《电子测量仪器》第2章：信号发生器教学幻灯片

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1、第2章 测量用信号发生器,2.1 概述,2.1.1 信号发生器的用途,2.1.2 信号发生器的分类,2.1.3 信号发生器的主要技术指标,2.2 低频信号发生器,2.2.1 低频信号发生器的组成,2.2.2 低频信号发生器的主要性能指标,2.2.3 低频信号发生器的使用,第2章 测量用信号发生器,2.3 高频信号发生器,2.3.1 高频信号发生器的组成,2.3.2 高频信号发生器的使用,2.4 合成信号发生器,2.4.1 合成信号发生器的基本原理,2.4.2 合成信号发生器的主要技术指标,2.5 函数信号发生器,2.5.1 函数信号发生器的工作原理,2.5.2 函数信号发生器的使用,本章重点

2、熟悉函数信号发生器的组成和原理 掌握信号发生器的性能指标 熟练掌握信号发生器的正确使用 本章难点 各种信号发生器的原理分析 合成信号发生器中倍频式锁相环、混频式锁相环、分频式锁相环电路的区别与理解,第2章 测量用信号发生器,第2章 测量用信号发生器,2.1.1 信号发生器的用途 信号发生器有如下3方面的用途。 1.激励源 激励源作为某些电气设备的激励信号。例如，激励扬声器发出声音。 2.信号仿真 信号仿真是当要研究一个电气设备在某种实际环境下所受影响时，需要施加具有与实际环境相同特性的信号。例如，研究高频干扰信号，就需要对干扰信号进行仿真。 3.校准源 校准源用于对一般信号源进行校准（或比对）

3、，有时称为标准源。,第2章 测量用信号发生器,2.1.2 信号发生器的分类 信号发生器用途广泛，种类繁多，按用途可分为通用和专用两大类。专用信号源仅适用于某些特殊测量要求或者是为专用目的而设计制造的。本章只讨论通用信号发生器。通用信号发生器可以从不同的角度进行如下分类。 1.按输出波形分类 按输出信号波形的不同，主要有正弦信号发生器和非正弦波信号发生器。非正弦波信号发生器又包括函数（波形）信号发生器、脉冲信号发生器和噪声信号发生器等。 实际应用中，正弦信号发生器应用最广泛。函数信号发生器也比较常用，因为它不仅可以输出多种波形，而且信号频率范围也较宽且可调。脉冲信号发生器主要用来测量脉冲数字电路

4、的工作性能。,第2章 测量用信号发生器,2.按频率范围分类,按照输出信号的频率范围，信号发生器可按表2.1进行分类，表中类型的划分以及频率的范围不是绝对的。,第2章 测量用信号发生器,3.按调制类型分类 按调制方式不同，主要有调幅(AM)、调频(FM)、调相及脉冲调制(PM)信号发生器。 4.按信号产生的方法分类 有谐振法和合成法等信号发生器。,第2章 测量用信号发生器,2.1.3 信号发生器的主要技术指标 信号发生器的技术指标较多，针对信号发生器的用途不同，其技术指标也不相同。通常用以下几项技术指标来描述正弦信号发生器的主要技术指标。 1.频率特性 常用以下4项技术指标来描述信号发生器的频率

5、特性。 （1）有效频率范围：各项指标均能得到保证的输出频率范围。,（2）频率准确度：是指输出信号频率的实际值f与其标称值f0的相对偏差。其表达式为,（3）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预设值变化的大小。它表征信号发生器维持工作于恒定频率的能力。根据国家标准频率的稳定度分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。长期稳定度是指长时间内频率的变化，如变化时间为3小时、12小时。短期稳定度是指信号发生器经规定的预热时间后，频率在规定的时间间隔内的最大变化。短期稳定度的表达式为 式中，fmax和fmin分别为任意15分钟间隔内的最大值和最小值。,第2章 测量

6、用信号发生器,第2章 测量用信号发生器,（4）非线性失真和频谱纯度：实际中，信号发生器不易产生理想的正弦波。通常，用非线性失真来表征低频信号发生器输出波形的好坏，约为0.1%1%；用频谱纯度表征高频信号发生器输出波形的质量。频谱不纯的主要来源为高次谐波和非谐波。,第2章 测量用信号发生器,2.输出特性 （1）输出电平调节范围：低频和高频信号发生器的输出电平通常用电压电平表示，微波信号发生器则用功率电平表示。电平表示的方法可用电压，也可用分贝表示。一般输出电平并不高，但调节范围较宽，可达107。例如，HP8640B输出电平范围为+19dB-145dB。 （2）输出电平准确度：一般在3%10%的范

7、围内。 （3）输出电平稳定度和平坦度：输出电平稳定度是指输出电平随时间变化的情况，而平坦度是指调节频率时输出电平幅度的变化情况。例如HP8640B的平坦度为0.5dB。 （4）输出阻抗：低频信号发生器的输出阻抗有50、600、5000三种，而高频信号发生器则为50或75两种。使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。,第2章 测量用信号发生器,3.调制特性 （1）调制类型：通常包含如下几种类型。 调幅(AM)适用于整个射频频段，但主要用于高频段。 调频(FM)主要用于甚高频或超高频段。 脉冲调制(PM)主要用于微波波段。 视频调制(VM)主要用于电视使用的频段，即30MHz1000MHz。

8、（2）调制频率及其范围:调制频率可以是固定的或连续可调的，可以是内调制也可以是外调制（由外部向仪器提供调制信号）。调幅的调制频率通常为400Hz、1000Hz；而调频的调制频率在10Hz110kHz范围内。,第2章 测量用信号发生器,（3）调制系数的有效范围：调幅系数的范围为080%;调频的频偏通常不小于75kHz。 （4）调制系数的准确度：一般优于10%。 （5）调制线性度：一般在1%5%的范围内。 （6）寄生调制：寄生调制是指不加调制时，信号载波的残余调幅、残余调频；或调幅时有感生的调频、调频时有感生的调幅。通常寄生调制应低于40dB。 以上各项技术指标主要是对正弦信号发生器而言的，至于函

9、数发生器、合成信号发生器、任意波形发生器等还有其他相应的技术指标，以后再予叙述。,第2章 测量用信号发生器,2.2 低频信号发生器 由于被测对象的性质不同就需要不同频段的信号发生器。几乎所有的电子实验、测量和维修都需要低频信号发生器。低频信号发生器用来产生频率范围为1Hz1MHz的低频正弦信号、方波信号、三角波信号和其他波形信号。低频信号发生器以其多功能、宽量程的特点广泛应用于模拟电路的设计、测试和维修中。,第2章 测量用信号发生器,2.2.1 低频信号发生器的组成 低频信号发生器由主振器、电压放大器、输出衰减器和电压表组成，如图2.1所示。,第2章 测量用信号发生器,1.主振器 主振器是低频

10、信号发生器的核心，它产生频率可调的正弦信号，它决定了信号发生器的有效频率范围和频率稳定度。低频信号发生器中产生振荡信号的方法很多，但现代低频信号发生器中主振器广泛采用RC文氏电桥振荡器，文氏电桥振荡器由两级RC网络和放大器组成。,图中R1、C1、R2、C2组成R选频网络，它跨接于放大器的输入端和输出端之间，形成正反馈，产生正弦振荡，振荡频率由选频网络中的元件参数决定。为两级放大器。Rf、Rs组成负反馈臂，起到稳定输出信号幅度和减小失真的作用。该电路的振荡频率f0为 由式(2-3)可见，调节R(R1和R2)的大小可以改变输出信号的频率，调节C（C1和C2）也可以改变频率。通常R用于细调频率，C用

11、 于粗调频率范围。输出信号的幅度由输出衰减器控制。,第2章 测量用信号发生器,2.电压放大器 电压放大器兼有隔离和电压放大的作用。隔离是为了不使后级电路影响主振器的工作；放大是把振动器产生的微弱振荡信号进行放大，使信号发生器的输出电压达到预定的技术指标，要求其具有输入阻抗高、输出阻抗低（有一定的带负载能力）、频率范围宽、非线性失真小等性能。一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。,第2章 测量用信号发生器,3.输出衰减器 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，也称细调；步进调节由电阻分压器实现，并以分贝值为刻度，也称粗调。 4.指示电

12、压表 输出电压表用来指示输出电压或输出功率的幅度，或对外部信号电压进行测量，可以是指针式电压表、数码LED或LCD电压表。,第2章 测量用信号发生器,2.2.2 低频信号发生器的主要性能指标 低频信号发生器的主要工作特性包括以下几项。 （1）频率范围：一般为20Hz1MHz，且连续可调。 （2）频率准确度：1%3%。 （3）频率稳定度：一般0.4%/小时。 （4）输出电压：010V连续可调。 （5）输出功率：0.5W5W连续可调。 （6）输出阻抗：50、75、150、600、5k等几种。 （7）非线性失真范围：0.1%1%。 （8）输出形式：平衡输出与不平衡输出。,第2章 测量用信号发生器,2

13、.3 高频信号发生器 高频信号发生器也称为射频信号发生器，信号的频率范围在300kHz300MHz之间，广泛应用在高频电路测试中。为了测试通信设备，这种仪器具有一种或一种以上的组合调制（包括正弦调幅、正弦调频以及脉冲调制）功能。其输出信号的频率、电平、调制度可在一定范围内调节并能准确读数。 2.3.1 高频信号发生器的组成 高频信号发生器的组成如图2.3所示。主要包括主振级、缓冲级、调制级、内调制振荡器、输出级、监测器等部分。,第2章 测量用信号发生器,1.主振级 主振级是信号发生器的核心，用于产生高频振荡信号并可实现调频功能。它一般采用可调频率范围宽、频率准确度高、稳定度好的LC振荡器。调频

14、是用调制信号控制高频振荡器回路中的某个电抗元件，使振荡频率随调制信号的幅值变化。主振级电路结构简单，输出功率不大，一般在几毫瓦到几十毫瓦的范围内。 2.缓冲级 缓冲级主要起隔离放大的作用，用来隔离调制级对主振级产生的不良影响，保证主振级工作稳定并将主振信号放大到一定的电平。,第2章 测量用信号发生器,3.调制级 调制级实现调制信号对载波的调制，它包括调频、调幅和脉冲调制等调制方式。调频主要用于30MHz1000MHz的信号发生器中，调幅多用于300kHz30MHz的高频信号发生器中，脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号发生器中。信号发生器的调制方式通过面板上的选择开关来进行选择。调制信号可

15、来自内调制振荡器，也可来自外部。 4.内调制振荡器 内调制振荡器用于产生调制信号，供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。 5.输出级 高频信号发生器的输出级通常要满足下列3方面的要求。 （1）足够的输出功率，因此，输出级应该包含功率放大级。,第2章 测量用信号发生器,（2）输出信号的幅度大小可以任意调节，因此，输出级必须具备输出微调和步进衰减电路；常采用电位器和电压分压器进行调节。 （3）必须工作在负载匹配的条件下，如果不是这样，不仅要引起衰减系数误差，而且还可能影响前级电路的正常工作，减少信号发生器的输出功率，在输出电缆中出现驻波。因此，必须在信号发生器输出端与负载之间加入阻抗变换器，进行阻

16、抗匹配。 6.监测器 监测器一般由调制计和电子电压表组成，用于监测输出信号的载波幅度和调制系数。 7.电源 用来供给各部分所需的电压和电流。,第2章 测量用信号发生器,2.3.2 高频信号发生器的使用 下面以AS1051S型高频信号发生器为例，介绍其主要性能和使用方法。 1.主要用途 高频信号发生器是无线电调试和修理的重要仪器，特别是在收音机的生产调试中，它得到了广泛的应用，AS1051S型高频信号发生器采用高可靠集成电路组成高质量的音频信号发生器、调频立体声信号发生器和稳定电源。高频信号发生器采用稳幅的调频、调幅电路，性能稳定，波形好，是一种高可靠多用途的信号发生器。,第2章 测量用信号发生器,2.主要技术特性 (1)调频立体声信号发生器 工作频率：88MHz108MHz1%。 导频频率：19kHz1Hz。 1kHz内调制方式：左（L）、右（R）和左+右（L+R）。 外调输入：