第2章信号发生器(59)

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1、电 子 测 量 技 术,河北师范大学职业技术学院,第2章 信号发生器,2.1 信号发生器概述 2.2 低频信号发生器 2.3 高频信号发生器 2.4 函数信号发生器 2.5 合成信号发生器 2.6 脉冲信号发生器 习 题,2.1.1 信号发生器分类,2.1 信号发生器概述,1按输出波形分类,（1）正弦信号发生器： 产生正弦波或受调制的正弦波。 （2）脉冲信号发生器： 产生脉宽可调的重复脉冲波。 （3）函数信号发生器： 产生幅度与时间成一定函数关系的信号，如正弦波、三角波、方波等各种信号。 （4）噪声信号发生器： 产生各种模拟干扰的电信号。,2. 按输出频率范围分类,（1）超低频信号发生器：频率

2、范围为0.001Hz1 kHz。 （2）低频信号发生器：频率范围为1 Hz1 MHz。 （3）视频信号发生器：频率范围为20Hz10 MHz。 （4）高频信号发生器：频率范围为200 kHz30 MHz。 （5）甚高频信号发生器：频率范围为30300 MHz。 （6）超高频信号发生器：频率范围为300 MHz以上。,由于电子技术的迅速发展，促使信号发生器种 类日益增多，性能日益提高。随着微处理器的 出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化 方向发展。现在的许多信号发生器都带有微处 理器，具有自校、自检、自动故障诊断和自动 波形形成和修正等功能。当前信号发生器总的 趋势是向着宽频率覆盖、高精度、

3、多功能、多 用途、自动化和智能化方向发展。,2.1.2 信号发生器发展趋势,2.2.1 低频信号发生器基本组成,2.2 低频信号发生器,图2-1 低频信号发生器方框图,2.2.2 低频信号发生器工作原理,1主振荡器,主振荡器采用RC文氏电挢振荡电路，它具有输出波形好、振幅稳定、频率范围宽及频率调节方便等优点。,图2-2 RC文氏桥振荡电路,当= 0=1/RC;N()=1/3;K=3时，电路起振，并维持振荡。,（1）工作原理 （2）频率调整 （3）温度补偿,2、衰减器 输出衰减器用于改变信号发生器的输出电压或功率，通常分为连续调节和步进调节。连续调节由电位器实现，步进调节由电阻分压器实现。,3、

4、功率放大器,4、阻抗变换器,5、电压表,2.2.3 低频信号发生器的使用,1、频率选择： （1）根据所需频段按下相应“频率范围”按钮或波段开关，然后再用按键开关上面的“频率调节1、2、3旋钮按 照十进制原则进行细调。 例如：“频率范围”指10100kHz档，“频率调节1”指4，“频率调节 0.1”指8，“频率调节 001”指7，则此时输出频率为 48.7 kHz。 若产生465KHz信号则： “频率范围”指1001000kHz档， “频率调节1”指4，“频率调节 0.1”指6，“频率调节 001”指5，,XD-2低频信号发生器面板,2、输出电压调整： 用电缆直接从“电压输出”插口引出。通过调节

5、输出衰减 旋钮和输出细调旋钮，可以得到需要的输出电压。电压 输出端钮上的负载应大于5k . 例如：欲得到1mV电压，可调整“输出细调”使电压表指示 1V；再调整“输出衰减”开关指到“60dB”。,2.3.1 高频信号发生器基本组成,2.3 高频信号发生器,图2-3 高频信号发生器方框图,2.3.2 高频信号发生器工作原理,1主振荡器,主振荡器采用LC振荡电路，按其反馈形式，可分为变压器反馈式、电感反馈式（电感三点式或哈特来式）和电容反馈式（电容三点式或考毕兹式）三种电路形式。通过切换电感改变波段，通过改变振荡回路电容调整频率。 通常用改变电感来切换频段，改变电容c进行频段内频率细调。,3、内调

6、制振荡器 一般高频信号发生器产生的内调制信号有400Hz和1kHz两种。,缓冲放大器通常采用调谐放大器，其作用： 一是放大振荡器输出的高频信号电压； 二是在输出器和振荡器间起隔离作用(因此也叫缓冲放大器)以提高振荡频率稳定性； 三是 兼作调幅信号的调幅器，（调频一般是在振荡级直接进行，比如用改变偏压的方法改变LC振 荡器中电容以达到调频的目的）。,2、缓冲放大器,4、输出级 其电路主要由放大器、滤波器和衰减器等组成。,XFC-6标准信号发生器 频率范围100KHz300MHz，分八档； 输出电压在端接75负载上为0.05V一50mV 连续可调； 具有内调幅、外调幅、内调频、外调频及外 部视频信

7、号调幅等功能。,2.3.3 高频信号发生器的使用,XFC6标准信号发生器组成框图,1、频率选择： （1）根据所需频率将“频率范围”开关转到相应位置； （2）然后再用“频率调节”旋钮调到需要的频率。,2、输出电压调整： 3、调幅度调整：,2.4 函数信号发生器,函数信号发生器实际上是一种多波形信号源，可以输出 正弦波、方波、三角波、锯齿波等信号。目前函数发生 器输出信号的重复频率可达50MHz。除了作为正弦信号源 使用之外，还可以用来测试各种电路和机电设备的瞬态 特性数字电路的逻辑功能、模数转换器（A/D）、压控 振荡器以及锁相环的性能。 产生信号的方法有三种： 一种是用施密特电路产生方波，然后

8、经变换得到三角波 和正弦波。 第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波。 第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波。,施密特触发器用来产生方波。方波信号送至积分器。通常积分器使用线性很好的密勒积分电路，于是在积分器输出端可得到三角波信号。 三角波经过非线性网络形成正弦波。 用分段折线逼近的方法来实现。例如若一个电路具有如图215（a）所示的电路特性，将三角波加到该电路后，能得到如图2-15（b）所示的波形。由图可见，这种网络对信号的衰减会随三角波幅度的加大而增加，产生削顶，从而使输出波形向正弦波逼近，如果折线段选得足够多，并适当选择转折点的位置，便能得到非常逼真的正弦波。,2.4.1 由方波产生

9、三角波、正弦波,施密特触发器,积分器,正弦波转换器,放大器,输出,用二极管组成的正弦波形成电路如下图：用二极管和电 阻构成三角波的“限幅”电路，它实际上是一个由输入三 角波Vi控制的可变分压器。在三角波的正半周，当Vi的 瞬时值很小时，所有的二极管都被偏置电压E和E截 止，输入三角波经过电阻R直接输送到输出端作为V0。 当三角波的瞬时电压Vi上升到:,时二极管D1A导通，于是由电阻R1、R1A和R组成的分压器接通，使三角波通过该分压器输送到输出端，且输出电压V0为:,随着三角波电压（Vi）瞬时值不断上升，二极管D2A、D3A、D4A将依次导通，使分压器的分压比逐渐减小，从而使三角波趋于正弦波。

10、在三角波的正峰过后就是斜降过程，由于瞬时电压逐渐下降，二极管D4A、D3A、D2A、D1A又相继截止。进入负半周后二极管D1B、D2B、D3B、D4B也按同样的过程相继导通和截止，从而在输出端得到正弦波V0.,（1）集成度高，外围元件少。 （2）可同时产生正弦波、三角波和方波。 （3）电源电压范围宽，可单、双电源供电。 （4）工作频率在0.001Hz300kHz范围内可调节。 （5）输出脉冲（或方波）电平可在4.2V到28V。 （6）输出脉冲波占空系数可在199%范围内调节。 （7）输出正弦波失真小于1%；三角波输出线性度可优于0.1%；输出各类波形的频率漂移小于50ppm/；,2.4.2 函

11、数产生器专用集成电路,1、单片函数信号发生器ICL8038,1.正弦波线性调节；2.正弦波输出；3.三角波输出； 4. 占空比调节；5. 占空比调节； 6. 正电源；7. 调频偏置电压； 8. 调频控制输入端；9. 方波输出（集电极开路输出）； 10. 外接电容；11. 负电源或接地；12.正弦波线性调节； 13、14. 空脚。,2、 MAX038型单片集成电路,（1）能产生精确的高频正弦波、矩形波（含方波）、三角波和锯齿波，输出波形既可以人工设定，亦可以由微机或其它数字手段控制。 （2）频率范围很宽，从0.1 Hz直到20 MHz，最高可达40 MHz，频率设定分为粗调和细调两种。改变振荡电

12、容充、放电电流，可以大幅度调节频率，改变FADJ端的电位，能对频率进行精细调节； （3）输出电压幅度均为2VP-P，对于地电位而言则是1 V1V，输出阻抗小于0.1，低阻抗输出能力可以达到20 mA 。 （4）占空比调节范围宽，最大调节范围为1090（一般应用在1585%的范围内），且占空比与频率均可单独调节，互不影响。 （5）输出波形失真小，正弦波总谐波失真度仅为0.75，占空比调节的非线性度只有20。,集成电路MAX038有20个引脚，其直插式封装引脚排列，引脚名称及功能如表下： 1脚（REF）2.5V基准电压输出端； 2脚（GND）地； 3脚（A0）和4脚（A1）波形选择输入,TTL/C

13、MOS兼容； 5脚（COSC）外部电容接线端； 6脚（GND）地； 7脚（DADJ）占空比调节输入端； 8脚（FADJ）频率调节输入端； 9脚（GND）地； 10脚（IIN）频率控制电流输入端； 11脚（GND）地； 12脚（PDO）相位检测器输出端，若相位检测器不用，可将此端接地；,13脚（PDI）相位检测器参考时钟输入端，若相位检测器不用，可将其接地； 14脚（SYNC）TTL/CMOS兼容输出端，参考值在DV+和地之间，可以使内部振荡器与外部信号同步；若此脚不用；则让它开路； 15脚（DGND）数字地，为使SYNC失效或SYNC不用，则让它开路； 16脚（DV+）数字5V供电输入端，如果

14、不用SYNC，则让它开路； 17脚（V+）+5V供电输入端； 18脚（GND）地； 19脚（OUT）正弦波、方波、三角波输出端； 20脚（V-）5V供电输入端。注意：五个地(GND)在内部没有互相连接，应用时要把五个地连接到靠近芯片的一个近地点。,随着电子科学技术的发展，对信号频率的稳定度和准确度提 出了愈来愈高的要求。例如在无线电通信系统中，蜂窝通信 频段在912MHz并以30kHz步进。为此，信号频率稳定度的 要求必须优于10-6。同样，在电子测量技术中，频率的稳定 和准确度是信号源的一个重要的技术指标。 RC、LC为主振级的信号源中，频率准确度达10-2量级，频率 稳定度达10-310-

15、4量级，远远不能满足现代电子测量和无 线电通信等方面的要求。 以石英晶体组成的振荡器日稳定度优于10-8量级，但是它只 能产生某些特定的频率。,2.5 合成信号发生器,频率合成技术，该技术是对一个或几个高稳定度频率源进行 加、减、乘、除算术运算，得到一系列所要求的频率。 频率的加、减通过混频获得，乘 、除通过倍频、分频获得， 采用锁相环也可实现加、减、乘、除运算。合成信号源可工 作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波 形。,2.5.1 合成信号源的主要技术指标,（1）频率准确度和稳定度 取决于内部基准源，一般能达到10-8/日或更好的水平。HP8663A合成信号发生器的频率稳定度已

16、达到510-10/日。 （2）频率分辨力 由于合成信号源频率稳定度较高，所以分辨力也较好，可达（0.0110）z。,（3）相位噪声：信号相位的随机变化称为相位噪声，相位噪声要引起频率稳定度下降。在合成信号源中，由于其频率稳定度较高，所以对相位噪声也应该严格限制，通常宽带相位噪声应低于-60dB ，远端相位噪声（功率谱密度）应低于-120dB/Hz 。 （4）相位杂散 在频率合成的过程中常常会产生各种寄生频率分量，称为相位杂散。相位杂散一般限制在-70dB以下。 需要说明的是：在频域里，相位杂散是在信号谱两旁呈对称的离散谱线分布；而相位噪声则在两旁呈连续分布。 （5）频率转换速度 指信号源的输出从一个频率变换到另一个频率所需时间。直接合成信号源的转换时间为微秒量级，而间接合成则需毫秒量级。,在一个信号源中可能同时采用多种合成方法。,2.5.1 合成信号源工作原理,频率合成 的方法,间接合成法,直接合成法,基于锁相环原理,模拟直接合成法