电子测量第三章信号发生器1

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射频合成信号发生器简介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信号源按频率划分表名称频率范围主要应用领域超低频信号发生器低频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz电声学、声纳电报通讯无线电广播广播、电报电视、调频广播、导航雷达、导航、气象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）老化率只考虑系统误差，反映较长时间内频率变化的平均效果。日老化率：反映一天内频率的变化与频率标称值的比值。)24(0hffK阿仑方差：只考虑随机误差，反映频率在很短时间内的变化。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。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3.2模拟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。一、低频信号发生器二、高频信号发生器三、函数信号发生器四、脉冲信号发生器3.2.1低频信号发生器图3.3低频信号源组成框图主振器放大器衰减器输出电压指示(a)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波段式差频式1.频率覆盖系数：频率覆盖范围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：0112212fRCRC（3.8）选频网络放大器放大器0º180º180ºU0输出(f0)R1AR1R3C1C2R2•LCf210在低频信号发生器中为何不采用LC振荡器？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。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即RC振荡器在一个波段内有较大的频率覆盖系数。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CCffk3.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：（1）频率范围：1Hz～1MHz分频段，均匀连续可调（2）频率稳定度：优于0.1%（3）非线性失真：＜0.1%～1%（4）输出电压：0V～10V（5）输出功率：0.5W～5W连续可调（6）输出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ（7）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。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L1CL2Ln....波段划分：若要扩大频率范围，必须变更电感L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。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；脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号发生器中。标准调制：F=1000Hzm=30%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。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，有准确且固定的输出阻抗。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组成正弦振荡器缓冲级放大级输出级方波形成积分器（a）（b）积分器外触发输入施密特触发器脉冲触发器正弦波转换电路放大器（a）正弦式（b）脉冲式3.3合成信号发生器频率合成的方法直接模拟频率合成法（DAFS）直接数字频率合成法（DDFS）间接锁相式合成法（DirectAnalogFrequencySynthesis）（DirectDigitalFrequencySynthesis）信号源主振级频率准确度频率稳定度通用信号源RC、LC振荡器10-2量级10-3～10-4合成信号源晶体振荡器10-8量级10-7量级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，且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。1.固定频率合成法图3.15固定频率合成法原理晶体振荡器÷D×Nfrfo图3.15为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供基准频率rf，D为分频器的分频系数，N为倍频器的倍频系数。因此，图3.15固定频率合成法输出频率0f为rfDNf0在式中，D和N均为给定的正整数。输出频率人为定值，所以称为固定频率合成法。2.可变频率合成法3210M带通13MHz10MHz41M2M34混频(+)图3.16十进频率合成法原理……fi1÷10++÷10÷10++÷10++÷10++频率选择开关辅助基准频率发生器2.00～2.09MHz2.000～2.099MHz2.0000～2.0999MHz2.00000～2.099999MHzfofi2fi3fi4f1f2f3f4fr2.0～2.9MHzF=16MHz2MHz5MHz11ifFf=[2＋16＋(2.0～2.9)]MHz=(20.0～20.9)MHz0f=（2.00000～2.09999）MHz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（因信号源要求频率范围宽）目前大多数跳频电台中使用的频率合成器采用的是锁相环（PLL）频率合成技术，频率转换速度已经接近其极限，且分辨率较低。直接式数字频合器(DDS），具有频率分辨率高，频率转换时间快，输出频率可以很高而且稳定性好，相位噪声低等优点，可满足快速跳频电台对频率合成器的要求。例如在美国的JTIDS中，跳速达到每秒35800跳，只有采用直接数字频合器才能实现。但是DDS的价格昂贵，复杂度大，直接用于战术跳频电台有一定的难度。如果采用DDS+PLL的方法，结合两者的长处，可以获得单一技术难以达到的效果。3.3.2直接数字频率合成法直接数字合成法（DDS，DirectDigitalFrequencySynthests）。它突破了频率合成法的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至可以给出各种任意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无法实现的。这里先讨论正弦波的合成问题，关于任