第3章 信号发生器

null 第2章 信号发生器 第2章 信号发生器2.1 信号发生器概述2.1 信号发生器概述 一、信号发生器的用途 在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，’由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件、设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析确定它们的性能参数，如图2.1—l所示。 null 这种提供测试用电信号的装置，统称为信号发生器，用在电子测量领域，也称为测试信号发生器。和示波器、电压表、频率计等仪器一样，信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。除了电子技术尤其是电子测量，信号发生器在其他领域也有广泛应用，例如机械部门的超声波探伤，医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。 null图2.1—1 测试信号发生器null 二、信号发生器的分类 信号发生器应用广泛，种类型号繁多，性能各异，分类 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 也不尽一致，下面介绍几种常见的分类。 l.按频率范围分类 按照输出信号的频率范围，有表2.1—1所示的划分。 null表2.1—1null 2．按输出波形分类 根据使用要求，信号发生器可以输出不．同波形的信号，图2.1—2是其中几种典型波形。按照输出信号的波形特性，信号发生器可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦信号发生器又可包括：脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列信号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等.null图2.1—2 几种典型的信号波形null 2.按信号发生器的性能分类 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。前者指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类发生器；后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。null 还有其他的分类方法。比如按照使用范围，可分为通用和专用信号发生器(例如电声行业中使用的立体声和调频立体声信号发生器就属于专用信号发生器)；按照调节方式，可分为普通信号发生器、扫频信号发生器和程控信号发生器；按照频率产生方法又可分为谐振信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器等。null 上面所述仅是常用的几种分类方式，而且是大致的分类。随着电子技术水平的不断发展，信号发生器的功能越来越齐全，性能越来越优良，同一台信号发生器往往具有相当宽的频率复盖，又具有输出多种波形信号的功能。例如国产EEl631型函数信号发生器，频率复盖范围为0．005H2～40MHz，跨越了超低频、低频、视频、高频到甚高频几个频段，可以输出包括正弦波、三角波＼方波、锯齿波、脉冲波、调幅波、调频波及TTL波等多种波形的信号。 null 三、信号发生器的基本构成 虽然各类信号发生器产生信号的方法及功能各有不同，但其基本的构成一般都可用图2.1—3的框图描述，下面对框图中各个部分作扼要介绍.振荡器：振荡器是信号发生器的核心部分，由它产生不同频率、不同波形的信号。产生不同频段、不同波形信号的振荡器原理、结构差别很大。null图2.1—3信号发生器原理框图null 变换器：可以是电压放大器、功率放大器、调制器或整形器。一般情况下，振荡器输出的信号都较微弱，需在该部分加以放大。还有像调幅、调频等信号，也需在这部分由调制信号对载频加以调制。而像函数发生器，振荡器输出的是三角波，需在这里由整形电路整形成方波或正弦波。 输出级：其基本功能是调节输出信号的电平和输出阻抗，可以是衰减器、匹配变压器和射极跟随器等。null 指示器：指示器用来监视输出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计和调 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 表等，有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器。使用时可通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其他特性。通常情况下指示器接于衰减器之前，并且由于指示仪表本身准确度不高，其示值仅供参考，从输出端输出信号的实际特性需用其他更准确的测量仪表来测量。 电源：提供信号发生器各部分的工作电源电压。通常是将50Hz交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。null 四、信号发生器的发展趋势 由于电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及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，尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器除带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外，还带有IEEE-488或RS232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。null 当前信号发生器总的趋势是向着宽频率复盖＼高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。我们将在后面各节陆续介绍当前各类有代表性信号发生器的性能指标。 2.2 正弦信号发生器的性能指标 2.2 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。其原因除了正弦信号容易产生，容易描述又是应用最广的载波信号外，还由于任何线性双口网络的特性，都可以用它对正弦信号的响应采表征。显然，由于信号发生器作为测量系统的激励源，被测器件、设备各项性能参数的测量质量，将直接依赖于信号发生器的性能。 null 通常用频率特性、输出特性和调制特性(俗称三大指标)来 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 正弦信号发生器的性能，其中包括30余项具体指标。不过由于各种仪器的用途不同，精度等级不同，并非每类每台产品都用全部指标进行考核。另外各生产厂家出厂检验标准及技术说明书中的术语也不尽一致。本节仅介绍信号发生器中几项最基本最常用的性能指标。 null 一、频率范围 指信号发生器所产生的信号频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率复盖，在此范围内应满足全部误差要求。例如国产XDl型信号发生器，输，出信号频率范围为1Hz～1MHz，分六档即六个频段，为了保证有效频率范围连续，两相邻频段间有相互衔接的公共部分即频段重迭。又如(美)HP公司HP—8660C型频率合成器产生的正弦信号的频率范围为主0kHz～2 600MHz，可提供间隔为1Hz总共近26亿个分立频率。 null 二、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（2.2-1）null 式中f0为度盘或数字显示数值，也称预调值， f1是输出正弦信号频率的实际值。频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。用度盘读数的信号发生器频率准确度约为±(1％～10％)，精密低频信号发生器频率准确度可达±0.5％o例如调谐式XFC—6型标准信号发生器，其频率准确度优于±1％，而一些采用频率合成技术带有数字显示的信号发生器，其输出频率具有基准频率(晶振)的准确度，若机内采用高稳定度晶体振荡器，输出频率的准确度可达到l0-8～10-10。null 三、频率稳定度 频率稳定度指标要求与频率准确度相关。频率稳定度是指其他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，频率稳定度又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。频率短期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意1.5min内所发生的最大变化，表示为（2.2-2）null 式中fo为预调频率，fmax、fmin分别为任意15min信号频率的最大值和最小值。频率长期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意3h内所发生的最大变化，表示为： 预调频率的 （2.2-3）式中x、y是由厂家确定的性能指标值。null 四、由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量 在第一章第§1．4节中曾提到测量仪器的稳定性指标，其一为稳定度，其二为影响量。前述规定时间间隔内的频率漂移即稳定度，而由温度、电源、负载变化等外界因素造成的频率漂移(或变动)即为影响量. (l)温度引起的变动量 环境温度每变化工℃所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的x.10-6℃，即（2.2-4） 式中△t为温度变化值，f0为预调值， f1为温度改变后的频率值.null (2) 电源引起的频率变动量 供电电源变化±10％所产生的相对频率变化，表示为： ，即（2.2-5）null (3)负载变化引起的频率变动量 负载电阻从开路变化到额定值时所引起的相对频率变化，表示为： ，即（2.2-6） 式中f1为空载时的输出频率，f2为额定负载时的输出频率。null 五、非线性失真系数(失真度) 正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正弦波，但由于信号发生器内部放大器等元、器件的非线性，会使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率外， 还有其他谐波分量。人们通常用信号频谱纯度来说明输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数 表示：（2.2-7）null 式中U1为输出信号基波有效值， 为各次谐波有效值。由于 等较U1小得多，为了测量上的方便，也用下面公式定义y： （2.2-8）null 六、输出阻抗 作为信号源，输出阻抗的概念在“电路”或“电子电路”课程中都有说明。信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Q(或1 kΩ )，功率输出端依输出匹配变压器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。null 七、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大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。输出幅度可用电压(V，mV， V)或分贝表示。例如XD-1低频信号发生器的最大电压输出为lHz～1MHz，>5V，最大功率输出为10Hz～700kHz(50 Ω 、75 Ω 、150 Ω 、600 Ω)，>4W。 null 八、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，多数情况下是调幅信号和调频信号，有些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，当调制信号由外部加到信号发生器进行调制时，称为外调制。这类带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收发设备等场合不可缺少的仪器。null 例如xFC—6标准信号发生器，就具备内、外调幅，内、外调频，或进行内调幅时同时进行外调频，或同时进行外调幅与外调频等功能。而像HP8663这类高档合成信号发生器，同时具有调幅、调频、调相、脉冲调制等多种调制功能。 2.3 低频信号发生器2.3 低频信号发生器 一、低频信号发生器 1．低频信号发生器主要性能指标 通用低频信号发生器的主要性能指标：①频率范围为lHz～1MHz连续可调；②频率稳定度(0.1～0.4)％／h；⑧频率准确度±(1～2)％；④输出电压0—10v连续可调；⑤ 输出功率约(0.5～5)w连续可调；⑥非线性失真(0.1 ～ 1)％；⑦输出阻抗可为50 Ω 、 75 Ω 、150 Ω 、 600 及5k Ω 。 null 2．低频信号发生器组成框图 通用低频信号发生器的组成框图如图2.3-1所示。图(a)仅包括电压输出，负载能力 弱。图(b)除包括电压输出外，另有功率输出能力o 2. 通用RC振荡器 低频信号发生器中产生振荡信号(图2.3-1中主振器)的方法有多种，在通用信号发生器(如XD-1 、 XD-2、XD-7)中，主振器通常使用RC振荡器，而其中应用最多的当属 文氏桥振荡器。null图2.3—1 低频信号发生器框图null图2.3—1 低频信号发生器框图null图2.3—2 RC文氏桥网络null图2.3—2 RC文氏桥网络null 图2.3-2给出了文氏桥式网络及其传输函数的幅频相频特性。我们简要分析其工作原理。在图(a)中， 是网络的输入电压， 是输出电压，Z1为R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗，则网络的传输函数（2.3-1）null式中（2.3-2） 由式(3。3—1)得到传输函数的幅频特性 和相频 特性 分别为 （2.3-3）（2.3-4）null 和 分别示于图2.3-2中(b)和©.由图(b)、(c)可以看出：当 ，或 时，输出信号与输入信号同相，且此时传输函数模最大 ，如果输出信号 后接放大倍数 的同相放大器(一般 由两级反相放大器级联实现)，那么就可以维持 或者 的正弦振荡，而 由于RC网络的选频特性，其他频率的信号将被抑制。null 但是，放大倍数Kv＝3的放大器是不稳定的，同时由于文氏桥电路的选频特性很差，放大器增益不稳，不但会引起振荡振幅变化，还会造成输出波形失真。因此，总是使用高增益的二级放大器加上负反馈，使得在维持振荡期间，总电压增益为3，这样就形成了图3，3—3所示的文氏桥振荡电路。图中负温度系数热敏电阻Rt和电阻Rf就构成了电压负反馈电路。null 热敏电阻只，的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减小，当由于各种原因引起输出电压增大时，由于该电压也直接接在Rt、Rf串联电路，流过Rt的电流也随之增加而导致Rt阻值降低，负反馈加大，放大器总增益降低，使输出电压减小，达到稳定输出信号振幅的目的。而在振荡器起振阶段，由于Rt温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于3，振荡器容易起振。 null 图2.3—3 使用热敏电阻Rt作为增益控制器件的 文氏桥式振荡器方框图null 由式(2.3—2)可知，改变电阻R和电容C数值可调节振荡频率。可以使用同轴电阻器改变电阻R进行粗调，使得换档时频率变化10倍，而用改变双联同轴电容C的方法在一个波段内进行频率细调。图2.3—4是XD—2型低频信号发生器中的月C振荡器部分电路。null 在上边的分析中，没有考虑放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro的影响， Ri和Ro对RC 网络的影口向如图2.3—5所示，由图不难看出，应使Ri尽可能大而Ro尽可能小。为此实际振荡器电路中放大器输入级常采用场效应管，以提高输入阻抗Ri，输出时加接射极跟随器，以降低输出阻抗Ro. null图2.3—4 XD—2低频信号发生器中的RC振荡器null图2.3—5 放大器输入输出阻抗对 RC网络的影响null 4．其他低频振荡器 (l) LC振荡器 当谈到正弦振荡时，很容易想到用L、C构成谐振电路和晶体管放大器来实现。实际上基本不用这种电路做为低频信号发生器的主振荡器。这是因 为对L、C振荡电路，振荡频率 当频率较低时， L、C的体积都相当大，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，且调节困难。其次，由于f0与 null 成反比，因而同一频段内的频率复盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容调节范围为 40～450pF，则频率复盖系数(2.3-5) 如果用只C桥式振荡器，仍以上面的情况为例，根据 式(2.3—2)，可以得到频率复盖系数(2.3-6)null 事实上，例如以RC文氏桥电路构成振荡器的XD-1型低频信号源，信号频率范围为1kHz ～1MHz，分为6个频段，每个频段内的频率复盖系数均为主0。null (2)差频式振荡器 差频式低频信号发生器框图示于图2.3-60框图中可变频率振荡器和固定频率振荡器分别产生可变频率的高频振荡f1和固定频率的高频振荡f2，经过混频器M产生两者差频信号f＝ f1 – f2 ，后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高频分量。当可变频率振荡器频率从f1max变成f1min时，低通滤波器后就得到了fmax ～ fmin的低频信号，再经放大器和输出衰减器后得到所需要的低频信号。这种方法的主要缺点是电路复杂，频率准确度、稳定度较差，波形失真较大；最大的优点是容易做到在整个低频段内频率可连续调节而不用更换波段，输出电平也较均匀，所以常用在扫频振荡器中。null图2.3—6 差频信号发生器框图null 5．XD—l型低频信号发生器 由于低频信号发生器应用非常广泛和频繁，我们以XD—1型低频信号发生器为例，介 绍其主要技术指标和简要使用方法.null (1)主要技术指标 频率范围：lHz～1MHz，分成1Hz一10Hz～100Hz～1kHz～10kHz一100kHz～1MHz六个频段(六档)。 频率漂移：预热30min后，第一小时内， I档，≤0．4％；Ⅵ档，≤0．2％；Ⅱ～V档， ≤0，工％，其后7小时内， I档，≤0．8％； Ⅵ档，≤0．4％； Ⅱ～V档，≤0．2％。 null 频率特性(输出信号幅频特性)：电压输出<±ldB；功率输出，10Hz～100kHz (50Ω 、75Ω 、150Ω 、600Ω 、 5 kΩ )，≤±2dB 100～700kHz(50Ω 、75 Ω 、1，50 Ω 、 600Ω )，≤13dB；100～200kHz(5 kΩ )，≤±3dB。 输出：电压输出，lHz～1MHz，>5V；最大功率输出，10Hz～7 0 0kHz(5 0Ω 、 75 Ω 、 150Ω 、 600 Ω )， 10 Hz～200 kHz(5 kΩ )， >4W。null 非线性失真：电压输出，20Hz ～ 20kHz，<0.1％；功率输出，20Hz～20kHz，<0.5％。 衰减器：电压输出，lHz～1MHz衰减≤80dB ± l.5dB；功率输出，10Hz ～ 100kHz衰减≤80dB ± 3dB，100kHz～700kHz衰减≤80dB ± 2.5dB。 交流电压表：5V、15V、5 0V、15 0V四档， ≤±5％，电压表输入电阻、电容： ≥100kΩ ，≤50pF。 电源：220V ± 10％，50Hz，50VA。 null (2)使用 参考图2.3-7所示XD-1低频信号发生器框图。 频率选择：根据所需频段按下“频率范围”按钮，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 48．7 kHz。null图2.3—7 XD—1低频信号发生器框图null 电压输出：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，可以得到较好的非线性失真(<0.1％)、 较小的电压输出(<200 V)和小电压下较高的信噪比。最大电压输出5V，输出阻抗随输出衰减的分贝数变化而变化。为了保证衰减的准确性及输出波形不变坏，电压输出端钮上的负载应大于5kΩ . null 功率输出：将功率开关按下，用电缆直接从功率输出插口引出。为了获得大功率输出，应考虑阻抗匹配，适当选择输出阻抗。当负载为高阻抗，且输出频率接近低高两端，即接近10Hz或几百kHz时，为保证有足够的功率输出，应将面板右侧“内负载”键按下，接通内负载。null 过载保护：刚开机时，过载保护指示灯亮，约5～6s后熄灭，表示进入工作状态。若负载阻抗过小，过载指示灯会再次闪亮，表示已经过载，机内过载保护电路动作，此时应加大负载阻抗值(即减轻负载)，使灯熄灭。null 交流电压表：该电压表可做“内测”与“外测”o测量开关拨向“外测”时，它做为一般交流电压表测量外部电压大小。当开关拨向“内测”时，它做为信号发生器输出指示，由于它位于输出衰减器之前，因此实际输出电压应根据电压表指示值与输出衰减分贝数按表2.3—l计算。null表2.3—lnull 二、超低频信号发生器 超低频信号发生器实际上仍属于低频信号发生器，只是输出信号频率低端较一般低频信号发生器更低一些，通常将能产生士Hz以下频率的信号源称为超低频信号发生器，目前超低频信号发生器的频率低端已可低于10-8 Hz.这类信号发生器主要用于自动控制系统的 测试。null 在电子测量仪器的门类划分中，并不把超低频信号发生器单列一类，我们仅出于从产生低频振荡的方法不同考虑，将其单独列出加以叙述，其实这些产生低频振荡的方法，有时也用在一般低频信号发生器中。除了输出信号频率范围往低端延伸外，超低频信号发生器和一般低频信号发生器技术指标基本相同。下面我们主要介绍产生超低频振荡的几种常用方法.null 1．用积分器构成的超低频信号发生器 (1)运算放大器及其理想化模型 图2.3-8(a)中虚框内表示运算放大器，(b)中虚框内部分为其等效电路，其中只i为运算放大器(以后简称运放)输入电阻，必为运放开环放大系数，图中R2、R1为构成实际放大器的反馈电阻。由于电子技术的发展，现在运放(不管是集成电路还是分立元件构成)的性能可以达到很高，比如输入电阻Ri和开环放大倍数且可分别达到106～108Ω及105～108 Ω甚至更高。输出电压受到偏置直流电压限制，一般在一15V～+15V范围内。null 当运放工作在线性区时，u 2＝Aui，由此可推算出叭在几个微伏到几十微伏之间，相比输入电压，u1(几十毫伏～几伏)小到可以忽略，再由于R1很大，因此流入运放的电流i更 是小于 10-8 A以下。为了便于分析，不妨就近似认为：ui ≈ 0(习惯上称为虚短路，因为小并不真正等于零)， i ≈ 0(习惯上称为虚开路)输入电阻、开环放大系数分别近似认为 ，这样就得到图2.3-8中(c)的理想化运放模型。 null 图2.3—8 运算放大器及其理想化模型null 图2.3—8 运算放大器及其理想化模型null 图2.3—8 运算放大器及其理想化模型null 现在使用理想化运放模型分析图2.3—9中三个电路的功能。图(a)中i1＝i2(虚开路)， (虚短路)，所以(2.3-7)null 因此图(a)所示电路具有比例(乘法、除法)功能。在图(b))中， (虚开路)，而 (虚短路)，所以 (2.3-8)若取R2＝R11＝R12，由上式成为 (2.3-9)null 由式(2.3—8)、(2.3—9)可见图(b)电路具有加法(或比例与加法)功能。在图(c)中，同样考虑虚开路、虚短路的理想化条件，可以得到(2.3-10)null 由式(3。3—10)，可看到(c)图电路具有积分功能，积分时常数由R、C决定，如果在积分区间 为常数U，则输出电压u2为(2.3-11) 由上面的分析可以得出结论，由于运放反馈通路的构成不同，它可以具有乘、除、加、减、微分、积分等运算功能，运算放大器就因此而得名.null (2)用运放构成的超低频信号发生器 仍考虑图2.3—9(c)积分电路和式(2.3—10)，当输入 为角频率 )的正弦函数时 也为同频率正弦函数，用相量表示有(2.3-12)或者null图2.3—9 运算放大器的运算功能null图2.3—9 运算放大器的运算功能null图2.3—9 运算放大器的运算功能null 即积分器产生 相移，增益为 如果用两级积分器级联并在反馈环路中加接一个反相器( )，如图2.3—1.0(a)所示，则闭环增益(2.3-13)或者当(2.3-14)null 时，闭环增益 ，这正好是维持振荡的相位和振幅条件，也就是说图2.3—10(a)图电路可产生频率为式(2.3—14)所表示的正弦振荡。在实际振荡器中，为了调节方便，结构简单，一般取 ，并在两级积分器前，各加一个由同轴电位器构成的分压电路，分压比均为a，如图2.3—l0(b)所示，不难得出其振荡频率为 (2.3-15) 实际振荡器中，用改变R或C的办法改变频段，改 变。进行频率细调。null 图2.3—10 用积分器构成的超低频信号发生器null 图2.3—10 用积分器构成的超低频信号发生器null 2．函数信号发生器 在低频(或超低频)信号发生器的家族中，还有一种被称为函数信号发生器，简称函数 发生器，它在输出正弦波的同时，还能输出同频率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足不同的测试需求。函数发生器的基本工作原理是先由积分电路和触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器(例如二极管整形网络)将三角波整形成正弦波。 null 图2.3—1l是函数发生器的原理图，图中由双稳态触发器，比较器I、Ⅱ和积分器构成方波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网络将三角波整形成正弦波。其简要工作原理如下：null图2.3—11 函数发生器原理图 null 设开始I作时，双稳 输出端电压为-E，经过电位器P分压，设分压系数 ，根据式(2.3—11)，积分器输出端D点电位随时间t正比上升(2.3-16)null 当经过时间 上升到Um时，比较器I输出触发脉冲使双稳态电路翻转，弓端输出电压为刀并输入给积分器，则积分器输出端。点电位为 (2.3-17)null图2.3—12 函数发生器波形图null 将对称三角波转换为正弦波的原理如图2.3—13(a)所示。正弦波可看成是由许多斜率不同的直线段组成，只要直线段足够多，由折线构成的波形就可以相当好地近似正弦波形，斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到(各段相应的分压系数不同).因此，只要将三角波叭通过二个分压网络，根据叭的大小改变分压网络的分压系数，便可以得到近似的正弦波输出。二极管整形网络就可实现这种功能，我们用图2.3—13(b)所示的二极管整形网络来说明其工作原理。null图2.3—13 由三角波整形成正弦波null图2.3—13 由三角波整形成正弦波null 图2.3—14为XD8B超低频信号发生器(函数发生器)框图，它由积分电路、比较电路、正弦波成形电路、功率放大器、衰减器及稳压电源等部分组成。null 图2.3—14 XD8B框图null 比较器把恒定的正负极性电位(±16V)交替地送到积分器去积分而得到三角波，三角波又反馈到比较器使它交替翻转，形成振荡环路，从积分器得到三角波，从比较器得到方波。三角波经过由10只二极管组成的电阻网络和缓冲放大器组成的正弦折线成形电路变换 成正弦波。如果将二极管并接在积分电阻R上，由于二极管正、反向电阻的巨大差异而使正负积分时间常数不同，可以获得锯齿波和脉冲信号。null 2.数字合成低频信号发生器 用RC文氏桥振荡器以及以积分器为基础的函数发生器，突出的优点是 电路简单。但频率准确度及稳定度较差，非线性失真较大，而且输出信号的幅频特性不太平坦。数字合成低频信号发生器可以有效地提高上述性能指标。在这种仪器中，正弦波由阶梯波合成，如图2.3-15所示，而阶梯波的形成是由存贮在只读存贮器(ROM)中的数字信息经数模转换器(D／A)形成的。 null图2.3—15 正弦波的阶梯近似null 图 2.3-16是基于这种方法的数字合成低频振荡器方框图，我们简要分析其工作原理。在 区间(2.3-18)由于(2.3-19)所以(2.3-20)null 通常正弦信号峰值电压恒定，比如设Um= 255mV，这样我们可以用32个字节8比特的存贮器(ROM)来贮存i等于不同数值时的电压 u(t)或u(i)最小分辨率为1 mV。由于正 弦信号四个象限内数值的对称性，一个周期分成p=128等份，只有32个独立的数值，因此用32个字节的ROM存贮数据就够了。由式(2.3-19)看出，输出信号的频率取决于 △ T，改变△ T即可得到不同的输出频率，这通过图2.3-16“中的晶体振荡器和分频器实现。由分频器输出的计数脉冲周期为△ T ，设晶体振荡器振荡频率为f0，分频系数为q，则输出信号频率null 图2.3—16中加／减5位二进制计数器、RS触发器、检测器等构成ROM的地址译码器，根据译出地址从ROM中取出相对应的幅度值(是数字量)，经模—数转换器转换成模拟电压，配合以相应的倒相电路，构成图2.3—15所示的阶梯波，再经低通滤波器加以“平滑”，即滤除阶梯波中的高次谐波，得到正弦波输出。这种方法的主要优点包括：(2.3-21)null ①输出频率准确度高，基本上等于机内晶体振荡器的频率准确度和稳定度.②因为各区间的振幅值以数字形式存于ROM中不会改变，加上现在的数—模转换器性能稳定，因此输出信号的幅频特性很好o⑧输出信号的非线性失真很小，可低于0．1％. null图2.3—16 数字合成低频信号产生器框图null 三、低频信号产生器的发展现状 由于需求的广泛和电子技术的发展，低频信号发生器的性能指标不断得到提高，表2.3—2列出了当前国外、国内有代表性产品的主要性能指标，以给读者一些数量上的概念。表 中所列的频率合成器也是低频信号发生器中的重要一类，其工作原理将在后面予以介绍。 null表2.3—2nullnull2.4 射频信号发生器2.4 射频信号发生器 射频信号发生器是指能产生正弦信号，频率范围部分或全部复盖300kHz～土GHz(允许向外延伸)，并且具有一种或一种以上调制或组合调制(正弦调幅、正弦调频、断续脉冲调制)的信号发生器，也称为高频信号发生器。null 按照国家标准GBl2114—89《高频信号发生器技术条件》规定，射频信号发生器分为调谐信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器三类。和低频信号发生器相比，高频信号发生器的输出幅度调节范围较大。为了适应对接收机等设备的测试需要，要求高频信号发生器能有可调节的微弱信号的输出(可小于1uV)，同时就要求该类信号发生器有良好的屏蔽，以免信号泄漏而影响测量准确性。也是出于对各类接收设备性能测试的需要．，高频信号发生器应有调制功能，以输出所需的已调高频信号。null 高频信号发生器框图如图2.4—1。不同类别的发生器的主要区别在于振荡器，即产生高频正弦波的方法不同。 null图2.41—1 高频信号发生器框图null 一、调谐信号发生器 调谐信号发生器的振荡器通常为LC振荡器，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 种振荡器形式。图2.4—2、2.4—3、2.4—4分别给出了三种振荡器的电路及其交流等效电路，并注明了各种方式下的振荡频率。通常用改变电感乙来改变频段，改变电容c进行频段内频率细调。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，null 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. 70年代后，逐步用宽频带放大器、宽频带调制器和相应的 滤波器，替代了传统的调谐放大器，省去了多联可变电容等元件，提高了高频信号发生器 的可靠性、稳定性及调幅特性。像国产QF1074、QFl076等信号发生器就采用了这些技术，由于使用元件少，可靠性、稳定性不错，而且价格较低，受到要求不高的用户的欢迎。null图2.4—2 变压器反馈振荡器null图2.4—2 变压器反馈振荡器null XFC-6标准信号发生器可看作高频信号发生器的一个典型例子，其主要技术性能为：①频率范围4～300MHz，分八档；②频率稳定度≤2~10-4 10min；③输出电压在端接75Ω负载上为0.05 V一50mV连续可调；④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。该信号发生器主要用来测试＼调整及维修相应频率范围内的各种无线电接收设备。图2.4—5是XFC—6标准信号发生器组成框图。null图2.4—3 电感反馈式振荡器null 图2.4—4 电容反馈式振荡器null图2.4—5 XFC—6标准信号发生器组成框图null 二、锁相信号发生器 随着通信及电子测量水平的发展与提高，需要信号发生器能有足够宽的频率复盖，足够高的频率准确度和稳定度。上述由LC振荡电路或RC振荡器为主振器的信号发生器已不能适应更高的要求。 锁相信号发生器是在高性能的调谐式信号发生器中增加频率计数器，并将信号源的振荡频率利用锁相原理锁定在频率计数器的时基上，而频率计数器又是以高稳定度的石英晶体振荡器为基准的，从而使锁相信号发生器的输出频率的稳定度和准确度大大提高，信号 频谱纯度等性能特性也有很大改善。null 图2.4—6是锁相环路的基本方框图，主要由电压控制振荡器(简称VCO， 其振荡频率可由偏置电压改变。比如改变变容二极管两端直流电压，就可改变 其等效电容，从而改变由它构成的振荡器的频率)、鉴相器(简称PD，其输出端直流电压随其两个输入信号的相位差改 变)、低通滤波器(简称PLF，在这里的 作用是滤除高频成分，留下随相位差变 化的直流电压)及晶体振荡器等部分构 成。该锁相环的基本工作原理如下：当压控振荡器输出：频率f2由于某种原因变化时，相应相位也产生变化，null 图2.4—6 锁相环基本方框图null 相应相位也产生变化，该相位变化在鉴相器中与基准晶振频率f1的稳定相位相比较，使鉴相器输出一个与相位差成比例的电压ud(t)，经过低通滤波器，检出其直流分量uc(t) ，用uc(t)控制压控振荡器中压控元件数值(如变容二极管电容)，从而调整VCO的输出频率f2 ，使其不但频率和基准晶振一致，相位也同步，这时称为相位锁定，因此最终VCO的频率输出稳定度就由晶振频率f1所决定。 锁相环的电路形式有多种，根据不同的电路结构，锁相环可以完成频率的加、减、乘、除运算。null 图2.4-7是国产QFl050型标准信号发生器中振荡器和锁相环部分框图。图中上半部分为射频部分：由变容二极管调谐的VCO，直接产生75～110MHz信号，经缓冲、放大和衰减器后由插孔输出. 80MHz晶振输出信号与VCO输出信号在混频器中混合，取出差频信号，获得0．3～30MHz输出信号。调频信号加至VCO变容管，实现调频，高频段(75～110MHz)调幅由调制器I完成，0．3～30MHz频段调幅由调制器Ⅱ完成。由衰减器输入端取出的部分射频信号经检波和运放后，去调制PIN二极管工作点，以达到自动电平控制(ALC)目的。null 锁相部分：由射频输出端送来的取样信号经放大后，送至分频器和预置计数器进行分频，变为50Hz信号，送入鉴相器。预置计数器的分频比是由控制部分置定的频率值的代码决定的，并且分频比可变。由16MHz基准晶振产生的信号经分频后得到50Hz信号也送入鉴相器，并与取样信号进行同频鉴相，其输出的误差电压经有源低通滤波器滤波后，反馈到VCO的变容二极管，以达到锁相目的。null 图2.4—7 QFl050信号发生器部分电路框图null 三、合成信号发生器 合成信号发生器是用频率合成器代替信号发生器中主振荡器。它既有信号发生器良好 的输出特性和调制特性，又有频率合成器的高稳定度、高分辨力的优点，同时输出信号的频率、电平、调制深度等均可程控，是一种先进高档次的信号发生器。为了保证良好的性 能，合成信号发生器的电路一般都相当复杂，但其核心是频率合成器。null 频率合成器是把一个(或少数几个)高稳定度频率源fs。经过加、减、乘、除及其组合运算，以产生在‘定频率范围内，按一定的频率间隔(或称频率跳步)的一系列离散频率的信号发生器。频率合成的方法分为直接合成法和间接合成法两类。null 直接合成法是将基准晶体振荡器产生的标准频率信号，利用倍频器、分频器、混频器及滤波器等进行一系列四则运算以获得所需要的频率输出。在这种合成法中，又可分为非相干式直接合成器和相干式直接合成器。若用多个石英晶体产生基准频率，产生混频的两个基准频率之间相互独立，就叫做非相干式直接合成器。如果只用一个石英晶体产生基准 频率，然后通过分频、倍频等，使加入混频器的频率之间是相关的，就称为相干式频率合成器。null 图2.4—8是相干式直接频率合成器的原理图。图中晶振产生1MHz基准信号，并由 谐波发生器产生相关的1MHz 、2MHz 、 … 、9MHz等基准频率，然后通过十进制分频器 (完成÷10运算) 、混频器和滤波器(完成加法或减法运算)，最后产生4．628MHz输出信号。只要选取不同次谐波进行合适的组合，就能得到所需频率的高稳定度信号，频率间隔可以做到0．1Hz以下。这种方法频率转换速度快，频谱纯度高。但它需要众多的混频器、滤波器，因而显得笨重。目前多用在实验室、固定通讯、电子对抗和自动测试等领域。null 图34—8 直接式频率合成器原理框图null 间接合成法即锁相环路法，图2.4—9是它的原理框图。图中压控振荡器输出频率经分 频后得到 频率的信号送往鉴相器，与采自晶振输出经n2次分频的频率f0/n2的信号进行相位比较，由前面的锁相环路的介绍可知，当 即 (2.4-1)null 时，相位锁定，输出信号按式(2.4-1)的频率输出，且具有与f0。即晶振信号同样的稳定度。为了有效地锁相，需要鉴相器两输入信号频率足够接近。如果两信号频率相差较大，可先进行鉴频，用鉴频器输出控制VCO实现频率粗调，而后利用鉴相器输，出控制VCO实现频率细调。间接式频率合成器的优点是省去了滤波器和混频器，因而电路简单，价格便宜，但频率转换速度较慢。 null图2.4—9 间接式频率合成器原理框图null 实际应用的合成信号发生器往往是多种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的组合，以解决频率复盖、频率调节、频率跳步、频率转换时间及噪声抑制等问题。当前合成信号发生器的发展趋势仍是宽频率复 盖、高频率稳定度和准确度、数字化、自动化、小型化和高可靠性。null 四、射频信号发生器代表性产品性能介绍 表2.4—1列出了当前几类射频信号发生器代表性产品的主要性能，以供参考。 null表 2.4—1nullnull2.5 扫频信号发生器2.5 扫频信号发生器 扫频信号发生器是一种输出信号的频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发生器，它是频率特性测试仪(扫频仪)的核心，主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。null 一、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，其中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( )就反映了该系统激励与响应间的关系(2.5-1)null 式中 (或写成 )与 ) (或写成 )分别称为电路(系统)的幅频特性和相频特性.null 1．点频法测量幅频特性 所谓点频法，简单说就是“逐点”测量幅频特性或相频特性的方法，如图2.5—1(a)所示。图中ui(t)为正弦信号源，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为横座标，以振幅比(或相位差)为纵座标，就可以逐点描绘出如图2.5—l(b)所示的频率特性曲线。null 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。null图2.5—1 点频法测量系统的幅频特性null图2.5—1 点频法测量系统的幅频特性null 2．扫频法测量频率特性 扫频法测量电路幅频特性的原理图示于图2.5—2中，在图(a)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。 null图2.5—2 扫频法测量网络频率特性原理null图2.5—2 扫频法测量网络频率特性原理null图2.5—2 扫频法测量网络频率特性原理null 若扫描电压为三角波(图(6))，则扫频信号发生器瞬时频率在扫描正程将随扫描电压的线‘陛增加，由fmin线性地变到fmax，在回扫期间，又由fmax线性地变到fmin ，如此周期性反复，而扫描信号的幅度则始终保持不变。常用的扫描信号还有锯齿波和对数型波等。null 振幅不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号加到被测电路(例如调谐放大器)的输入端，由于调谐放大器的增益随频率而变，故其输出信号uo的振幅也将随频率而改变， uo的包络就反映了该放大器的幅频特性(图(d))，经峰值检波器检出输出信号的包络 (图(e))，将它送至示波管的垂直偏转系统，同时扫描信号 us 加到示波管的水平系统作为扫描时基信号，由于扫频信号叭的瞬时频率和水平扫描电压“l，的瞬时值一一对应，使得示波管的水平轴成为线性的频率座标轴。这样在us和 的共同作用下，示波管荧光屏上就直接显示出该调谐放大器的幅频特性。null 和点频法相比，扫频法具有以下优点： ①可实现网络的频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细节的问题.null ⑧点频法中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，而后 者更符合被测电路的应用实际。null 二、扫频仪的基本构成 1．扫频仪的基本方框图 图2.5—3中(a)是扫频仪原理框图，(b