第5章測量用信號發生器5.1信號發生器的種類、組成與技術指標5.2低頻信號發生器5.3高頻信號發生器5.4函數信號發生器5.5脈沖信號發生器5.6專用(特殊)信號發生器5.7信號發生器的選擇

在測試、研究或調整電子電路及設備,測量電路或系統的電參量時都需要有信號源。如圖5.1所示,圖5.1測量用信號發生器

在電子測量過程中,信號發生器主要用于:

(1)測元件參數。

(2)測網絡的幅頻特性、相頻特性等。

(3)測試接收機的性能。

(4)測量網絡的瞬態響應。

(5)校準儀表。

5.1信號發生器的種類、組成與技術指標

5.1.1信號發生器的分類1.按頻率范圍分按照輸出信號的頻率范圍對無線電測量用信號發生器進行分類是傳統的分類方法,如表5.1所示。表5.1中頻段的劃分以及頻率的范圍不是絕對的。

2.按用途分

根據用途的不同,信號發生器可以分為通用信號發生器和專用信號發生器兩類。

通用信號發生器有較大的適用范圍,一般是為測量各種基本的或常見的參量而設計的。低頻信號發生器、高頻信號發生器、脈沖信號發生器、函數信號發生器等都屬于通用信號發生器。

專用信號發生器是為某種特殊的測量而研制的,它只適用于某種特定的測量對象和測量條件,如FM立體聲信號發生器、電視信號發生器、醫用超聲波發生器等

3.按輸出波形分

根據所輸出信號波形的不同,信號發生器可分為正弦信號發生器、矩形信號發生器、脈沖信號發生器、三角波信號發生器、鐘形脈沖信號發生器和噪聲信號發生器等。

4.按調制方式分

按調制方式的不同,信號發生器可分為調頻、調幅、脈沖調制、I－Q矢量調制等類型。

5.按性能指標分

按信號發生器的性能指標,信號發生器可分為一般信號發生器和標準信號發生器。

5.1.2信號發生器的基本組成

不同類型的信號發生器其性能、用途雖不相同,但基本構成是類似的,如圖5.2所示,一般包括振蕩器、變換器、指示器、電源及輸出電路等五部分。圖5.2信號發生器的基本組成框圖

1.振蕩器

振蕩器是信號發生器的核心部分,由它產生各種不同頻率的信號,通常是正弦波振蕩器或自激脈沖發生器。它決定了信號發生器的一些重要工作特性,如工作頻率范圍、頻率的穩定度等。

2.變換器

變換器可以是電壓放大器、功率放大器或調制器、脈沖形成器等,它將振蕩器的輸出信號進行放大或變換,進一步提高信號的電平并給出所要求的波形。

3.輸出電路

輸出電路為被測設備提供所要求的輸出信號電平或信號功率,包括調整信號輸出電平和輸出阻抗的裝置,如衰減器、匹配用阻抗變換器、射極跟隨器等電路。

信號源的等效電路如圖5.3所示。

圖5.3信號源的等效電路模型

4.指示器

指示器用來監視輸出信號。不同功用的信號發生器,指示器的種類是不同的,它可能是電壓表、功率計、頻率計、調制度儀或以上幾種儀器的綜合。

5.電源

電源為測量信號源的各部分電路提供所需的各種直流電壓,通常是將50Hz的交流電(市電)經過變壓、整流、濾波和穩壓后而得到的。

5.1.3信號發生器的主要技術指標

1.頻率特性

頻率特性包括有效頻率范圍、頻率準確度和頻率穩定度等。

1)有效頻率范圍

各項指標均能得到保證時的輸出頻率范圍稱為信號發生器的有效頻率范圍。

2)頻率準確度

頻率準確度是指輸出信號頻率的實際值f與其標稱值f0的相對偏差,其表達式為

3)頻率穩定度

頻率穩定度是指其他外界條件恒定不變的情況下,在規定時間內,信號發生器輸出頻率相對于預設值變化的大小。頻率的穩定度分為頻率短期穩定度和頻率長期穩定度。

頻率短期穩定度定義為信號發生器經規定的預熱時間后,頻率在規定的時間間隔內的最大變化,可表示為

4)頻譜純度

對于正弦信號發生器,頻譜純度也是其重要指標之一。它是指正弦信號發生器輸出的頻譜逼近理想頻譜的程度,常用諧波電平(dBc)、雜散電平(dBc/Δf)、單邊帶相位噪聲(dB/Hz)等技術參數來衡量。

諧波電平是指總的諧波電平與基波電平比值的分貝數(dB)。

2.輸出特性

信號發生器的輸出特性主要有輸出電平及其頻響、諧波失真、輸出阻抗和輸出波形等。

1)輸出電平

輸出電平包括輸出電平范圍和輸出電平準確度。

2)輸出電平的頻率響應

輸出電平的頻率響應是指在有效頻率范圍內調節頻率時,輸出電平的變化情況,也就是輸出電平的平坦度。

3)諧波失真

對于正弦信號發生器而言,由于信號發生器內部存在非線性元器件,會產生非線性失真的諧波分量;差頻信號發生器的混頻輸出信號的組合波以及儀器內部的其他噪聲等,都會引起輸出信號的頻譜不純。因而它不可能提供理想單一頻率的正弦波。常用信號頻譜純度γ來說明其輸出信號波形接近正弦波的程度,并用非線性失真度(諧波失真度)表示,一般信號發生器的非線性失真應小于1%。

4)輸出阻抗

輸出阻抗的高低隨信號發生器類型而異。

5)輸出波形

輸出波形是指信號發生器所能輸出信號的波形。

3.調制特性

許多信號源包含調制功能。例如,高頻信號發生器一般具有輸出一種或多種調制信號(通常為調幅和調頻信號)的能力,有些還帶有調相、脈沖調制、數字調制等功能。調制特

性包括調制的種類、頻率、調幅系數或最大頻偏以及調制線性等。

當調制信號由信號產生器內部產生時,稱為內調制;當調制信號由外部加到信號發生器進行調制時,稱為外調制。這類帶有輸出已調波功能的信號發生器是測試無線電收、發

設備等場合不可缺少的儀器。

5.2低頻信號發生器

5.2.1低頻信號發生器的組成低頻信號發生器的組成框圖如圖5.4所示。

圖5.4低頻信號發生器的組成框圖

1.主振器

主振器是低頻信號發生器的核心部分,產生頻率可調的正弦信號,它決定了信號發生器的有效頻率范圍和頻率穩定度。

其原理框圖如圖5.5所示。

圖5.5文氏電橋振蕩器的原理框圖

2.緩沖放大器

緩沖放大器兼有緩沖和電壓放大的作用。緩沖是為了將后級電路與主振器隔離,防止后級電路、負載等的變化對主振器產生影響,保證主振頻率穩定,一般采用射極跟隨器或運放組成的電壓跟隨器。放大是指把振蕩器產生的微弱振蕩信號進行放大,使信號發生器的輸出電壓達到預定技術指標,要求其具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、頻率范圍寬、非線性失真小等性能。

3.功率放大器

功率放大器用來對電平調節器送來的電壓信號進行功率放大,使之達到額定的功率輸出,驅動低阻抗負載。這部分通常采用電壓跟隨器或BTL電路等。

4.輸出衰減器

輸出衰減器用于改變信號發生器的輸出電壓或功率,通常分為連續調節和步進調節。步進調節由電阻分壓器實現,并以分貝值為刻度;連續調節則由電位器實現。圖5.6所示電路為低頻信號發生器中最常用的輸出衰減器。

圖5.6輸出衰減器

5.阻抗變換器

阻抗變換器用于匹配不同阻抗的負載,以便在負載上獲得最大輸出功率。

6.輸出指示器

輸出指示器用來指示輸出端輸出電壓的幅度,或對外部信號電壓進行測量,可能是指針式電壓表、數碼LED或LCD。

5.2.2低頻信號發生器的主要性能指標

通常低頻信號發生器的主要工作特性如下:

(1)頻率范圍:一般為20Hz~1MHz,連續可調。

(2)頻率準確度:±(1~3)%。

(3)頻率穩定度:優于0.1%。

(4)輸出電壓:0~10V連續可調。

(5)輸出功率:0.5~5W連續可調。

(6)非線性失真范圍:0.1%~1%。

(7)輸出阻抗:50Ω、75Ω、600Ω、5kΩ。

(8)輸出形式:平衡輸出與不平衡輸出。

5.2.3低頻信號發生器的使用要點

1.了解面板

要正確地使用儀器,在使用之前必須充分了解儀器面板上各個開關旋鈕的功能及使用方法。

2.注意正確的操作步驟

信號發生器的使用包括如下步驟:

(1)開機準備。

(2)選擇頻率。

(3)配接輸出阻抗。

(4)選擇輸出電路的形式。

(5)調節和測讀輸出電壓。

5.3高頻信號發生器

5.3.1高頻信號發生器的組成高頻信號發生器的組成框圖如圖5.7所示,主要包括主振級、緩沖級、調制級、輸出級、內調制振蕩器、頻率調制器、監測指示電路(圖5.7中的調制度計、電壓表等)等。

圖5.7高頻信號發生器的組成框圖

(1)主振級:用于產生高頻振蕩信號。

(2)緩沖級:主要起隔離放大的作用,用來隔離調制級對主振級可能產生的不良影響,以保證主振級工作穩定,并將主振信號放大到一定的電平。

(3)調制級:主要完成對主振信號的調制。

(4)內調制振蕩器:提供符合調制級要求的音頻正弦調制信號。

(5)輸出級:主要由放大器、濾波器、輸出微調電路、輸出衰減器等組成。

(6)監測指示電路:監測指示輸出信號的載波電平和調制系數。

5.3.2調諧信號發生器

由調諧振蕩器構成的信號發生器稱為調諧信號發生器。常用的調諧振蕩器就是晶體管LC振蕩電路。LC振蕩電路實質上是一個正反饋調諧放大器,主要包括放大器和反饋網絡兩個部分。放大器通常采用調諧放大器,其作用:一是放大振蕩器輸出的高頻信號電壓;二是在輸出級和振蕩器間起隔離作用(因此也叫緩沖放大器),以提高振蕩頻率穩定性;三是兼作調幅信號的調幅器。根據反饋方式,LC振蕩電路又可分為變壓器反饋式、電感反饋式(也稱電感三點式或哈特萊式)及電容反饋式(也稱電容三點式或考畢茲式)三種,如圖5.8所示。

圖5.8LC振蕩電路的三種構成形式

5.3.3合成信號發生器

調諧信號發生器的優點是電路簡單,但其頻率準確度、穩定度均不高,頻率穩定度不超過10-6/min。

合成信號發生器具有良好的輸出特性和調制特性,又有頻率合成器的高穩定度、高分辨率的優點,頻率穩定度和準確度在10-5~10-9數量級,頻率分辨率達到mHz數量級,同時輸出頻譜純度高,輸出頻帶寬,輸出信號的頻率、電平、調制深度均可由微機控制并顯示。

頻率合成的方法很多,但基本上分為兩類:一類是直接合成法,另一類是間接合成法。

直接合成法分為模擬直接合成法和數字直接合成法。模擬直接合成法采用基準頻率通過諧波發生器,產生一系列諧波頻率,然后利用混頻、倍頻和分頻進行頻率的算術運算,最終得到所需的頻率;數字直接合成法則是將ROM和DAC相結合,通過控制電路,從ROM單元中讀出數據,再進行數/模轉換,得到一定頻率的輸出波形。

間接合成法則通過鎖相技術進行頻率的算術運算,最后得到所需的頻率。

1.直接合成法

1)模擬直接合成法

模擬直接合成法是將一個或多個基準頻率通過倍頻、分頻、混頻技術實現算術運算(加、減、乘、除),合成所需頻率信號,再用窄帶濾波器選出所要求的高性能信號。圖5.9所示為模擬直接合成法的基本原理。

圖5.9模擬直接合成法的基本原理

2)數字直接合成法

數字直接合成法又叫直接數字頻率合成(DDS),它是近年來迅速發展起來的一種新的頻率合成方法,它將先進的數字處理理論與方法引入信號合成領域,通過控制相位變化速度直接產生各種不同頻率的信號。

DDS的基本原理如圖5.10所示。

圖5.10DDS的基本原理

與傳統的頻率合成技術相比,DDS具有以下優點:

(1)頻率分辨率高,頻點數多。

(2)頻率轉換快。

(3)相位連續。

(4)信號相干。

(5)相位噪聲小。

(6)便于實現復雜方式的信號調制。

(7)采用微處理器接口,容易控制,穩定可靠。

(8)大規模集成,體積小,功耗低,重量輕。

近年來,DDS技術獲得了長足的進步,在跳頻通信、電子對抗、自動控制和儀器設備等領域得到了廣泛的應用。其代表產品有美國模擬器件(AnalogDevices)公司的AD985x、AD995x系列單片DDS,其主要特性見表5.2。

2.間接合成法

間接合成法即鎖相合成法。所謂鎖相,就是自動實現相位同步。能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制系統稱為鎖相環。由于頻率是相位對時間的微分,因而當這兩個電信

號相位同步時,這兩個電信號的頻率也就保持了一致。這樣,利用鎖相環和分頻比可變的分頻器,就可把壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率穩定在基準頻率的整數倍上,獲得大量穩定度和準確度與基準頻率相同的頻率輸出。

圖5.11給出了鎖相環的基本原理框圖。

圖5.11鎖相環的基本原理框圖

基本鎖相環是個閉環相位負反饋環路,由鑒相器(PD)、低通濾波器(LPF)及壓控振蕩器(VCO)三大部分組成。

(1)鑒相器(PD,又稱相位比較器)。鑒相器是相位比較裝置,它將兩個輸入信號Ui(t)和Uo(t)之間的相位進行比較,產生對應于兩信號相位差的誤差電壓信號Ud(t),輸出給低通濾波器(LPF)。當環路鎖定后,鑒相器的輸出電壓是一個直流量。

(2)低通濾波器(LPF)。環路低通濾波器用于濾除誤差電壓中的高頻分量和噪聲,以保證環路所要求的性能,并提高系統的穩定性。

(3)壓控振蕩器(VCO)。壓控振蕩器是受電壓控制的振蕩器,其輸出頻率受輸入電壓的控制。

將基本鎖相環的結構稍加變化,在反饋回路中加入分頻比N可變的分頻器,就可得到頻率合成器中經常使用的鎖相環,其原理如圖5.12所示。圖5.12倍頻式鎖相環原理圖

當鎖相環鎖定時,鑒相器PD兩輸入端信號的頻率差為零,即

從而有

除倍頻式鎖相環外,還有混頻式鎖相環(如圖5.13所示)等形式,在此不作詳述。圖5.13混頻式鎖相環

總之,無論是利用直接頻率合成技術,還是利用鎖相頻率合成技術,合成信號發生器從根本上解決了普通信號發生器輸出信號頻率的穩定度與準確度的問題,并且可方便地在微處理器控制下工作,滿足自動測試的需求。

5.3.4高頻信號發生器的主要性能指標

(1)頻率范圍:100kHz~30MHz,共分八個波段。

(2)頻率刻度誤差:±1%。

(3)輸出電壓:0~1V(有效值)。

(4)輸出阻抗:40Ω(0~1V輸出孔)、8Ω(0~0.1V輸出孔)。

(5)電壓表刻度誤差:±5%(1V電壓時,載波為1MHz)。

(6)內調制信號頻率:400Hz、1000Hz,誤差為±5%。

(7)外調制信號頻率:50Hz~8kHz。

(8)調幅范圍:當m<60%時,誤差為±5%;當m>60%時,誤差為±10%。

(9)諧波電平:<25dBc

5.4函數信號發生器

函數信號發生器是一種寬帶頻率可調的多波形信號發生器,由于其輸出波形均可用數學函數描述,故命名為函數發生器。

5.4.1函數信號發生器的基本組成與原理

構成函數發生器的方案很多,通常有以下三種:

(1)脈沖式:在觸發脈沖的作用下,施密特電路產生方波,然后經變換得到三角波和正弦波。

(2)正弦式:先產生正弦波,再得到方波和三角波。

(3)三角波式:先產生三角波,再轉換為方波和正弦波。

1.脈沖式函數信號發生器

脈沖式函數信號發生器的原理框圖如圖5.14所示。它包括脈沖發生器、施密特觸發器、積分器和正弦波轉換器等部分。

圖5.14脈沖式函數信號發生器原理框圖

正弦波形成電路用于將三角波變換成正弦波,能夠完成這種變換的電路種類很多,如二極管網絡、差分放大器等。圖5.15所示為典型的二極管網絡變換電路,可將對稱的三角波轉換成正弦波。

圖5.15二極管正弦波形成電路

2.正弦式函數信號發生器

正弦式函數信號發生器的原理框圖如圖5.16所示。圖5.16正弦式函數信號發生器的原理框圖

3.三角波式函數發生器

三角波式函數信號發生器的原理框圖如圖5.17所示。圖5.17三角波式函數信號發生器的原理框圖

5.4.2函數信號發生器的主要性能指標

5.5脈沖信號發生器

脈沖信號通常是指持續時間較短、寬度及幅度有特定變化規律的電壓或電流信號。常見的脈沖信號有矩形、鋸齒形、階梯形、鐘形、升余弦、數字編碼序列等。最基本的脈沖信號是矩形脈沖信號,如圖5.18所示。

圖5.18矩形脈沖信號

它有以下一些基本參數:

(1)脈沖振幅A:指脈沖頂量值與底量值之差。

(2)上升時間tr:指由10%電平處上升到90%電平處所需的時間,也叫脈沖前沿。

(3)下降時間tf:指由90%電平處下降到10%電平處所需的時間,也叫脈沖后沿。

(4)脈沖寬度τ(或tw):脈沖寬度本應指脈沖出現后所持續的時間,但是由于脈沖波形差異很大,頂部和底部寬度并不一致,所以定義脈沖寬度為前后沿50%電平處的寬度。

(5)脈沖周期和重復頻率:周期性脈沖相鄰兩脈沖之間的時間間隔稱為脈沖周期,用T表示,脈沖周期的倒數稱為重復頻率,用f表示,如圖5.18(b)所示。

(6)脈沖的占空系數ε:脈沖寬度τ與脈沖周期T的比值稱為占空系數或占空比,即ε=τ/T。

5.5.1脈沖信號發生器的分類

按照頻率范圍來分,脈沖信號發生器有射頻脈沖信號發生器和視頻脈沖信號發生器兩種。前者一般是高頻或超高頻信號發生器受矩形脈沖的調制而獲得的,而常用的脈沖信號

發生器都是以產生矩形脈沖為主的視頻脈沖信號發生器。

按照用途和產生脈沖的方法不同,脈沖信號發生器可分為通用脈沖發生器、快沿脈沖發生器、函數信號發生器、特種脈沖發生器等。

特種脈沖發生器是指那些具有特殊用途,對某些性能指標有一定要求的脈沖信號源,如穩幅、高壓、精密延遲等脈沖發生器,以及功率脈沖發生器、數字序列發生器等。

5.5.2脈沖信號發生器的組成與基本原理

一臺基本的脈沖信號發生器,其組成原理方框圖如圖5.19所示,包括主振級、延遲級、形成級、整形級、輸出級等部分。圖5.19脈沖信號發生器的原理框圖

1.主振級

主振級是脈沖信號源的核心,其決定輸出脈沖的重復頻率,要求有良好的調節性能,較高的頻率穩定度,較寬的頻率范圍,陡峭的前后沿和足夠的幅度。

2.延遲級

在很多場合下要求脈沖信號發生器能輸出同步脈沖,并使同步脈沖超前于主脈沖一段時間,用于提前觸發某些觀測用儀器(如示波器等),這個任務由延遲級完成。主振級輸出

的未經延時的脈沖稱為同步脈沖,又稱前置脈沖,如圖5.20所示。

圖5.20同步脈沖與主脈沖

3.形成級

形成級通常由單穩態觸發器等脈沖電路組成,是脈沖信號發生器的核心之一。它可產生寬度準確、波形良好的矩形脈沖,而且要求脈沖的寬度可獨立調節,并具有較高的穩定性。

4.整形級與輸出級

整形級與輸出級一般由放大、限幅電路組成,整形級具有電流放大的作用,輸出級具有功率放大的作用。

5.5.3脈沖信號發生器的主要性能指標

脈沖信號發生器的主要性能指標有以下幾方面。

(1)脈沖頻率:包括輸出脈沖重復頻率、同步脈沖頻率(與輸出頻率的關系:如倍頻或分頻等)、外觸發輸入信號頻率。要求較高的還包括頻率穩定度、波形失真等。

(2)脈沖持續時間:包括脈沖寬度、延遲時間、微調范圍、前后沿要求等。

(3)脈沖幅度:包括主脈沖、前置脈沖(同步脈沖)和外觸發輸入脈沖幅度的范圍。

(4)輸出阻抗:有50Ω(或75Ω)、600Ω幾種電阻可選。

(5)波形失真:包括過沖、傾斜等指標。

(6)輸出脈沖狀態:包括單極性/雙極性、單脈沖/雙脈沖等。

(7)工作方式:包括外觸發、單次觸發等。

5.6專用(特殊)信號發生器

5.6.1任意波形發生器任意波形發生器具備產生任意波形的能力,其簡化的原理框圖如圖5.21所示。

圖5.21任意波形發生器原理框圖

任意波形發生器可模擬各種波形,只要其可用數字形式存儲。如正弦波、方波、脈沖、脈沖序列、三角波、斜波、sinx/x、升余弦、心(律)波等,波形數據通常可由用戶自行創作后通過計算機聯機軟件載入,也可由數字存儲示波器采集存儲后載入,因而具有強大的輸出波形可定制能力,滿足一些對特殊波形需要測試的應用場合,廣泛應用于科研院所、高

等學校、高等職業院校,以及機械電子等各個領域。圖5.22列舉了幾種經常需要產生的復雜波形。

圖5.22任意波形發生器可產生的幾種波形

以美國福祿克(FLUKE)公司的395系列任意波形發生器為例,其主要特性如表5.3所示。

5.6.2電視信號發生器

下面以用于電視機調試和維修專用的S305A型全頻道彩色電視信號發生器