《信号发生器》PPT课件.ppt

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1、第5章 信号发生器,5.1 信号发生器的种类、组成与技术指标5.2 低频信号发生器5.3 高频信号发生器5.4 函数信号发生器5.5 脉冲信号发生器5.6 扫频信号发生器5.7 专用(特殊)信号发生器5.8 信号发生器的选择,5.1 信号发生器的种类、组成与技术指标,5.1.1 信号发生器的分类如图5.1所示，信号源产生不同频率、不同波形或调制的电压/电流信号并加到被测电路与设备上，用其它测量仪器观察、测量被测对象的输出响应，以分析确定被测对象的性能参数。,图5.1 测量用信号发生器,1.按频率范围分按照输出信号的频率范围对无线电测量用正弦信号发生器进行分类是传统的分类方法，如表5.1所示。,

2、表5.1 信号发生器的频率划分,2.按用途分根据用途的不同，信号发生器可以分为通用信号发生器和专用信号发生器两类。3.按输出波形分 根据所输出信号波形的不同，信号发生器可分为正弦信号发生器、矩形信号发生器、脉冲信号发生器、三角波信号发生器、钟形脉冲信号发生器和噪声信号发生器等。4.按调制方式分按调制方式的不同，信号发生器可分为调频、调幅、脉冲调制等类型。,5.按性能指标分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。5.1.2 信号发生器的基本组成不同类型的信号发生器其性能、用途虽不相同，但基本构成是类似的，如图5.2所示，一般包括振荡器、变换器、指示器、电源及输出电路等五部分

3、。,图5.2 信号发生器的基本组成框图,1.振荡器振荡器是信号发生器的核心部分，由它产生各种不同频率的信号，通常是正弦波振荡器或自激脉冲发生器。它决定了信号发生器的一些重要工作特性，如工作频率范围、频率的稳定度等。2.变换器变换器可以是电压放大器、功率放大器或调制器、脉冲形成器等，它将振荡器的输出信号进行放大或变换，进一步提高信号的电平并给出所要求的波形。,3.输出电路输出电路为被测设备提供所要求的输出信号电平或信号功率，包括调整信号输出电平和输出阻抗的装置，如衰减器、匹配用阻抗变换器、射极跟随器等电路。信号源的等效电路如图5.3所示。,图5.3 信号源的等效电路模型,5.1.3 信号发生器的

4、主要技术指标1.频率特性1)有效频率范围各项指标均能得到保证时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,(5-1),3)频率稳定度频率短期稳定度定义为信号发生器经规定的预热时间后，频率在规定的时间间隔内的最大变化，表示为4)频谱纯度对于正弦信号发生器，频谱纯度也是其重要指标之一。信号源输出的实际频谱与理想频谱的逼近程度.,(5-2),2.输出特性1)输出电平输出电平包括输出电平范围和输出电平准确度。输出电平范围是指输出信号幅度的有效范围，也就是信号发生器的最大和最小输出电平的可调范围，通常采用有效值来度量

5、。2)输出电平的频率响应输出电平的频率响应是指在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化情况，也就是输出电平的平坦度。,3)谐波失真系数（失真度）(5-3)式中，U1为输出信号基波的有效值(或幅值)；U2，U3，.，Un为输出信号各次谐波的有效值,4)输出阻抗输出阻抗的高低随信号发生器类型而异。低频信号发生器一般有50、600、5 k等几种不同的输出阻抗，而高频信号发生器一般只有50(或75)不平衡输出，在使用高频信号发生器时，要注意阻抗的匹配。5)输出波形输出波形是指信号发生器所能输出信号的波形。,3.调制特性 许多信号源还包含调制功能。如高频信号发生器，一般还具有输出一种或多种调制信号的能

6、力，通常为调幅和调频信号，有些还带有调相、脉冲调制、数字调制等功能。调制特性包括调制的种类、频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。,5.2 低频信号发生器,5.2.1 低频信号发生器的组成低频信号发生器组成框图如图5.4所示，主要包括主振器、缓冲放大器、电平调节器、功率放大器、输出衰减器、阻抗变换器和输出指示器等部分。,图5.4 低频信号发生器的原理框图,1.主振器 主振器是低频信号发生器的核心部分，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有多种，现代低频信号发生器中，主振器常采用RC文氏电桥振荡电路。其原理框图如图5.5所示。

7、,图5.5 文氏电桥振荡器的原理框图,2.缓冲放大器缓冲放大器兼有缓冲和电压放大的作用。缓冲是为了将后级电路与主振器隔离，防止后级电路、负载等的变化对主振器的影响，保证主振频率稳定，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。3.功率放大器功率放大器用来对电平调节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，驱动低阻抗负载。通常采用电压跟随器或BTL电路等。,4.输出衰减器图5.6所示电路为低频信号发生器中最常用的输出衰减器。由电位器RP取出一部分信号电压加于R1R8组成的步进衰减器，调节电位器或调节波段开关S所接的挡位，均可使衰减器输出不同电压。5.阻抗变换器阻抗变换器用于匹配不同阻抗

8、的负载，以便在负载上获得最大输出功率。,图5.6 输出衰减器,6.输出指示输出指示用来指示输出端输出电压的幅度，或对外部信号电压进行测量，可能是指针式电压表、数码LED或LCD。,5.2.2 低频信号发生器的主要性能指标 通常，低频信号发生器的主要工作特性如下：(1)频率范围：一般为20 Hz1 MHz，连续可调。(2)频率准确度：(13)%。(3)频率稳定度：优于0.1%。(4)输出电压：010 V连续可调。(5)输出功率：0.55 W连续可调。(6)非线性失真范围：0.1%1%。(7)输出阻抗：50、75、600、5 k。(8)输出形式：平衡输出与不平衡输出。,5.2.3 低频信号发生器的

9、使用要点其使用要点如下：1)了解面板2)注意正确的操作步骤 信号发生器的使用包括如下步骤：(1)开机准备。(2)选择频率。(3)输出阻抗的配接。(4)选择输出电路的形式。(5)输出电压的调节和测读。,5.3 高频信号发生器,5.3.1 高频信号发生器的组成高频信号发生器的组成框图如图5.7所示，主要包括振荡器、缓冲级、调制级、输出级、内调制振荡器、频率调制器、监测指示电路等。(1)振荡器：用于产生高频振荡信号。它是信号发生器的核心，信号发生器的主要工作特性大都由它决定。(2)缓冲级：主要起隔离放大的作用，用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作稳定，并将主振信号放大到一定的电

10、平。(3)调制级：主要完成对主振信号的调制。,图5.7 高频信号发生器原理框图,(4)内调制振荡器：供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。(5)输出级：主要由放大器、滤波器、输出微调、输出衰减器等组成。(6)监测指示电路：监测指示输出信号的载波电平和调制系数。5.3.2 调谐信号发生器根据反馈方式，又可分为变压器反馈式、电感反馈式(也称电感三点式或哈特莱式)及电容反馈式(也称电容三点式或考毕兹式)三种振荡形式，如图5.8所示。,图5.8 LC振荡器电路的三种构成形式(a)变压器反馈式；(b)电感三点式；(c)电容三点式,5.3.3 合成信号发生器(1)直接合成法分为模拟直接合成法和数字直接合成

11、法。模拟直接合成法采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率；数字直接合成法则是利用ROM和DAC结合，通过控制电路，从ROM单元中读出数据，再进行数/模转换，得到一定频率的输出波形。(2)间接合成法则通过锁相技术进行频率的算术运算，最后得到所需的频率。,1.直接合成法1)模拟直接合成法图5.9所示为模拟直接合成法的例子直接频率合成器的原理框图，基准频率源(石英晶体振荡器)产生1 MHz基准频率，通过谐波发生器产生2 MHz、3 MHz、9 MHz等谐波频率，连同1 MHz基准频率一起并接在纵横制接线的电子开关上，通过电子开关

12、取出8 MHz、2 MHz、6 MHz、4 MHz信号，再经过10分频器(完成10运算)、混频器(完成加法或减法运算)和滤波器，最后产生4.628 MHz输出信号。,图5.9 直接频率合成器原理框图,2)数字直接合成法数字直接合成法又叫直接数字频率合成(DDS)，它是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法，它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，通过控制相位变化速度来直接产生各种不同频率信号。DDS的基本原理如图5.10所示。,图5.10 DDS的基本原理,与传统的频率合成技术相比，DDS具有以下特殊优点：(1)频率分辨率高，频点数多。(2)频率转换快。(3)相位连续。(4)相位噪声小

13、。(5)便于实现复杂方式的信号调制。(6)微处理器接口，控制容易，稳定可靠。(7)大规模集成，体积小，功耗低，重量轻。,2.间接合成技术(锁相信号发生器)图5.11给出了锁相环的基本原理框图。,图5.11 锁相环的基本原理框图,基本锁相环是个闭环相位负反馈环路，由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)及压控振荡器(VCO)三大部分组成。(1)鉴相器(PD，又称相位比较器)。(2)低通滤波器(LPF)。(3)压控振荡器(VCO)。将基本锁相环的结构稍加变化，在反馈回路中加入分频比N可变的分频器，就可得到频率合成器中经常使用的锁相环，其原理如图5.12所示。,图5.12 倍频式锁相环原理图,当锁相环

14、锁定时，鉴相器PD两输入端信号的频率差为零，即从而有 fo=Nfr(5-5),(5-4),除倍频式锁相环外，还有混频式锁相环(如图5.13所示)等形式，在此不作详述。,图5.13 混频式锁相环,5.3.4 高频信号发生器的主要性能指标其主要性能指标如下：(1)频率范围：100 kHz30 MHz，共分八个波段。(2)频率刻度误差：1%。(3)输出电压：01 V(有效值)。(4)输出阻抗：40(01 V输出孔)、8(00.1 V输出孔)。(5)电压表刻度误差：5%(载波为1 MHz，1 V电压时)。,(6)内调制信号频率：400 Hz、1000 Hz，误差为5%。(7)外调制信号频率：50 Hz

15、8 kHz。(8)调幅范围：当m60%时，误差为5%；当m60%时，误差为10%。(9)谐波电平：25 dBc。,5.4 函数信号发生器,5.4.1 函数信号发生器的基本组成与原理1.脉冲式函数信号发生器脉冲式函数信号发生器的原理框图如图5.14所示。,图5.14 脉冲式函数信号发生器原理框图,图5.15所示为典型的二极管网络变换电路，可将对称的三角波转换成正弦波。,图5.15 二极管正弦波形成电路,2.正弦式函数信号发生器正弦式函数信号发生器的组成框图如图5.16所示。,图5.16 正弦式函数信号发生器的组成框图,3.三角波式函数发生器三角波式函数信号发生器的原理框图如图5.17所示。,图5

16、.17 三角波式函数信号发生器的原理框图,5.4.2 函数信号发生器的主要性能指标对于函数信号发生器，其性能指标有：(1)输出波形：通常输出波形有正弦波、方波、脉冲和三角波等波形，有的还具有锯齿波、斜波、TTL同步输出及单次脉冲输出等。(2)频率范围：函数发生器的整个工作频率范围一般分为若干频段，如110 Hz、10100 Hz、100 Hz1 kHz、110 kHz、10100 kHz、100 kH1 MHz等波段。,(3)输出电压：对正弦信号，一般指输出电压的峰-峰值，通常可达10UP-P以上；对脉冲数字信号,则包括TTL和CMOS输出电平。(4)波形特性：不同波形有不同的表示法。正弦波的

17、特性一般用非线性失真系数表示，一般要求小于等于3%；三角波的特性用非线性系数表示，一般要求小于等于2%；方波的特性参数是上升时间，一般要求小于等于100 ns。(5)输出阻抗：函数输出50；TTL同步输出600。,5.5 脉冲信号发生器,最基本的脉冲信号是矩形脉冲信号，如图5.18所示。它有以下一些基本参数：(1)脉冲振幅A：指脉冲顶量值与底量值之差。(2)上升时间tr：指由10%电平处上升到90%电平处所需的时间，也叫脉冲前沿。,(3)下降时间tf：指由90%电平处下降到10%电平处所需的时间，也叫脉冲后沿。(4)脉冲宽度(或tw)：脉冲宽度本应指脉冲出现后所持续的时间，但是由于脉冲波形差异

18、很大，顶部和底部宽度并不一致，所以定义脉冲宽度为前后沿50%电平处的宽度。(5)脉冲周期和重复频率：如图5.18(b)所示。(6)脉冲的占空系数：脉冲宽度与脉冲周期T的比值称为占空系数或占空比，即=/T。,图5.18 矩形脉冲信号,5.5.1 脉冲信号发生器的分类按照频率范围来分，脉冲信号发生器有射频脉冲信号发生器和视频脉冲信号发生器两种。前者一般是高频或超高频信号发生器受矩形脉冲的调制而获得的，而常用的脉冲信号发生器都是以产生矩形脉冲为主的视频脉冲信号发生器。按照用途和产生脉冲的方法不同，脉冲信号发生器可分为通用脉冲发生器、快沿脉冲发生器、函数信号发生器、特种脉冲发生器等。,5.5.2 脉冲

19、信号发生器的组成与基本原理一台基本的脉冲信号发生器，其组成原理方框图如图5.19所示，包括主振级、延迟级、脉宽形成级、整形级、输出级等部分。,图5.19 脉冲信号发生器的原理框图,1)主振级主振级是脉冲信号源的核心，决定输出脉冲的重复频率，要求有良好的调节性能，较高的频率稳定度，宽的频率范围，陡峭的前后沿和足够的幅度。2)延迟级 主振级输出的未经延时的脉冲称为同步脉冲，又称前置脉冲，如图5.20所示。,图5.20 同步脉冲与主脉冲,3)形成级4)整形级与输出级5.5.3 脉冲信号发生器的主要性能指标脉冲信号发生器的主要性能指标有：(1)脉冲频率：(2)脉冲持续时间：(3)脉冲幅度：(4)输出阻

20、抗：(5)波形失真：(6)输出脉冲状态：(7)工作方式：,5.6扫频信号发生器线性电路幅频特性的测量在测量技术分类中，频域测量占有重要地位，其主要原因是线性电路对正弦激励的响应仍是正弦信号，只是与输入相比其振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频率的函数。我们已经知道，正弦稳态下的系统函数或传输函数N(j)反映了该系统激励与响应间的频率关系，即,(3.5-1),式中，N()与j()分别称为电路(系统)的幅频特性和相频特性。1.点频法测量幅频特性所谓点频法，简单地说就是“逐点”测量幅频特性或相频特性的方法，如图5.6-1(a)所示。,图5.6-1点频法测量系统的幅频特性（K为振幅比),图中，ui为

21、正弦信号源，接于被测电路输入端，由低到高不断改变信号源频率，信号电压不应超过被测电路的线性工作范围，用测量仪器在各个频率点上测出输出信号与输入信号的振幅比(幅频特性)和相位差(相频特性)。以f为横坐标，以振幅比(或相位差)为纵坐标，就可以逐点描绘出如图5.6-1(b)所示的频率特性曲线。点频法原理简单，需要的设备也不复杂。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，非常容易遗漏掉某些特性突变点，而这常常是我们在测试和分析电路性能时非常关注的问题。,另外，当我们试图改变电路的结构或元件参数时，任何改变都必然导致重新逐点测量。如果能够在测试过程中使信号源输出信号的频率按特定规律自动连

22、续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就得到了被测电路的幅频特性曲线。这种快速、直观的测量方法就是扫频法测量的基本思想。提供频率可自动连续变化的正弦波信号源称为扫频信号源或扫频振荡器。,2.扫频法测量幅频特性扫频法测量电路幅频特性的原理图如图5.6-2所示，在图(a)所示的原理框图中，除被测网络外，其余部分通常都安装于称为频率特性测试仪(也称扫频仪)的同一仪器中，扫频信号发生器实际上是频率可控的正弦振荡器，比如前面所说的压控振荡器(VCO)，它的振荡频率受扫描电压us控制。,图5.6-2扫频法测量电路幅频特性的原理图,和点频法相比，扫频法具有以下优点：(1)可实现网络的频

23、率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路调试时，人们可以一面调节电路中的有关元件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化，从而迅速地将电路性能调整到预定的要求。(2)由于扫频信号的频率是连续变化的，因此所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于点频法中的频率点离散而遗漏掉人们感兴趣的某些“细节”问题。,(3)点频法是人工逐点改变输入信号的频率，速度慢，得到的是被测电路稳态情况下的频率特性曲线。扫频测量法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性。扫频法更符合被测电路的应用实际。扫频仪的基本构成1.扫频仪的基本方框图图5.6-3(a)是扫频仪原理框图，图(b)是BT-4型低频(200

24、 Hz2 MHz)扫频仪框图。图(a)中几个主要部分的功能如下所述。,图5.6-3扫频仪的基本框图,时基系统产生一个扫描信号，由该信号控制一个可调谐的连续振荡源以产生频率随时间变化的正弦信号，频率变化的规律就取决于扫描信号。若扫描信号是锯齿波或三角波(这是最常用的情况)，则扫频规律呈线性，或者说扫频振荡器输出正弦信号的瞬时频率随时间线性增加或降低。有些场合也使用对数型扫描信号，则扫频规律呈现对数性。,扫频振荡器是扫频仪的主要部分，实际上它是一个调频振荡器，在时基系统产生的扫描信号(即调频的调制信号)的作用下，产生频率随时间按一定规律变化的扫频振荡，并利用电平限制电路及自动幅度控制电路以确保输出

25、振幅平稳的扫频信号，通过输出控制电路来控制系统的输出。时标系统用来产生频率标记(简称频标)信号，以便在示波管荧光屏上确定扫频信号发生器的瞬时频率和扫频宽度。扫频信号施加于被测网络输入端，输出响应经检波，包络上加上频标信号，就可在示波管荧光屏上的频率特性曲线上找到对应的频率。,BT-3型扫频仪1.扫频仪的主要性能要求扫频振荡器除应具有一般正弦振荡器所具有的工作特性外，还有下面几个主要的性能要求。(1)中心频率范围大且可连续调节。中心频率是指扫频信号从低频到高频之间中心位置的频率。不同测试对象对中心频率的要求也不同。,(2)扫频宽度(频宽)要宽且可任意调节。频偏是指扫频信号的瞬时频率与中心频率的差

26、值。显然，频偏应能覆盖被测电路的通频带，以便测绘该电路完整的频率特性曲线。例如，测试电视接收机中的图像中频通道要求频偏达5 MHz，测试伴音中频频道时，频偏只需0.5 MHz。(3)寄生调幅要小。理想的调频波应是等幅波，因为只有在扫频信号幅度保持恒定不变的情况下，被测电路输出信号的包络才能表征该电路的幅频特性曲线。,(4)扫描线性度要好。当扫频信号的频率和调制信号间成直线关系时，示波管的水平轴变换成线性的频率轴。这时幅频特性曲线上的频率标尺将均匀分布，便于观察。在测试宽带放大器时，若使用对数幅频特性，则要求扫频规律和扫频电压之间是对数关系。,2.BT-3型频率特性测试仪(扫频仪)BT-3型扫频

27、仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的高频放大器、电视接收机等的各通道频率特性，也可用于鉴频器测试，是一种较为典型的频率特性测试仪，其框图如图3.5-6所示，主要由扫频信号发生器、频率标尺、显示装置及电源等四部分组成。BT-3型扫频仪的面板图如图3.5-7所示。,图5.6-7BT-3型扫频仪的面板图,(1)脉冲幅度Um:脉冲波从底部到顶部之间的数值。(2)脉冲上升时间tr:脉冲波从0.1Um上升到0.9Um所经历的时间，也叫脉冲前沿。(3)脉冲下降时间tf:脉冲波从0.9Um下降到0.1Um所经历的时间，也叫脉冲后沿。(4)脉冲宽度：即脉冲的持续时间，一般指脉冲前、后沿分别等于0.5Um时相应的时间间隔。,5.7 专用(特殊)信号发生器,5.6.1 任意波形发生器 任意波形发生器(AWG，Arbitrarily Wave Generator)具备产生任意波形的能力，其简化的原理框图如图5.21所示。,图5.21 任意波形发生器原理框图,图5.22 任意波形发生器可产生的几种波形(a)过冲；(b)尖脉冲；(c)阻尼正弦波；(d)频率变化,5.8 信号发生器的选择,由于测量信号发生器的种类、型号繁多，使用时通常可从以下几个方面根据具体情况进行选择：(1)被测信号的频率。(2)测试功能。(3)输出信号波形。(4)测量准确度的要求。,