電子測量技術第3章 測量用信號發(fā)生器

第3章測量用信號發(fā)生器3.1信號發(fā)生器概述

3.1.1信號源的作用

能產(chǎn)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)生器稱為信號源，信號源在電子系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)、測試、校準及維護中有著廣泛的應用。例如在電子測量中，一個系統(tǒng)電參數(shù)的數(shù)值或特性(如電阻的阻值、放大器的放大倍數(shù)、四端網(wǎng)絡的頻率特性等)必須在一定的電信號作用下才能表現(xiàn)出來。

可以借助于信號源，將其產(chǎn)生的信號作為輸入激勵信號，觀察系統(tǒng)響應的方法進行測量。另一方面，許多電子系統(tǒng)的性能只有在一定信號的作用下才能顯現(xiàn)出來，如揚聲器，電視機等。揚聲器只有在外加音頻信號時才能發(fā)聲，如果不給電視機外加電視信號，其屏幕上就不會有圖像。和示波器、電壓表、頻率計等儀器一樣，信號源是電子測量領域中最基本、應用最廣泛的一類電子儀器。在其他領域，信號源也有著廣泛的應用，例如機械部門的超聲波探傷、醫(yī)療部門的超聲波診斷、頻譜治療儀等。歸納起來，信號源的用途主要有以下三個方面：

(1)激勵源在研制、生產(chǎn)、使用、測試和維修各種電子元器件、部件及整機設備時，都需要有信號源作為激勵信號，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件設備上，用其他測量儀器觀察、測量被測者的輸出響應，以分析確定它們的性能參數(shù)。(2)標準信號源如標準的正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器、脈沖波發(fā)生器、電視信號發(fā)生器等。這些信號一類是用于產(chǎn)生一些標準信號，提供給某類設備測量專用；另一類是用作對一般信號源校準，亦稱為校準源。(3)信號仿真(信號模擬器)

若要研究設備在實際環(huán)境下所受到的影響，而又暫時無法到實際環(huán)境中測量時，可以利用信號源給其施加與實際環(huán)境相同特性的信號來測量，這時信號源就要仿真實際的特征信號，如噪聲信號、高頻干擾信號等。3.2信號發(fā)生器的分類及工作特性3.2.1信號發(fā)生器的分類信號源的應用領域廣泛，種類繁多，性能指標各異，分類方法亦不同。按用途有專用和通用之分；按性能有一般和標準信號源之分；按調(diào)制類型可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制及組合調(diào)制信號發(fā)生器等；按頻率調(diào)節(jié)方式可分為掃頻、程控信號發(fā)生器等。下面介紹幾種主要的分類方法。按照輸出信號的頻率來分，大致可以分為6類：(1)超低頻率信號發(fā)生器，頻率范圍為0.001～1000Hz；(2)低頻信號發(fā)生器，頻率范圍1Hz～1MHz;(3)視頻信號發(fā)生器，頻率范圍為20Hz～10MHz；(4)高頻信號發(fā)生器，頻率范圍為200kHz～30MHz；(5)甚高頻信號發(fā)生器，頻率范圍在30MHz～300MHz；(6)超高頻信號發(fā)生器，頻率在300MHz以上。應該指出，按頻段劃分的方法并不是一種嚴格的界限，目前許多信號發(fā)生器可以跨越幾個頻段。2.按輸出的波形可以分為：(1)正弦波形發(fā)生器，產(chǎn)生正弦波形或受調(diào)制的正弦信號；(2)脈沖信號發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖寬度不同的重復脈沖；(3)函數(shù)信號發(fā)生器，產(chǎn)生幅度與時間成一定函數(shù)關系的信號；(4)噪聲信號發(fā)生器，產(chǎn)生模擬各種干擾的電壓信號。

3.按照信號發(fā)生器的性能標準，可以分為一般的信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器。

標準信號發(fā)生器的技術指標要求較高，有的標準信號發(fā)生器用于為收音機、電視機和通訊設備的測量校準提供標準信號；還有一類高精度的直流或交流標準信號源是用于對數(shù)字多用表等高精度儀器或一般信號源進行校準，其輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且準確度、穩(wěn)定度、波形失真等指標要求很高。而一般信號源對輸出信號的頻率、幅度的技術指標要求相對低一些。3.2.2信號發(fā)生器的工作特性在各類信號發(fā)生器中，正弦信號發(fā)生器是最普通、應用最廣泛的一類，幾乎滲透到所有的電子學實驗及測量中。其原因除了正弦信號容易產(chǎn)生，容易描述，又是應用最廣的載波信號外，還由于任何線性雙口網(wǎng)絡的特性，都可以用它對正弦信號的響應來表征。

顯然，由于信號發(fā)生器作為測量系統(tǒng)的激勵源，則被測器件、設備的各項性能參數(shù)測量的質(zhì)量，將直接依賴于信號發(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)來評價正弦信號發(fā)生器的性能，其中包括30余項具體指標。不過由于各種儀器的用途不同，精度等級不同，并非每類每臺產(chǎn)品都用全部指標進行考核。另外，各生產(chǎn)廠家出廠檢驗標準及技術說明書中的術語也不盡一致。這里僅介紹信號發(fā)生器中幾項最基本最常用的性能指標。1.頻率特性

正弦信號的頻率特性包括頻率范圍、頻率準確度、頻率穩(wěn)定度三項指標。

(1)頻率范圍。

頻率范圍指信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號頻率范圍，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)應滿足全部誤差要求。例如國產(chǎn)XD—1型信號發(fā)生器，輸出信號頻率范圍為1Hz～1MHz,分六檔,即六個頻段，為了保證有效頻率范圍連續(xù)，兩相鄰頻段間有相互銜接的公共部分,即頻段重疊。又如HP公司HP-8660C型頻率合成器產(chǎn)生的正弦信號的頻率范圍為10kHz～2600MHz,可提供間隔為1Hz總共近26億個分立頻率。

(2)頻率準確度

頻率準確度是指信號發(fā)生器盤(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式中，f0為刻度盤或數(shù)字顯示數(shù)值，也稱預調(diào)值，f1是輸出正弦信號頻率的實際值。頻率準確度實際上是輸出信號頻率的工作誤差。用刻度盤讀數(shù)的信號發(fā)生器頻率準確度約為±(1%～10%)，精密低頻信號發(fā)生器頻率準確度可達±0.5%。例如調(diào)諧式XFC-6型標準信號發(fā)生器，其頻率標準優(yōu)于±1%，而一些采用頻率合成技術帶有數(shù)字顯示的信號發(fā)生器，其輸出信號具有基準頻率(晶振)的準確度，若機內(nèi)采用高穩(wěn)定度晶體振蕩器，輸出頻率的準確度可達到10-8～10-10。(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)定時間內(nèi)，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預調(diào)值變化的大小。按照國家標準，頻率穩(wěn)定又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長期穩(wěn)定度。頻率短期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預熱時間后，信號頻率在任意15分鐘內(nèi)所發(fā)生的最大變化，表示為

式中，f0為預調(diào)頻率，fmax、fmin分別為任意15分鐘的信號頻率的最大值和最小值。頻率長期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預熱時間后，信號頻率在任意3小時所發(fā)生的最大變化，表示為

x×10-6+y

式中,x、y是由廠家確定的性能指標值，也可以用上式表示頻率長期穩(wěn)定度。

需要指出，許多廠商的產(chǎn)品技術說明書中，并未按上述方式給出頻率穩(wěn)定度指標。例如國產(chǎn)HG1010信號發(fā)生器和(美)KH4024信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度都是0.01%/h，含義是經(jīng)過規(guī)定的預熱時間后，兩種信號發(fā)生器每小時(h)的頻率漂移(fmax-fmin)與預調(diào)值f0之比為0.01%。有些則以天為時間單位表示穩(wěn)定度。例如國產(chǎn)QF1480合成信號發(fā)生器頻率穩(wěn)定度為5×10-10/天，而QF1076信號發(fā)生器(頻率范圍10MHz～520MHz)頻率穩(wěn)定度為±50×10-6/5min+1kHz，是用相對值和絕對值的組合形式表示穩(wěn)定度。又如，國產(chǎn)XD-1型低頻信號發(fā)生器通電預熱30分鐘后，第1小時內(nèi)頻率漂移不超過0.1%×f0(Hz)，其后7小時內(nèi)不超過0.2%×f0(Hz)。通常，通用信號發(fā)聲器的頻率穩(wěn)定度為10-2～10-4，用于精密測量的高精度高穩(wěn)定度信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度應高于10-6～10-7,而且要求頻率穩(wěn)定度一般應比頻率準確度高1-2個數(shù)量級。例如XD-2型低頻信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%，頻率準確度優(yōu)于±(1～3)%。2.輸出特性

輸出特性指標主要有輸出阻抗、輸出電平、非線性失真系數(shù)三項指標。

(1)輸出阻抗作為信號源，輸出阻抗的概念在“電路”或“電子電路”課程中都有說明。信號發(fā)生器的輸出阻抗視其類型不同而異。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等擋。高頻信號發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω擋。當使用高頻信號發(fā)生器時，要特別注意阻抗的匹配。(2)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(chǎn)品標準規(guī)定的信號發(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。輸出幅度可以用電壓(V，mV,μV)或分貝表示。例如XD-1低頻率信號發(fā)生器的最大電壓輸出為1Hz～1MHz＞5V，最大功率輸出為10Hz～700kHz(50Ω、75Ω、150Ω、600Ω)＞4W。

在信號發(fā)生器的輸出級中，一般都包括衰減器，其目的是獲得從微伏級(μV)到毫伏(mV)級的小信號電壓。例如XD-1型信號發(fā)生器最大信號電壓為5V，通過0～80dB的步進衰減輸出，可獲得500μV的小信號電壓。在信號發(fā)生器的性能指標中，就包括“衰減器特征”這一指標，主要指衰減范圍和衰減誤差，例如上述XD-1型信號發(fā)生器的衰減器特性為：電壓輸出，1Hz～1MHz；衰減≤80±1.5dB。和頻率穩(wěn)定度指標類似，還有輸出信號幅度穩(wěn)定度及平坦度指標。幅度穩(wěn)定度是指信號發(fā)生器經(jīng)規(guī)定時間預熱后，在規(guī)定時間間隔內(nèi)輸出信號幅度對預調(diào)幅度值的相對變化量。例如HG1010信號發(fā)生器幅度穩(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量。使用者通常主要關心輸出幅度隨頻率變化的情況。像用靜態(tài)“點頻法”測量放大器的幅頻特性時就是如此?，F(xiàn)代信號發(fā)生器一般都有自動電平控制電路(ALC)，可以使平坦度保持在±1dB以內(nèi)，即幅度波動控制在±10%以內(nèi)，例如XD8B超低頻信號發(fā)生器的幅頻特性小于3%。(3)非線性失真系數(shù)(失真度)

正弦信號發(fā)生器的輸出在理想情況下應為單一頻率的正弦波，但由于信號發(fā)生器內(nèi)部放大器等元器件的非線性，會使輸出信號產(chǎn)生非線性失真，除了所需要的正弦波頻率外，還有其他諧波分量。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(shù)γ表示：式中，U1為輸出信號基波有效值，U2、U3、…為各次諧波有效值。由于U2、U3、…Un等較U1小得多，為了測量上的方便，也常用下面的公式定義；一般低頻正弦信號發(fā)生器的失真度為0.1%～1%，高檔正弦信號發(fā)生器失真度可低于0.005%。例如XD-2低頻信號發(fā)生器電壓輸出的失真度≤0.1%。而ZN1030的非線性失真系數(shù)≤0.003%。對于高頻信號發(fā)生器，這項指標要求很低，作為工程測量用儀器，其非線性失真系數(shù)≤5%，以眼睛觀察不到波形失真即可。另外，人們通常只用非線性失真來評價低頻信號發(fā)生器，而用頻譜純度來評價高頻信號發(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而造成的正弦波失真。3.調(diào)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兩種以上的已被調(diào)制的信號。多數(shù)情況下是調(diào)幅信號和調(diào)頻信號，有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制功能。當調(diào)制信號由信號發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時成為內(nèi)調(diào)制，當調(diào)制信號由外部加到信號發(fā)生器時，稱為外調(diào)制。這類帶有輸出已調(diào)波功能的信號發(fā)生器，是測試無線電收發(fā)設備等場合不可缺少的儀器。例如，XFC-6標準信號發(fā)生器，就具備內(nèi)、外調(diào)幅，內(nèi)、外調(diào)頻，或進行內(nèi)調(diào)幅時進行外調(diào)頻，或同時進行外調(diào)幅與外調(diào)頻等功能。而像HP8663這類高檔合成信號發(fā)生器，同時具有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制等功能。評價信號發(fā)生器的性能指標不止上述各項，這里僅就最常用的最重要的項目作了概括介紹。由于使用目的、制造工藝、工作機理等諸方面的因素，各類信號發(fā)生器的性能指標相差是很懸殊的，因而價格相差也就很大，所以在選用信號發(fā)生器的時候(選用其他測量儀器也是如此)，必須考慮合理性和經(jīng)濟性。以對頻率的準確度要求為例，當測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，僅需要±1×10-2～±1×10-3的準確度，而當測廣播通信設備時，則要求±10-5～±10-7的準確度，顯然，兩種場合應當選用不同檔次的信號發(fā)生器。3.2.3信號發(fā)生器的基本組成

信號源的種類很多，信號產(chǎn)生方法各不相同，但其基本結構是一致的，如圖1所示。它主要包括主振器、緩沖級、輸出級及相關的外部環(huán)節(jié)。圖1信號發(fā)生器的結構框圖

(1)主振器：它是信號源的核心，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號。由于要產(chǎn)生的信號頻率、波形不同，其原理、結構差異很大。

(2)緩沖級：對主振器產(chǎn)生的信號進行放大、整形等。

(3)調(diào)制級：在需要輸出調(diào)制波形時，對原始信號按照調(diào)幅、調(diào)頻等要求進行調(diào)制。

(4)輸出級：輸出級的功能是調(diào)節(jié)輸出信號的電平和輸出阻抗，可以由衰減器、匹配變壓器以及射極跟隨器等構成。

(5)指示器：指示器用來監(jiān)視輸出信號，可以是電子電壓表、功率計、頻率計和調(diào)制度表等，有些脈沖信號發(fā)生器還附帶有簡易示波器。使用時可通過指示器來調(diào)整輸出信號的頻率、幅度及其他特征。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確度不高，其示值僅供參考，從輸出端輸出信號的實際特性需要其他更準確的測量儀表來測量。

(6)電源：提供信號發(fā)生器各部分的工作電源電壓。通常是將50Hz交流市電整流成直流，并有良好的穩(wěn)壓措施。3.3函數(shù)信號發(fā)生器工作原理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，以滿足不同的測試要求，因其時間波形可用某些時間函數(shù)來描述而得名。

3.3.1電路工作原理電路工作原理框圖如圖3.3.1所示。3.3.2典型電路分析3.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器3.4.1頻率合成的原理

在現(xiàn)代測量和現(xiàn)代通信技術中，需要高穩(wěn)定度、高純度的頻率信號源。這種高穩(wěn)定度的信號不能用LC或RC振蕩器(穩(wěn)定度只能達到10-3～10-4量級)產(chǎn)生，而一般采用晶體振蕩器(穩(wěn)定度可以優(yōu)于10-6～10-8量級)來產(chǎn)生，但晶體振蕩器只能產(chǎn)生一個固定的頻率。當要獲得許多穩(wěn)定的信號頻率時，采用很多個晶體振蕩器來產(chǎn)生是不現(xiàn)實的，而采用頻率合成的方法就能方便地實現(xiàn)。

頻率合成是由一個或多個高穩(wěn)定的基準頻率(一般由高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器產(chǎn)生)，通過基本的代數(shù)運算(加、減、乘、除)，得到一系列所需的頻率。通過合成產(chǎn)生的各種頻率信號，頻率穩(wěn)定度可以達到與基準頻率源基本相同的量級。與其他方式的正弦波信號發(fā)生器相比，信號源的頻率穩(wěn)定度可以提高3～4個數(shù)量級。

頻率的代數(shù)運算是通過倍頻、分頻及混頻技術來實現(xiàn)的。分頻實現(xiàn)頻率的除，即輸入頻率是輸出頻率的某一整數(shù)倍。倍頻實現(xiàn)頻率的乘，即輸出頻率為輸入頻率的整數(shù)倍。頻率的加減則是通過頻率的混頻來實現(xiàn)。3.4.2頻率合成的分類及特點

頻率合成技術已發(fā)展近五十年的時間，特別是隨著集成電路技術的發(fā)展而不斷的發(fā)展和完善。當前主要的頻率合成方式有：直接頻率合成和間接頻率合成，直接頻率合成又可以分為模擬直接頻率合成和數(shù)字直接頻率合成。

1.直接頻率合成法

(1)模擬直接合成法

模擬直接合成法是借助電子線路直接對基準頻率進行算術運算，輸出各種需要的頻率。鑒于采用模擬電子技術，所以又稱為直接模擬頻率合成法(DirectAnalogFrequencySynthesis，DAFS)。常見的電路有以下兩種。(1)固定頻率合成法。下圖為固定頻率合成原理框圖。圖中，石英晶體振蕩器提供基準頻率fr，D為分頻器的分頻系數(shù)，N為倍頻器的倍頻系數(shù)。因此，輸出頻率fo為

式中，D和N均為給定的正整數(shù)。輸出頻率為定值，所以稱為固定頻率合成法。

圖

固定頻率合成原理(2)可變頻率合成法

下圖是利用直接模擬式頻率合成實現(xiàn)可變頻率合成的原理框圖，它是通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法，由基準頻率產(chǎn)生一系列頻率信號并用窄帶濾波器選出。以實現(xiàn)3.628MHz輸出信號為例，由晶體振蕩器產(chǎn)生的1MHz基準頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生1MHz、2MHz、…、9MHz等多個基準頻率信號，將這些頻率信號進行10分頻(完成÷10運算)、混頻(完成加法運算)和濾波，最后產(chǎn)生所需的3.628MHz輸出信號。只要選取不同的諧波并進行相應的組合就可以得到所需的信號。圖

模擬直接式頻率合成原理框圖直接模擬式頻率合成的優(yōu)點是頻率切換迅速，相位噪聲很低。其缺點是電路硬件結構復雜，需要大量的混頻器、分頻器及帶通濾波器等，因而體積大，價格昂貴，不便于集成化。(2)數(shù)字直接合成法

前面兩種信號合成方法都是基于頻率合成的原理，用模擬的方法，通過對基準頻率fr進行加、減、乘、除算術運算得到所需要的輸出頻率。自20世紀70年代以來，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及計算機技術的普及，開創(chuàng)了另一種信號合成技術——直接數(shù)字頻率合成法(DirectDigitalFrequencySynthsis，DDFS)。它的原理是基于取樣技術和數(shù)字計算機技術來實現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需要的信號。它突破了前兩種頻率合成法的原理，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，甚至可以給出各種各樣形狀的任意波形。在前述兩種合成方法中，后兩個性能是無法實現(xiàn)的。此合成方法的優(yōu)點是能夠解決快捷變和小步進之間的矛盾，且集成度高，體積小。但是由于D/A等器件的速率度限制，其頻率上限較低，雜散也較大。2.間接頻率合成法

間接頻率合成法是基于鎖相環(huán)(PhaseLockedLoop，PLL)的原理，利用鎖相環(huán)(PLL)把壓控振蕩器