1、 第8章 信号发生器 v本章要点： v信号源的功用、种类和主要性能指标；v通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用；v合成信号源的组成原理、特性和应用。8.1 概述v信号发生器是指测量用信号发生器，它可以提供电子测量的各种不同频率电信号（正弦信号、方波、三角波等），其幅值也可按需要进行调节，是最基本和应用最广泛的电子测量仪器之一。8.1.1测量用信号源的作用与分类1测量用信号源的作用v信号发生器是输出供给量的仪器，它产生频率、幅度、波形等主要参数可调节的信号，主要有以下几个作用。（1）激励源。作为某些电气设备的激励信号源。（2）信号仿真。在设备测量中，常常要产生模拟实际环境特性的信号，如
2、对干扰信号进行仿真。（3）校准仪表。产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准（或比对）。8.信号源的分类v专用信号发生器是专门为某种特殊的测量而研制的。如电视信号发生器、调频信号发生器等。这类信号发生器的特性与测量对象紧密相关。v通用信号发生器按输出波形可分为正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器、噪声发生器等。v正弦信号发生器最具普遍性和广泛性。 3正弦信号发生器的分类（1）超低频信号发生器 0.0001Hz1KHz；（2) 低频信号发生器 1Hz1MHz；（3）视频信号发生器 20Hz10MHz；（4）高频信号发生器 200KHz30MHz；（5）甚高频信号发生器 30KHz300M
3、Hz；（6）超高频信号发生器 300MHz以上。 注意：频率范围的划分并不是绝对的，各类信号发生器频率范围也存在重叠的情况，这与它们的不同应用范围有关。 8.1.2正弦信号发生器的组成v基本构成如图8.1所示，一般包括振荡器、变换器、指示器、电源及输出电路等部分。 图8.1 正弦信号发生器的基本组成框图振荡器变换器输出电路电源指示器输出正弦波 8.1.3 正弦信号发生器的主要性能指标v归纳为频率特性、输出特性和调制特性三大指标。1频率特性v频率特性包括可调的频率范围、频率的准确度、稳定度等技术指标。（1）频率范围v正弦信号发生器的频率范围是指各项指标都能得到保证时的输出频率范围。（2）频率的准
4、确度v是指信号发生器度盘（或显示）数值与实际输出信号频率间的偏差，一般用相对误差来表示。 （8-1）v式中 为仪器度盘或数字显示的输出信号频率； 实际输出频率。 （3）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。v频率的稳定度又分为频率短期稳定度和长期稳定度。v频率短期稳定度定义为信号发生器经过规定时间预热后输出信号的频率,在任意15分钟的时间内所产生的最大变化 。即 （8-2）v式中 为任意15分钟时间内信号输出频率的最大值； 为任意15分钟时间内信号输出频率的最小值。v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，输出信号的频率
5、在任意3小时的时间内所发生的最大变化。 2输出特性v正弦信号源的输出特性一般包括输出电平范围、输出电平的频响、输出电平的准确度、输出阻抗以及输出信号的频谱纯度等指标。（1）输出电平范围v就是信号发生器的最大和最小输出电平的可调范围。输出幅度可用电压(mV、V)和分贝(dB)两种方式表示。（2）输出电平的频率响应v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）输出电平准确度v输出电平准确度一般由电压表刻度误差、输出衰减器换档误差、0dB准确度和输出电平平坦度等几项指标综合组成。（）输出阻抗v低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600（或1K）；v功率输出端
6、根据输出匹配变压器的设计而定，通常有50、75、150、600和5K等；v高频信号发生器一般有50和75两种不平衡输出。（）输出信号的频谱纯度v输出信号的频谱纯度反映输出信号波形接近理想正弦波的程度。常用非线性失真系数表示。 （8-3）v式中 u1输出信号基波的有效值（或幅值）；v u2、u3un各次谐波分量的有效值（或幅值）。 3调制特性 对高频信号发生器来说，一般还能输出调幅波和调频波，有的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。当调制信号由外部电路或低频信号发发生器提供时，称为外调制。 8.2 低频信号发生器v低频信号发生器的输出信号频率范围通常为20H
7、z20KHz，也称为音频信号发生器。现在已延伸到1Hz1MHz。v输出波形以正弦波为主，兼有方波、三角波等其他波形。 8.2.1 低频信号发生器的主要性能指标（1）频率范围。1Hz20KHz或延伸到1MHz（2）频率稳定度。优于0.1%（3）频率的准确度。 (12)%（4）输出电压。010V连续可调（5）输出功率。0.55w连续可调（6）输出阻抗。50、75、600和5K（7）非线性失真系数。小于(0.11)%（8）平衡输出与不平衡输出方式。 8.2.2低频信号发生器的 基本组成与工作原理v如图8.2所示，包括振荡器、放大器、稳压电源、电压表及输出级等部分。 振荡器放大器输出衰减稳压电源电压表
8、低频信号输出图8.2 低频信号发生器框图1振荡器v振荡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。一般由RC振荡电路或差频式振荡电路组成。振荡器决定输出信号的频率范围和稳定度。（1）通用RC振荡电路v图8.3为文氏电桥振荡器的原理框图。R1、C1、R2、C2组成RC选频网络，可改变振荡器的频率；R3、R4组成负反馈臂，可自动稳幅。 图8.3 文氏电桥振荡器的原理框图图8.4 选频网络电路图RC选频网络的选频特性如图8.4所示。该网络的传递函数（反馈系数）为式中 输入信号的频率； 等于 。 v由公式可画出选频网络的幅频特性和相频特性。如图8.5所示。 v当 时，输出信号与输入信号同相，
9、且幅值达到输出电压最大值的1/3；离 越远，幅值下降越大，即选频网络对频率为 的信号具有选通性，对其他频率的信号具有抑制性。图8.5 RC选频网络的频率响应 文氏电桥振荡器的振荡条件v只要后接的二级放大器的电压放大倍数为Av=3，就满足了振荡器起振的幅值条件AVF1，可以维持频率 f = f0=1/(2RC) 时的等幅正弦振荡。文氏电桥振荡器的实际电路图8.6 选频网络的实际电路（2）差频式振荡电路v差频电路产生低频正弦信号的原理方框图如图8.7所示。主要包括固定高频振荡器、可变高频振荡器、混频器、低通滤波器和放大、衰减器等。 固定高频振荡器混频器可变高频振荡器低通滤波电路放大电路 衰减电路输
10、出图8.7 差频式振荡电路框图v设固定高频振荡器的频率为 ，可变高频振荡器的频率范围为 ，则混频器输出的基波差频信号频率范围为 （8-6） （8-7）v差频信号的频率覆盖系数为v式中 可变高频振荡器的频率覆盖系数； 可变高频振荡器的最低频率； 可变高频振荡器的最高频率。v由式（8-8）可以看出， 和 越大，差频信号的频率覆盖系数就越大，所得到的低频信号的频率范围也就越宽。（8-8）2放大器 低频信号发生器的放大器一般包括电压放大器和功率放大器两级，以达到电压输出幅度和功率的要求。3输出级 输出级一般包括输出衰减器电路、阻抗变换器和电压表几部分。8.2.3低频信号发生器的应用1使用方法（1）接通
11、电源，频率应有显示。（2）根据测试所要求信号的频率选择合适的波段，再通过频率开关得到所需的频率。（3）通过衰减器和细调电位器调节输出信号的幅度，并由电压表监测。（4）低频信号发生器的输出阻抗一般为600，应注意与被测对象的匹配。2放大器放大倍数的测量v测试电路如图8.8所示。 图8.8 放大器放大倍数测量连线图v用毫伏表分别测出被测放大器输入、输出信号电压的有效值，即可求出放大器的电压放大倍数。 （8-9）v式中 vUO被测放大器输入电压的有效值；vUi被测放大器输出电压的有效值。8.功率放大倍数的测量 ( )/( ) 8.3 函数信号发生器v实际上是一种多波形信号源，可以输出正弦波、方波、三
12、角波、斜波、半波正弦波及指数波等。v其输出波形均可用数学函数描述。图8.9 方波-三角波-正弦波函数发生器的原理框图内触发脉冲发生器施密特触发器积分器正弦波形成电路缓冲放大器外触发脉冲输入oooo输出正弦波1方波-三角波-正弦波函数发生器的构成方案 8.3.1 函数信号发生器的基本组成与原理2三角波-方波-正弦波函数发生器的构成方案图8.10三角波-方波-正弦波函数发生器的原理框图三角波发生器正弦波形成电路缓冲放大器方波变换电路缓冲放大器输出正弦波输出方波3正弦波-方波-三角波函数发生器的构成方案图8.11 正弦波-方波-三角波函数发生器的原理框图输出正弦波输出方波正弦波发生器微分电路正弦波形
13、成电路方波形成电路缓冲放大器缓冲放大器尖脉冲 8.3.2函数信号发生器的典型电路1三角波形成电路v电路框图如图8.12所示，由恒流源控制电路、恒流源、积分器（包括积分电容C和运算放大器A）和幅度控制电路构成。（1）电压斜升过程输出电压可表示为 （8-10） 式中 UO1斜升输出电压的瞬时值； I1 正恒流源的的电流值； C 积分电容的电容量。（2）电压斜降过程v输出电压可表示为 （8-13） 式中 UO2斜升输出电压的瞬时值； I2 负恒流源的的电流值； C 积分电容的电容量。 v当正负恒流源的恒流值相等时，即I1=I2时，可得到左右对称的三角波；三角波的幅度取决于幅度控制的极限电平，若 ，可
14、得到正、负幅度对称的波形。图8.13 三角波形成过程的波形图2正弦波形成电路v图8.14所示为典型的二极管网络变换电路，将三角波变换成正弦波。图8.14 正弦波形成电路原理图（1）在三角波的正半周，当ui的瞬时值很小时， uo = ui 。（2）当三角波的瞬时电压ui 上升到u1 ，（3）当三角波的瞬时电压ui 上升到u2 时，输入电压和输出电压分别为 随着输入三角波的不断增大，二极管V3a、V4a依次导通，使得分压器的分压比逐渐减小，输出电压衰减幅度更大，使三角波趋近于正弦波。 同理，当三角波自正峰值逐渐减小时，二极管V4a、V3a、V2a、V1a依次截止，分压器的分压比又逐渐增大，输出电压
15、衰减幅度依次变小，三角波也趋近于正弦波，如此循环，三角波变换成正弦波。波形如图8.15所示。 8.3.3函数信号发生器的性能指标（1）输出波形。（2）频率范围。（3）输出电压。（4）波形特性。（5）输出阻抗。 8.3.4函数信号发生器的应用v如用于测量低频放大器的幅频特性。测试过程如下。图8.16 放大器幅频特性测试连线图v（1）按图8.16所示连线。v（2）调节函数发生器，使其输出频率1kHz，幅度为10mV的正弦信号，并将其送到被测放大器输入端。v（3）在被测放大器输出端接上负载电阻RL后，再将输出接到毫伏表或示波器的Y输入端，测出放大器在1kHz时的输出电压值。v（4）按被测电路的技术指
16、标，在保持函数发生器输出幅度不变的情况下，逐点改变信号发生器的频率，逐点记录被测放大器的输出电压值，然后，根据记录数据，画出被测放大器的频率特性曲线。 8.4 高频信号发生器8.4.1 高频信号发生器的基本组成与原理 高频信号发生器主要包括主振级、缓冲级、调制级、输出级、监测电路和电源等电路。 组成的基本框图如图8.17所示。图8.17 高频信号发生器框图可变电抗器振荡器缓冲级调制级调制度计输出级电压表内调制振荡器外调制输入电源O外内OO OFMAM 输出S O 8.4.2高频信号发生器的分类 按产生主振信号的方法不同，高频信号发生器可分为调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器三大类。
17、 8.4.3 调谐信号发生器 由调谐振荡器构成的信号发生器称为调谐信号发生器。它们的工作频率 为 相信号生器图8.18 LC振荡器电路的三种构成形式8.4.4 锁相信号发生器v锁相环路是由基准频率源、鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成的一个闭环反馈系统。图8.19 锁相环的基本框图基准频率源鉴相器压控振荡器低通滤波器foUof0frUiUd8.4.5 高频信号发生器的其它单元电路v1可变电抗器v2缓冲级v3调制级v4输出级：包括功率放大、输出衰减和阻 抗匹配等电路。8.5.1 频率合成的定义v是对一个或多个基准频率进行频率的加、减（混频）、乘（倍频）、除（分频）四则
18、运算，从而得到所需的频率。v频率合成的方法基本上分为两类：一类是直接合成法，一类是间接合成法。8.5 合成信号发生器8.5.2 直接合成法v1固定频率合成法v石英晶体振荡器提供基准频率，基准频率经分频器、倍频器后输出。输出频率为 （8-16）v式中 D分频器的分频系数；N倍频器的倍频系数； f0输出频率；fr基准频率。v D、N均为给定的正整数，所以输出频率为一固定值，称为固定频率合成法。基准频率计D分频器N倍频器frf0图8.20 固定频率合成法原理图2可变频率合成法 3数字直接合成法v电路由程控时钟发生器、顺序地址发生器、ROM、锁存器和DAC变换器构成。图8.22 数字直接合成法原理图8
19、.5.3 间接合成法v通过锁相环来完成频率的加、减、乘、除，最后获得需要的频率。1.基本锁相环v基本锁相环是由基准频率源、鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成的一个闭环反馈系统。基准频率源鉴相器压控振荡器低通滤波器foUofofrUiUd2.混频式锁相环v是能对输入频率进行加、减运算的锁相环。它是在基本锁相环的反馈支路中加入混频器和带通滤波器组成的。如果混频器是和混频，则输出频率 ；如果混频器是差混频，则输出频率 。图8.24 混频式锁相环图3.倍频式锁相环v是利用锁相环对基准频率进行乘法运算的锁相环，简称倍频环。图8.25 倍频式所相环框图基准频率源鉴相器低通滤波器
20、压控振荡器分频器（/N） 数字控制式倍频器fiUdfo分频式锁相环v是利用锁相环对基准频率进行除法运算的锁相环，简称分频环。v在锁相环锁定条件时，满足，所以，实现了分频。如图8.26（a）、（b）所示。 图8.26 分频式锁相环框图组合式锁相环v下图为混频环和倍频环构成的组合环，锁定时可产生2MHz频率的信号。图8.27 组合式锁相环构成频率源鉴相器低通滤波器压控振荡器分频 器10带通滤波器混频器频率源1MHzUdfo8MHz8.6 扫频信号发生器（了解）8.6.1 概述v输出信号的频率随时间按一定规律、在一定范围内重复连续变化的信号源，称为扫频信号发生器。1扫频信号的特性v（1）输出信号的频
21、率随时间按一定的规律变化。v（2）输出信号的频率受控制参量控制。v（3）扫频信号源的输出振幅在整个扫频范围内应保持平稳。v（4）扫频信号源应能产生同步的扫描信号和频率标志。2对扫频信号发生器的基本要求v（）中心频率范围大且可连续调节。v（）扫频宽度要宽且可任意调节。v（）寄生调幅要小。v（）扫描线性度好。3扫频信号发生器的优点v（1）可实现网络频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路测试时，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。v（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
22、现由于点频法中频率点离散而遗漏掉细节的问题。v（3）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，符合被测电路的应用实际。 8.6.2 扫频振荡器的工作原理1变容二极管扫频 变容管扫频振荡器利用变容管容量改变达到改变频率的目的。 变容二极管是一种电压控制的可变电抗器。可以证明，变容二极管的电容特性为 （8-17）v式中 cj0 变容二极管反向电压为零时的结电容； U0 PN结势垒电压； n电容的变化系数； U加到变容二极管两端的反向电压。v若n，则变容二极管的电容为 （8-18）v变容二极管特性曲线如图8.29所示。 BT4型低频率特性测试仪中采用的是变容二极管扫频振荡电路。如图8.
23、30所示。磁调电感扫频v磁调电感法扫频通过磁场改变电感量，达到改变振荡器的频率的目的。v带磁心的电感线圈，其电感量LC与该磁心的有效导磁系数之间存在着线性关系。 （8-19）v式中 L空心线圈的电感量；v 磁芯的增量导磁系数；v 有效导磁系数；v 磁芯的利用率。v原理如图8.31所示。v磁调电感振荡器的振荡频率为v (8.20) v式中 v L空心线圈的电感量；v 磁心的增量导磁系数；v 磁心的利用率；v C谐振回路的电容。8.6.3 扫频法测试的基本原理8.7 脉冲信号发生器v脉冲信号发生器可以产生不同重复频率，不同的宽度和幅度的脉冲信号。通用脉冲信号源的组成如图8.34所示。 1测量信号源的选择v（1）根据被测信号的频率进行选择。v（2）根据测试功能选择。v（3）根据被测信号波形选择。v（4）根据测量准确度的要求进行选择。8.8 测量信号源的选择和使用v2测量信号源的基本测试图v测量信号源为被测器件或系统提供测试用信号，被测系统对输入激励进行响应，响应的结果由测试仪器，如电压表、示波器、频率计等进行定量测试。 测量信号发生器被测系统测试信号发生器输入激励输出响应图8.36 测量信号源的基本测试图
