第6章信号发生器

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1、第6章 信号发生器,6.1 概 述 6.2 通用信号发生器 6.3 函数信号发生器 6.4 其它信号发生器,6.1 概述,6.1.1 信号发生器的分类,1. 按用途分类 按用途分可分为专用信号发生器和通用信号发生器。,2. 按频率范围分类 按输出信号的频率范围划分，可分为超低频、低频、视频、高频、甚高频和超高频信号发生器，见下表6.1。,表6.1 信号发生器按频率范围分类,3. 按输出波形分类 信号发生器按输出波形的不同可分为：正弦波信号发生器和非正弦波信号发生器。,非正弦波信号发生器又包括：脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器等。,4. 按调制方式分类 按调制方式分类，信号发生器可

2、分为调幅信号发生器、调相信号发生器、调频信号发生器和脉冲调制信号发生器等。,6 .1.2 信号发生器的主要技术特性,信号发生器的技术指标较多，下面仅介绍几种最常用、最基本的技术指标。,1. 频率特性 常用以下三项技术指标来描述信号发生器的频率特性。,（1）频率范围 （2） 频率准确度 （3） 频率稳定度,2. 输出特性 信号发生器的输出特性主要包括输出信号的频谱纯度、输出电平及输出阻抗等。,（1）输出信号的频谱纯度 信号的频谱纯度是指输出信号的波形接近理想波形的程度。,理想的信号发生器应输出一理想的波形，但由于信号发生器内部存在非线性器件，会产生信号的谐波分量，造成非线性失真，并用非线性失真系

3、数来表示：,（6.3）,式中 U1为输出信号基波幅值的有效值，U2、U3、 、Un为各次谐波分量的有效值。,（2）输出电平 输出电平指输出信号幅度的有效范围。,通过输出级衰减器调节，可使输出电平在最大、最小幅度范围内变化。,输出幅度可用电压（V，V，V）或分贝（dB）来表示。,由于输出电平受到各种因素的影响，输出信号幅度也会发生一些变化，可用输出信号幅度稳定度及平坦度指标来表示。,幅度稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，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。,平坦度指分别由温度变化、电源波动、频率变动等引起的输出幅度变化量。,人们往往主要关心输出幅度随频率的变化情况。,

4、（3）输出阻抗 信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。,低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600（或1k），功率输出端的输出阻抗依输出匹配变压器的设计而定，通常有50、75、150、600和5k等。,高频信号发生器一般有50或75，使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。,3. 调制特性 高频信号发生器输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一种以上的已调制的信号，多数情况下是调幅信号和调频信号。,有些还带有调相和脉冲调制等功能。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。,这种具有调制特性的信号发生器是测试无线电收、发设备等场合不

5、可缺少的设备。,6.1.3 信号发生器的一般组成,虽然各类信号发生器产生信号的方法和功能不尽相同，但其一般组成都可用图6.1来描述。,图 6.1信号发生器的一般组成,振荡器：振荡器是信号发生器的核心部分，它产生不同频率、不同波形的信号。,各类振荡器的工作原理、结构也有很大差别。,变换器：一般情况下，振荡器输出的信号都较弱，须在变换器中加以放大、整形或调制。,输出级：其基本功能是调节输出信号的电平和变换阻抗，可以是衰减器、匹配变压器或射极跟随器等。,指示器：用来监视输出信号。,通过指示器来调整输出信号的电平、频率及其它特性。,电源：为仪器各部分电路提供工作所需的电源电压。,6.2 通用信号发生器

6、,6.2.1 低频信号发生器,低频信号发生器在模拟电子线路与仪器仪表设计、测试和维修中，是应用较为广泛的设备之一。,低频实际上是从音频（20Hz20kHz）段发展而来。,现在低频信号发生器输出的信号频率向下向上分别延伸至超低频和超高频段，即1Hz1MHz频段。,输出波形以正弦波为主，兼有方波、三角波及其他波形。,1. 低频信号发生器的组成和工作原理 低频信号发生器的组成框图如图6.2所示。,它包括振荡器、放大器、输出电路、电压表和稳压电源等。,图 6.2 低频信号发生器组成框图,（1）振荡器 振荡器是低频信号发生器的核心部分。,产生振荡信号的方法有多种。,在通用信号发生器中，主振荡器通常使用R

7、C振荡器或差频式振荡器，,而RC文氏桥振荡器应用最为广泛。, RC文氏桥式振荡器 RC网络及其传递函数的相频、幅频特性如图6.3。,（a）RC选频网络,（b）幅频特性,（c） 相频特性图,图6.3 RC网络选频特性,文氏桥式振荡器如图6.4所示。,图6.4文氏桥式振荡器,差频式振荡器。,差频式低频信号发生器框图如图6.5所示。,主要包括固定频率振荡器、可变频率振荡器、混频器、低通滤波器、放大器和输出衰减电路等。,图 6.5差频式振荡器,（2）放大器 放大器通常包括电压放大和功率放大，并对前、后级起隔离作用，可防止后级变化对前级振荡信号产生影响。,对放大电路的要求是：输入阻抗高、输出阻抗低、有足

8、够宽的频带，以及非线性失真小、工作稳定等。,一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器等。,（3）输出电路 输出电路包括输出衰减电路和阻抗变换电路。,输出电压一般可连续可调或步进调节。,连续调节一般由电位器完成，也称细调；步进调节由步进衰减器完成，也称粗调，并以输出电压U0与输入电压Ui之比（U0 /Ui）表示，或以U0/Ui的分贝表示。,阻抗变换器实现不同负载时的阻抗匹配。,（4）电压表 电压表用来监测输出电压，起到实时监测的作用。,2低频信号发生器的主要工作特性 低频信号发生器的主要工作特性一般包括以下几项：,（1）频率范围： 一般为 20Hz1MHz；,（2）频率准确度：1%3%；,（3）

9、频率稳定度：一般为0.4%/小时；,（4）输出电压： 10V，且连续可调；,（5）输出功率： 一般 5W；,（6）非线性失真： 1%。,（7）输出阻抗： 50、75、150、 600和5k等。,（8）输出形式：平衡输出与不平衡输出。,3低频信号发生器的使用 低频信号发生器应用比较广泛，型号也很多，但它们的使用方法基本相同。,（1）使用方法及注意事项 第一，使用仪器前应结合面板结构和技术说明书对各个开关旋钮的功能及使用方法进行详细的了解。,一般包括波形选择开关、输出频率调谐部分（包括波段、粗调、细调）、幅度调节旋钮（包括粗调、细调）、阻抗变换开关、指示电压表及其量程选择、电源指示、输出接线柱等。

10、,第二，应按照正确的操作步骤进行操作。首先，接通电源后一般应进行适当地预热。,此时应注意输出幅度不应调至最大，,因为电路中接有热敏电阻等热敏感元件，经过合适的预热时间后，电路才能进入稳定状态。,然后，根据测试要求选择频率；再次，对输出信号幅度进行粗调和细调，并有电压表监测。,最后，应注意与被测网络的阻抗匹配。,（2）测量放大器的放大倍数 放大倍数测试是衡量放大器的基本性能指标之一，它包括电压放大倍数、电流放大倍数及功率放大倍数。,按图6.6所示，连接电路进行测量。,图6. 6 测量放大器的放大倍数接线图,6.2.2 高频信号发生器,高频信号发生器也称射频信号发生器，频率范围在30kHz1GHz

11、(允许向外延伸)之间，具有一种或一种以上调制或组合调制（正弦调幅、正弦调频、脉冲调制）功能。,高频信号发生器输出信号的频率、电平在一定范围内均可调节。,为了适应实际测试需要，高频信号发生器具有微伏级的小信号输出，并有较好的信号屏蔽作用，以免影响测量准确性。,1高频信号发生器的组成和工作原理 高频信号发生器的组成框图如图6.7所示。,包括主振荡调频级、缓冲放大级、调幅级、内调制振荡器、输出级、监测器以及电源等电路。,图6.7 高频信号发生器的组成框图,主振荡器产生高频信号并且可以实现调频功能，通常采用LC振荡器，一般有变压器耦合式、电感三点式、电容三点式等。,调频是直接用调制信号控制高频振荡器回

12、路中某个电抗元件，使振荡频率随调制信号的幅值变化。,缓冲放大级可减弱调幅级对主振荡器的影响。,调幅一般在单独的调制级完成。,调幅是用调制信号控制高频信号（称为载波）的幅值，使载波信号的幅值随调制信号变化而变化。,输出级可改变输出信号大小，通常采用电位器和电容分压器进行调节。,监测器一般由调制度计和电子电压表组成。,内调制振荡器可产生内部调制信号。,电源为各部分电路提供直流电压。,工作原理：当开关K1置“内”时，调制信号有内调制振荡器产生。,若开关K2置“FM”，则调制信号加到主振荡调频级，可实现内调频。,若开关K2置“AM”，则调制信号加到调幅级，实现内调幅。,当开关K1置“外”时，调制信号有

13、外调制输入。,若开关K2置“FM”，则调制信号加到主振荡调频级，可实现外调频。,若开关K2置“AM”，则调制信号加到调幅级，实现外调幅。,2高频信号发生器的分类 高频信号发生器按主振荡级产生信号的方法不同，可分为调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器三大 类。,（1）调谐信号发生器 调谐信号发生器的振荡器一般为LC振荡器。,根据振荡器反馈方式不同，又可分为变压器反馈式振荡器、电感反馈式振荡器（也称电感三点式或哈特莱式）及电容反馈式振荡器（也称电容三点式或考毕兹式）三种。,如图6.8 所示。,LC晶体管振荡器中，LC谐振回路具有很好地选频特性。,其谐振频率f0均为：,（6-9）,（a）变

14、压器反馈式,（b）电容三点式,（C）电感三点式,图6.8 调谐高频振荡器,（2）锁相信号发生器 锁相信号发生器的组成框图如图6.9所示。,主要有压控振荡器（简称VCO）、鉴相器（简称PD）、低通滤波器（简称LF）及晶振等部分构成。,图6.9 锁相环路基本组成,当频率f因某种原因变化时，其相位角也产生变化，,变化后的相位经过鉴相器与基准晶振信号的相位相比较，使鉴相器输出一个与其相位差成比例的电压信号Ud(t)。,该信号经过低通滤波器后检出其直流分量Uc(t)。,用信号Uc(t)控制压控振荡器VCO，进而调整VCO的输出频率f。,这样信号频率f的输出稳定度就与晶振频率f0的相当。,（3）合成信号发

15、生器 合成信号发生器是用频率合成技术代替信号发生器中的主振荡器。,频率合成器是把一个（或少数几个）高稳定度的频率源fs经过加、减、乘、除及其组合运算，在一定频率范围，产生按一定频率间隔变化的一系列离散频率的信号发生器。,频率合成又分直接合成法和间接合成法两类。,下面简单介绍间接频率合成法的基本原理。,间接合成法即锁相环法。,其基本组成框图如图6.11所示。,利用锁相环与分频器相结合，组成频率可控反馈系统。,图6.11 锁相环路合成器,压控振荡器VCO输出频率经分频后得频率为f/n1的信号。,该信号与来自晶振分频后的信号f0/n2在鉴相器中进行相位比较，得到一个与相位差成比例的电压信号去控制压控振荡器的输出频率。,整个反馈电路进入锁相后，可得到f/n1 = f0/n2，即：,（6-10）,3高频信号发生器的使用 以XFD-7型高频信号发生器为例，说明高频信号发生器的一般使用方法。,其面板控制旋钮如图6.12所示。,（1） 一般用法 准备工作 通电前检查。,接通电源预热。, 等幅振荡输出 将“调幅选择”开关放在“等幅”位置。,输出信号频率通过粗调和细调来调整所需的输出频率。,输出信号幅度可由“输出-微调”旋钮和“输出-倍数”开关进行调节。,如需1uV以下的输出电压，应由带分压器的电缆输出，此时输出电平应乘以输出电缆线衰减倍数而得到。,注意，频率每改变一次，都要