了解信号发生器讲义资料

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1、第3章信号发生器,本章要点,测量用信号发生器，通常称为信号源。,信号源的功用、种类和主要性能指标,通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用,合成信号源的组成原理、特性和应用,频率合成技术的发展状况,射频合成信号发生器（数字调制信号源、矢量信号源）,3.1 信号发生器概述,3.1.1 信号发生器的功用,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）。,4. 按频率产生办法分,谐振-由频率选择回路控制正反馈 产生振荡。,合成-由基准频率通

2、过加、减、乘、 除组合一系列频率。,5. 按频率范围分,实用频段划,3.1.3 正弦信号发生器的性能指标,在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛 的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。,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,（3.1）,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

3、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。,4.失真度与频谱纯度,定义,测量：低频信号发生器用失真系数,高频信号发生器用频谱纯度,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等档,高频信号发生器一般仅有50或75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

4、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。,讨论：,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波 有效值标定的。,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,50,50，匹配时 100mv,200mv,不匹配时，不确知。示波器输入阻抗高约1M，故显示200mv,为什么？,3.2 通用信号发生器,本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器， 以区别后面介绍的合成信号发生器。,例：超外差接收机已经历电子管、

5、晶体管、集成电路几代发展， 但框图原理未变。,3.2.1 低频信号发生器,频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示：,（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=3.3997MHz5.1000MHz，f2=3.4000MHz，则 f0=300Hz1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数,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,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。,文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。其振

6、荡频率决定于 RC式反馈网络的谐振频率，表达式为：,（3.8）,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 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 在LC振荡器中,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40 pF450pF，则频率覆盖系数为,而用RC振荡器，由（3.8）式可知，,成反比，频率,覆盖系数为

7、,在一个波段内有较大的频率覆盖系数。,3.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： 1Hz1MHz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：0V10V,输出功率：0.5 W5W 连续可调,输出阻抗：50,75,600，5k,输出形式：平衡输出与不平衡输出,3.2.2高频信号发生器,1. 高频信号发生器的组成原理,标准调制：F=1000Hz m=30%,若语音调制则成小电台,l)主振级,主振级通常是LC振荡电路，产生具有一定工作频率 范围的正弦信号。,2)缓冲级,它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对

8、主振级可能产生的不良影响。,3)调制级,为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已 调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。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30MHz1000MHz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。,4)输出级,输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到V 数量级。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。,标准调制：F=1000Hz

9、m=30%,l)主振级,主振级通常是LC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率 范围的正弦信号。,三点式振荡器,例3.1 XFC-6型高频信号发生器f =4 MHz300MHz， 试问应划分几个波段？,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。,（3.11）,（3.10）,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。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 LC振荡器，通过调节电

10、容来改变输出频率的，调节频率时来回转动时其齿轮的回差会给频率读数带来误差，因此频率准确度不太高，通常只有1左右。,2) 输出幅度的读数,图3.6 信号源模型及加载等效电路,输出电阻常取50、75、150、600欧姆等数值,输出电压显示值均为阻抗匹配时信号源输出端电压值:V、mV、V；或分贝电平dBm（分贝毫瓦）、dBV（分贝伏）的电压。,浮地,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。,3）输出匹配变换器,图3.8阻抗匹配,3.2.3脉冲信号发生器,3.2.4函数信号发生器,现在多用数字频率合成技术来实现函数信号发生

11、器，待述,3.2.5 噪声发生器,3.3 合成信号发生器,频率合成的方法,3.3.1 直接模拟频率合成法,利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率 进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于 大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成， 且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。,1.固定频率合成法,图3.15为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供 基准频率,，D为分频器的分频系数，N为倍频器的倍频系数。,因此，图3.15固定频率合成法输出频率,为,在式中，D和N均为给定的正整数。输出频率人为定值，所以 称为固定频率合成法。,2.可变频率合成法,

12、=216(2.02.9)MHz=(20.020.9)MHz,=（2.000002.09999）MHz,直接模拟合成技术特点：,1)频率分辨力高,2)频率切换快 -用于跳频通信对抗 （因频率点不太多）,3)电路庞大、复杂 -现不用它做信号源 （因信号源频率范围宽）,3.3.2 直接数字频率合成法,直接数字合成法（DDS，Direct Digital Frequency Synthests）。它突破了频率合成法的原理，从“相位”的 概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频 率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至 可以给出各种任意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无 法实现

13、的。这里先讨论正弦波的合成问题，关于任意波形将 在后面进行讨论。,1.直接数字合成基本原理,三角波：+1、+1 -1、-1,方 波：0、0、 1、1、,正弦波：预存正弦函数表，如图3.18。,2 实例说明（信号的频率关系）：,AD9850是美国Analog Devices公司生产的DDS单片频率合 成器，在DDFS的ROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按 二进制分辨率量化；其相位一个周期360按,的分辨率设立相位取样点，然后存入ROM的相应地址中。,实用中，改变读取ROM的地址数目，即可改变输出频率。若 在系统时钟频率,的控制下，依次读取全部地址中的相位点，,则输出频率最低。因为这时一个周期要

14、读取232相位点，点间 间隔时间为时钟周期Tc，则,Tout=232Tc 因此这时输出频率为,频率码输入,（3.16）,若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推 可得输出频率的一般表达式,（3.17）,式中k为频率码，是个32位的二进制值，可写成：,（3.18）,对应于32位码值（0或1）。为便于看,出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（3.18）代入 （3.17）式得：,（3.19）,改变输出信号频率的方法： 1、调节累加器的K值 2、调节控制时钟的频率fc 噪声分析： 1、量化噪声（相位、幅度）：一般电路中量化噪声不会变化，如：合成正弦波中相位和幅度的量化值都是相应的相位和

15、幅度的近似值，存在量化误差，也称为量化噪声； 2、滤波器噪声：D/A转换器产生的阶梯波中的杂散频率通过非理想低通滤波器而带来的噪声。这类噪声将随频率增高而加大。,石家庄数英仪器公司(无线电四厂)生产的 DDS函数信号发生器,按AD9850允许最高时钟频率fc=125MHz来进行具体说明， 当A01，而A31，A30，A1均为0时，则输出频率最低， 也是AD9850输出频率的分辨率：,与上面从概念导出的结果一致。当A311，而A0，A1， A30 均为0时，输出频率最高：,应当指出，当一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允 许值，所以当A311后，以下码值只能取0。实际应用中，为 了得到好的波

16、形，设计最高输出频率小于时钟频率的1/3。这 样，只要改变32位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率 的准确度与时钟频率同数量级。,3. 任意波形发生器,直接数字频率合成技术重要的特色，它可以产生任意波形。从 上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存 储器的数据。因此，产生任意波形的方法取决于向该存储器 （RAM）提供数据的方法。目前有以下几种方法：,1)表格法,将波形画在小方格纸上，纵坐标 按幅度相对值进行二进制量化， 横坐标按时间间隔编制地址，然 后制成对应的数据表格，按序放 入RAM。对经常使用的定了“形” 的波形，可将数据固化于ROM 或存入非易失性RAM中，以便 反复使用。,（AWG）或任意函数发生器（AFG）,2)数学方程法,3)复制法,将其它仪器（例如数字存储示波器，XY绘图仪）获得的波形 数据通过微机系统总线或GPIB接口总线传输给波形数据存储器。 该法很适于复制不再复现的信号波形。,自然界中有很多无规律的