1、第3章 测量用信号发生器,知识要点： 信号发生器性能指标与分类 各类信号发生器的工作原理及使用方法 合成信号发生器的频率合成技术,2,3.1 概述 信号发生器即信号源，指产生所需参数的电测试信号的仪器，是最基本、应用最广泛的电子测量仪器之一。 3.1.1 信号发生器的功用 激励源，信号仿真，校准源 3.1.2 信号发生器的分类 信号发生器分为通用信号发生器和专用信号发生器两大类。 1. 按输出波形分类 正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器,4,2. 按工作频率分类,3. 按调制方式分类 按调制方式的不同，信号发生器分为调幅、调频、调相、脉冲调制等类型。,5,3.1.3
2、 正弦信号发生器的主要技术特性 1. 频率特性 （1）有效频率范围：各项指标均能得到保证的输出频率范围称为信号发生器的有效频率范围。 （2）频率准确度：指频率实际值对其标称值的相对偏差。其表达式为：（3）频率稳定度：指在一定时间间隔内频率准确度的变化，它表征信号源维持工作于恒定频率的能力。,6,2. 输出特性（1）输出阻抗低频信号发生器一般有匹配变压器，故有50、150、600、5k等各种不同输出阻抗高频信号发生器一般只有50或75一种输出阻抗。（2）输出电平及其平坦度输出电平是表征信号发生器所能提供的最大和最小输出电平调节范围。目前正弦信号发生器输出信号幅度采用有效值或绝对电平来度量。输出电
3、平平坦度是指在有效的频率范围内，输出电平随频率变化的程度。,7,（3）输出形式输出形式包括平衡输出（即对称输出u2）和不平衡输出（不对称输出u1）两种形式。（4）输出波形及谐波失真 输出波形是指信号发生器所能产 生信号的波形。正弦信号发生器应输 出单一频率的正弦信号，但由于非线 性失真、噪声等原因，其输出信号中都含有谐波等其他成分，即信号的频谱不纯。用来表征信号频谱纯度的技术指标就是谐波失真度。,8,3. 调制特性高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出调 幅波和调频波，有的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。当调制信号由外部电路或低频信号发发生器提
4、供时，称为外调制。高频信号发生器的调制特性包括调制方式、调制频率、调制系数以及调制线性等。,9,3.2 模拟信号发生器 3.2.1 低频信号发生器低频信号发生器又称为音频信号发生器，用来产生频率范围为1Hz1MHz的低频正弦信号、方波信号及其他波形信号。 1. 低频信号发生器的组成,10,（1）主振器 作用：产生与输出信号频率一致低频正弦信号。 电路结构：RC文氏桥式振荡器、差频式振荡器 RC文氏桥式振荡器优点：波形失真小、振幅稳定、频率调节方便和频率可调范围宽。 RC文氏桥式振荡器缺点：频率覆盖系数（即最高频率与最低频率之比）为10，要覆盖1Hz1MHz频率范围，至少需要六个波段。,11,（
5、1）主振器 差频式振荡器优点：在不分波段的情况下得到很宽的频率覆盖范围。 差频式振荡器缺点：对振荡器频率稳定性要求很高，两个振荡器应远离整流管、功率管等发热元件，彼此分开，并良好屏蔽。,12,（2）电压放大器 电压放大器兼有缓冲与电压放大的作用。缓冲是为了使后级电路不影响主振器的工作，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。放大是为了使信号发生器的输出电压达到预定技术指标。 （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，分为连续调节和步进调节。连续调节由电位器实现，步进调节由步进衰减器实现。,13,（4） 功率放大器及阻抗变换器功率放大器用来对衰减器输出的电压信号进行功率放大
6、，使信号发生器达到额定功率输出。为了能实现与不同负载匹配，功率放大器之后与阻抗变换器相接，这样可以得到失真小的波形和最大的功率输出。阻抗变换器只有在要求功率输出时才使用，电压输出时只需衰减器。,14,2. XD-22A型低频信号发生器 XD-22A型低频信号发生器是一款多功能，宽频带的通用测量仪器，它除了产生正弦波信号外，还能产生脉冲信号和逻辑信号，并采用3位LED数码管来显示频率。 2.1 主要技术性能 （1）频率范围：1Hz1MHz，共分为六个波段。波段：110Hz波段：10100Hz波段：100Hz1KHz波段：1KHz10KHz波段：10KHz100KHz波段：100KHz1MHz,1
7、5,（2）频率误差波段小于1.5%输出频率，波段小于2%输出频率 （3）正弦信号幅度：6V频率响应： 1dB，这一技术性能的含义是，信号频率在1Hz1MHz范围内变化时，信号发生器对不同频率的信号增益的偏差要小于1dB电压表误差： 5%满刻度值输出阻抗： （600 10）,16,（4）脉冲信号（10Hz200KHz）电压幅度（峰-峰值）为010V，且连续可调上升、下降时间：0.3s上冲、下冲时间：7%脉冲宽度：连续可调 （5）逻辑信号波形：方波（正极性）幅度：高电平为（4.50.5）V，低电平0.3V,17,2、面板结构图及按键功能 1)面板结构图及按键功能 XD-22A型低频信号发生器的面板
8、结构：,XD-22A型低频信号发生器面板图,指示电压表,XD-22A型低频信号发生器,输出衰减dB,输出细调,频率,开,电源,占空比,频率显示窗,接通电源,步进旋钮,微调旋钮,占空比调节旋钮：调节脉冲信号的占空比,波形输出开关,信号输出插孔： S弹出：下输出孔输出 正弦波信号 S按进：下：脉冲波信号 上：逻辑信号,波段,输出细调旋钮：调节电压指示表显示的电压,输出衰减调节开关：调节衰减器的衰减倍数,频率单位显示,显示输出信号的频率值,电压指示表：指示缓冲放大器的输出电压幅度值,波段选择开关：选择调节波段,频率调节旋钮,18,（1）电源开关。 （2）波段选择开关。共有六个波段。 （3）频率调节旋
9、钮。又包括三个步进旋钮和一个微调旋钮。 （4）占空比调节旋钮。用于调节脉冲信号的占空比。 （5）输出波形转换开关S。 （6）信号输出插孔。 （7）输出细调旋钮。用于调节电压指示表所显示的电压。 （8）输出衰减调节开关。用于调节衰减器的衰减倍数。 （9）频率单位指示。 （10）频率显示窗。 （11）电压指示表。,19,2）使用注意事项：开机前，把输出细调旋钮置于最小值处，防止开机时因起振幅度超过正常值而打坏表针开机后，让仪器预热片刻，等表头指示稳定后再开始使用输出波形由输出波形开关S控制信号输出电缆的长度以（110%）m为宜，太长或太短都会引起高频段（f500KHz）电压误差,20,3）使用方法
10、（1）选择波形。由输出波形转换开关S控制。（2）调频率。先调波段开关，选择待输出信号频率所在的波段，再调频率调节旋钮及频率微调旋钮。即由波段选择开关和三个频率调节旋钮配合使用，进行调节；在数码显示窗上将显示出读数，三个数码管对应显示三个频率旋钮的调节值；Hz、KHz指示灯指示所显示频率的单位。如，需要输出频率为2370Hz的信号，首先将波段选择开关置于波段，此时KHz指示灯亮；然后分别调节三个频率调节旋钮，从左至右分别置于“2”、“3”和“7”刻度；此时数码显示出2.37，即2.37KHz。输出即为2 370Hz。（3）幅度调节。先调输出细调旋钮，再调输出衰减旋钮。即由输出细调旋钮和输出衰减旋
11、钮配合使用，进行调节；面板左上方的表头将显示出电压读数；实际输出值等于电压读数除以衰减倍数，即U实U示/衰减倍数。,21,例1：要用XD-22A输出一个频率为74 000Hz，电压为10mV(有效值)的正弦信号，如何调节？ 解：第1步，弹出输出波形转换开关S，使输出为正弦信号。 第2步，将波段选择开关置于波段，此时KHz指示灯亮；然后分别调节三个频率调节旋钮，从左至右分别置于“7”、“4”和“0”刻度；此时数码显示出74.0，即74.0KHz。 第3步，调节输出细调旋钮使电压读数为“1”；再调节输出衰减旋钮，使其置于“40”，即衰减40dB，由表2-1可知，衰减了100倍（即为原值的0.01）
12、；输出有效电压则为1V10010mV。,22,3.2.2 高频信号发生器高频信号发生器和甚高频信号发生器统称为高频信号发生器。高频信号发生器：产生200kHz30MHz的正弦波或调幅波信号。甚高频信号发生器：产生30MHz300MHz的正弦波、调幅波或调频波信号。1. 高频信号发生器的组成,23,（1）主振级主振级是信号发生器的核心，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，它用于产生高频振荡信号。为了使信号发生器有较宽的工作频率范围，可以在主振级之后加入倍频器、分频器或混频器。主振级电路结构简单，输出功率不大，一般在几到几十毫瓦的范围内。（2）缓冲级缓冲级主要起阻抗变换的作
13、用，用来隔离调制级对主振级产生的不良影响，以保证主振级稳定工作。否则，由于调制级输入阻抗不高且在调幅过程中不断变化，而使主振级振荡频率不稳定并产生寄生调频。,24,（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。在输出载波或调频波时，调制级实际上是一个宽带放大器；在输出调幅波时，实现振幅调制和信号放大。（4）可变电抗器可变电抗器与主振级的谐振回路相耦合，在调制信号作用下，控制谐振回路电抗的变化而实现调频。（5）内调制振荡器内调制振荡器用于为调制级提供频率为400Hz或1kHz的 内调制正弦信号，该方式称为内调制。当调制信号由外部电路提供时，称为外调制。,25,
14、（6）输出级输出级主要由放大器、滤波器、输出微调器、输出倍乘器等组成，对高频输出信号进行调节以得到所需的输出电平，最小输出电压可达V数量级。输出级还用来提供合适的输出阻抗。（7）监测器监测器用以监测输出信号的载波幅度和调制系数。（8）电源电源用来供给各部分所需要的电压和电流。,26,2. 高频信号发生器实例XFG-7型高频信号发生器是一个具有标准频率与标准输 出电压的高频信号发生器。它既能产生等幅波，又能产生调幅波，可以方便地应用于高频放大器、调制器以及滤波器性能指标的测量，特别适用于无线电接收机性能指标的测试。,27,（1）整机组成主振器是一个LC振荡电路，它通过变换振荡回路中的电感线圈L来
15、改变频段，调节电容C来连续改变频率。高频放大器具有防大、调幅作用。细调衰减器用来连续调节输出幅度，调节范围在01V之间。步进衰减器由四节型四端网络连接而成，用于对输出信号作进一步衰减，其输出电压最大仅为0.1V。 为了获得更小的输出电压，还配有一根内藏分压器的输出电缆，分压比分别为11和110。 内调制信号发生器是一个LC振荡器，产生供调幅用的400Hz或1kHz低频正弦信号。当高频信号幅度一定时，调幅度的大小由调制信号电压决定。调幅度指示器是通过测量低频信号的振幅来指示调幅波的调幅度。,28,29,准备工作 通电前将载波调节、调幅度调节和输出微调旋钮逆时针旋转到最小位置，将输出倍乘开关置于1
16、。 调零 通电前对指示电表进行机械调零。通电后，将波段开关置于任意两挡之间，使主振器停振，调节零点旋钮使V表指针处在零点。接着将波段开关调至任意挡使振荡器振荡，调节载波调节旋钮，使V表指针指在红线1上，调节M%零点旋钮使M%表指针指在零点。 调节频率 将波段开关置于所需波段位置，调节频率调节粗调、细调旋钮得到准确频率。 调节电压 调节载波调节旋钮使表指针指在红线“1”上，根据所需电压选择输出插孔。,30, 输出电压在0.1V以上时选择01V插孔。输出电压由输出微调旋钮读出，其读盘最大读数为1。调节输出微调旋钮至所需的输出电压值。 输出电压在0.1V以下时选择00.1V插孔，这时输出电压等于输出
17、微调读数与输出倍乘开关读数的乘积，单位为微伏。 如果要求输出低阻抗的微弱信号，可在00.1V插孔上加接带有分压器的电缆，并在“0.1”插口处引出信号，输出电压为上述读数方法所得结果的1/10。 高频等幅信号输出 将调幅选择开关置于等幅位置。 调幅波输出 根据调制信号来源分为内调幅和外调幅。,31, 内调幅时，将“调幅选择”开关置于400Hz或1kHz位置，在V表指示为1情况下，调节调幅度调节旋钮使M%表指针指在所需的位置上。最常用的标准调幅度为30%。 外调幅时，将调幅选择开关置于等幅位置，在外调幅输入接线柱上接入频率在50Hz8kHz范围的低频正弦信号作为外调制信号，其他操作与内调幅相同。
18、使用注意事项 使用00.1V插孔时，应把01V插孔盖住，反之亦然。 使用内调幅时，不能在接线柱上加外调制信号。 使用高频信号发生器还应注意如下两点：,32, 接收机的测试 高频信号发生器的典型应用是用来测试接收机的性能。为了使接收机符合实际工作情况，必须在接收机与仪器间接一个等效的天线。等效天线接在电缆分压器的分压接线柱与接收机的天线接线柱之间。 阻抗匹配 信号发生器只有在阻抗匹配情况下才能正常工作。否则，除引起衰减系数误差外，还影响前级电路的工作，降低信号发生器的功率，在输出电路中出现驻波。因此，在失配的状态下，应在信号发生器的输出端与负载间加一个阻抗变换器。,33,3.3 合成信号发生器,
19、频率合成的方法,34,3.3.1 直接模拟频率合成法,利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成。,35,直接模拟合成技术特点：,1)频率分辨力高,2)频率切换快 -用于跳频通信对抗（因频率点不太多）,3)电路庞大、复杂 -现不用它做信号源（因信号源频率范围宽）,36,3.3.2 直接数字频率合成法,直接数字合成法（DDS，Direct Digital Frequency Synthests）是以数字信号处理理论为基础，从信号的幅度相位关系出发进行频率合成的。与传统的频率合成
20、器相比，DDS具有极高的分辨率、快速的频率转换时间、很宽的相对带宽、任意波形的输出能力和数字调制等优点。,1.直接数字合成基本原理,三角波：+1、+1-1、-1,方 波：0、0、1、1、,37,正弦波：预存正弦函数表,38,，因而其最低频率为, DDS具有极宽的工作频率范围。DDS输出频率的下限对应于频率控制字,和奈奎斯特抽样定理，即每周期至少取样两次才能够重建波形，因此最大的合成频率为,实际应用中，一般取,39,辨率就是它的最低频率，即,n决定，只要 n足够大，就可以获得足够高的频率分辨率。例如当,是传统的频率合成器所不及的。,40, DDS具有极短的频率转换时间。由于DDS是开环系统，无反
21、馈环节，所以DDS的频率转换时间可以近似认为是即时的，高速DDS系统的频率转换时间可达纳秒量级。, 任意波形输出能力。DDS可以合成任意波形。合成的主要方法就是找出相应波形幅度和相位的关系，最简单的方法是改变ROM查询表中的数据，很多DDS合成器可以输出正弦波、方波、三角波等任意波形。,41,3. 任意波形发生器,直接数字频率合成技术重要的特色，它可以产生任意波形。从 上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存 储器的数据。因此，产生任意波形的方法取决于向该存储器 （RAM）提供数据的方法。目前有以下几种方法：,1)表格法,将波形画在小方格纸上，纵坐标 按幅度相对值进行二进制量化，
22、 横坐标按时间间隔编制地址，然 后制成对应的数据表格，按序放 入RAM。对经常使用的定了“形” 的波形，可将数据固化于ROM 或存入非易失性RAM中，以便 反复使用。,（AWG）或任意函数发生器（AFG）,42,2)数学方程法,3)复制法,将其它仪器（例如数字存储示波器，XY绘图仪）获得的波形数据通过微机系统总线或GPIB接口总线传输给波形数据存储器。该法很适于复制不再复现的信号波形。,自然界中有很多无规律的现象，例如雷电、地震及机器运转时 的振动等现象都是无规律的，甚至一去不复返。为了研究这些 问题，就要模拟这些现象的产生。在过去只能采用很复杂的方 法来实现，现在采用任意波形产生器则方便得多
23、了。国内外已 有多种型号的任意波形产生器可供选用。,用数学方程描述的波形，先将其方程（算法）存入计算机，经过运算提供波形数据。,43,DDS函数信号发生器,44,3.3.3 间接合成法,1.基本锁相环路,利用锁相环（PLL）的频率合成方法。,基本锁相环路是由相位比较器（PD），压控振荡器（VCO）和环路滤波器（LPF）组成的闭合环路。,45,2.锁相环的几种基本形式,1)倍频锁相环,当环路锁定时，PD两输入信号的频率相等，即, 根据PD两输入频率相等列出等式:,fo/Nfi, 从等式中解出输出频率:,重点掌握,46,脉冲倍频环, 根据PD两输入频率相等列出等式:,fiNfo, 从等式中解出输出
24、频率:,2)分频锁相环,47,脉冲分频环,3)混频锁相环,-,48,3. 频率合成单元,1)组合环,一个典型的组合环及其输出频率，如图所示。,因为,所以,49,2)多环合成单元,由倍频环可得,由混频环可得 :,因为,所以,(3.22),(3.23),50,3)十进合成单元,4)可程控合成单元,频率范围为 1.200000MHz1.299999MHz,51,3.3.4 频率合成技术的进展,1. 三种合成方法的比较,2. 提高频率分辨力的方法,1)微差混频法,该方法将两个频率相差甚微的信号源进行差频混频，如图3.31 所示。混频器的输出频率为,52,在微差混频法中，由于参与混频的两个信号频率十分接
25、近， 所以分辨力得到提高。但是当这两个频率很接近时，在混频 器工作中频率牵引现象也很严重，且很难解决。,2)多环合成法,53,3)小数合成法,令 N=18,则 平均分频系数,18.9,若要平均分频系数=18.6，怎么控制？,54,3. 扩展频率上限的方法,前题条件：VCO能工作在很高频率（如GHz微波段）， 然后锁定。,1)前置分频法,前置分频法是在程序分频器之前设置一个固定分频器，如图 3.34所示。图中D为固定分频器，其分频系数为D。因此， 其输出频率fo为,固定,55,2)倍频混频法,3)吞脉冲分频法,吞脉冲分频法是在锁相环的反馈支路中加入吞脉冲分频器， 这时锁相环的组成如图3.36所示
26、。,56,57,在一次计数循环开始时，计数器开始计数，“模式控制”信 号为“1”，双模分频器分频系数为11；当N2计数器溢出后 “模式控制”信号就为“0”，双模分频器分频数为10。例 如设N2=4,则双模分频器分频系数有4次为11，而后为10， 直至N计数结束，控制信号再恢复为“1”。由于在N2计数 期间双模分频器要多计一个脉冲，就认为由于N2而吞食了 一个被计数的脉冲，因此称为吞食计数器。,N(P1)N2(N1N2)P=PN1N2,即 N=PN1 N2 （3.30）,在前述讨论中，P10，因此得,N=10N1N2,58,吞脉冲分频器小结如下：,（1）双模分频器的分频系数为P(P1），对于N1
27、和N2两个分频器，分频系数的设置必须N1N2，例如，N209，那么N1至少为10；,（2）由N1和N2可以求得 Nmin和Nmax的范围。,例3.2 P=10，N1=10，N209，则Nmin=100；若设N11019，则Nmax=199。,例3.3 P100，N1100199，N2=099，则NPN1+N2=100（100199）+099=1000019999。,（3）吞脉冲分频器可以提高锁相环的输出频率上限。,59,3.4 射频合成信号发生器（数字调制信号源、矢量信号源）,所谓“射频”是指能通过天线发射变为电磁波进行无线传播的信号频率。当今射频频率范围很宽，有的已做到10kHz110GHz
28、。,前面介绍的高频信号发生器属射频信号发生器，其主振级是建立在LC振荡器基础上的模拟信号源。要用多波段来实现频率覆盖，即使这样频率范围不宽，频率准确度和稳定度都满足不了现在应用的要求，因此现代射频信号发生器要建立在频率合成技术基础上。,上面介绍的三种频率合成技术，其中数字直接频率合成(DDS)使用方便，但目前工作频率只能做到几百MHz，可用于主振级射频低端。高端则采用锁相频率合成技术，选用合适的压控振荡器作主振器。,60,作为射频信号发生器主振级只产生载波，各种传送信号要靠调制级实现。为了满足实用要求现代射频信号发生器应能方便实现模拟、数字、矢量等多种调制方式。相应地用数字信号调制的称为数字调
29、制信号源；调制信号中包含幅度和相位信息的称为矢量信号源；使频率快速跳变的称为频率捷变信号源,3.4.1 射频合成信号发生器基本原理,61,1) 射频合成本振即是主振器，因为在进行调制的过程中，主振器处于混频器的本振位置，故此将它称为本振，是产生射频载波的基础。,2) 直接对压控振荡器直接进行调制操作难度较大，且也影响频率的准确度。较好的方案是采用图中的方法，先将要调制的信号，调制到一中频上。这里以正弦调幅信号为例,5) 将调制信号用上变频方式实现射频输出是射频合成信号发生器的一大特色。,3) 混频器输出频率分量很多，要用中心频率可调的带通滤波器提取和频分量即以上变频输出，波形D 。,4) 信号源输出幅度应保证稳定，故输出级中要设置有自动稳幅电路 。,原理要点：,
