第2章 信號發(fā)生器

第2章信號發(fā)生器

測量用信號發(fā)生器，通常稱為信號源。

1、信號源的種類和主要性能指標2、低頻、高頻信號發(fā)生器的組成原理、特性和應用3、函數(shù)信號發(fā)生器按其構成分為正弦式、脈沖式等。4、合成信號發(fā)生器是采用了頻率合成技術的正弦信號發(fā)生器。

要點

2.1信號發(fā)生器概述1.按頻率劃分表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2.1.1信號源發(fā)生器的分類2.按波形分正弦信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字編碼脈沖、圖形信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等

圖2-1幾種典型的信號波形t000000ttttt(a)正弦波(b)矩形波(c)鋸齒波(d)階梯波(e)鐘形脈沖(f)數(shù)字編碼脈沖串3．按信號發(fā)生器的性能分類按信號發(fā)生器的性能指標，可分為一般信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器，前者指對其輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的一類發(fā)生器；后者是指其輸出信號的頻率、幅度、調制系數(shù)等在一定范圍內連續(xù)可調，并且讀數(shù)準確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號發(fā)生器。還有其它的分類方法，比如按照使用范圍，可分為通用和專用信號發(fā)生器（例如電聲行業(yè)中使用的立體聲和調頻立體聲信號發(fā)生器就屬于專用信號發(fā)生器）；按照調節(jié)方式，可分為普通信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器和程控信號發(fā)生器；按照頻率產生方法又可分為諧振信號發(fā)生器、鎖相信號發(fā)生器及合成信號發(fā)生器等。2.1.2信號發(fā)生器的一般組成信號發(fā)生器由主振器、變換器、輸出級、指示器和電源組成。振蕩器：產生不同頻率、不同波形的信號變換器：放大、調制或整形信號輸出級：調節(jié)輸出信號的電平和輸出阻抗指示器：指示器用來監(jiān)視輸出信號電源：提供信號發(fā)生器各部分的工作電源

2.1.3正弦信號發(fā)生器的性能指標

在各類信號發(fā)生器中，正弦信號發(fā)生器是最普通、應用最廣泛1.頻率范圍

指信號發(fā)生器所產生信號的頻率范圍，該范圍內既可連續(xù)又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋，在此范圍內應滿足全部誤差要求。

2.頻率準確度

頻率準確度是指信號發(fā)生器度盤（或數(shù)字顯示）數(shù)值與實際輸出信號頻率間的偏差，通常用相對誤差表示3.頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度指標要求與頻率準確度相關，頻率準確度是由頻率穩(wěn)定度來保證的。頻率穩(wěn)定度是指其它外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預調值變化的大小。按照國家標準，頻率穩(wěn)定度又分為短期頻率穩(wěn)定度和長期頻率穩(wěn)定度。

短期：15分鐘內長期：3小時內4.失真度與頻譜純度

定義測量：低頻信號發(fā)生器用失真系數(shù)高頻信號發(fā)生器用頻譜純度USUnfAfAtU5.輸出阻抗

低頻信號發(fā)生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600Ω（或1kΩ）功率輸出端依輸出匹配變壓器的設計而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等檔高頻信號發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω檔。信號發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負載的條件下標定的，若負載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數(shù)是不準確的。

6.輸出電平

輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍，即由產品標準規(guī)定的信號發(fā)生器的最輸出電壓和最大輸出功率在其衰減范圍內所得到輸出幅度的有效范圍。

信號發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負載的條件下按正弦波有效值標定的。

7.調制特性

高頻信號發(fā)生器在輸出正弦波的同時，一般還能輸出一種或一種以上的已被調制的信號，多數(shù)情況下是調幅AM信號和調頻FM信號，有些還帶有調相和脈沖調制PM等功能50Ω50Ω，匹配時100mv200mv2.2低頻信號發(fā)生器

低頻信號源組成框圖1.主振器（1）RC振蕩器同軸電阻器改變電阻R進行粗調，使得換擋時頻率變化10倍，而用改變雙聯(lián)同軸電容C的方法在一個波段內進行頻率細調

振蕩頻率輸出的頻率f＝

低頻信號發(fā)生器中的主振蕩器大多都采用文氏橋式振蕩器，其特點是頻率穩(wěn)定，易于調節(jié)，并且波形失真小和易于穩(wěn)幅。（2）差頻式振蕩器

差頻式信號發(fā)生器由可變頻率振蕩器f1和固定頻率振蕩器f2通過混頻器產生兩者差頻信號，再經過低通濾波器濾除混頻器輸出中含有的高頻分量，再經放大衰減輸出，得到所需要的低頻信號。其最大優(yōu)點是頻率覆蓋范圍大，容易做到整個低頻段內頻率可連續(xù)調節(jié)而不用更換波段，且輸出電平也比較平穩(wěn)。缺點是頻率穩(wěn)定性差，電路復雜。頻率覆蓋范圍大小通常用頻率覆蓋系數(shù)表示：可見，差頻式信號發(fā)生器的頻率覆蓋范圍大得多。例如：已知可變頻率振蕩器頻率f1＝2.4996~4.5000MHz，固定頻率振蕩器頻率f2=2.5MHz，若以f1和f2構成一差頻式信號發(fā)生器，試求其頻率覆蓋系數(shù)，若直接以f1構成一信號發(fā)生器，其頻率覆蓋系數(shù)又為多少？解：因為差頻式信號發(fā)生器f0=f1－f2所以輸出頻率范圍為：400Hz～2.0000MHz頻率覆蓋系數(shù)

頻率覆蓋系數(shù)如果直接以f1構成一信號發(fā)生器，則其頻率覆蓋系數(shù)3.低頻信號發(fā)生器的主要技術特性

目前，低頻信號發(fā)生器主要技術指標的典型數(shù)據(jù)大致如下：頻率范圍：1Hz～1MHz分頻段，均勻連續(xù)可調頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于0.1%非線性失真：＜0.1%～1%輸出電壓：0V～10V輸出功率：0.5W～5W連續(xù)可調輸出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ輸出形式：平衡輸出與不平衡輸出2.2.3低頻信號發(fā)生器的使用方法低頻信號發(fā)生器型號很多，但是它們的基本使用方法是類似的。1.了解面板結構信號發(fā)生器面板上通常按其功能分區(qū)布置，一般包括：波形選擇、輸出頻率調諧部分（包括波段、粗調、微調等）、幅度調節(jié)旋鈕（包括粗調、細調、衰減）、阻抗變換開關、輸出接線柱等。2.注意正確的操作步驟信號發(fā)生器的使用步驟：使用前開機預熱2～3min，幅度旋鈕置起始（最?。┪恢?。（1）波形選擇：根據(jù)需要選擇合適的波形。（2）選擇頻率：根據(jù)需要選擇合適的波段，調節(jié)頻率度盤（粗調）于相應的頻率點上，而頻率微調旋鈕一般置于零位。（3）調節(jié)輸出電壓：調節(jié)幅度旋鈕得到相應大小的電壓輸出。配合使用衰減器。當信號發(fā)生器不平衡輸出時，電壓表示值即為輸出電壓值；當信號發(fā)生器平衡輸出時，輸出電壓為電壓表示值的兩倍。（4）輸出電路形式的選擇：根據(jù)負載電路的輸入方式，選擇平衡輸出或不平衡輸出。2.2.4

低頻信號發(fā)生器在測量放大倍數(shù)時的應用在輸出基本不失真的情況下，用毫伏表或示波器測量Ui和Uo，求得Au

Au=Uo/Ui式中，Uo和Ui為被測放大器輸出和電壓輸入電壓有效值

圖2-8放大器與測試儀器的連接圖3.2.2高頻信號發(fā)生器1.高頻信號發(fā)生器的組成原理圖2-9高頻信號發(fā)生器原理框圖l)主振級

主振級通常是LC三點式振蕩電路，產生具有一定工作頻率范圍的正弦信號。

2)緩沖級

它主要起阻抗變換作用，用來隔離調制級對主振級。

3)調制級

為了測試各種接收機的靈敏度和選擇性等性能指標，必須用已調制正弦信號作為測試信號，這個任務在調制級中完成。調制的方式主要有調幅、調頻和脈沖調制。調幅多用于100kHz～35MHz的高頻信號發(fā)生器中，高頻信號發(fā)生器中的調幅，一般采用正弦調制。調頻主要用于30MHz～1000MHz信號發(fā)生器中，還有線性掃頻。脈沖調制多用于300MHz以上的微波信號源中。4)輸出級

輸出級主要由放大器、濾波器、輸出微調、輸出倍乘等組成，如圖2-10所示。輸出級可進一步控制輸出電壓的幅度，使最小輸出電壓達到μV數(shù)量級。輸出電平的調節(jié)范圍寬，衰減量應能準確讀數(shù)，有良好的頻率特性，在輸出端有準確且固定的輸出阻抗。2.3.2高頻信號發(fā)生器的主要性能指標

1.XFG-7型高頻信號發(fā)生器

XFG-7型高頻信號發(fā)生器是一種既能產生等幅波又能產生調幅波的高頻信號源，它可以方便地用來測量高頻放大器、調制器以及濾波器的性能指標，特別適用于測試無線電接收機的性能指標。其主要的技術指標為頻率范圍：100kHz～30MHz，分8個波段；頻率刻度誤差±1%。輸出電壓與輸出阻抗：在接有分壓器的電纜“0～0.1V”插孔：在接點“1”時，輸出電壓為1μV～100mV五擋，每擋都可以微調，輸出阻抗為40Ω；在接點“0.1”時，輸出電壓為0.1μV～10mV。在“0～1V”插孔：輸出電壓為0～1V，連續(xù)可變。輸出阻抗約為40Ω左右。調制頻率：內調幅分400Hz和1000Hz兩種；外調幅50～8000kHz。調幅度：0～100%連續(xù)可調。2.XFC-6型標準高頻信號發(fā)生器XFC-6是一種產生高頻載波和調幅信號、調頻信號以及調幅調頻信號的標準高頻信號發(fā)生器。XFC-6主要用于測試、調試及維修各種無線電接收設備。其輸出載波的頻率范圍4～300MHz，分八擋；頻率穩(wěn)定度優(yōu)于2×10-4/10min；輸出載波電壓0.1μV～100mV，可低至0.05μV；輸出阻抗75Ω；調幅波的調幅范圍0～80%；調頻波的頻偏0~100kHz。

。

2.3.3高頻信號發(fā)生器在調收音機中頻時的應用調整的步驟如下。1.將高頻信號發(fā)生器按要求調在載頻為465kHz、調幅度為30％的調幅信號上，然后把該信號引入收音機的天線調諧回路中，再將示波器、電子電壓表接入前置低放級的輸出端。使本振電路停振(本振回路的可變電容動片、定片短路)，調雙聯(lián)電容使收音機位于中波段的低端，音量電位器開關打到最大。圖2-11用高頻信號發(fā)生器調收音機中周示意圖2.由小到大調高頻信號發(fā)生器的輸出信號，直到能聽到揚聲器發(fā)出調制音頻信號的聲音。3.用無感旋具(不銹鋼、鋁片、膠木等)從后向前反復調各級中周的磁心，直到揚聲器的聲音最響或毫伏表的指示值最大，同時示波器顯示的波形不失真為止。此時表明，收音機的中頻調整完好。2.4.1正弦式函數(shù)信號發(fā)生器

函數(shù)信號發(fā)生器，它是一種寬帶頻率可調的多波形發(fā)生器。它可以產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等等。由于其輸出波形均可用數(shù)學函數(shù)描述，故得名函數(shù)發(fā)生器。現(xiàn)代函數(shù)信號發(fā)生器一般具有調制的功能和VCO控制。它是一種不可缺少的通用信號發(fā)生器，可以用于生產測試、儀器維修和實驗室，應用領域十分廣泛。函數(shù)信號發(fā)生器的構成方式很多，常有三種：第一種是先產生正弦波再得到方波和三角波，稱為正弦式函數(shù)信號發(fā)生器；第二是由施密特電路產生方波，然后經變換得到三角波和正弦波形，稱為脈沖式函數(shù)信號發(fā)生器；第三種是先產生三角波再變換為方波和正弦波。下面介紹前兩種的原理。2.4.1正弦式函數(shù)信號發(fā)生器圖2-12為正弦式函數(shù)信號發(fā)生器原理框圖。它包括正弦振蕩器、緩沖級、方波形成器、積分器、放大器和輸出級等部分。其工作過程是：正弦振蕩器輸出正弦波，經緩沖級隔離后，分為兩路信號，一路送放大器輸出正弦波，另一路作為方波形成器的觸發(fā)信號。方波形成器通常是施密特觸發(fā)器，它輸出兩路信號，一路送放大器，經放大后輸出方波；另一路作為積分器的輸入信號。積分器通常為密勒積分器，積分器將方波變換為三角波，經放大后輸出。2.4.2脈沖式函數(shù)發(fā)生器

脈沖式函數(shù)發(fā)生器的組成如圖2-13所示。它包括脈沖發(fā)生器、施密特觸發(fā)器、積分器和正弦波轉換電路等部分。其工作過程如下：在觸發(fā)脈沖的作用下，施密特觸發(fā)器產生方波，積分器將方波積分形成三角波，正弦波轉換電路將三角波轉換成正弦波。放大器選擇三個波形輸出。圖2-13脈沖式函數(shù)發(fā)生器的組成框圖圖2-14是二極管正弦波轉換電路，將對稱的三角波轉換成正弦波。正弦波可看成是許多斜率不同的直線段組成。當直線段足夠多時，由折線構成的波形就可以相當好地近似正弦波。斜率不同的直線段可由三角波經分壓得到。因此，將三角波經分壓系數(shù)不同的電路網絡，便可得到近似的正弦波輸出。圖中

VD1、VD2、VD3完成正弦波正半周的近似，VD4、VD5、VD6完成正弦波負半周的近似。利用這種電路，適當增加分壓環(huán)節(jié)，例如用10～12個二極管組成的轉換電路，可得到失真度小于0.5%的正弦波輸出。圖2-14三角波轉換正弦波電路三角波形成正弦波電路原理圖2-15二極管組成的三角波逼近正弦波電路原理一般采用分段折線逼近的方法將三角波變換成為正弦波。利用二極管的非線性特性，可以將三角波信號的上升和下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。圖2-15(a)、圖2-15(b)和圖2-15(c)分別為電路輸出特性、輸入波形、輸出波形，由于該網絡對信號的衰減隨三角波幅度的加大而增加，而使輸出波形向正弦波逼近。如果折線段選得足夠多，并適當選擇轉折點的位置，便能得到非常逼真的正弦波。2.4.3函數(shù)信號發(fā)生器的性能指標函數(shù)信號發(fā)生器有XDS8B型、XD-17型等。其中，XD8B型屬于超低頻信號發(fā)生器，它的主要性能有：輸出正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形，具有TTL同步輸出及單次脈沖輸出等。頻率范圍：0.0lHz～100kHz；最大輸出電壓：一般指峰峰值電壓；輸出阻抗：函數(shù)波形輸出500Ω；TTL同步輸出600Ω波形特性：正弦波失真及三角波非線性均小于3%；方波的特性參數(shù)是上升時間，一般要求小于或等于100ns。2.5合成信號發(fā)生器

頻率合成的方法

直接模擬頻率合成法（DAFS）直接數(shù)字頻率合成法（DDS）

間接鎖相式合成法（DirectAnalogFrequencySynthesis）（DirectDigitalFrequencySynthesis）

信號源主振級頻率準確度頻率穩(wěn)定度通用信號源RC、LC振蕩器10-2量級10-3～10-4

合成信號源晶體振蕩器10-8量級

10-7量級

2.5.1直接模擬頻率合成法

利用倍頻、分頻和混頻以及濾波技術，對一個或多個基準頻率進行算術運算來產生所需頻率的方法，稱為直接合成法，由于大多是采用模擬電路來實現(xiàn)的，所以又稱為直接模擬頻率合成例如.固定頻率合成法圖2-16固定頻率合成法原理晶體振蕩器÷D×Nfrfo圖2-16為固定頻率合成的原理電路。圖中石英晶體振蕩器提供基準頻率，D為分頻器的分頻系數(shù)，N為倍頻器的倍頻系數(shù)。因此，圖2-16固定頻率合成法輸出頻率

為在式中，D和N均為給定的正整數(shù)。輸出頻率人為定值，所以稱為固定頻率合成法。直接模擬合成技術特點：

1)頻率分辨力高

2)頻率切換快----用于跳頻通信對抗（因頻率點不太多）3)電路龐大、復雜----現(xiàn)不用它做信號源（因信號源頻率范圍寬）2.5.2直接數(shù)字頻率合成法

直接數(shù)字合成法（DDS，DirectDigitalFrequencySynthests）。它突破了頻率合成法的原理，從“相位”的概念出發(fā)進行頻率合成。這種合成方法不僅可以給出不同頻率的正弦波，而且還可以給出不同初始相位的正弦波，甚至可以給出各種任意波形。這在前述模擬頻率合成方法中是無法實現(xiàn)的。1.直接數(shù)字合成基本原理三角波：+1、+1……-1、-1……方波：0、0、……1、1、……利用單片機、D/A芯片和濾波器可組成合成信號發(fā)生器。將源信號的數(shù)字量存入ROM中，然后編制程序，如連作加1運算到一定值，然后連作減1運算回到原值，再反復運行該程序，則單片機輸出的數(shù)字量經D/A變換成小階梯式模擬量波形，如圖2-17所示。再經低通濾波器濾除引起小階梯的高頻分量，則得三角波輸出。若更換程序，把波形數(shù)據(jù)（例如正弦函數(shù)表）預先存在ROM或RAM）單元中，然后在系統(tǒng)標準時鐘CLK頻率下，按照一定的地址關系從ROM（或RAM）單元中讀出數(shù)據(jù)，再進行數(shù)模轉換（D/A），就可以得到一定頻率的輸出波形。圖2-17直接數(shù)字合成基本原理圖在圖2-17中，時鐘CLK的頻率為固定值。在CLK的作用