第10章 信号发生器..

10.1信号发生器概述10.2锁相频率合成信号发生器10.3直接数字频率合成信号发生器第10章信号发生器信号发生器是为电子测量提供符合一定技术要求电信号的仪器设备，其输出信号的波形、频率、幅度等参数是已知的。10.1信号发生器概述1、照输出信号波形特点，信号发生器可分为：正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、噪声信号发生器等。2、按照输出信号的频率范围分类，信号发生器一般分为：低频信号发生器，高频信号发生器，也可以细分为超低频、低频、视频、甚高频、超高频多种信号发生器，3、按照产生信号方法及信号发生器组成的不同，可分为：传统的通用信号发生器和智能型的合成信号发生器两类。10.1.1信号发生器的分类及性能一、分类信号发生器应用广泛、种类繁多，分类方法也有多种正弦信号发生器是应用最广泛的信号发生器，这是因为正弦信号容易产生、容易描述，任何线性双端口网络的特性都是通过对正弦信号的响应来表征。正弦信号也是应用最广泛的载波信号。10.1.1信号发生器的分类及性能1、照输出信号波形特点，信号发生器可分为：正弦信号发生器（本章重点讨论内容）、脉冲信号发生器、函数信号发生器、噪声信号发生器等。2、按照输出信号的频率范围，可分为：可分为：低频信号发生器，高频信号发生器，可细分：超低频、低频、视频、甚高频、超高频信号发生器10.1.1信号发生器的分类及性能分类频率范围超低频信号发生器0.0001Hz～10000Hz低频信号发生器1Hz～1MHz视频信号发生器20Hz～10MHz高频信号发生器200kHz～30MHz甚高频信号发生器30MHz～300MHz超高频信号发生器300MHz以上3、按照产生信号方法及信号发生器组成不同分类传统的通用信号发生器智能型的合成信号发生器10.1.1信号发生器的分类及性能传统通用信号发生器：是指采用谐振等方法产生频率的一类信号发生器。其中低频信号发生器常以RC文氏电桥振荡器做主振器，高频信号发生器常以LC振荡器做主振器。这种以RC、LC为主振器的信号源中，频率准确度和频率稳定度只能达到10-2～10-4量级。这类仪器主要由模拟电路组成，其输出信号频率和幅度的调节需要用人工的方法通过调节旋钮、开关来实现，输出幅度一般采用表头指示，操作自动化程度不够高。10.1.1信号发生器的分类及性能智能型合成信号发生器：频率合成是以一个或几个石英晶体振荡器产生的信号频率为基准频率，通过进行加减乘除运算，得到一系列所需要的频率，且这些频率的稳定度、准确度可以达到与基准频率相同的水平（日稳定度优于10-8量级的频率）。能支持在很宽的范围内对输出频率进行精细的调节；可实现合成信号发生器一般需要采用微处理器作为控制电路，它的组成是一种典型的智能仪器架构，仪器操作具有较高的自动化程度。合成信号发生器将是应用最广泛的信号发生器。10.1.1信号发生器的分类及性能二、正弦信号发生器的性能指标正弦信号容易产生，容易描述，任何线性双端口网络的特性，都需要用它对正弦信号的响应来表征，因而，正弦信号发生器几乎渗透到所有的电子学实验及测量中，是最普通、应用最广泛的一类信号发生器。正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性三大指标来评价。二、正弦信号发生器的性能指标（一）频率特性1.频率范围2.频率准确度3.频率稳定度（二）输出特性1.输出阻抗2.输出电平范围3.输出电平的稳定度和平坦度4.输出电平准确度5.输出信号非线性失真和频谱纯度（三）调制特性正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性三大指标来评价。二、正弦信号发生器的性能指标（一）频率特性例如，XD1型信号发生器的频率范围为1Hz～1MHz，分六挡即六个频段，输出频率是连续的。为了保证有效频率范围连续，两相邻频段间存在公共部分。又例如，HP-8660C型频率合成信号发生器产生的频率范围为10kHz～2600MHz，输出频率是离散的，分辨率为1Hz、共可提供约26亿个分离的频率点。1.频率范围：指信号发生器所产生信号的频率范围，在频率范围内，信号发生器的各项性能指标应该都能得到保证，因而，准确地说，该指标应称“有效频率范围”。当信号发生器输出的频率范围太宽时，可以分为若干个频段。频率调节可以是连续的，也可以是离散的。二、正弦信号发生器的性能指标（一）频率特性•频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。•传统通用信号发生器的频率准确度一般为±0.5％～±10％•频率合成信号发生器其输出信号频率具有基准频率（晶振）的准确度，可达到10-6以上。2.频率准确度：是指信号发生器预调值（即仪器度盘指示或数字显示的频率值）与实际输出的信号频率值之间的偏差，通常用相对误差表示%100000fffff没有足够的频率稳定度，就不可能保证测量结果有足够的准确度。一般情况下，信号发生器的频率稳定度应比它的频率准确度高1～2个数量级，3.频率稳定度：指外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。短期频率稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意15分钟内所发生的最大变化；长期频率稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意3小时内所发生的最大变化。频率稳定度表达式为：%1000minmaxfff二、正弦信号发生器的性能指标1.输出阻抗：信号发生器的输出阻抗视信号发生器的类型不同而异。低频信号发生器的输出阻抗一般为600Ω（或1kΩ）；高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω。（二）输出特性信号发生器作为一个激励源应具有一定的内阻，当信号发生器接人被测电路的输入端时，被测电路将被看作是一个负载，因而存在着一个负载匹配的问题，这个问题在高频频段尤为重要。二、正弦信号发生器的性能指标2.输出电平范围：是指信号发生器输出信号幅度的有效范围，即所能提供的最小和最大输出电压的可调范围。一般高频信号发生器输出信号幅度范围为0.1μV～1V，而电平振荡器的输出电平范围为-60dB～+10dB。（二）输出特性为了在不过多牺牲信噪比的情况下输出微伏（μV）级的小信号电压，信号发生器的输出级中一般都设置有衰减器。例如，XD-1型信号发生器最大信号电压为5V，通过0～80dB的步进衰减，最低可输出500μV的信号电压。二、正弦信号发生器的性能指标3.输出电平的稳定度和平坦度输出电平的稳定度是指输出电平随时间的变化;平坦度是指在有效频率范围内调节频率时,输出电平的变化,即输出电平的频响。4.输出电平准确度由输出电路的电平准确度、输出衰减器换档误差、表头刻度误差以及输出电平平坦度几项误差共同决定。5.输出信号非线性失真和频谱纯度通常用非线性失真来表征低频信号发生器输出波形的好坏；而用频谱纯度表征高频信号发生器输出信号的质量。（二）输出特性10.1.2通用信号发生器的组成一、低频信号发生器组成原理由主振级、连续衰减器（电位器Ｗ）、电压放大器、输出衰减器、匹配变压器（阻抗变换）和检测用电压表等组成。设R1＝R2＝R，C1=C2=C时，振荡频率为f==一、低频信号发生器组成原理主振级：一般采用RC正弦波振荡器。尤以文氏电桥振荡器为最多。图中R1、C1、R2、C2组成正反馈电路，决定振荡频率；R3、R4组成负反馈电路，可自动稳频。221121CRCRRC21输出放大器匹配变压器功率放大器输出衰减器电压表功率输出电压输出电平调节KW主振级二、高频信号发生器组成原理10.1.3合成信号发生器的组成合成信号发生器使用一个或多个晶体作为频率标准，利用电路的加、减、乘、除而产生一系列的离散频率，因此合成信号发生器产生的信号具有很强的频率精度和长期稳定度。合成信号发生器输出频率的改变是基于对环路分频比，合成信号发生器一般都采用微处理器系统作为控制器。合成信号发生器的基本组成框图：合成信号发生器的核心部件可大致分为频率合成部分和输出部分（含宽带放大、步进衰减及ALC电路等）。频率合成部分用于产生用户置定的频率；输出部分用于控制用户置定的输出幅度。使用时，用户只要通过仪器面板的按键输入数据对频率合成的频率和输出幅度值进行置定（并能予以显示），便能输出所需信号。典型合成信号发生器的面板布置图上半部分为显示区，下半部分为控制区。在控制区中，各控制键按调制、载波、单位等不同功能分类排列，因而操作简便，不易出错。仪器的操作是通过操作键盘形成一定格式的指令，再由微处理器按指令去控制信号发生器中相应的功能部件。按键应按［Frequency］［1］［2］［3］［.］［4］［5］［6］［MHz］的顺序操作。在按数字键和单位键时，显示器应显示相应的数字和单位。在这里，单位键还兼做执行键，当微处理器判定执行键按下时，就会对从键盘输入的数字、单位和小数点的位置码进行分析，转换成相应的数码通过数据总线送到频率合成部分。例如，若需要信号发生器输出123.456MHz的频率时，10.1信号发生器10.1.3合成信号发生器的组成频率合成的方法：1、直接模拟频率合成法2、锁相频率合成法（间接频率合成法）3、直接模拟频率合成法与以RC或LC自激振荡为主振级的信号发生器相比，信号源的频率稳定度可以提高3～4个数量级。频率合成的方法：利用倍频、分频、混频及滤波等技术，对一个或多个基准频率进行算术运算来产生所需要的频率。由于倍频、分频、混频及滤波大多是采用模拟电路来实现，所以这种方法称为直接优点：工作可靠，频率切换速度快，相位噪声低。不足：需要大量混频器、分频器和滤波器，难于集成化，所以体积大，价格昂贵。1、直接模拟频率合成法直接模拟频率合成的典型例子近年来发展起来的一种新的频率合成技术。它利用计算机按照一定的地址关系，读取数据存储器中的正弦取样值，再经D/A转换得到一定频率的正弦信号。该方法不仅可以直接产生正弦信号的频率，而且还能可以给出初始相位，甚至可以给出不同形状的任意波形，这是前两种方法无法做到的。利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，同时，利用一个基准频率，通过不同形式的锁相环合成所需的各种频率。由于锁相频率合成的输出频率间接取自VCO优点：锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器，节省了大量滤波器，简化了结构，且易于集成化、易于计算机控制。2锁相频率合成法3直接数字频率合成法10.2锁相频率合成信号发生器10.2.1锁相环的基本形式1.基本锁相环2.倍频锁相环3.分频锁相环4.混频锁相环5.组合式锁相环6.小数分频锁相环在锁相频率合成器中，可以利用一个基本锁相环把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，也可以通过不同形式的的锁相环对基准频率频率进行加、减、乘、除运算，合成所需的频率。10.2.1锁相环的基本形式1.基本锁相环基本锁相环是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成的闭合环路，基本形式如图1.基本锁相环当锁相环处于锁定状态时，输入信号和VCO输出信号之间只存在一个稳态相位差，而不存在频率差，即fo=fi。锁相合成法正是利用锁相环的这一特性，把VCO的输出频率稳定在基准频率上，并把输出频率稳定度提高到与基准频率同一量级。2.倍频锁相环能对输入信号频率进行乘法运算的锁相环称倍频锁相环，简称倍频环。它有数字倍频环和脉冲倍频环两种形式。在相位比较器中进行比较的两个信号的频率是fi和fo/N。很显然，当环路锁定时，有fi=fo／N，即fo=Nfi，从而达到倍频。改变分频器的分频系数N，就能改变数字倍频环的倍频系数。3.分频锁相环能对输入信号频率进行除法运算的锁相环称分频锁相环，简称分频环。它有数字分频环和脉冲分频环两种形式。4.混频锁相环能对输入频率进行加、减运算的锁相环叫混频锁相环，简称混频环。它是在基本锁相环支路中加入混频器M和带通滤波器BPF形成的。如果混频器是差频式，则fi1=fo-fi2，即输出频率为fo=fi1+fi2；如果混频器是和频式，则fi1=fo+fi2，即输出频率为fo=fi1-fi2。混频环在频率合成器中可用来提供频率连续可调的输出信号。设晶体振荡器的输出频率fi1=2000KHz；内插振