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1、,第三章 信号发生器,3.1 信号发生器概述 3.2 正弦发生器性能指标 3.3 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,3.1 信号发生器概述,一.信号发生器的用途 信号发生器是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的装置。 信号发生器的用途主要有以下三方面： 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）。,表3.1 信号源按频率划分表,2. 按输出波形,大致可分为： 正弦波形发生器； 脉冲信号发生器； 函
2、数信号发生器； 噪声信号发生器。,3. 按照信号发生器的性能指标 可分为：P62 一般信号发生器：指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类发生器 标准信号发生器：指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。,三.信号发生器的组成,信号输出,调制器,振荡器,变换器,输出级,电 源,指示器,3.1-3 信号发生器结构框图,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。变换器用来完成对主振信号进行放大、整形及调制等工作。输出级的基本任务是调节信号的输出电平和变换输出阻抗。指示器用以监测输出信
3、号的电平、频率及调制度。电源为仪器各部分提供所需的工作电压。,四、信号发生器的发展趋势,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复盖、高精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。,3.2 正弦发生器的性能指标,频率特性 （1）频率范围是指各项指标都能得到保证的输出频率范围，是“有效频率范围”的简称。 （2）频率准确度是指频率的实际值fx对其标称值f0的相对偏差， （3）频率稳定
4、度是指在一定的时间间隔内，在其它环境条件不变时，频率源维持其工作于恒定频率的能力。,可分为长期稳定度和短期稳定度。,短期稳定度定义为信号发生器经规定的预热时间后，频率在规定时间间隔内(15分钟)的最大变化，表示为 式中，fmax，fmin分别是频率在任何一个规定时间间隔内的最大值和最小值。,四、由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量 P65,1.温度引起的频率变动量； 2.电源引起的频率变动量； 3.负载变化引起的频率变动量。,五、非线性失真系数（失真度）,电压、电流中的非线性失真度是用基波成分除外的总谐波有效值与基波有效值之比化为百分数来表示。,由于U2、U3、-、Un较U1小的多，为测量
5、方便，也用下式,正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正弦波，但由于信号发生器内部 放大器等元器件的非线性，会使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率外， 还有其它谐波分量。通常用信号失真度来评价低频信号发生器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：,补充1：输入阻抗,输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。 输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样，它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的
6、负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响；而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。因此，我们可以这样认为：如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好；如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好（注：只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题。另外如果要获取最大输出功率时，也要考虑阻抗匹配问题）,补充2：输出阻抗,无论信号源或放大器还有电源，都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来，对于一个理想的电压源（包括电源），内阻应该为0，或理想电流源的阻抗应当为无穷大。 但现实中的电压源，则不能做到这一点。我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等
7、效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r，就是（信号源/放大器输出/电源）的内阻了。当这个电压源给负载供电时，就会有电流I从这个负载上流过，并在这个电阻上产生Ir的电压降。这将导致电源输出电压的下降，从而限制了最大输出功率。同样的，一个理想的电流源，输出阻抗应该是无穷大，但实际的电路是不可能的。一般来说，电压源的输出阻抗越小越好，而电流源的输出阻抗越大越好（注：只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题。另外，要求限流或限压保护的信号源除外）。,补充3：阻抗匹配,阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样
8、的。 在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。 当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与激励源内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。 为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题，举两个例子：假设你在练习拳击打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包，你打上去会感觉很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手脚，例如，里面换成了铁沙，你还是用以前的力打上去，你的手可能就会受不了了这就是负载过重的情况，会产生很大的反弹力。相反，如果我把里面换成了很轻很轻的东西，
9、你一出拳，则可能会扑空，手也可能会受不了这就是负载过轻的情况。另一个例子，不知道大家有没有过这样的经历：就是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以为还有楼梯时，就会出现“负载不匹配”这样的感觉了。当然，这样的例子也许不太恰当，但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。,六、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。,七. 输出电平,输出电
10、平指的是输出信号幅度的有效范围，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。,八.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,低频信号发生器主要用来产生频率范围为1Hz1MHz的正弦波信号。实际上，许多低频信号发生器除了产生正弦波外，也产生脉冲波信号。低频信号发生器可用来测量收音机、组合音响设备、电子仪器、无线电接收机等电子设备的低频放大器的频率特性。,3.3 低频信号发生器,低频信号发生器方框图,主振级基本组成形式
11、,1.主振级 主振级用来产生低频正弦信号，其振荡频率范围即为信号发生器的有效频率范围。常见的电路形式有差频式和RC振荡两类。 差频式振荡器,由两个高频振荡器分别产生一个频率固定的振荡信号f1和另一个频率可变的振荡信号f2 ，同时进入混频器，产生低频差频信号，再经过低通滤波器去掉高频成分；最后，通过低频放大器的放大，即可得到具有一定幅度的低频信号电压。 用这种方产生的低频正弦信号，其频率覆盖面是比较宽的。缺点是频率稳定性差，特别是f1与f2接近时，极易产生干扰，这样也就很难获得较低的差频输出。,主振级基本组成形式(文氏电桥),（2）RC振荡器 为了克服以上差频式振荡器的缺点，现代低频信号发生器普
12、遍应用RC振荡器。 RC振荡器又可分为RC移相振荡器、RC双T振荡器、RC文氏电桥振荡器三种。 用得最多的是RC文氏电桥振荡器，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。 RC文氏电桥振荡器实际上是一种电压反馈式振荡器，它由两级负反馈放大器A及一个具有选频作用的正反馈支路组成。P68 图,为了便于频率调节，常选R1=R2=R，C1=C2=C，则前面的式子可写成,此时，选频网络的传输系数最大，相移为零。 要求放大器提供360相移才能完成正反馈以满足振荡的相位平衡，即要有两级放大器才行。,主振级基本组成形式(文氏电桥),可见振荡器要输出等幅振荡正弦波，必须 满足两个条件 振幅平衡
13、条件 相位平衡条件 故A3， R11、 R t构成的负反馈支路，利用负温度系数R t的非线性来完成稳幅作用，避免晶体管工作到非线性区，减少输出波形失真。,整个电路频率的调节是通过改变桥路电阻值和电容值进行的。 用波段开关改变R1、R2进行频率粗调， 用同轴双联可变电容器改变C1、C2进行频率细调。,缓冲放大器作用,2 缓冲放大器 缓冲放大器兼有缓冲和电压放大的作用。,隔离后级电路对主振电路的影响，保证主振频率稳定，一般采用射（源）极跟随器或运放组成的电压跟随器。,电压放大的目的：使主振级的输出电压达到预定技术指标，要求频带宽、谐波失真小、工作稳定等。,衰减器组成与作用,3 衰减器 输出衰减器用
14、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。 图2-5所示电路是XD22A型低频信号发生器中采用的输出衰减器。,衰减器组成与作用,调节电位器在不同位置，实现连续调节,调节波段开关S处不同档位，均可使衰减器输出不同的电压，实现步进调节,衰减器组成与作用,信号发生器对步进衰减量的表示通常有两种。 (1)直接用步进衰减器的输出电压U0与输入电压UI的比值来表示，即 U0/UI。 (2)将上述的比值取对数再乘以20，即20lg (U0 /UI ), 单位为分贝（dB）。 例如，当U0UI = 0.1时，表示为0.1,对数表示则为()dB.,功率放大器的作用,4功率放大器 功率放大器对
15、衰减器送来的电压信号进行功率放大，使之达到额定的功率输出。要求功率放大器的工作效率高，谐波失真小。,阻抗变换器的作用,5阻抗变换器 阻抗变换器用于匹配不同阻抗的负载，以便获得最大输出功率。 使输出信号失真小，获得最佳负载输出。,指示电压表的读数,6指示电压表 指示电压表用于指示电压放大器的输出电压幅度。 正弦波信号的输出电压，可通过“输出衰减”和“输出细调”旋钮，根据实际需要进行调节。,指示电压表的读数,衰减分贝数(dB)与衰减倍数的关系，见表2-1。 实际输出电压应是电压表指示的电压值被衰减的分贝数相对应的倍数来除所得到的结果。,指示电压表的读数,例2-1 将XD22A型低频信号发生器的“输
16、出衰减”旋钮置于50dB时，指示电压表的读数为6V，这时的实际输出电压是多少？ 解 查上表，可知50dB所对应的倍数为316，故实际输出电压为 U = 6 / 316 = 18.99mV,函数信号发生器P75,函数信号发生器是一种产生正弦波、方波、三角波等函数波形的仪器，其频率范围约几毫赫至几十兆赫。现代函数信号发生器一般具有调频、调幅等调制功能和压控频率（VCF）特性，被广泛应用于生产测试、仪器维修等工作中。,3.3.1 工作原理及结构 函数信号发生器产生信号的方法有三种：一种是由施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波形；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变换为方波和正弦波。在此主要介绍第一种方法，即脉冲式函数信号发生器。 1. 脉冲式函数信号发生器 脉冲式函数信号发生器的组成如图2.17(a)所示。它包括双稳态触发器、积分器和正弦波变换电路等部分，双稳态触发器通常采用施密特触发器，积分器则采用密勒积
