电子测量与智能仪3——信号发生器

电子测量与智能仪器第3章信号发生器3.1信号发生器概述3.1.1信号发生器的功用3.1.2信号发生器的分类3.1.3正弦信号发生器的性能指标3.2模拟信号发生器3.2.1低频信号发生器3.2.2高频信号发生器3.2.3脉冲信号发生器3.2.4函数信号发生器3.2.5噪声发生器3.3合成信号发生器3.3.1直接模拟频率合成法3.3.2直接数字频率合成法3.3.3间接合成法3.3.4频率合成技术的进展本章小结作业布置第3章信号发生器3.1信号发生器概述3.1.1信号发生器的功用测量用信号发生器，通常称为信号源，是最基本、应用最广泛的测量仪器。其功用主要包括以下三方面：1.作激励源作为某些电气设备的激励信号。2.信号仿真在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特性的信号，如对干扰信号进行仿真。3.校准源产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准（或比对）。图3.1信号源的功用输入激励信号发生器被测设备测试仪器输出响应3.1.2信号发生器的分类1.按频率范围分无低频高频微波频段频率范围主振电路调制方式RC电路1Hz~1MHz磁控管、体效应管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC电路AM、FM、PMAM、FM表3.1信号源按频率划分表名称频率范围主要应用领域超低频信号发生器低频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz电声学、声纳电报通讯无线电广播广播、电报电视、调频广播、导航雷达、导航、气象3.按性能分普通----功率大，频率、电压刻度不大准确，用于天线测试等标准----频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用2.按波形分正弦----脉冲----函数----产生函数通用波形噪声----ttttt3.1.3正弦信号发生器的性能指标1.频率范围指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。2.频率准确度频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示%100000fffff（3.1）信号发生器最基本、最常用的性能指标有：3.频率稳定度频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率稳定度来保证的。频率稳定度是指其它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。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。%1000minmaxfff短期：15分钟内长期：3小时内（3.2）式中，f0为预调频率，fmax和fmin分别为任意15分钟内信号频率的最大值和最小值。4.失真度与频谱纯度定义%100122322UUUUn为了测量上的方便，也用下面的公式：2222322212100%nnUUUUUU高频信号发生器用频谱纯度来评价20lg80~100SnUdBU用失真度来评价低频信号发生器输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数γ表示U1为输出信号基波有效值，U2，U3，…Un为各次谐波有效值。Us是信号幅度，Un是高次谐波及干扰噪声的幅度。5.输出阻抗低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Ω（或1kΩ）。功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等档。高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω档。信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。6.输出电平输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。在信号发生器的输出级中，一般都包括衰减器，其目的是获得从微伏级（μV）到毫伏级（mV）的小信号电压。在信号发生器的性能指标中，包括“衰减器特性”这一指标，主要指衰减范围和衰减误差。与频率稳定度指标类似的还有输出信号幅度稳定度及平坦度指标。幅度稳定度是指信号发生器经规定的时间预热后，在规定时间间隔内输出信号幅度对预调幅度值的相对变化量。平坦度指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。7.调制特性高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅AM信号和调频FM信号，有些还带有调相和脉冲调制PM等功能当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调制；当调制信号由外部加到信号发生器进行调制时，称为外调制。这种带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收发设备不可缺少的仪器。3.2模拟信号发生器模拟信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，即以单元模拟电路为主组成的仪器。这类仪器性能指标不是很高，但价格便宜，且能满足一般实验测试的要求，在模拟电子线路与系统的设计、测试和维修中获得广泛应用，仍然是当前大量使用的信号发生器。3.2.1低频信号发生器现在一般“低频信号发生器”是指1Hz~1MHz频段，输出波形以正弦波为主，或兼有方波及其他波形的发生器。1、低频信号发生器的组成原理主振器放大器衰减器输出电压指示(a)波段式带负载能力弱，只能提供电压输出。输出(b)固定频率振荡器可变频率振荡器混频器滤波放大衰减器f2=3.4000MHzf1=3.3997~5.1000MHzf0=300Hz~1.7000MHz差频式最大优点是频率覆盖范围大，容易做到整个低频段内频率可连续调节而不用更换波段，且输出电平也比较平衡。频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示：minmaxffk（3.7）以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器）为例，f1=3.3997MHz～5.1000MHz，f2=3.4000MHz，则f0=300Hz～1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数301063007000.1HzMHzk而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为5.13997.31000.51k可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。2.主振荡器的特点低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器，其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。输出(f0)R1AR1R3C1C2R2•文氏桥式振荡器的振荡频率决定于RC式反馈网络的谐振频率，表达式为：RCf210LCf210在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的LC振荡器呢？这是因为LC振荡器的频率决定于：（3.9）原因①频率较低时，L、C数值大，相应的体积、重量也相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在RC振荡器中，频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。原因②在LC振荡器中LCf与0成反比，因而同一波段内频率覆盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容器调节范围为40pF～450pF，则频率覆盖系数为340450minmaxminmaxCCffk而用RC振荡器：1140450minmaxminmaxCCffk3.低频信号发生器的主要技术特性目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下：频率范围：1Hz～1MHz分频段，均匀连续可调频率稳定度：优于0.1%非线性失真：＜0.1%～1%输出电压：0V～10V输出功率：0.5W～5W连续可调输出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ输出形式：平衡输出与不平衡输出4、使用方法①输出频率调节与指示：使用时，先将频率范围置于相应的挡位，按所需的频率调节频率度盘于相应频率点上，在通常情况下，频率微调旋钮置于零位。②输出阻抗的配接：信号发生器要求负载与其输出阻抗相匹配，使输出信号失真小，功率大。③输出电路选择：根据外接电路的输入方式，选择相应的平衡或不平衡输出。④输出电压的调节和测读：调节输出电压旋钮，可以连续改变输出电压的大小。3.2.2高频信号发生器高频信号发生器是指能够供给等幅正弦波和调制波信号的信号发生器，通常分为调幅和调频两种。其工作频率一般在100kHz~35MHz范围内，输出幅度能在较大的范围内调节，并具有输出微弱信号的能力，可以适应测试接收机的需要。1.高频信号发生器的组成原理图3.4高频信号发生器原理框图主振级缓冲级调制级输出级监测器输出电源内调制振荡器可变电抗器外调制输入AMFM内外标准调制：F=1000Hzm=30%若语音调制则成小电台l)主振级主振级通常是LC三点式振荡电路，通过固定电感L，改变电容C来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算。3~22121minmaxmaxminminmaxCCLCLCffk若要扩大频率范围，必须变更电感L，可以象收音机那样用多波段工作方式：图3.7LC回路L1CL2Ln....例3.1XFC-6型高频信号发生器f=4MHz～300MHz，试问应划分几个波段？754300knkkknklglg835.7254.087.18.1lg75lg9.0lglgkkn上式中0.9k的含义是让单回路覆盖系数取小—些，这里取k=2，以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n=8，即要划分8个波段。这时相邻波段的电感值可按下式计算。21kLLnn（3.11）（3.10）2)缓冲级它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级。3)调制级调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于100kHz～35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般采用正弦调制。调频主要用于30MHz～1000MHz信号发生器中，还有线性扫频。脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号源中。标准调制：F=1000Hzm=30%4)输出级输出级主要由放大器、滤波器、输出微调（连续衰减电路）、输出倍乘（步进衰减电路）等组成。对输出级的主要要求是：输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。2、高频信号发生器的使用信号发生器是向外提供激励信号的仪器，使用比较简单容易。它主要调节输出频率和幅度。关键是注意其使用说明书上输出幅度是如何标定的，然后才能正确读数。1）、输出频率的读数模拟式高频信号发生器的频率准确度不太高，通常只有±1%左右。2）、输出幅度的读数高频信号发生器的输出幅度计数通常有两种形式：一种采用电压值表示；另一种采用分贝电平表示。输出幅度标称值的准确度常用输出幅度的绝对误差与标称值之比来衡量，也可把这个比值转化为用分贝表示。3）、输出阻抗变换器信号发生器只有在匹配的情况下才能正常工作。同时，信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦有效值标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。信号源被测设备阻抗变换器(a)221(1)41.84SLRRRNN2212118.7SSLRRRRRR2232149LSLRRRRRRdBN1016.3lg20lg20(b)R3R1Rs50ΩR2RL75ΩRsRL衰减量N取3.16，正好电压衰减10dB3.2.3脉冲信号发生器脉冲信号发生器通常是指矩形窄脉冲发生器，它广泛用于测试和校准脉冲设备和宽带设备。1、矩形脉冲的参数U0tUm0.9Um0.1UmδΔU0.5UmτtrtfΔ矩形脉冲的参数重复频率：f占空系数：τ/T脉冲幅度：Um上冲量：δ脉冲宽度：τ反冲量：△上升时间：tr平顶落差：△U下降时间：tf偏移：E2、脉冲信号发生器的组成原理外同步放大主振级同步输出外同步输入延迟级形成级整形级输出级主脉冲acbdef1）、主振级主振级可采用自激多谐振荡器、晶体振荡器或锁相振荡器产生矩形波，也可将正弦振荡信号放大、限幅后输出，作为下级的触发信号。主要用于调节脉冲重复周期T。2）、延迟级延迟级电路通常由单稳态电路和微分电路组成。对延迟级