测量用信号发生器.ppt

第第5章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 5.1 信号发生器的种类、组成与技术指标信号发生器的种类、组成与技术指标5.1.1 信号发生器的分类如图5.1所示，信号源产生不同频率、不同波形或调制的电压/电流信号并加到被测电路与设备上，用其它测量仪器观察、测量被测对象的输出响应，以分析确定被测对象的性能参数图5.1 测量用信号发生器1. 按频率范围分按照输出信号的频率范围对无线电测量用正弦信号发生器进行分类是传统的分类方法，如表5.1所示  表5.1 信号发生器的频率划分 2. 按用途分根据用途的不同，信号发生器可以分为通用信号发生器和专用信号发生器两类3. 按输出波形分  根据所输出信号波形的不同，信号发生器可分为正弦信号发生器、矩形信号发生器、脉冲信号发生器、三角波信号发生器、钟形脉冲信号发生器和噪声信号发生器等 4. 按调制方式分按调制方式的不同，信号发生器可分为调频、调幅、脉冲调制、I-Q矢量调制等类型5. 按性能指标分按信号发生器的性能指标，可分为一般信号发生器和标准信号发生器     5.1.2  信号发生器的基本组成不同类型的信号发生器其性能、用途虽不相同，但基本构成是类似的，如图5.2所示，一般包括振荡器、变换器、指示器、电源及输出电路等五部分。

图5.2 信号发生器的基本组成框图1. 振荡器振荡器是信号发生器的核心部分，由它产生各种不同频率的信号，通常是正弦波振荡器或自激脉冲发生器它决定了信号发生器的一些重要工作特性，如工作频率范围、频率的稳定度等 2.变换器变换器可以是电压放大器、功率放大器或调制器、脉冲形成器等，它将振荡器的输出信号进行放大或变换，进一步提高信号的电平并给出所要求的波形 3.输出电路输出电路为被测设备提供所要求的输出信号电平或信号功率，包括调整信号输出电平和输出阻抗的装置，如衰减器、匹配用阻抗变换器、射极跟随器等电路 信号源的等效电路如图5.3所示 图5.3 信号源的等效电路模型5.1.3 信号发生器的主要技术指标1. 频率特性1) 有效频率范围各项指标均能得到保证时的输出频率范围称为信号发生器的有效频率范围 2) 频率准确度频率准确度是指输出信号频率的实际值f与其标称值f0的相对偏差，其表达式为(5-1) 3) 频率稳定度频率短期稳定度定义为信号发生器经规定的预热时间后，频率在规定的时间间隔内的最大变化，表示为4) 频谱纯度对于正弦信号发生器，频谱纯度也是其重要指标之一。

    (5-2) 2. 输出特性1) 输出电平输出电平包括输出电平范围和输出电平准确度输出电平范围是指输出信号幅度的有效范围，也就是信号发生器的最大和最小输出电平的可调范围，通常采用有效值来度量 2) 输出电平的频率响应输出电平的频率响应是指在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化情况，也就是输出电平的平坦度 3) 谐波失真                                                           (5-3)式中，U1为输出信号基波的有效值(或幅值)； 4) 输出阻抗输出阻抗的高低随信号发生器类型而异低频信号发生器一般有50 Ω、600 Ω、5 kΩ等几种不同的输出阻抗，而高频信号发生器一般只有50 Ω(或75 Ω)不平衡输出，在使用高频信号发生器时，要注意阻抗的匹配 5) 输出波形输出波形是指信号发生器所能输出信号的波形  3. 调制特性        许多信号源还包含调制功能如高频信号发生器，一般还具有输出一种或多种调制信号的能力，通常为调幅和调频信号，有些还带有调相、脉冲调制、数字调制等功能调制特性包括调制的种类、频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。

5.2 低频信号发生器低频信号发生器5.2.1  低频信号发生器的组成低频信号发生器组成框图如图5.4所示，主要包括主振器、缓冲放大器、电平调节器、功率放大器、输出衰减器、阻抗变换器和输出指示器等部分图5.4 低频信号发生器的原理框图1.主振器 主振器是低频信号发生器的核心部分，产生频率可调的正弦信号，它决定了信号发生器的有效频率范围和频率稳定度低频信号发生器中产生振荡信号的方法有多种，现代低频信号发生器中，主振器常采用RC文氏电桥振荡电路其原理框图如图5.5所示 图5.5 文氏电桥振荡器的原理框图2.缓冲放大器缓冲放大器兼有缓冲和电压放大的作用缓冲是为了将后级电路与主振器隔离，防止后级电路、负载等的变化对主振器的影响，保证主振频率稳定，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器 3.功率放大器功率放大器用来对电平调节器送来的电压信号进行功率放大，使之达到额定的功率输出，驱动低阻抗负载通常采用电压跟随器或BTL电路等   4.输出衰减器图5.6所示电路为低频信号发生器中最常用的输出衰 减 器 由 电 位 器 RP取 出 一 部 分 信 号 电 压 加 于R1~R8组成的步进衰减器，调节电位器或调节波段开关S所接的挡位，均可使衰减器输出不同电压。

5.阻抗变换器阻抗变换器用于匹配不同阻抗的负载，以便在负载上获得最大输出功率 图5.6 输出衰减器6.输出指示输出指示用来指示输出端输出电压的幅度，或对外部信号电压进行测量，可能是指针式电压表、数码LED或LCD 5.2.2 低频信号发生器的主要性能指标 通常，低频信号发生器的主要工作特性如下： (1) 频率范围： 一般为20 Hz~1 MHz，连续可调2) 频率准确度： ±(1~3)%(3) 频率稳定度： 优于0.1%(4) 输出电压： 0~10 V连续可调(5) 输出功率： 0.5~5 W连续可调(6) 非线性失真范围： 0.1%~1%(7) 输出阻抗： 50 Ω、75 Ω、600 Ω、5 kΩ(8) 输出形式： 平衡输出与不平衡输出 5.2.3  低频信号发生器的使用要点其使用要点如下： 1) 了解面板2) 注意正确的操作步骤 信号发生器的使用包括如下步骤： (1) 开机准备2) 选择频率 (3) 输出阻抗的配接 (4) 选择输出电路的形式 (5) 输出电压的调节和测读 5.3 高频信号发生器高频信号发生器5.3.1  高频信号发生器的组成高频信号发生器的组成框图如图5.7所示，主要包括振荡器、缓冲级、调制级、输出级、内调制振荡器、频率调制器、监测指示电路等。

(1) 振荡器：用于产生高频振荡信号它是信号发生器的核心，信号发生器的主要工作特性大都由它决定  (2) 缓冲级：主要起隔离放大的作用，用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作稳定，并将主振信号放大到一定的电平(3) 调制级：主要完成对主振信号的调制  图5.7 高频信号发生器原理框图(4) 内调制振荡器： 供给符合调制级要求的音频正弦调制信号(5) 输出级： 主要由放大器、滤波器、输出微调、输出衰减器等组成      (6) 监测指示电路：监测指示输出信号的载波电平和调制系数  5.3.2 调谐信号发生器根据反馈方式，又可分为变压器反馈式、电感反馈式(也称电感三点式或哈特莱式)及电容反馈式(也称电容三点式或考毕兹式)三种振荡形式，如图5.8所示         图5.8  LC振荡器电路的三种构成形式(a) 变压器反馈式； (b) 电感三点式； (c) 电容三点式5.3.3  合成信号发生器(1) 直接合成法分为模拟直接合成法和数字直接合成法模拟直接合成法采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率； 数字直接合成法则是利用ROM和DAC结合，通过控制电路，从ROM单元中读出数据，再进行数/模转换，得到一定频率的输出波形。

(2) 间接合成法则通过锁相技术进行频率的算术运算，最后得到所需的频率 1. 直接合成法1) 模拟直接合成法图5.9所示为模拟直接合成法的例子直接频率合成器的原理框图，基准频率源(石英晶体振荡器)产生1 MHz基准频率，通过谐波发生器产生2 MHz、3 MHz、…、9 MHz等谐波频率，连同1 MHz基准频率一起并接在纵横制接线的电子开关上，通过电子开关取出8 MHz、2 MHz、6 MHz、4 MHz信号，再经过10分频器(完成÷10运算)、混频器(完成加法或减法运算)和滤波器，最后产生4.628 MHz输出信号 图5.9 直接频率合成器原理框图 2) 数字直接合成法数字直接合成法又叫直接数字频率合成(DDS)，它是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法，它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，通过控制相位变化速度来直接产生各种不同频率信号    DDS的基本原理如图5.10所示 图5.10 DDS的基本原理与传统的频率合成技术相比，DDS具有以下特殊优点： (1) 频率分辨率高，频点数多(2) 频率转换快3) 相位连续4) 信号相干5) 相位噪声小。

6) 便于实现复杂方式的信号调制7) 微处理器接口，控制容易，稳定可靠 (8) 大规模集成，体积小，功耗低，重量轻如 美 国 模 拟 器 件 (Analog  Devices)公 司 的 AD985x、AD995x系列单片DDS，其主要特性见表5.2表5.2 美国模拟器件公司DDS的主要特性 2. 间接合成技术图5.11给出了锁相环的基本原理框图  图5.11 锁相环的基本原理框图基本锁相环是个闭环相位负反馈环路，由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)及压控振荡器(VCO)三大部分组成(1) 鉴相器(PD，又称相位比较器) (2) 低通滤波器(LPF) (3) 压控振荡器(VCO)将基本锁相环的结构稍加变化，在反馈回路中加入分频比N可变的分频器，就可得到频率合成器中经常使用的锁相环，其原理如图5.12所示  图5.12 倍频式锁相环原理图当锁相环锁定时，鉴相器PD两输入端信号的频率差为零，即从而有                           fo=Nfr           (5-5)  (5-4) 除倍频式锁相环外，还有混频式锁相环(如图5.13所示)等形式，在此不作详述。

 图5.13 混频式锁相环5.3.4  高频信号发生器的主要性能指标其主要性能指标如下： (1) 频率范围： 100 kHz~30 MHz，共分八个波段(2) 频率刻度误差： ±1%(3) 输出电压： 0~1 V(有效值)(4) 输出阻抗： 40 Ω(0~1 V输出孔)、8 Ω(0~0.1 V输出孔)  (5) 电压表刻度误差： ±5%(载波为1 MHz，1 V电压时)(6) 内调制信号频率：400 Hz、1000 Hz，误差为±5%(7) 外调制信号频率： 50 Hz~8 kHz(8) 调幅范围：当m＜60%时，误差为±5%； 当m＞60%时，误差为±10%(9) 谐波电平： ＜25 dBc5.4 函数信号发生器函数信号发生器5.4.1  函数信号发生器的基本组成与原理 1. 脉冲式函数信号发生器脉冲式函数信号发生器的原理框图如图5.14所示  图5.14  脉冲式函数信号发生器原理框图图5.15所示为典型的二极管网络变换电路，可将对称的三角波转换成正弦波图5.15 二极管正弦波形成电路2. 正弦式函数信号发生器正弦式函数信号发生器的组成框图如图5.16所示。

 图5.16  正弦式函数信号发生器的组成框图3. 三角波式函数发生器三角波式函数信号发生器的原理框图如图5.17所示 图5.17  三角波式函数信号发生器的原理框图5.4.2  函数信号发生器的主要性能指标对于函数信号发生器，其性能指标有： (1) 输出波形： 通常输出波形有正弦波、方波、脉冲和三角波等波形，有的还具有锯齿波、斜波、TTL同步输出及单次脉冲输出等(2) 频率范围： 函数发生器的整个工作频率范围一般分为若干频段，如1~10 Hz、10~100 Hz、100  Hz~1  kHz、1~10  kHz、10~100  kHz、100  kH~1 MHz等波段 (3) 输出电压： 对正弦信号，一般指输出电压的峰-峰值，通常可达10UP-P以上； 对脉冲数字信号, 则包括TTL和CMOS输出电平(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线性失真系数表示， 一般要求小于等于3%； 三角波的特性用非线性系数表示，一般要求小于等于2%； 方波的特性参数是上升时间，一般要求小于等于100 ns(5) 输出阻抗： 函数输出50 Ω； TTL同步输出600 Ω。

例如，GFG-8016G函数发生器的主要性能指标如下： · 频率范围： 0.2 Hz~2 MHz，分7个频段，6位LED数码管显示· 频率准确度： ±5%· 压控特性： · 输出波形： · 输出幅度： · 输出衰减： · 输出直流偏移： · 正弦波：  · 脉冲： 5.5 脉冲信号发生器脉冲信号发生器 最基本的脉冲信号是矩形脉冲信号，如图5.18所示它有以下一些基本参数： (1) 脉冲振幅A：指脉冲顶量值与底量值之差2) 上升时间tr：指由10%电平处上升到90%电平处所需的时间，也叫脉冲前沿(3) 下降时间tf： 指由90%电平处下降到10%电平处所需的时间，也叫脉冲后沿(4) 脉冲宽度τ (或tw)：脉冲宽度本应指脉冲出现后所持续的时间，但是由于脉冲波形差异很大，顶部和底部宽度并不一致，所以定义脉冲宽度为前后沿50%电平处的宽度5) 脉冲周期和重复频率： 如图5.18(b)所示(6) 脉冲的占空系数ε：脉冲宽度τ与脉冲周期T的比值称为占空系数或占空比，即ε=τ/T图5.18 矩形脉冲信号5.5.1  脉冲信号发生器的分类按照频率范围来分，脉冲信号发生器有射频脉冲信号发生器和视频脉冲信号发生器两种。

前者一般是高频或超高频信号发生器受矩形脉冲的调制而获得的，而常用的脉冲信号发生器都是以产生矩形脉冲为主的视频脉冲信号发生器按照用途和产生脉冲的方法不同，脉冲信号发生器可分为通用脉冲发生器、快沿脉冲发生器、函数信号发生器、特种脉冲发生器等5.5.2  脉冲信号发生器的组成与基本原理一台基本的脉冲信号发生器，其组成原理方框图如图5.19所示，包括主振级、延迟级、脉宽形成级、整形级、输出级等部分图5.19 脉冲信号发生器的原理框图1) 主振级主振级是脉冲信号源的核心，决定输出脉冲的重复频率，要求有良好的调节性能，较高的频率稳定度，宽的频率范围，陡峭的前后沿和足够的幅度2) 延迟级  主振级输出的未经延时的脉冲称为同步脉冲，又称前置脉冲，如图5.20所示图5.20 同步脉冲与主脉冲3) 形成级4) 整形级与输出级5.5.3  脉冲信号发生器的主要性能指标脉冲信号发生器的主要性能指标有：  (1) 脉冲频率： (2) 脉冲持续时间： (3) 脉冲幅度： (4) 输出阻抗： (5) 波形失真： (6) 输出脉冲状态： (7) 工作方式： 5.6 专用专用(特殊特殊)信号发生器信号发生器5.6.1 任意波形发生器        任 意 波 形 发 生 器 (AWG， Arbitrarily  Wave Generator)具备产生任意波形的能力，其简化的原理框图如图5.21所示。

图5.21 任意波形发生器原理框图图5.22列举了几种经常需要产生的复杂波形      图5.22 任意波形发生器可产生的几种波形(a) 过冲； (b) 尖脉冲； (c) 阻尼正弦波； (d) 频率变化美国福禄克(FLUKE)公司的395系列任意波形发生器的主要特性如表5.3所示 表5.3 395系列任意波形发生器的主要特性 表略5.6.2 电视信号发生器下面以用于电视机调试和维修专用的S305A型全频道彩色电视信号发生器为例进行简要介绍图5.23为其组成框图 图5.23 S305A型全频道彩色电视信号发生器的组成框图5.7 信号发生器的选择信号发生器的选择由于测量信号发生器的种类、型号繁多，使用时通常可从以下几个方面根据具体情况进行选择： (1) 被测信号的频率2) 测试功能3) 输出信号波形4) 测量准确度的要求思考题思考题51. 根据输出信号频率、输出波形种类的不同，信号发生器分为哪几类？2. 信号发生器的基本组成有哪几部分？ 其技术指标有哪些？ 其含义是什么？3. 低频信号发生器一般包括哪几部分？ 各部分的作用是什么？ 其主振级常采用什么电路？4. 文氏桥振荡器中常采用热敏电阻组成负反馈支路来稳定振幅，试简述其基本工作原理。

 5. 试画出进行低频放大器的电压放大倍数测量的测试方框图6. 高、低频信号发生器的输出阻抗一般是多少？ 使用时，如果阻抗不匹配，会产生什么影响？7. 高频信号发生器主要由哪些电路组成？ 各部分的作用是什么？8. 合成信号发生器的实现方法有哪几种？ 各有什么特点？9. 什么是DDS？什么是频率合成器？ 说明它们各自的优缺点10. 基本锁相环由哪些部分组成? 其作用是什么？11. 已知图5.24所示的混频倍频混合式锁相环中，fr1=10 kHz，fr2=40 MHz，其输出频率fo=73~101.1 MHz，步进频率Δf=10 kHz，试求N图5.24 题11图12. 正弦信号发生器的调制方式一般有哪几种？13. 函数信号发生器能输出哪几种波形的信号？ 其一般有哪几种构成方式？14. 简述脉冲信号发生器的基本组成以及各部分的主要功能15. 脉冲信号发生器的主要性能指标有哪些？16. 如何合理选择和正确使用测量用信号源？。