第2章信号发生器(2)

第2章信号发生器•2.1信号发生器概述•2.2低频信号发生器•2.3高频信号发生器•2.4函数信号发生器•2.5合成信号发生器•2.6脉冲信号发生器习题2.1.1信号发生器分类2.1信号发生器概述1．按输出波形分类（1）正弦信号发生器：产生正弦波或受调制的正弦波。（2）脉冲信号发生器：产生脉宽可调的重复脉冲波。（3）函数信号发生器：产生幅度与时间成一定函数关系的信号，如正弦波、三角波、方波等各种信号。（4）噪声信号发生器：产生各种模拟干扰的电信号。2.按输出频率范围分类（1）超低频信号发生器：频率范围为0.001Hz～1kHz。（2）低频信号发生器：频率范围为1Hz～1MHz。（3）视频信号发生器：频率范围为20Hz～10MHz。（4）高频信号发生器：频率范围为200kHz～30MHz。（5）甚高频信号发生器：频率范围为30～300MHz。（6）超高频信号发生器：频率范围为300MHz以上。由于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。随着微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在的许多信号发生器都带有微处理器，具有自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。2.1.2信号发生器发展趋势2.2.1低频信号发生器基本组成2.2低频信号发生器主振荡器缓冲放大衰减功率放大阻抗变换电压表电压输出功率输出图2-1低频信号发生器方框图2.2.2低频信号发生器工作原理1．主振荡器0112212fRCRC主振荡器采用RC文氏电挢振荡电路，它具有输出波形好、振幅稳定、频率范围宽及频率调节方便等优点。图2-2RC文氏桥振荡电路R1R2C1C2RtRAU0+-)(31)(31)1(31)(0000212ffffjjCRCRjZZZUUjNioRCfRC21,1003/)(arctan)()(31)()(0022002jNN当ω=ω0=1/RC;N(ω)=1/3;K=3时，电路起振，并维持振荡。（1）工作原理（2）频率调整（3）温度补偿2、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，步进调节由电阻分压器实现。3、功率放大器4、阻抗变换器5、电压表2.2.3低频信号发生器的使用1、频率选择：（1）根据所需频段按下相应“频率范围”按钮或波段开关，然后再用按键开关上面的“频率调节1、2、3旋钮按照十进制原则进行细调。例如：“频率范围”指10～100kHz档，“频率调节×1”指4，“频率调节×0.1”指8，“频率调节×0．01”指7，则此时输出频率为48.7kHz。若产生465KHz信号则：“频率范围”指100～1000kHz档，“频率调节×1”指4，“频率调节×0.1”指6，“频率调节×0．01”指5，XD-2低频信号发生器面板2、输出电压调整：用电缆直接从“电压输出”插口引出。通过调节输出衰减旋钮和输出细调旋钮，可以得到需要的输出电压。电压输出端钮上的负载应大于5kΩ.例如：欲得到1mV电压，可调整“输出细调”使电压表指示1V；再调整“输出衰减”开关指到“60dB”。2.3.1高频信号发生器基本组成2.3高频信号发生器图2-3高频信号发生器方框图主振荡器缓冲放大衰减输出级调制级电压表输出调制振荡器调制度2.3.2高频信号发生器工作原理1．主振荡器主振荡器采用LC振荡电路，按其反馈形式，可分为变压器反馈式、电感反馈式（电感三点式或哈特来式）和电容反馈式（电容三点式或考毕兹式）三种电路形式。通过切换电感改变波段，通过改变振荡回路电容调整频率。通常用改变电感来切换频段，改变电容c进行频段内频率细调。ebcC1C2LebccbeCL1L1L2L2变压器反馈式振荡器012fLC电感反馈式振荡器电容反馈是振荡器01212()fLLC0121212fCCLCC3、内调制振荡器一般高频信号发生器产生的内调制信号有400Hz和1kHz两种。缓冲放大器通常采用调谐放大器，其作用：一是放大振荡器输出的高频信号电压；二是在输出器和振荡器间起隔离作用(因此也叫缓冲放大器)以提高振荡频率稳定性；三是兼作调幅信号的调幅器，（调频一般是在振荡级直接进行，比如用改变偏压的方法改变LC振荡器中电容以达到调频的目的）。2、缓冲放大器4、输出级其电路主要由放大器、滤波器和衰减器等组成。XFC-6标准信号发生器①频率范围100KHz～300MHz，分八档；②输出电压在端接75Ω负载上为0.05μV一50mV连续可调；③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。2.3.3高频信号发生器的使用XFC—6标准信号发生器组成框图1、频率选择：（1）根据所需频率将“频率范围”开关转到相应位置；（2）然后再用“频率调节”旋钮调到需要的频率。2、输出电压调整：3、调幅度调整：2.4函数信号发生器函数信号发生器实际上是一种多波形信号源，可以输出正弦波、方波、三角波、锯齿波等信号。目前函数发生器输出信号的重复频率可达50MHz。除了作为正弦信号源使用之外，还可以用来测试各种电路和机电设备的瞬态特性．数字电路的逻辑功能、模数转换器（A/D）、压控振荡器以及锁相环的性能。产生信号的方法有三种：一种是用施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波。第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波。第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波。•施密特触发器用来产生方波。方波信号送至积分器。通常积分器使用线性很好的密勒积分电路，于是在积分器输出端可得到三角波信号。•三角波经过非线性网络形成正弦波。•用分段折线逼近的方法来实现。例如若一个电路具有如图2－15（a）所示的电路特性，将三角波加到该电路后，能得到如图2-15（b）所示的波形。由图可见，这种网络对信号的衰减会随三角波幅度的加大而增加，产生削顶，从而使输出波形向正弦波逼近，如果折线段选得足够多，并适当选择转折点的位置，便能得到非常逼真的正弦波。2.4.1由方波产生三角波、正弦波施密特触发器积分器正弦波转换器放大器输出用二极管组成的正弦波形成电路如下图：用二极管和电阻构成三角波的“限幅”电路，它实际上是一个由输入三角波Vi控制的可变分压器。在三角波的正半周，当Vi的瞬时值很小时，所有的二极管都被偏置电压＋E和－E截止，输入三角波经过电阻R直接输送到输出端作为V0。当三角波的瞬时电压Vi上升到:112345AiAAAAARVERRRRR时二极管D1A导通，于是由电阻R1、R1A和R组成的分压器接通，使三角波通过该分压器输送到输出端，且输出电压V0为:11011AARRVERRR随着三角波电压（Vi）瞬时值不断上升，二极管D2A、D3A、D4A将依次导通，使分压器的分压比逐渐减小，从而使三角波趋于正弦波。在三角波的正峰过后就是斜降过程，由于瞬时电压逐渐下降，二极管D4A、D3A、D2A、D1A又相继截止。进入负半周后二极管D1B、D2B、D3B、D4B也按同样的过程相继导通和截止，从而在输出端得到正弦波V0.（1）集成度高，外围元件少。（2）可同时产生正弦波、三角波和方波。（3）电源电压范围宽，可单、双电源供电。（4）工作频率在0.001Hz～300kHz范围内可调节。（5）输出脉冲（或方波）电平可在4.2V到28V。（6）输出脉冲波占空系数可在1～99%范围内调节。（7）输出正弦波失真小于1%；三角波输出线性度可优于0.1%；输出各类波形的频率漂移小于50ppm/℃；2.4.2函数产生器专用集成电路1、单片函数信号发生器ICL80381.正弦波线性调节；2.正弦波输出；3.三角波输出；4.占空比调节；5.占空比调节；6.正电源；7.调频偏置电压；8.调频控制输入端；9.方波输出（集电极开路输出）；10.外接电容；11.负电源或接地；12.正弦波线性调节；13、14.空脚。2、MAX038型单片集成电路（1）能产生精确的高频正弦波、矩形波（含方波）、三角波和锯齿波，输出波形既可以人工设定，亦可以由微机或其它数字手段控制。（2）频率范围很宽，从0.1Hz直到20MHz，最高可达40MHz，频率设定分为粗调和细调两种。改变振荡电容充、放电电流，可以大幅度调节频率，改变FADJ端的电位，能对频率进行精细调节；（3）输出电压幅度均为2VP-P，对于地电位而言则是－1V～＋1V，输出阻抗小于0.1Ω，低阻抗输出能力可以达到±20mA。（4）占空比调节范围宽，最大调节范围为10％～90％（一般应用在15％～85%的范围内），且占空比与频率均可单独调节，互不影响。（5）输出波形失真小，正弦波总谐波失真度仅为0.75％，占空比调节的非线性度只有20％。集成电路MAX038有20个引脚，其直插式封装引脚排列，引脚名称及功能如表下：•1脚（REF）2.5V基准电压输出端；•2脚（GND）地；•3脚（A0）和4脚（A1）波形选择输入,TTL/CMOS兼容；•5脚（COSC）外部电容接线端；•6脚（GND）地；•7脚（DADJ）占空比调节输入端；•8脚（FADJ）频率调节输入端；•9脚（GND）地；•10脚（IIN）频率控制电流输入端；•11脚（GND）地；•12脚（PDO）相位检测器输出端，若相位检测器不用，可将此端接地；•13脚（PDI）相位检测器参考时钟输入端，若相位检测器不用，可将其接地；•14脚（SYNC）TTL/CMOS兼容输出端，参考值在DV+和地之间，可以使内部振荡器与外部信号同步；若此脚不用；则让它开路；•15脚（DGND）数字地，为使SYNC失效或SYNC不用，则让它开路；•16脚（DV+）数字＋5V供电输入端，如果不用SYNC，则让它开路；•17脚（V+）+5V供电输入端；•18脚（GND）地；•19脚（OUT）正弦波、方波、三角波输出端；•20脚（V-）－5V供电输入端。注意：五个地(GND)在内部没有互相连接，应用时要把五个地连接到靠近芯片的一个近地点。随着电子科学技术的发展，对信号频率的稳定度和准确度提出了愈来愈高的要求。例如在无线电通信系统中，蜂窝通信频段在912MHz并以30kHz步进。为此，信号频率稳定度的要求必须优于10-6。同样，在电子测量技术中，频率的稳定和准确度是信号源的一个重要的技术指标。RC、LC为主振级的信号源中，频率准确度达10-2量级，频率稳定度达10-3～10-4量级，远远不能满足现代电子测量和无线电通信等方面的要求。以石英晶体组成的振荡器日稳定度优于10-8量级，但是它只能产生某些特定的频率。2.5合成信号发生器频率合成技术，该技术是对一个或几个高稳定度频率源进行加、减、乘、除算术运算，得到一系列所要求的频率。频率的加、减通过混频获得，乘、除通过倍频、分频获得，采用锁相环也可实现加、减、乘、除运算。合成信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。2.5.1合成信号源的主要技术指标（1）频率准确度和稳定度取决于内部基准源，一般能达到10-8/日或更好的水平。HP8663A合成信号发生器的频率稳定度已达到5×10-10/日。（2）频率分辨力由于合成信号源频率稳定度较高，所以分辨力也较好，可达（0.01～10）Ｈz。（3）相位噪声：信号相位的随机变化称为相位噪声，相位噪声要引起频率稳定度下降。在合成信号源中，由于其频率稳定度较高，所以对相位噪声也应该严格限制，通常宽带相位噪声应低于-60dB，远端相位噪声（功率谱密度）应低于-120dB/Hz。（4）相位杂散在频率合成的过程中常常会产生各种寄生频率分量，称为相位杂散。相位杂散一般限制在-70dB以下。•需要说明的是：在频域里，相位杂散是在信号谱两旁呈对称的离散谱线分布；而相位噪声则在两旁呈连续分布。（5）频率转换速度指信号源的输出从一个频率变换到另一个频率所需时间。直接合成信号源的转换时间为微秒量级，而间接合成则需毫秒量