电子测量技术基础(张永瑞)(第2版)第03章.

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1、第3章 信号发生器 3.1 信号发生器概述 3.2 正弦信号发生器的性能指标 3.3 低频、 超低频信号发生器 3.4 射频信号发生器 3.5 扫频信号发生器 3.6 脉冲信号发生器 *3.7 噪声信号发生器 小结 习题3 3.1 信号发生器概述 3.1.1 信号发生器的用途 产生不同频率、 不同波形的电压、 电流信号并加到被测 器件、 设备上， 用其他测量仪器观察、 测量被测者的输出 响应， 以分析和确定它们的性能参数， 如图3.1-1所示。 图3.1-1 测试信号发生器 提供测试用电信号的装置统称为信号发生器 。 3.1.2 信号发生器的分类 1. 按频率范围分类 表3.1-1中频段的划分

2、不是绝对的。 比如在电子仪器的 门类划分中， “低频信号发生器”指1 Hz1 MHz频段， 波形 以正弦波为主， 或兼有方波及其他波形的信号发生器； “射 频信号发生器”则指能产生正弦信号， 频率范围部分或全部 覆盖30 kHz1 GHz(允许向外延伸)， 并且具有一种或一种以 上调制功能的信号发生器。 可见， 这里两类信号发生器的 频率范围有重叠， 而所谓“射频信号发生器”包含了表3.1-1 中视频以上各类信号发生器。 2. 按输出波形分类 根据使用要求， 信号发生器可以输出不同波形的信号 。 图3.1-2 几种典型的信号波形 按照输出信号的波形特性， 信号发生器可分为正弦信 号发生器和非正

3、弦信号发生器。 非正弦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、 数字序列信号发生器、 图形 信号发生器、 噪声信号发生器等。 3. 按信号发生器的性能分类 按信号发生器的性能指标， 可分为一般信号发生器和 标准信号发生器。 此外， 还有其他的分类方法。 比如按照使用范围， 可分为通用和专用信号发生器(例如电声行业中使用的立体 声和调频立体声信号发生器就属于专用信号发生器)； 按照 调节方式， 可分为普通信号发生器、 扫频信号发生器和程 控信号发生器； 按照频率的产生方法又可分为谐振信号发 生器、 锁相信号发生器及合成信号发生器等。 上面所述仅是常用的几种分类方式，

4、 而且是大致的分 类。 随着电子技术水平的不断发展， 信号发生器的功能越 来越齐全， 性能越来越优良， 同一台信号发生器往往具有 相当宽的频率覆盖范围， 又具有输出多种波形信号的功能 。 例如， 国产EE1631型函数信号发生器的频率覆盖范围 为0.005 Hz40 MHz， 跨越了超低频、 低频、 视频、 高频 到甚高频几个频段， 可以输出包括正弦波、 三角波、 方 波、 锯齿波、 脉冲波、 调幅波、 调频波等多种波形的信 号。 3.1.3 信号发生器的基本构成 振荡器： 是信号发生器的核心部分， 由它产生不同频 率、 不同波形的信号。 产生不同频段、 不同波形信号的振荡器其原理、 结构 差

5、别很大。 振荡器输出级变换器 指示器电源 变换器： 可以是电压放大器、 功率放大器、 调制器或 整形器。 一般情况下， 振荡器输出的信号都较微弱， 需在该部 分加以放大。 此外， 调幅、 调频等信号也需在这部分由调 制信号对载频加以调制， 而函数发生器、 振荡器输出的是 三角波， 需在这里由整形电路整形成方波或正弦波。 输出级： 其基本功能是调节输出信号的电平和输出阻 抗， 可以是衰减器、 匹配变压器和射极跟随器等。 指示器： 用来监视输出信号。 通常情况下， 指示器接于衰减器之前， 并且由于指示 仪表本身准确度不高， 其示值仅供参考， 从输出端输出信 号的实际特性需用其他更准确的测量仪表来测

6、量。 电源： 提供信号发生器各部分的工作电源电压。 通常 是将50 Hz交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。 3.1.4 信号发生器的发展趋势 当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖范围、 高频率精度、 多功能、 多用途、 自动化和智能化方向发展。 3.2 正弦信号发生器的性能指标 正弦信号发生器是最普通、 应用最广泛的一类。 其原因是： 正弦信号容易产生， 容易描述， 又是应用最广 的载波信号， 任何线性双口网络的特性都可以用它对正弦信号 的响应来表征。 信号发生器作为测量系统的激励源， 因此被测器件、 设备 的各项性能参数的测量质量将直接依赖于信号发生器的性能。 通常用频率特性、 输出特

7、性和调制特性(俗称三大指标) 来评价正弦信号发生器的性能， 其中包括30余项具体指标。 本节仅介绍信号发生器中几项最基本、 最常用的性能指标。 3.2.1 频率范围 频率范围指信号发生器所产生的信号频率范围， 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。 为了保证有效频率范围连续， 两相邻频段间有相互衔 接的公共部分， 即频段重叠。 3.2.2 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： 式中， f0为度盘或数字显示数值， 也称预调值； f1是输出 正弦信号频率的实际值。 频率准确

8、度实际上是输出信号频率的工作误差。 (3.2-1) 用度盘读数的信号发生器的频率准确度约为 (1%10%)， 精密低频信号发生器的频率准确度可达 0.5%。 例如， 调谐式XFC-6型标准信号发生器的频率准 确度优于1%， 而一些采用频率合成技术带有数字显示的 信号发生器其输出频率具有基准频率(晶振)的准确度， 若 机内采用高稳定度晶体振荡器， 则输出频率的准确度可达 1081010。 3.2.3 频率稳定度 频率稳定度是指其他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， 频率稳定度又分为频率短期稳定度和频 率长期稳定度。 频率短期稳

9、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 min内所发生的最大变化， 表示为 (3.2-2) 式中， f0为预调频率； fmax、 fmin分别为任意15 min信号频 率的最大值和最小值。 频率长期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 h内所发生的最大变化， 表示为 预调频率的x106+y(Hz) (3.2-3) 式中， x、 y是由厂家确定的性能指标值。 也可以用式(3.2- 2)表示频率长期稳定度。 需要指出， 许多厂商的产品技术说明书中并未按上述 方式给出频率稳定度指标。 例如， 国产HG1010信号发生器 和(美)KH4024信号发生

10、器的频率稳定度都是0.01%/h， 含义 是经过规定预热时间后， 两种信号发生器每小时(h)的频率 漂移(fmaxfmin)与预调值f0之比为0.01%。 有些信号发生器以 天为时间单位表示稳定度。 3.2.4 由温度、 电源、 负载变化引起的频率变动量 测量仪器的稳定性指标， 其一为稳定度， 其二为影响量 。 前述规定时间间隔内的频率漂移即为稳定度， 而由温度、 电源、 负载变化等外界因素造成的频率漂移(或变动)即为影响 量。 1) 温度引起的频率变动量 环境温度每变化1所产生的相对频率变化表示为： 预调 频率的x 106/， 即 /(3.2-4) 式中， t为温度变化值； f0为预调值；

11、f1为温度改变 后的频率值。 2) 电源引起的频率变动量 供电电源变化10%所产生的相对频率变化表示为： x 106， 即 (3.2-5) 3) 负载变化引起的频率变动量 负载电阻从开路变化到额定值时所引起的相对频率变化 表示为： x 106， 即 (3.2-6) 式中， f1为空载(负载开路)时的输出频率； f2为额定负载时 的输出频率。 上述温度、 电源、 负载变动引起的频率变动量在有些 厂商的产品技术说明书中称为稳定度， 而且大多只对精密 信号发生器才给出。 例如， X010A精密信号发生器在环境 温度(202)条件下， 电源变化10%时， 稳定度 0.005%， 负载由空载到满载时，

12、稳定度0.005%； EE1610高稳定度石英晶体振荡器在环境温度为1035时， 频率漂移1109。 3.2.5 非线性失真系数(失真度) 通常用信号频谱纯度来说明输出信号波形接近正弦波的 程度， 并用非线性失真系数表示： (3.2-7) 式中， U1为输出信号基波有效值， U2、 U3、 、 Un为各次 谐波有效值。 由于U2、 U3、 、 Un等较U1小得多， 因此为 了便于测量， 也用下面公式定义： (3.2-8) 一般低频正弦信号发生器的失真度为0.1%1%， 高档正 弦信号发生器的失真度可低于0.005%。 对于高频信号发生器， 这项指标要求较低， 作为工程测 量用仪器， 其非线性失

13、真5%， 即用眼睛观察不到明显的波 形失真即可。 另外， 人们通常只用非线性失真来评价低频信号发生 器， 而用频谱纯度来评价高频信号发生器。 频谱纯度不仅 要考虑高次谐波造成的失真， 还要考虑由非谐波噪声造成的 正弦波失真。 3.2.6 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)， 功率输出端依输出匹配变压器的设计而定， 通常有50 、 75 、 150 、 600 和5 k 等几挡。 高频信号发生器一般仅有50 或75 两挡。 当使用高频信 号发生器时， 要特别注意阻抗的匹配。 3.2.7 输出电平 输出电平指的是输出信号幅

14、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及其衰减范围内 所得到输出幅度的有效范围。 输出幅度可用电压(V、 mV、 V)或分贝表示。 例如XD-1型低频信号发生器的最大电压输出为1 Hz1 MHz， 大于5 V， 最大功率输出为10 Hz700 kHz(50 、 75 、 150 、 600 )， 大于4 W。 在图3.1-3所示的信号发生器框图的输出级一般都包括 衰减器， 其目的是获得从微伏级(V)到毫优级(mV)的小信 号电压。 例如XD-1型信号发生器的最大信号电压为5 V， 通过 080 dB的步进衰减输出， 可获得500 V的小信号电压。 在信号发生

15、器的性能指标中， 就包括“衰减器特性”这 一指标， 主要指衰减范围和衰减误差。 例如， 上述XD-1 型信号发生器的衰减特性为： 电压输出， 1 Hz1 MHz， 衰减801.5 dB 和频率稳定度指标类似， 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， 例如 HG1010信号发生器的幅度稳定度为0.01%/h。 平坦度分别指温度、 电源、 频率等引起的输出幅度变动 量。 使用者通常主要关心输出幅度随频率变化的情况。 现代信号发生器一般都有自动电平控制电路(ALC)， 可 以使平坦度保持在1 dB以

16、内， 即将幅度波动控制在10%以 内。 例如XD8B超低频信号发生器的幅频特性3%。 3.2.8 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 种或一种以上已被调制的信号， 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。 这类带有输出已调波功能的信号发生器是测试无线电收发 设备等场合不可缺少的仪器。 例如， XFC-6标准信号发生器 就具备内、 外调幅， 内、 外调频， 或进行内调幅时同时进行 外调频， 或同时进行外调幅与外调频等功能。 HP8663这类高 档合成信号发生器同时具有调幅、 调频、 调相、 脉冲调制等 多种调制功能。 由于使用目的、 制造工艺、 工作机理等诸方面不同， 各类信 号发生器的性能指标相差是很悬殊的