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1、7.1 信号发生器概述 7.2 锁相频率合成信号发生器 7.3 直接数字频率合成信号发生器,第7章 信号发生器,信号发生器是为电子测量提供符合一定技术要求电信号的仪器设备，其输出信号的波形、频率、幅度等参数是已知的。 几乎所有电子器件、电路部件及整机设备的技术性能都需要在信号发生器输出信号的激励下才能测量与表征。,7.1 信号发生器概述,1、照输出信号波形特点，信号发生器可分为：正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、噪声信号发生器等。 2、按照输出信号的频率范围分类，信号发生器一般分为：低频信号发生器，高频信号发生器，也可以细分为超低频、低频、视频、甚高频、超高频多种信号发生器， 3
2、、按照产生信号方法及信号发生器组成的不同，可分为：传统的通用信号发生器和智能型的合成信号发生器两类。,7.1.1 信号发生器的分类及性能,一、 分类 信号发生器应用广泛、种类繁多，分类方法也有多种,7.1 信号发生器,1、按照输出信号波形特点分类， 2、按照输出信号的频率范围分类， 3、按照产生信号方法及信号发生器组成不同分类 4、其它分类方法,7.1.1 信号发生器的分类及性能,一、 分类 信号发生器应用广泛、种类繁多，分类方法也有多种,2、按照输出信号的频率范围，可分为： 可分为：低频信号发生器，高频信号发生器， 可细分：超低频、低频、视频、甚高频、超高频信号发生器,7.1.1 信号发生器
3、的分类及性能,3、按照产生信号方法及信号发生器组成不同分类 传统的通用信号发生器 智能型的合成信号发生器,7.1.1 信号发生器的分类及性能,传统通用信号发生器：是指采用谐振等方法产生频率的一类信号发生器。其中低频信号发生器常以RC文氏电桥振荡器做主振器，高频信号发生器常以LC振荡器做主振器。 这种以RC、LC为主振器的信号源中，频率准确度和频率稳定度只能达到10-210-4量级。 这类仪器主要由模拟电路组成，其输出信号频率和幅度的调节需要用人工的方法通过调节旋钮、开关来实现，输出幅度一般采用表头指示，操作自动化程度不够高。,7.1.1 信号发生器的分类及性能,智能型合成信号发生器：频率合成是
4、以一个或几个石英晶体振荡器产生的信号频率为基准频率，通过进行加减乘除运算，得到一系列所需要的频率，且这些频率的稳定度、准确度可以达到与基准频率相同的水平（日稳定度优于10-8量级的频率）。 能支持在很宽的范围内对输出频率进行精细的调节；可实现多种调制工作；可产生多种输出波形。 合成信号发生器一般需要采用微处理器作为控制电路，它的组成是一种典型的智能仪器架构，仪器操作具有较高的自动化程度。合成信号发生器将是应用最广泛的信号发生器。 合成信号发生器是本章讨论的重点内容。,7.1 信号发生器,7.1.1 信号发生器的分类及性能,二、正弦信号发生器的性能指标,正弦信号容易产生，容易描述，任何线性双端口
5、网络的特性，都需要用它对正弦信号的响应来表征，因而，正弦信号发生器几乎渗透到所有的电子学实验及测量中，是最普通、应用最广泛的一类信号发生器。 正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性三大指标来评价。,二、正弦信号发生器的性能指标,（一）频率特性 1. 频率范围： 2. 频率准确度 3. 频率稳定度 （二）输出特性 1. 输出阻抗 ： 2. 输出电平范围 3. 输出电平的稳定度和平坦度 4. 输出电平准确度 5. 输出信号非线性失真和频谱纯度 （三）调制特性,正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性三大指标来评价。,二、正弦信号发生器的性能指标 （一）频率特性, 例如，X
6、D1型信号发生器的频率范围为1Hz1MHz，分六挡即六个频段，输出频率是连续的。为了保证有效频率范围连续，两相邻频段间存在公共部分。 又例如，HP- 8660C型频率合成信号发生器产生的频率范围为10kHz2600MHz，输出频率是离散的，分辨率为1Hz、共可提供约26亿个分离的频率点。, 1. 频率范围：指信号发生器所产生信号的频率范围，在频率范围内，信号发生器的各项性能指标应该都能得到保证，因而，准确地说，该指标应称“有效频率范围”。当信号发生器输出的频率范围太宽时，可以分为若干个频段。频率调节可以是连续的，也可以是离散的。,二、正弦信号发生器的性能指标 （一）频率特性,频率准确度实际上是
7、输出信号频率的工作误差。 传统通用信号发生器的频率准确度一般为0.5 10 频率合成信号发生器其输出信号频率具有基准频率（晶振）的准确度，可达到10-6以上。, 2. 频率准确度：是指信号发生器预调值（即仪器度盘指示或数字显示的频率值）与实际输出的信号频率值之间的偏差，通常用相对误差表示,没有足够的频率稳定度，就不可能保证测量结果有足够的准确度。一般情况下，信号发生器的频率稳定度应比它的频率准确度高12个数量级，, 3. 频率稳定度 ：指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。 短期频率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15分钟
8、内所发生的最大变化；长期频率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小时内所发生的最大变化。 频率稳定度表达式为,二、正弦信号发生器的性能指标,（一）频率特性 1. 频率范围： 2. 频率准确度 3. 频率稳定度 （二）输出特性 1. 输出阻抗 ： 2. 输出电平范围 3. 输出电平的稳定度和平坦度 4. 输出电平准确度 5. 输出信号非线性失真和频谱纯度 （三）调制特性,正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性三大指标来评价。,二、正弦信号发生器的性能指标,1. 输出阻抗 ：信号发生器的输出阻抗视信号发生器的类型不同而异。 低频信号发生器的输出阻抗一般为600
9、（或1k）； 高频信号发生器一般仅有50或75。,（二）输出特性,信号发生器作为一个激励源应具有一定的内阻，当信号发生器接人被测电路的输入端时，被测电路将被看作是一个负载，因而存在着一个负载匹配的问题，这个问题在高频频段尤为重要。,二、正弦信号发生器的性能指标,2. 输出电平范围 ：是指信号发生器输出信号幅度的有效范围，即所能提供的最小和最大输出电压的可调范围。 一般高频信号发生器输出信号幅度范围为0.1V1V，而电平振荡器的输出电平范围为-60dB+10dB。,（二）输出特性,为了在不过多牺牲信噪比的情况下输出微伏（V）级的小信号电压，信号发生器的输出级中一般都设置有衰减器。例如，XD-1型
10、信号发生器最大信号电压为5V，通过080dB的步进衰减，最低可输出500V的信号电压。,二、正弦信号发生器的性能指标,1. 输出阻抗 ： 2. 输出电平范围 3. 输出电平的稳定度和平坦度 4. 输出电平准确度 5. 输出信号非线性失真和频谱纯度,（二）输出特性,需要说明的是，由于各种仪器用途、精度等级要求不同，并非每类仪器都要用全部指标进行考核。另外，评价信号发生器性能的指标也不止上述几项，各生产厂家出厂检验标准及采用的术语也可能不完全一致。 本节仅介绍信号发生器中最常用的一些基本的性能指标。,7.1.2 通用信号发生器的组成,一、低频信号发生器组成原理,由主振级、连续衰减器（电位器）、电压
11、放大器、输出衰减器、匹配变压器（阻抗变换）和检测用电压表等组成。,设R1R2R，C1=C2=C时，振荡频率为 f = =,一、低频信号发生器组成原理,主振级：一般采用RC正弦波振荡器。尤以文氏电桥振荡器为最多。图中R1、C1 、R2、C2组成正反馈电路，决定振荡频率；R3、R4组成负反馈电路，可自动稳频。,主振级产生的正弦信号经连续衰减器W、电压放大器和输出衰减器后直接作为信号发生器的一路输出，称电压输出。输出衰减器可对输出的电压进行步进调节，通常采用电阻式衰减器。 该信号再经功率放大器放大后能输出较大的功率，称功率输出。输出变压器用来匹配不同的负载阻抗，以获得最大功率输出。 监测器实际上是一
12、个简易的电压表，通过开关K进行可监测输出电压或输出功率。,7.1.2 通用信号发生器的组成,二、高频信号发生器组成原理,它的组成和高频发射机很相似。 主振级产生一定频率范围的正弦信号；经缓冲级（减弱调制级对主振级的影响）送到调制级进行幅度调制和放大，然后再送到输出级（保证一定的输出电平调节和源阻抗）。与主振级谐振回路耦合的可变电抗器用来实现调频。 内调振荡器提供音频正弦信号，监测器检测载波电平和调制指数。,二、高频信号发生器组成原理,通用高频信号发生器的主振级主要是一个LC自激正弦波振荡器，高频信号发生器的有效频率范围、频率稳定度和准确度、频率纯度等工作特性主要是由主振级来决定的。 主振级一般
13、应该能连续覆盖一个频段。例如，整个高频段（200kHz30MHz），这就要求主振级在电路上和结构上都能便于频率转换和调节。 由于主振级的工作频率范围很宽，因此不要采用过于复杂的电路结构，最好只用一个可调元件来实现频率的调节。例如，电感三点式振荡电路和变压器耦合式振荡电路只需要一个可变电容器。,（一）通用高频信号发生器的主振级：,二、高频信号发生器组成原理,所谓调幅是在保证载波信号频率及相位固定不变的情况下，使其幅度按给定规律变化的过程。 为了减少调幅过程中可能产生的载频偏移和寄生调频，主振级和调制级之间应加入缓冲放大器。 在现代射频信号发生器中，最常采用的调制器是二极管环形调制器和PIN二极管
14、调制器， 本节仅讨论PIN二极管调制器。,（二）调制-调幅,二、高频信号发生器组成原理,（二）调制-调幅,流过PIN二极管的电流i与高频输人电压u之间又存在如下关系式 若把高频输入电压u作为 载波信号电压，偏流If正比 于调制信号，则PIN可以实 现幅度调制。,（二）调制-调频,现代高频信号发生器基本上都是采用变容二极管调频电路。图例如下：,二、高频信号发生器组成原理,现代高频信号发生器的输出级电路一般包括宽带放大器、滤波器、自动电平控制（ALC）电路和输出衰减器等部分。 本节重点讨论自动电平控制电路以及衰减器。,（三）输出级,ALC电路的作用： 使信号发生器的输出幅度随频率变化时有平直的输出
15、电平； 改善信号发生器的源阻抗特性，提高反射系数和衰减量值的测量准确度。,1，自动电平控制（ALC）电路,（三）输出级,ALC电路通常由调制器、宽带放大器、射频检波器、ALC环路等组成。QF1076型信号发生器(10520MHz)的ALC电路如下,二、高频信号发生器组成原理,（三）输出级,在一些测试场所，例如过载特性、天线及衰减器的测试，希望信号源有较高的输出电平。在另外一些测试场所，例如接收机灵敏度、放大器、噪声的测试，则要求信号源有较低的输出电平。 因此，现代信号发生器要求应能对从0.1VlV（或2V）范围内的输出电平内进行连续平滑地调节。许多信号源输出级采用了高达13节或14节的步进衰减
16、器，并且还加有一个微调电路，以便在10dB内提供微调。,1，自动电平控制（ALC）电路 2，衰减器,（三）输出级,电阻衰减器的下限工作频率可以延伸到直流，上限可做到1 000MHz，甚至更高。此外，它还具有衰减范围大、幅频特性好，衰减准确度高，驻波电压系数小等优点。是现代信号发生器使用最广泛的衰减器。,2，衰减器,为获得准确而恒定的输人和输出阻抗，信号发生器的电阻步进衰减器总是采用型、T型的四端网络。,（三）输出级,2，衰减器,相同的情况下，T 型衰减器所用的电阻具有较小的阻值，因此T型衰减器具有更好的频率特性。现代信号发生器的10dB步进和1dB步进衰减器主要采用T型电路。,根据四端网络理论，若给出衰减器特性阻抗 R0 和电压衰减系数 N，则“T型衰减器”中的电阻值可按以下公式计算,实际高频信号发生器（100kHz35MHz）衰减器电路,该信号发生器没有设置ALC电路，为了方便输出幅度的测量，设置了电压表V，并在调制和缓冲放大电路设
