.1信號發(fā)生器概述3.2正弦信號發(fā)生器的性能指標3.3低頻信號發(fā)生器3.4射頻信號發(fā)生器3.5掃頻信號發(fā)生器3.1信號發(fā)生器的概述信號發(fā)生器的用途和基本構成信號發(fā)生器的分類3.1.1信號源在電子測量中的用途和組成1.信號源的作用

信號發(fā)生器也稱信號源是能夠產生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器。信號源的用途主要有以下三方面：☆激勵源。☆信號仿真?！顦藴市盘栐础?.信號源的組成圖3．1—3信號發(fā)生器原理框圖8.1.2信號源的分類1.按頻率范圍大致可分為六類：名稱頻率范圍主要應用領域超低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器視頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器甚高頻信號發(fā)生器超高頻信號發(fā)生器

30kHz以下

30kHz～300kHz300kHz～6MHz6MHz～30MHz30MHz～300MHz300MHz～3000MHz電聲學、聲納電報通訊無線電廣播廣播、電報電視、調頻廣播、導航雷達、導航、氣象表3.1—12.按輸出波形,大致可分為：正弦波形發(fā)生器；脈沖信號發(fā)生器；函數信號發(fā)生器；噪聲信號發(fā)生器。3.按照信號發(fā)生器的性能指標可分為：一般信號發(fā)生器；標準信號發(fā)生器；圖3.1—2幾種典型的信號波形3.2正弦信號源的性能指標1.頻率特性（1）頻率范圍（2）頻率準確度

:通常用相對誤差表示（3）頻率穩(wěn)定度

(4)由溫度、電源、負載變化而引起的頻率變動量

在第一章第§1．4節(jié)中曾提到測量儀器的穩(wěn)定性指標，其一為穩(wěn)定度，其二為影響量。前述規(guī)定時間間隔內的頻率漂移即穩(wěn)定度，而由溫度、電源、負載變化等外界因素造成的頻率漂移(或變動)即為影響量.l)溫度引起的變動量

環(huán)境溫度每變化工℃所產生的相對頻率變化，表示為：預調頻率的x.10-6℃，即（3.2-4）

式中△t為溫度變化值，f0為預調值，f1為溫度改變后的頻率值.2)電源引起的頻率變動量

供電電源變化±10％所產生的相對頻率變化，表為：，即（3.2-5）3)負載變化引起的頻率變動量

負載電阻從開路變化到額定值時所引起的相對頻率變化，表示為：，即（3.2-6）式中f1為空載時的輸出頻率，f2為額定負載時的輸出頻率。2.輸出特性（1）輸出電平范圍。（2）輸出電平的平坦度（3）輸出電平穩(wěn)定度（4）輸出阻抗（5）輸出信號的非線性失真系數。人們通常用信號頻譜純度來說明輸出信號波形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數表示：3.調制特性調制特性的恒量指標主要包括調制頻率，調幅系數，最大頻偏，調制線性等。（3.2-7）式中U1為輸出信號基波有效值，

為各次諧波有效值。1.

低頻信號發(fā)生器的組成框圖低頻信號發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz～20KHz，故又稱音頻信號發(fā)生器3.3

低頻信號發(fā)生器圖3.3—1低頻信號發(fā)生器框圖一、低頻信號發(fā)生器圖3.3—1低頻信號發(fā)生器框圖低頻信號發(fā)生器的核心部分是振蕩器，作用：產生頻率可調的正弦信號，決定了信號源有效頻率范圍和頻率穩(wěn)定度。低頻信號發(fā)生器中產生振蕩信號(圖3．3-1中主振器)的方法有多種，在通用信號發(fā)生器(如XD-1、XD-2、XD-7)中，主振器通常使用RC振蕩器，而其中應用最多的當屬文氏橋振蕩器。2.通用RC振蕩器圖3.3—2RC文氏橋網絡這里主要介紹文氏橋振蕩器的核心部件——文氏橋式選頻網絡圖3.3—2RC文氏橋網絡圖3．3-2給出了文氏橋式網絡及其傳輸函數的幅頻相頻特性。我們簡要分析其工作原理。在圖(a)中，是網絡的輸入電壓，是輸出電壓，Z1為R、C串聯(lián)阻抗，Z2為R、C并聯(lián)阻抗，則網絡的傳輸函數（3.3-1）式中（3.3-2）由式(3。3—1)得到傳輸函數的幅頻特性和相頻特性分別為（3.3-3）（3.3-4）和分別示于圖3．3-2中(b)和?.由圖(b)、(c)可以看出：當，或時，輸出信號與輸入信號同相，且此時傳輸函數模最大，如果輸出信號后接放大倍數的同相放大器(一般由兩級反相放大器級聯(lián)實現)，那么就可以維持或者的正弦振蕩，而由于RC網絡的選頻特性，其他頻率的信號將被抑制。但是，放大倍數Kv＝3的放大器是不穩(wěn)定的，同時由于文氏橋電路的選頻特性很差，放大器增益不穩(wěn)，不但會引起振蕩振幅變化，還會造成輸出波形失真。因此，總是使用高增益的二級放大器加上負反饋，使得在維持振蕩期間，總電壓增益為3，這樣就形成了圖3，3—3所示的文氏橋振蕩電路。圖中負溫度系數熱敏電阻Rt和電阻Rf就構成了電壓負反饋電路。圖3.3—3使用熱敏電阻Rt作為增益控制器件的文氏橋式振蕩器方框圖

(l)LC振蕩器當談到正弦振蕩時，很容易想到用L、C構成諧振電路和晶體管放大器來實現。實際上基本不用這種電路做為低頻信號發(fā)生器的主振蕩器。這是因為對L、C振蕩電路，振蕩頻率當頻率較低時，L、C的體積都相當大，分布電容、漏電導等也都相應很大，而品質因數Q值降低很多，諧振特性變壞，且調節(jié)困難。3.其它低頻振蕩器

(2)差頻式振蕩器可變頻率振蕩器和固定頻率振蕩器分別產生可變頻率的高頻振蕩f1和固定頻率的高頻振蕩f2，經過混頻器M產生兩者差頻信號f＝f1–f2

，后面的低通濾波器濾除混頻器輸出中含有的高頻分量。圖3.3—6差頻信號發(fā)生器框圖超低頻信號發(fā)生器實際上仍屬于低頻信號發(fā)生器，只是輸出信號頻率低端較一般低頻信號發(fā)生器更低一些，通常將能產生士Hz以下頻率的信號源稱為超低頻信號發(fā)生器，目前超低頻信號發(fā)生器的頻率低端已可低于10-8Hz.這類信號發(fā)生器主要用于自動控制系統(tǒng)的測試。二、超低頻信號發(fā)生器1．用積分器構成的超低頻信號發(fā)生器

(1)運算放大器及其理想化模型圖3．3-8(a)中虛框內表示運算放大器，(b)中虛框內部分為其等效電路，圖3．3-8中(c)的理想化運放模型。圖3.3—8運算放大器及其理想化模型圖3.3—8運算放大器及其理想化模型圖3.3—8運算放大器及其理想化模型(2)用運放構成的超低頻信號發(fā)生器仍考慮圖3.3—9(c)積分電路和式(3.3—10)，當輸入為角頻率的正弦函數時也為同頻率正弦函數，用相量表示有(3.3-12)或者圖3.3—9運算放大器的運算功能即積分器產生相移，增益為如果用兩級積分器級聯(lián)并在反饋環(huán)路中加接一個反相器()，如圖3.3—1.0(a)所示，則閉環(huán)增益(3.3-13)或者當(3.3-14)時，閉環(huán)增益，這正好是維持振蕩的相位和振幅條件，也就是說圖3．3—10(a)圖電路可產生頻率為式(3．3—14)所表示的正弦振蕩。在實際振蕩器中，為了調節(jié)方便，結構簡單，一般取，并在兩級積分器前，各加一個由同軸電位器構成的分壓電路，分壓比均為a，如圖3．3—l0(b)所示，不難得出其振蕩頻率為(3.3-15)實際振蕩器中，用改變R或C的辦法改變頻段，改變。進行頻率細調。圖3.3—10用積分器構成的超低頻信號發(fā)生器在低頻(或超低頻)信號發(fā)生器的家族中，還有一種被稱為函數信號發(fā)生器，簡稱函數發(fā)生器，它在輸出正弦波的同時，還能輸出同頻率的三角波、方波、鋸齒波等波形，以滿足不同的測試需求。函數發(fā)生器的基本工作原理是先由積分電路和觸發(fā)電路產生三角波和方波，然后通過函數轉換器(例如二極管整形網絡)將三角波整形成正弦波。2、函數信號發(fā)生器1）方波——三角波發(fā)生器

圖3．3—1l是函數發(fā)生器的原理圖，圖中由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，比較器I、Ⅱ和積分器構成方波及三角波振蕩電路，然后由二極管整形網絡將三角波整形成正弦波。其簡要工作原理如下：圖3.3—11函數發(fā)生器原理圖圖3.3—12函數發(fā)生器波形圖2）正弦波形成電路將對稱三角波轉換為正弦波的原理如圖3.3—13(a)所示。正弦波可看成是由許多斜率不同的直線段組成，只要直線段足夠多，由折線構成的波形就可以相當好地近似正弦波形，斜率不同的直線段可由三角波經電阻分壓得到(各段相應的分壓系數不同).因此，只要將三角波叭通過二個分壓網絡，根據叭的大小改變分壓網絡的分壓系數，便可以得到近似的正弦波輸出。二極管整形網絡就可實現這種功能，我們用圖3.3—13(b)所示的二極管整形網絡來說明其工作原理。圖3.3—13由三角波整形成正弦波圖3.3—13由三角波整形成正弦波3.4

高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器輸出頻率范圍一般在300KHz～1GHz，大多數具有調幅，調頻及脈沖調制等功能圖3.41—1高頻信號發(fā)生器框圖

一、鎖相信號發(fā)生器隨著通信及電子測量水平的發(fā)展與提高，需要信號發(fā)生器能有足夠寬的頻率復蓋，足夠高的頻率準確度和穩(wěn)定度。由LC振蕩電路或RC振蕩器為主振器的信號發(fā)生器已不能適應更高的要求。鎖相信號發(fā)生器是在高性能的調諧式信號發(fā)生器中增加頻率計數器，并將信號源的振蕩頻率利用鎖相原理鎖定在頻率計數器的時基上，而頻率計數器又是以高穩(wěn)定度的石英晶體振蕩器為基準的，從而使鎖相信號發(fā)生器的輸出頻率的穩(wěn)定度和準確度大大提高，信號頻譜純度等性能特性也有很大改善。圖3.4—6鎖相環(huán)基本方框圖鎖相環(huán)基本工作原理

鎖相環(huán)是一個相位環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。該環(huán)路由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、電壓控制振蕩器（VCO）及基準晶體振蕩器等部分組成。鎖相環(huán)的主要性能指標:同步帶寬：鎖定條件下輸入頻率所允許的最大變化范圍捕捉帶寬：環(huán)路最終能夠自行進入鎖定狀態(tài)的最大允許的頻差環(huán)路帶寬:鎖相環(huán)的頻率特性具有低通濾波器的傳輸特性，其高頻截止頻率稱為環(huán)路帶寬。頻率合成原理頻率的代數運算是通過倍頻、分頻及混頻技術來實現。二、合成信號發(fā)生器頻率1輸出石英晶體代數運算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準頻率2.頻率合成分類及特點⑴直接頻率合成

通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法來產生一系列頻率信號并用窄帶濾波器選出，下圖是其實現原理。晶振諧波發(fā)生器（倍頻）分頻（÷10）8MHz混頻（+）混頻（+）2MHz濾波分頻（÷10）2.8MHz濾波0.28MHz分頻（÷10）混頻（+）濾波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz9MHz優(yōu)點：頻率切換迅速，相位噪聲很低。缺點：電路硬件結構復雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。⑵鎖相式頻率合成

–間接頻率合成一種間接式的頻率合成技術。它利用鎖相環(huán)（PLL）把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個基準頻率的基礎上合成不同的頻率。優(yōu)點：易于集成化，體積小，結構簡單，功耗低，價格低等優(yōu)點。缺點：頻率切換時間相對較長，相位噪聲較大。

圖3．4—9間接式頻率合成器原理框圖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分頻后得到頻率的信號送往鑒相器，與采自晶振輸出經n2次分頻的頻率f0/n2的信號進行相位比較，由前面的鎖相環(huán)路的介紹可知，當即(3.4-1)例：下面是一個三環(huán)鎖相頻率合成器原理框圖

三環(huán)PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfi÷NB÷MVCOCPDCLPFC－BPFfoVCOAPDALPFA+÷NAfA×NAPLL+PLL÷M×NBPLLfifo三環(huán)合成器簡化框圖fBfA環(huán)A輸出頻率為:環(huán)B的輸出頻率為:由環(huán)C有：因此，合成器的輸出頻率為：3.5掃頻信號發(fā)生器

掃頻信號發(fā)生器是一種輸出信號的頻率隨時間在一定范圍內反復變化的正弦信號發(fā)生器，它是頻率特性測試儀(掃頻儀)的核心，主要用于直接測量各種網絡的頻率響應特性。一、線性電路幅頻特性的測量

在測量技術分類中，頻域測量占有重要地位，其中主要原因是線性電路對正弦激勵的響應仍是正弦信號，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。我們已經知道，正弦穩(wěn)態(tài)下的系統(tǒng)函數或傳輸函數N()就反映了該系統(tǒng)激勵與響應間的關系(3.5-1)式中(或寫成)與)(或寫成)分別稱為電路(系統(tǒng))的幅頻特性和相頻特性.1．點頻法測量幅頻特性所謂點頻法，簡單說就是“逐點”測量幅頻特性或相頻特性的方法，點頻法原理簡單，需要的設備也不復雜。但由于要逐點測量，操作繁瑣費時，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，而這常常是我們在測試和分析電路性能時非常關注的問題。

這種快速直觀的測量方法就是掃頻法測量的基本思想，提供頻率可自動連續(xù)變化的正弦波信號源，稱為掃頻信號源或掃頻振蕩器。圖3.5—1點頻法測量系統(tǒng)的幅頻特性圖3.5—1點頻法測量系統(tǒng)的幅頻特性2．掃頻法測量頻率特性掃頻法測量電路幅頻特性的原理圖示于圖3.5—2中，在圖(a)的原理框圖中，除被測網絡外，其余部分通常都安裝于稱為頻率特性測試儀(也稱掃頻儀)的同一儀器中，掃頻信號發(fā)生器實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。圖3.5—2掃頻法測量網絡頻率特性原理圖3.5—2掃頻法測量網絡頻率特性原理圖3.5—2掃頻法測量網絡頻率特性原理2．掃頻振蕩器的工作原理