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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 噪声发生器 习 题 三,3.1 信号发生器概述,一、信号发生器的用途 在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率、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，以分析确定它们的性能参数，如图31l所示。,这种提供测试用电信号的装置，统称为信号发生器，用在电子测量领域，也称为测试信号发生器。和示波器、电压表、频率计等仪
2、器一样，信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。除了电子技术尤其是电子测量，信号发生器在其他领域也有广泛应用，例如机械部门的超声波探伤，医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。,图3.11 测试信号发生器,二、信号发生器的分类 信号发生器应用广泛，种类型号繁多，性能各异，分类方法也不尽一致，下面介绍几种常见的分类。 l.按频率范围分类 按照输出信号的频率范围，有表3.11所示的划分。,表3.11,2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3.12是其中几种典型波形。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弦信号发生器。非正弦信号发生
3、器又可包括：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.,图3.12 几种典型的信号波形,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。前者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；后者是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。,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
4、发生器、扫频信号发生器和程控信号发生器；按照频率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，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复盖，又具有输出多种波形信号的功能。例如国产EEl631型函数信号发生器，频率复盖范围为0005H240MHz，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、调频波及TTL波等多种波形的信号。,三、信号发生器的基本构成 虽然各类信号发生器产生信号的方法及功能各有不同，
5、但其基本的构成一般都可用图313的框图描述，下面对框图中各个部分作扼要介绍.振荡器：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原理、结构差别很大。,图313信号发生器原理框图,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。还有像调幅、调频等信号，也需在这部分由调制信号对载频加以调制。而像函数发生器，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：指示器用来监视输
6、出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计和调制度表等，有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器。使用时可通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其他特性。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量。 电源：提供信号发生器各部分的工作电源电压。通常是将50Hz交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。,四、信号发生器的发展趋势 由于电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及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，尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。
7、现在，许多信号发生器除带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外，还带有IEEE-488或RS232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。,当前信号发生器总的趋势是向着宽频率复盖高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。我们将在后面各节陆续介绍当前各类有代表性信号发生器的性能指标。,3.2 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。其原因除了正弦信号容易产生，容易描述又是应用最广的载波信号外，还由于任何线性双口网络的特性，都可以用它对正弦信号的
8、响应采表征。显然，由于信号发生器作为测量系统的激励源，被测器件、设备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。不过由于各种仪器的用途不同，精度等级不同，并非每类每台产品都用全部指标进行考核。另外各生产厂家出厂检验标准及技术说明书中的术语也不尽一致。本节仅介绍信号发生器中几项最基本最常用的性能指标。,一、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复盖，在此范围内应满足全部误差要求。例如国产XDl型信号发生器，输，出信号频率范围为1H
9、z1MHz，分六档即六个频段，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迭。又如(美)HP公司HP8660C型频率合成器产生的正弦信号的频率范围为主0kHz2 600MHz，可提供间隔为1Hz总共近26亿个分立频率。,二、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,（3.2-1）,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。频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。用度盘读数的信号发生器频率准确度约为(110)，精密低频信号发生器频率准确度可达0.5o例如调谐式XFC6型标准信
10、号发生器，其频率准确度优于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，输出频率的准确度可达到l0-810-10。,三、频率稳定度 频率稳定度指标要求与频率准确度相关。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1.5min内所发生的最大变化，表示为,（3.2-2）,式中fo为预调频率，fmax、fmin分别为任意15min信号频率的最大
11、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3h内所发生的最大变化，表示为： 预调频率的,（3.2-3）,式中x、y是由厂家确定的性能指标值。,四、由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量 在第一章第14节中曾提到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. (l)温度引起的变动量 环境温度每变化工所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的x.10-6，即,（3.2-4）,式中t为温度变化值，f0为预调值， f1为温度改变后的频率值.,(2) 电源引
12、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： ，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： ，即,（3.2-6）,式中f1为空载时的输出频率，f2为额定负载时的输出频率。,五、非线性失真系数(失真度) 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， 还有其他谐波分量。人们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， 为各
13、次谐波有效值。由于 等较U1小得多，为了测量上的方便，也用下面公式定义y：,（3.2-8）,六、输出阻抗 作为信号源，输出阻抗的概念在“电路”或“电子电路”课程中都有说明。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600Q(或1 k )，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5k等档。高频信号发生器一般仅有50或75档。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。,七、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
14、度可用电压(V，mV， V)或分贝表示。例如XD-1低频信号发生器的最大电压输出为lHz1MHz，5V，最大功率输出为10Hz700kHz(50 、75 、150 、600 )，4W。,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xFC6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
15、行外调频，或同时进行外调幅与外调频等功能。而像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。,3.3 低频信号发生器,一、低频信号发生器 1低频信号发生器主要性能指标 通用低频信号发生器的主要性能指标：频率范围为lHz1MHz连续可调；频率稳定度(0.10.4)h；频率准确度(12)；输出电压010v连续可调； 输出功率约(0.55)w连续可调；非线性失真(0.1 1)；输出阻抗可为50 、 75 、150 、 600 及5k 。,2低频信号发生器组成框图 通用低频信号发生器的组成框图如图33-1所示。图(a)仅包括电压输出，负载能力 弱。图(b)除包括
16、电压输出外，另有功率输出能力o 3. 通用RC振荡器 低频信号发生器中产生振荡信号(图33-1中主振器)的方法有多种，在通用信号发生器(如XD-1 、 XD-2、XD-7)中，主振器通常使用RC振荡器，而其中应用最多的当属 文氏桥振荡器。,图3.31 低频信号发生器框图,图3.31 低频信号发生器框图,图3.32 RC文氏桥网络,图3.32 RC文氏桥网络,图33-2给出了文氏桥式网络及其传输函数的幅频相频特性。我们简要分析其工作原理。在图(a)中， 是网络的输入电压， 是输出电压，Z1为R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗，则网络的传输函数,（3.3-1）,式中,（3.3-2）,由式(3。31)得到传输函数的幅频特性 和相频 特性 分别为,（3.3-3）,（3.3-4）,和
