《信号发生器苍松书苑》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号发生器苍松书苑（99页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电子测量技术第二章信号发生器第二章信号发生器学习低频、超低频、函数、高频、脉冲等信发生器的基本组成和工作原理。低频信号发生器，函数信号发生器，锁相高频信号发生器。低频数字合成信号发生器和锁相高频信号发生器的工作原理。Page 2第二章 信号发生器2.1概述2.1概述信号发生器是一种信号源，它能够产生不同频率、不同波形、不同幅度的电压信号，为测试各种电子器件、电子部件和整机设备的性能参数提供所需要的电信号。2. 1. 1 信号发生器的用途和分类有始有终，信号源就是始一般测试携带的仪器最简单就是设置频率，幅度，再就是调制等还有专用的，如调频信号发生器Page 42.1概述1.按频率范围分类超低频信
2、号发生器，30kHz以下，应用于电声学、声纳；低频信号发生器，30300kHz，应用于电报通信；视频信号发生器，300kHz6MHz，用于无线电广播；高频信号发生器，630MHz，用于广播、电报；甚高频信号发生器，30300MHz，用于电视、调频广播、导航；超高频信号发生器，3003000MHz，用于雷达、导航、气象。2. 1. 1 信号发生器的用途和分类Page 52.1概述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。2. 1. 1 信号发生器的用途和分类大致的分类，现在的仪器频率范围广，功能齐全。
3、Page 62.1概述虽然各类信号发生器产生信号的方法及功能各有不同，但其基本的构成一般都可用图2-2的方框图描述。从图中可以看出，信号发生器主要由以下五部分组成：（1）振荡器；（2）变换器；（3）输出级；（4）指示器；（5）电源。2. 1. 2 信号发生器的基本构成Page 72.1概述（1）电源电源为信号发生器各部分电路提供工作电压，通常是将220V、50Hz交流市电通过整流滤波、降压和稳压获得。2. 1. 2 信号发生器的基本构成（2）振荡器它是信号发生器的核心部分，它用于产生不同频率、不同波形的电信号。但产生不同频段、不同波形信号的振荡器原理、电路结构差别很大。Page 82.1概述（
4、3）变换器它可以是电压放大器、功率放大器、调制器或整形电路。在一般情况下，振荡器输出的信号都比较微弱，需要在这部分中加以放大。此外，在高频信号发生器中，调幅、调频等信号也需在这部分由调制信号对载频进行调制。在函数信号发生器中，振荡器输出的是三角波，需要在这里由整形电路将三角波变换成方波或正弦波。2. 1. 2 信号发生器的基本构成（4）输出级其基本功能是调节输出信号的电压幅度、输出功率以及电路的输出阻抗，可以是衰减器、匹配变压器和射极跟随器等电路。Page 92.1概述2. 1. 2 信号发生器的基本构成（5）指示器用来监视输出信号，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
5、生器还附带有简易示波器。使用时，可以通过指示器来显示输出信号的频率、幅度及其他特性。在通常情况下，频率指示比较准确，但由于电压幅度指示仪表本身准确度不高，其值仅供参考，需要用其它更准确的测量仪器来测量。Page 102.1概述通常用频率特性、输出特性和调制特性（俗称三大特性）来评价正弦信号发生器的性能，其中包括30余项具体指标。本节仅介绍正弦信号发生器的几项最基本、最常用的性能指标。1.频率特性（1）频率范围：频率范围是指信号发生器所产生的信号频率范围，在该范围内要求输出电信号频率可连续调节，又可由若干个频段覆盖，且在此范围内应满足全部误差要求。2. 1. 3 正弦信号发生器的性能指标Page
6、 112.1概述（2）频率准确度：频率准确度是指信号发生器刻度盘指示（或数字显示）的频率与实际输出的频率之间的偏差，通常用相对偏差表示，即:2. 1. 3 正弦信号发生器的性能指标式中f0为刻度盘或数字显示的频率数值，也称为预调值，f1是输出正弦信号频率的实际值。 大写德尔塔决定信号源准确度和稳定度最直接的器件就是振荡器。比如：高稳晶振。Page 122.1概述（3）频率稳定度：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15min内所发生的最大相对变化，用表示，2. 1. 3 正弦信号发生器的性能指标式中f0 为预调频率，
7、fmax、fmin 分别为任意15min内信号频率的最大值和最小值。频率长期稳定度也可以用上式来定义，只是测量时间比较长。 小写德尔塔Page 132.1概述2.输出特性（1）非线性失真系数（失真度）：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来表示，也称为失真度，它定义为2. 1. 3 正弦信号发生器的性能指标一般低频正弦信号发生器的失真度为0.1%1%，高档正弦信号发生器的失真度可低于0.005%。伽马肉眼观察不失真Page 142.1概述（2）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
8、50、75、150、600和5K等几档。高频信号发生器一般仅有50或75两档。2. 1. 3 正弦信号发生器的性能指标如果不匹配需要接阻抗匹配器（3）输出电平：输出电平指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例如，XD-1型低频信号发生器的最大输出电压大于5V，最大输出功率大于4W。Page 152.1概述（4）衰减特性 衰减特性主要是指衰减范围和衰减误差。 信号发生器的输出级一般都包括衰减器，其目的是获得从微伏级（V）到毫优级（mV）的小信号电压。例如，XD-1型信号发生器的最大信号电压为5V，通过080dB的步进衰减，可获得输出500V 的小信号
9、电压，电压输出的衰减801.5dB（1Hz1MHz）。2. 1. 3 正弦信号发生器的性能指标Page 162.1概述（5）幅度稳定度：幅度稳定度是指信号发生器经规定时间预热后，在规定时间间隔内输出信号幅度对标准幅度值的相对变化量。2. 1. 3 正弦信号发生器的性能指标（6）输出平坦度：平坦度是指温度、电源、频率等因素引起的输出幅度变动量，现代信号发生器一般可使输出平坦度保持在10%以内。3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几种被调制信号，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。Page 17第二章 信号发生器2.2低频和超低频信号发生器2.
10、2低频和超低频信号发生器“低频”是从“音频”（20Hz20kHz）的含义演化而来的，由于其他电路测试的需要，频率向下、向上分别延伸于超低频和高频段。现在一般“低频信号发生器”是指1Hz1MHz频段，输出波形以正弦波为主，或兼有方波及其他波形。下面按主振荡电路的原理来介绍几种低频信号发生器的基本组成和工作原理。2.2 低频和超低频信号发生器Page 192.2低频和超低频信号发生器图2-3文氏RC 低频信号发生器的组成方框图。它主要包括文氏RC振荡器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器、频率指示、电压指示、电源等。振荡器由文氏RC串并联电路和放大器组成，要求其输出频率和幅度稳定，且频
11、率连续可调。2. 2. 1 文氏低频信号发生器Page 202.2低频和超低频信号发生器图2-4（a）是文氏RC串并联选频电路2. 2. 1 文氏低频信号发生器Max Wien (1866 1938)马克斯维恩 德国物理学家Page 212.2低频和超低频信号发生器设Z1为其中的R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗，选频电络的输出电压Uo 与输入电压Ui 之比（或传递函数）K 为:2. 2. 1 文氏低频信号发生器上式中的阻抗Z1和Z2可分别表示为:Page 222.2低频和超低频信号发生器将它们代入上式，经整理后得：2. 2. 1 文氏低频信号发生器将上式分子、分母同除以jRC，上式变为：令
12、则有这时K有最大值Page 232.2低频和超低频信号发生器图2-5是利用文氏选频电路构成的RC 振荡器，它由文氏RC 串并联选频电路、放大器A和反馈电阻Rt 、Rf 组成，其振荡频率由公式决定。放大器输出端的信号分三路输出：一路送RC 选频电络传输到放大器的同相端，形成正反馈，从而满足振荡的相位条件；2. 2. 1 文氏低频信号发生器Page 242.2低频和超低频信号发生器另一路输出信号送反馈电阻Rt 、Rf，此时反馈系数F =1/3，只要后接的放大器的电压放大倍数AV=3，就能满足振荡器的起振幅值条件，使振荡器维持频率由公式决定的等幅正弦振荡；第三路输出信号送后接的电压放大器放大。2.
13、2. 1 文氏低频信号发生器反馈系数就是将输出的多少反馈到输入了。也就是反馈电阻之间的比值。K=1/3Page 252.2低频和超低频信号发生器2. 2. 1 文氏低频信号发生器 为使振幅稳定并减小波形失真，文氏桥振荡电路采用负温度系数热敏电阴Rt 和电阻Rf 构成电压负反馈电路。 热敏电阻Rt的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减小。当由于某种原因引起输出电压增大时，由于该电压直接加在Rt、Rf 串联电路上，流过Rt的电流也随之增加，导致热敏电阻Rt 的阻值降低，放大器放大倍数降低，使输出电压减小，反之亦然。 从而使振荡电路的输出信号幅度稳定在某一电平上。在振荡器起振阶段，由于Rt温度较低
14、，阻值较大，放大器总电压放大倍数大于3，振荡器容易起振。Rt /Rf AV=Page 262.2低频和超低频信号发生器2. 2. 1 文氏低频信号发生器 改变文氏串并联选频电路电阻R 和电容C 的数值可调节振荡频率。一般通过改变电阻R来进行粗调，而用改变电容C进行频率细调。 为了避免放大器对RC选频电路的影响，在实际振荡器电路中放大器输入级常采用场效应管，以提高输入电阻Ri，输出时加接射极跟随器，以降低输出电阻R0 。如果仅提供电压输出，那么RC振荡器后接电压放大器即可。 如果要求功率输出，则还应接功率放大器和阻抗变换器，如框图所示。Page 272.2低频和超低频信号发生器差频式低频信号发生
15、器原理方框如图2-6所示。框图中可变频率振荡器和固定频率振荡器分别产生可变频率的高频振荡f1和固定频率的高频振荡f0，经过混频器M产生两者的差频信号，f =f1f0，经后接的低通滤波器滤除混频器输出信号中的高频分量。2. 2. 2 差频式低频信号发生器当可变频率振荡器的频率从fmax 变成fmin 时，经低通滤波器后就得到Fmax Fmin 的低频信号，就得到了所需要的低频信号。Page 282.2低频和超低频信号发生器差频信号源的缺点：是电路较为复杂，由于存在混频，频率准确度和稳定度比较差，波形失真较大。2. 2. 2 差频式低频信号发生器差频信号源的优点：是容易做到在整个低频段内频率可连续
16、调节而不用更换波段，输出电平也较均匀，所以常用在扫频振荡器中。Page 29Page 302.2低频和超低频信号发生器超低频信号发生器实际上仍然属于低频信号发生器，只是它的输出信号频率低端比一般低频信号发生器更低一些，通常将1Hz以下频率的信号源称为超低频信号发生器。目前超低频信号发生器的频率低端已可低于10-8 Hz。2. 2. 3 运放超低频信号发生器这类信号发生器主要用于自动控制系统的测试。约3.17年也有本科的毕业论文是设计这种电路，指标在1Hz。Page 312.2低频和超低频信号发生器图2-7是集成运放构成的积分电路，R为输入电阻，C为积分电容，Ui是输入信号电压，Uo是输出电压。
17、根据运算放大器的工作原理可知，Uo与Ui之间有以下关系，2. 2. 3 运放超低频信号发生器上式表明，一级积分器产生了/2的相移，电压放大倍数为1/RC 。例如: UA741,整体上是三极管结构的运算放大器-Zc/ZRPage 322.2低频和超低频信号发生器图2-8是三级运放A1、A2、A3构成的超低频振荡电路，其中A3是反相器，其输出电压即为A1的输入电压。因为A1、A2两级移相为，A3移相为，因而振荡电路满足振荡的相位条件。2. 2. 3 运放超低频信号发生器Page 332.2低频和超低频信号发生器设A1的输入电压为Ui，输出电压为Uo1，根据公式和上图2-8可得：2. 2. 3 运放
18、超低频信号发生器式中Uo1是A1的输出电压，也是第二级A2的输入电压，因而A2的输出电压Uo2为 A2的输出电压Uo2经A3反相后，得到A3的输出电压Uo3，Page 342.2低频和超低频信号发生器由上式可得到A1、A2、A3的总电压放大倍数AV为2. 2. 3 运放超低频信号发生器为了满足振荡的幅度条件，上式中的总电压放大倍数AV应等于1，即：这时的频率即为振荡器的输出频率，令=0，由上式可得 这时正好同时满足振荡的相位条件和幅幅条件。Page 352.2低频和超低频信号发生器在实际振荡器中，一般取R1 = R2 =R，C1 = C2 =C，并在两级积分器（A1、A2）之前各加一个由同轴电
19、位器RP构成的分压电路，分压比均为 ，如图2-9所示，不难得出这时的振荡频率为：2. 2. 3 运放超低频信号发生器在实际振荡器中，用改变R或C 的办法来改变频段，通过改变电位器Rp分压比进行频率细调。Page 362.2低频和超低频信号发生器2. 2. 4 数字合成低频信号发生器上述的低频信号发生器的突出优点是电路简单，但频率准确度和稳定度较差，非线性失真较大，而且输出信号的幅频特性不太平坦。而数字合成低频信号发生器可以有效地提高上述的性能指标。下面我们讲下一部分，数字合成低频信号发生器。Page 372.2低频和超低频信号发生器2. 2. 4 数字合成低频信号发生器在这种信号发生器中，正弦
20、波由阶梯波合成，如图2-10所示，而阶梯波是由存储在存储器中的数字信息经D/A转换形成的。通过离散信号的连续组合，无限接近模拟信号。Page 382.2低频和超低频信号发生器2. 2. 4 数字合成低频信号发生器这是基于上述方法设计的数字直接合成低频信号发生器的原理框图。它由单片机、顺序地址计数器、ROM（或RAM）、锁存器、D/A转换器、低通滤波器等电路构成。Page 392.2低频和超低频信号发生器2. 2. 4 数字合成低频信号发生器 工作时，单片机根据测量所要求的波形、频率和幅度，按上述方法计算该波形的电压系列数据，并存储在存储器ROM（或 RAM）中。然后控制程序时钟，推动顺序地址计
21、数器工作，产生连续变化的地址，将存储在ROM（或RAM）中的波形数据顺序读出，并送入锁存器。经D/A转换器变成阶梯模拟电压信号，再送低通滤波器滤除小阶梯引起的高频分量。 当地址计数器从“0”开始计数，到一个周期的满度值再回到全“0”时，表示一个完整的波形已完全输出，然后又从“0”开始送数。如此重复进行，便可得到连续变化的输出波形。Page 402.2低频和超低频信号发生器2. 2. 5 低频信号发生器的性能指标通用低频信号发生器的性能指标主要有以下几项：（1）频率范围：1Hz1MHz 连续可调；（2）频率稳定度：（0.10.4）% /h；（3）频率准确度：（12）%；（4）输出电压：010V连
22、续可调；（5）输出功率约：0.55W连续可调；（6）失真度（非线性失真系数）：（0.11）%；（7）输出阻抗：50、75、150、600和5k。Page 41第二章 信号发生器2.3函数信号发生器2.3函数信号发生器函数信号发生器实际上是一种多波形的信号源，它可以输出正弦波、方波、三角波、锯齿波、指数波及半正弦波等信号，以满足不同的测试需要。由于其输出波形均可用数学函数描述，故命名为函数信号发生器。目前，函数信号发生器输出信号的频率低端可达微赫兹数量级，高端可达50MHz，并具有调制和压控振荡功能。它是一种通用信号发生器，可以用于科学研究、生产调试、仪器维修和实验室，应用领域十分广泛。Page
23、 432.3函数信号发生器2. 3. 1 函数信号发生器的三种结构形式1方波-三角波-正弦波方案 先由内触发或外触发脉冲触发施密特电路产生方波信号，输出信号的频率由触发脉冲频率决定。然后经积分器输出线性变化的三角波或锯齿波。调节积分时间常数RC，可以改变积分速度，即改变输出的三角波斜率，从而调节三角波的幅度。最后由正弦波形成电路将三角波转换为正弦波。Page 442.3函数信号发生器2. 3. 1 函数信号发生器的三种结构形式2三角波-方波-正弦波方案 由三角波发生器产生三角波，输出的三角波分成两路，一路送方波形成电路，将三角波转换为方波，另一路送正弦波形成电路产生正弦波，输出信号的频率由三角
24、波频率决定，最后经过缓冲放大器输出所需信号波形。虽然方波可由三角波通过方波变换电路产生，但在实际中，方波和三角波常常是同步产生的，这时方波形成电路是三角波发生器的组成部分。Page 452.3函数信号发生器2. 3. 1 函数信号发生器的三种结构形式3正弦波-方波-三角波方案 由正弦波发生器产生正弦波，然后经微分电路产生尖脉冲，用该脉冲触发单稳态电路产生方波，再由三角波形成电路产生三角波，最后经过缓冲放大器输出所需信号波形。Page 462.3函数信号发生器2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理1方框原理图下图是一种同步产生方波和三角波的函数信号发生器原理框图。Page 472.3函数信号发
25、生器2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理 图中双稳态触发器、比较器1和2、分压电位器Rp 、积分器组成方波和三角波振荡电路。二极管整形网络将三角波变换为正弦波，积分器由运放A、电阻R 和电容C 组成。Page 482.3函数信号发生器2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理图中Um和Um 分别为比较器1和2的正、负基准电压，用于控制三角波的频率和幅度。R1 是电位器Rp 滑动端到上端的电阻，R2 是滑动端到下端的电阻，两者的分压比为=R2/（R1+R2），调节电位器的分压比可控制振荡频率。Page 492.3函数信号发生器2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理2方波和三角波的产生 如图2
26、-15所示，设振荡电路开始工作时，双稳态触发电路的输出端电压为E，经过电位器RP分压，送积分器输入端。Page 502.2低频和超低频信号发生器 这时送入积分器的电压为ui =E，积分器开始正向积分，其输出端D点的电位随时间 t 线性上升，即2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理 当经过时间t1，uD上升到+Um时，比较器1输出触发脉冲，使双稳态触发电路翻转，这时积分器输出端D点的电位uD1为：Page 512.2低频和超低频信号发生器 在双稳态触发电路翻转的同时，其 端的输出电压变为E，经过电位器RP分压，送积分器输入端，积分器开始反向积分，此时输入电压为 ui =E，其输出端D点的电位在
27、uD1的基础上随时间t线性下降。当经过时间t2，uD下降到Um时，比较器2输出触发脉冲，双稳态触发电路再次翻转，这时积分器输出端D点的电位为：2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理Page 522.2低频和超低频信号发生器 双稳态电路第二次翻转后， 端重新输出E。如此周而复始，在Q（或 ）端产生周期性方波，在积分器输出端D产生三角波。 前面已述，t1是三角波斜升的时间，t2是三角波的斜降的时间，从（2-15）式和（2-16）式可以得到t1、t2的表达式，即2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理Page 532.2低频和超低频信号发生器 因为三角波的周期 T = t1+t2 =2t，所以三角
28、波的周期T 和频率 f 可分别表示为：2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理 可见，三角波的频率与电位器Rp的分压比 、双稳态触发电路输出电压 E 成正比，而与时间常数RC、比较器基准电压Um 成反比。Page 542.3函数信号发生器2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理3三角波正弦波转换电路将对称三角波转换为正弦波的原理如图2-17所示，正弦波可看成是由许多斜率不同的直线段组成的，只要直线段足够多，由折线构成的波形就可以相当好地近似正弦波形，斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到（各段相应的分压系数不同）。因此，只要将三角波ui通过一个合适的分压网络，根据ui 的大小自动改变分压网络
29、的分压系数，便可以得到近似的正弦波输出。Page 552.3函数信号发生器2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理合理设计的晶体二极管整形网络可实现这种功能，下面利用图2-18的二极管整形网络来说明其转换的工作过程。Page 562.3函数信号发生器2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理 U1、U2、U3、及U1、U2、U3等，分别是正、负电源E和E通过分压电阻R7、R8、R14分压得到的不同电位，与各二极管串联的电阻R1、R2、R6及R0都比R7、R8、R14大得多，因而它们的接入不会影响U1、U2、U3、及U1、U2、U3的值。开始阶段（t t1），ui U1，二极管D1D6全部截止，输
30、出电压uo等于输入电压ui；在t1 t t2阶段，U1 ui U2，二极管D3导通，此阶段uo等于ui经R0和R3分压输出，uo上升斜率减小；在t2 t t3阶段，U2 ui U3，此时D3、D2都导通，uo等于ui经R0和（R2/R3）分压输出，上升斜率进一步减小；Page 572.3函数信号发生器2. 3. 2 函数信号发生器的工作原理在t3 t U3， D3、D2、D1全部导通，uo等于ui经R0和（R3/R2/ R1）分压输出，上升斜率最小；当到达t = t3后，ui将逐渐减小，二极管D1、D2、D3依次截止，输出电压uo下降的斜率又逐步增大，当到达t7时刻时，即完成正弦波的正半周近似
31、。负半周转换的情况类似，在此就不再赘述。 通常将正弦波一个周期分成22段或26段，用10个或12个二极管组成整形网络，只要电路参数选择得合理、对称，就可以得到非线性失真小于0.5 %的波形良好的正弦波。Page 582.3函数信号发生器2. 3. 3 集成函数信号发生器 ICL80381ICL8038芯片的引脚ICL8038是一种性能优良的集成电路函数信号发生器，图2-19为它的引脚图。Page 592.3函数信号发生器2. 3. 3 集成函数信号发生器 ICL8038该芯片可用单电源供电，即将引脚11接地，引脚6接+Vcc，电压为1030V；也可双电源供电，即将引脚11接VEE，它们的值为5
32、15V。Page 602.3函数信号发生器2. 3. 3 集成函数信号发生器 ICL8038其中引脚8为频率调节电压输入端，电路振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚11与电源+Vcc之差，可作为引脚8的输入电压。引脚2、3、9分别为正弦波、三角波、方波的输出端。Page 612.3函数信号发生器2. 3. 3 集成函数信号发生器 ICL80382ICL8038芯片两种基本接法图2-20是ICL8038芯片最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+Vcc。102102Page 622.3函数信号发生器2. 3. 3 集成函数信号发生器 ICL8
33、038在图（a）所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图（b）所示电路中，通过改变电位器Rp滑动端的位置来调整RA和RB的数值。图（b）中用100k的电位器取代了图（a）中的82k的固定电阻，调节电位器可减小正弦波的失真度。Page 632.3函数信号发生器2. 3. 3 集成函数信号发生器 ICL8038当RA = RB时，各输出端的波形如图2-21（a）所示，矩形波的占空比为50%，即为方波。当RA RB时，矩形波不再是方波，引脚2的输出也不再是正弦波了，图（b）是矩形波占空比为15%时各输出端的波形图。占空比Page 642.3函数信号发生器2. 3. 4 函数信号发生器的性能指标函数
34、信号发生器的性能指标主要包括以下几项。（1）输出波形：输出波形有正弦波、方波、脉冲和三角波等波形，具有TTL同步输出及单次脉冲输出等。（2）频率范围：一般分为若干频段，如110Hz、10100Hz、100Hz1kHz、10100kHz、100kHz1MHz等6个波段。（3）输出电压：一般指输出电压的峰-峰值。（4）波形特性：不同波形有不同的表示法。正弦波的特性用失真度表示，一般要求3%；三角波的特性用非线性系数表示，一般要求2%；方波的特性参数是上升时间和下降时间，一般要求100ns。Page 65Page 66第二章 信号发生器2.4高频信号发生器2.3函数信号发生器本教材介绍的高频信号发生
35、器是指能产生正弦信号，频率范围部分或全部覆盖300kHz1GHz（允许向外延伸），并且具有一种或一种以上调制或组合调制（正弦调幅、正弦调频、断续脉冲调制）的信号发生器，也称为射频信号发生器。 一般高频信号发生器分为调谐信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器三类。Page 682.3函数信号发生器与低频信号发生器相比，高频信号发生器的输出幅度调节范围较大。为了适应对接收机等设备的测试的需要，要求高频信号发生器能调节微弱信号的输出（可小于1V），同时要求该类信号发生器有良好的屏蔽，以免信号的泄漏而影响测量准确性。出于对各类接受设备性能测试的需要，高频信号发生器应有调制功能，以便输出所需的已调高
36、频信号。Page 692.4高频信号发生器2. 4. 1 高频信号发生器的基本组成高频信号发生器方框图如图2-22所示。Page 702.4高频信号发生器2. 4. 1 高频信号发生器的基本组成主包括主振级、缓冲级、调制级、输出级、内调制振荡器、输出电压监测、调制度计等。不同类型高频信号发生器的主要区别在于振荡器，即产生高频正弦波的方法不同。Page 712.4高频信号发生器2. 4. 2 调谐信号发生器由调谐振荡器构成的信号发生器称为调谐信号发生器，常用的调谐振荡器是晶体管LC振荡电路，它实际上是一个正反馈调谐放大器，主要包括LC调谐放大器和反馈网络两部分。根据反馈方式不同，可分为变压器反馈
37、式、电感反馈式（也称电感三点式或哈特莱式）、电容反馈式（也称电容三点式或考毕兹式）三种振荡形式。Page 722.4高频信号发生器2. 4. 2 调谐信号发生器下图出了三种振荡器的电路，并分别注明了各种方式下的振荡频率公式。一般通过改变电感L来改变频段，改变电容C进行频段内频率细调。Page 732.4高频信号发生器2. 4. 2 调谐信号发生器调频一般是在振荡级中直接进行，比如用改变偏压的方法来改变LC振荡器中的电容，以达到调频的目的。振荡器后面是放大器，一般采用LC选频调谐放大器，其作用有三：是放大振荡器输出的高频信号；是在输出级和振荡器之间起隔离作用（因此也称缓冲放大器），提高振荡频率的
38、稳定性；是兼作调幅信号的调幅器。Page 742.4高频信号发生器 XFC-6 标准信号发生器是高频信号发生器的一个典型例子，它主要用于测试、调整及维修相应频率范围内的各种无线电接受设备。其主要技术性能有： （1）频率范围：4300MHz，分八挡；（2）频率稳定度： 2104/10min；（3）输出电压：在输出端接75负载上为0.05V50 mV连续可调；（4）具有内调幅、外调幅、内调频、外调频及外部视频信号调幅等功能。老掉了牙的仪器Page 752.4高频信号发生器2. 4. 3 锁相信号发生器随着通信及电子电气测量水平的发展与提高，需要信号发生器有足够宽的频率覆盖范围以及足够高的频率准确度
39、和稳定度。锁相信号发生器就是为了适应上述需要而发展起来的，它是在高性能的调谐式信号发生器中增加计数器分频，并利用锁相原理将信号源的振荡频率锁定在高稳定度的基准频率上，使锁相信号发生器输出信号的频率稳定度和准确度大大提高，信号频谱纯度等特性也有很大的改善，因而得到了广泛的应用。Page 762.4高频信号发生器2. 4. 3 锁相信号发生器1锁相环的工作原理图2-24是锁相环电路的基本原理框图，它主要由晶体振荡器、基准分频器、压控振荡器（简称VCO）、压控可调分频器、鉴相器（简称PD）、低通滤波器（简称PLF）等构成。其中压控可调分频器由：固定分频器和预置计数器组成。Page 772.4高频信号
40、发生器2. 4. 3 锁相信号发生器压控振荡器输出的信号频率 fv 经压控可调分频器分频后，得到低频的压控频率 fo，送鉴相器一输入端。晶体振荡器输出的高稳定度频率 fc经基准分频器分频后，得到低频基准频率 fb（例如QF1050型锁相信号发生器的 fb 设计为50 Hz），送鉴相器的另一输入端。低频的 fo和 fb在鉴相器中进行相位比较（不是直接用压控振荡器的输出频率 fv 和晶体振荡器的输出频率 fc 进行相位比较）。Page 782.4高频信号发生器2. 4. 3 锁相信号发生器锁相环是一个相位负反馈的自动控制系统，它能自动实现两个电信号的相位同步。假设当锁相环开始工作时，低频压控频率
41、fo不等于基准频率 fb，它们在鉴相器中进行相位比较。 鉴相器输出一个与两者相位差成正比的电压 ud（t），称为误差电压。 经低通滤波器滤去高频成分和噪声后，可得到误差电压的直流分量 Ud，这个电压以负反馈的形式控制压控振荡器中的压控元件数值（如变容二极管的等效电容）。Page 792.4高频信号发生器2. 4. 3 锁相信号发生器如果低频压控频率 fo大于基准频率 fb，则压控元件数值增大，使压控振荡频率 fv下降；反之，如果 fo小于 fb，则压控元件的数值减小，使压控振荡频率 fv上升。 这个负反馈过程自动调整了压控振荡器输出信号的频率，从而使低频压控频率 fo向基准频率 fb靠拢，这个
42、过程也称“频率牵引”。通过这种牵引，使 fo与 fb越来越接近，直至 fo = fb，这时电路处于“锁定”状态，也称为同步状态。Page 802.4高频信号发生器2. 4. 3 锁相信号发生器 低频压控频率 fo的稳定度由基准频率 fb决定。因为低频的 fb和 fo是通过对晶振频率 fc和压控振荡频率 fv分别用计数分频得到的，所以压控振荡的输出频率 fv的稳定度也由晶体振荡频率 fc决定。 应该指出，当电路处于“锁定”状态时，虽然低频的 fo与 fb相等，但压控振荡频率 fv与晶振频率 fc并不相等，因为两者的分频系数不同。以QF1050型标准信号发生器为例，它的晶振频率 fc为16MHz，
43、而送入鉴相器的基准频率 fb 为50 Hz，由此可得其基准分频器的分频系数为Nc =16106/50 =32104；而压控振荡频率 fv 要求在75110MHz范围，按相同的方法计算，压控可调分频器的分频系数 Nv 应在1510522105之间。Page 812.4高频信号发生器 QF1050型标准信号发生器的主要性能指标：（1）有效频率范围：0.330MHz，75110MHz两个频段；（2） 频率精度：0.330MHz为（50106100Hz）， 75100MHz为（501061kHz）；（3）频率稳定度：50109/15min+30Hz；（4） 相对谐波含量与非谐波含量均不大于-30dB；
44、（5） 6 位 LED 显示。Page 822.4高频信号发生器2. 4. 4 合成信号发生器合成信号发生器用频率合成器代替信号发生器中的主振荡器。它既有通用信号发生器良好的输出特性和调制特性，又有频率合成器的高稳定度、高分辨率的优点，同时输出信号的频率、电平、调制深度等均可程控，是一种先进的、高档次的信号发生器。为了保证良好的性能，合成信号发生器的电路一般都相当复杂，但其核心是频率合成器。频率合成器是把一个（或几个）高稳定度频率源经过加、减、乘、除等运算，得到在一定频率范围内按一定的频率间隔（或称频率跳步）的一系列离散频率的信号发生器。频率合成的方法分为直接合成法和间接合成法两类，这里仅介绍
45、直接合成。Page 832.4高频信号发生器2. 4. 4 合成信号发生器图2-26是相干式直接频率合成器的原理图。用一个石英晶体振荡器产生基准频率称为相干式频率合成器。用多个石英晶体振荡器产生基准频率称为非相干式频率合成器。Page 842.4高频信号发生器2. 4. 4 合成信号发生器图中晶振产生1MHz的基准频率信号，并由谐波发生器产生相关的1MHz、2MHz、9MHz等基准频率，然后通过十进制分频器（完成10运算）、混频器和滤波器（完成加法或减法运算），最后产生4.628MHz的输出信号。只要选取不同次谐波进行合适的组合，就能得到所需频率的高稳定度信号，频率间隔可以做到0.1Hz以下。
46、这种方法频率转换速度快，频谱纯度高。但它需要众多的混频器和滤波器，因而显得笨重。目前这种方法多用在实验室、固定通信、电子对抗和自动测试等领域。Page 85第二章 信号发生器2.5脉冲信号发生器2.5脉冲信号发生器2. 5. 1 脉冲信号的参数脉冲具有脉动和冲击的含义，脉冲信号是指在短时间内出现的电压或电流变化。从广义上讲，实际上凡是不按正弦规律变化的电压或电流都可称为脉冲。常见的脉冲信号有矩形、尖峰波、三角波、锯齿形、阶梯形、钟形、数字编码序列等，其中最基本的脉冲信号是矩形波脉冲。对于正弦波，只要用幅度、频率和相位三个参数，就可以全面地描述。但是，对于脉冲波形，则要用更多的参数描述。Page
47、 872.5脉冲信号发生器2. 5. 1 脉冲信号的参数下面以矩形脉冲为例，简略介绍表征脉冲信号的主要参数，如图2-27所示。Page 882.5脉冲信号发生器2. 5. 1 脉冲信号的参数（1）脉冲幅度Um 脉冲波从底部到顶部之间的电压数值，即脉冲电压的最大值与最小值之差，也指脉冲从一种状态变化到另一种状态的跳变值。（2）脉冲上升时间tr 它是指脉冲波从0.1Um上升到0.9Um所经历的时间，也叫做脉冲前沿，上升时间越短，表示脉冲上升得越快。（3）脉冲下降时间tf 它是脉冲波从0.9Um下降到0.1Um所经历的时间，也叫脉冲后沿，下降时间越短，表示脉冲下降得越快。Page 892.5脉冲信号
48、发生器2. 5. 1 脉冲信号的参数（4）脉冲宽度tu 它是指脉冲出现后所持续的时间。由于脉冲电压或电流上升和下降需要一定的时间，脉冲顶部与底部宽度往往不一样，脉冲宽度比较难于严格定义，一般是指脉冲前、后沿分别等于0.5Um时相应的时间间隔，如图中的tu所示。（5）平顶降落U 表征脉冲顶部不能保持平直而呈现倾斜降落的电压数值，如图中的U所示。由于U值会随幅度Um的大小而变化，所以通常用相对值来表示，即U相对脉冲幅度Um的百分比。Page 902.5脉冲信号发生器2. 5. 1 脉冲信号的参数（7）脉冲周期和重复频率 周期性脉冲相邻两脉冲之间的时间间隔称为脉冲周期，用T表示，脉冲周期的倒数称为重
49、复频率，用 f 表示。（8）脉冲的占空比 它是指脉冲宽度tu与脉冲周期T的比值，也称为占空系数，即：Page 912.5脉冲信号发生器2. 5. 2 脉冲信号发生器的基本组成图2-28是基本脉冲信号发生器的组成框图，它主要由主振级、延时级、脉冲形成级、输出级、同步放大和同步输出电路等构成。可输出频率、脉冲宽度可调的正、负极性矩形脉冲。下面简要介绍图中主要单元的组成和功能：（1）主振级；（2）脉冲形成级；（3）输出级。Page 922.5脉冲信号发生器2. 5. 2 脉冲信号发生器的基本组成（1）主振级该单元是脉冲信号的振荡源，它是仪器的的核心部件，一般采用恒流源射极藕合自激多谐振荡器产生矩形波
50、，调节振荡器中电容和钳位电压可进行振荡频率的粗调和细调。也可采用正弦振荡、限幅放大和积分电路等构成主振级。（3）输出级输出级通常包括脉冲放大器、倒相器等电路，要求这些电路的高频特性好。输出信号的幅度、极性在输出级进行调节。Page 932.5脉冲信号发生器2. 5. 2 脉冲信号发生器的基本组成（2）脉冲形成级脉冲形成级主要由延时级和形成级构成。延时级将主振级送出的信号转换需的延时脉冲，例如采用电子延迟电路，用一积分器对主振级送来的脉冲信号进行积分，待积分电压值增大到一定值时，使其中一稳压管导通，输出一个延时脉冲。形成级单元在延时脉冲的作用下，形成宽度准确、波形良好的矩形脉冲，脉冲宽度可在该级
51、进行独立调节。通常采用单稳态触发器作为脉冲形成电路。Page 942.5脉冲信号发生器 XC-20型脉冲信号发生器的性能指标：（1）频率范围3 kHz200 MHz；（2）延迟时间为2.5 ns100s；（3）输出幅度为150 mV5V；前、后沿为1.5ns；（4）输出波形有正、负矩形脉冲，正、负倒置矩形脉冲， 直流偏置为1V+1V；（5）有外触发输入端和手动单次脉冲触发。Page 952.5脉冲信号发生器2. 5. 3 脉冲信号源的应用正弦信号发生器最常用的测量仪器，正弦测量能够全面、精确地确定被测系统的特性。不过正弦点频法测量费时、费事，扫频法测量用的扫频仪又很昂贵，而且正弦测量不能直观地
52、表征系统的瞬态响应特性。而脉冲时域测量恰在这方面有其突出的优点。时域测量的原理如图2-29所示，图中的脉冲信号发生器输出方波脉冲信号加于被测系统，用示波器观测系统的输出波形（为便于分析比较，通常使用双踪示波器以便同时显示输入和输出波形），即可非常直观地获得被测系统的瞬态响应特性，而且可边调试电路边进行观测比较，这是正弦点频法所不具有的。Page 962.5脉冲信号发生器2. 5. 3 脉冲信号源的应用Page 972.5脉冲信号发生器2. 5. 3 脉冲信号源的应用通用型脉冲信号发生器，用于实验室进行一般性科学实验。它的特点，也是与产生脉冲信号的单元电路的主要区别，是所产生的脉冲信号的参数（如重复频率、脉冲宽度、幅度、极性及逻辑电平）都可调节，尤其是重复频率的变化范围较宽，输出阻抗必须能与测试用同轴电缆的特性阻抗相匹配，输出电平能与被测试电路所用器件的逻辑电平相适应，以满足测试的要求。专用型脉冲信号发生器，用于某些专用设备的研制、测试、生产和维修。这类脉冲信号发生器或是波形复杂，或是某些指标要求特殊。例如电视图像信号发生器，它所产生的信号有方格信号、棋盘格信号、彩带信号或某一单色信号等。Page 98Page 99
