电子仪器与测量 第3章信号发生器

第3章信号发生器本章要点测量用信号发生器，通常称为信号源。信号源的功用、种类和主要性能指标通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用合成信号源的组成原理、特性和应用频率合成技术的发展状况射频率合成信号发生器（数字调制信号源、矢量信号源）---新增内容3.1信号发生器概述3.1.1信号发生器的功用1.作激励源作为某些电气设备的激励信号。2.信号仿真在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特性的信号，如对干扰信号进行仿真。3.校准源产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准（或比对）。图3.1信号源的功用输入激励信号发生器被测设备测试仪器输出响应3.1.2信号发生器的分类1.按用途分专用----电视信号发生器、电平振荡器、误码仪通用----产生正弦:波等通用波形3.按性能分普通----功率大，频率、电压刻度不大准确，用于天线测试等标准----频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用2.按波形分正弦----脉冲----函数----产生函数通用波形噪声----ttttt4.按频率产生办法分谐振----由频率选择回路控制正反馈产生振荡。合成----由基准频率通过加、减、乘、除组合一系列频率。5.按频率范围分无低频高频微波频段频率范围主振电路调制方式RC电路1Hz~1MHz磁控管、体效应管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC电路AM、FM、PMAM、FM表3.1频段的划分50%36%14%超音频音频亚音频100%0%视频射频0101001K10K100K1M10M100M1G10G100G1T300K1Km300M1m3G1dm1cm1mm30G300Gf(Hz)极高频毫米波超高频厘米波特高频分米波甚高频米波高频短波中高频中短波中频中波低频长波甚低频超长波中波短波超波微波通信广播通信电视雷达探伤加热感应加热(应用)λ实用频段划频率与波长的关系（λ=C/f，C=3×108m）0tU名称波形示意图主要特性正弦波信号正弦波是电子系统中最基本的测试信号，频率从µHz至几十GHz。大多信号源都具备正弦波输出。函数信号通常包含正弦波、方波、三角波三种，有的还包含锯齿波、脉冲波、梯形波、阶梯波等波形，频率从几Hz至上百MHz。扫频信号频率可在某区间有规律地扫动，多为用锯齿波进行线性扫频。多数扫频源是以正弦波扫频，也有以方波、三角波扫频。还有非线性的对数扫频。脉冲信号输出的脉冲信号可按需要设置其重复频率、脉冲宽度、占空比、上升及下降时间等参数。脉冲信号有的还有双脉冲输出。数字信号可按编码要求产生0/1逻辑电平（多为TTL或ECL电平），也称数据发生器、图形或模式发生器。通常是具备多路数字输出的。噪声信号提供随机噪声信号，具有很宽的均匀频谱。常用于测量接收机的噪声系数或调制到高频、射频载波上作干扰源。伪随机信号是一串0/1电平随机编码的数字序列信号，因其序列周期相当长（在足够宽的频带内产生相当平坦的离散频谱），故有点类似随机信号。任意波形能产生任意形状的模拟信号，例如：模仿产生心电图、雷电干扰、机械运动等形状复杂的波形。调制信号将模拟信号或数字信号调制到射频载波信号上，以便于远程传输。通常调制方式有：调幅、调频、调相、脉冲调制、数字调制等。数字矢量信号通过正交调制（I-Q调制），可以同时传递幅度和相位信息，故称为数字矢量信号源。该内容将在本章3.4节射频信号发生器中介绍。3.1.3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。1.频率范围指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。2.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%100000fffff（3.1）3.频率稳定度频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率稳定度来保证的。频率稳定度是指其它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，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。%1000minmaxfff短期：15分钟内长期：3小时内（3.2）4.失真度与频谱纯度定义%100122322UUUUn测量：低频信号发生器用失真系数2222322212100%nnUUUUUU高频信号发生器用频谱纯度20lg80~100SnUdBUUSUnfAfAtU5.输出阻抗低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Ω（或1kΩ）功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等档高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω档。信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。6.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输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。讨论：信号源输出：100mv示波器显示：200mv信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波有效值标定的。7.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AM信号和调频FM信号，有些还带有调相和脉冲调制PM等功能50Ω50Ω，匹配时100mv200mv不匹配时，不确知。示波器输入阻抗高约1MΩ，故显示200mv不匹配时，不确知。示波器输入阻抗高约1MΩ，故显示200mv为什么？3.2通用信号发生器本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，以区别后面介绍的合成信号发生器。专业课讲系统、整机的组成的框图原理、特点及实例基础课讲部件、单元电路如振荡器、放大器等单元模拟电路课程特点例：超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展，但框图原理未变。高放天线混频器中放检波低放功放本振3.2.1低频信号发生器主振器放大器衰减器输出电压指示(a)图3.3低频信号源组成框图输出(b)固定频率振荡器可变频率振荡器混频器滤波放大衰减器f2=3.4000MHzf1=3.3997~5.1000MHzf0=300Hz~1.7000MHz频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示：minmaxffk（3.7）以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器）为例，f1=3.3997MHz～5.1000MHz，f2=3.4000MHz，则f0=300Hz～1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数301063007000.1HzMHzk而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为5.13997.31000.51k可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。2.主振荡器的特点低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器，其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。其振荡频率决定于RC式反馈网络的谐振频率，表达式为：RCf210（3.8）选频网络放大器放大器0º180º180ºU0输出(f0)R1AR1R3C1C2R2•振荡条件？LCf210在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的LC振荡器呢？这是因为LC振荡器的频率决定于：（3.9）原因①频率较低时，L、C数值大，相应的体积、重量也相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在RC振荡器中，频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。原因②在LC振荡器中LCf与0成反比，因而同一波段内频率覆盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容器调节范围为40pF～450pF，则频率覆盖系数为340450minmaxminmaxCCffk而用RC振荡器，由（3.8）式可知，RCf与0成反比，频率覆盖系数为1140450minmaxminmaxCCffk在一个波段内有较大的频率覆盖系数。3.低频信号发生器的主要技术特性目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下：频率范围：1Hz～1MHz分频段，均匀连续可调频率稳定度：优于0.1%非线性失真：＜0.1%～1%输出电压：0V～10V输出功率：0.5W～5W连续可调输出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ输出形式：平衡输出与不平衡输出3.2.2高频信号发生器1.高频信号发生器的组成原理图3.4高频信号发生器原理框图主振级缓冲级调制级输出级监测器输出电源内调制振荡器可变电抗器外调制输入AMFM内外标准调制：F=1000Hzm=30%若语音调制则成小电台l)主振级主振级通常是LC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率范围的正弦信号。高频信号发生器主振级的LC振荡器，通常是固定电感L，通过改变电容C来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算：3~22121minmaxmaxminminmaxCCLCLCffk图3.4LC回路L1CL2Ln....三点式振荡器例3.1XFC-6型高频信号发生器f=4MHz～300MHz，试问应划分几个波段？754300knkkknklglg835.7254.087.18.1lg75lg9.0lglgkkn上式中0.9k的含义是让单回路覆盖系数取小—些，这里取k=2，以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n=8，即要划分8个波段。这时相邻波段的电感值可按下式计算。21kLLnn（3.11）（3.10）2)缓冲级它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级。3)调制级为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于100kHz～35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般采用正弦调制。调频主要用于30MHz～1000MHz信号发生器中，还有线性扫频。脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号源中。4)输出级输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到μV数量级。输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。标准调制：F=1000Hzm=30%2.高频信号发生器的使用信号发生器是向外提供激励信号的仪器，使用比较简单容易。主要调节输出频率和幅度，关键是注意其使用说明书上输出幅度是如何标定的，然后才能正确读数。1)输出频率的读数LC振荡器，通过调节电容来改变输出频率的，调节频率时来回转动时其齿轮的回差会给频率读数带来误差，因此频率准确度不太高，通常只有±1％左右。2)输出幅度的读数RsUsRs(输出阻抗)Us(电动势)RL(负载)(a)信号源等效模型（b）加载等效电路UO图3.6信号源模型及加载等效电路输出电阻常取50、75、150、600欧姆等数值输出电压显示值均为阻抗匹配时信号源输出端电压值:V、mV、μV；或分贝电平dBm（分贝毫瓦）、dBV（分贝伏）的电压。浮地信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。RiR0RbRbRbRbRLR0RaRaRa3）输出匹配变换器图3.8阻抗匹配信号源被测设备阻抗变换器(a)221(1)41.84SLRRRNN2212118.7SSLRRRRRR2232149LSLRRRRRRdBN1016.3lg20lg20(b)R3R1Rs50ΩR2RL75ΩRsRL美国夏威夷大学曾来电询问如何设计？3.2.3脉冲信号发生器外同步放大主振级同步输出外同步输入延迟级形成级整形级输出级主脉冲acbdefabcdetzτtrfUtttTU0tUm0.9Um0.1UmδΔU0.5UmτtrtfΔ矩形脉冲的参数3.2.4函数信号发生器图3.12函数信号发生器的基本