第7章 信号发生器

典型合成信号发生器的面板布置图
上半部分为显示区，下半部分为控制区。在控制区中，各控 制键按调制、载波、单位等不同功能分类排列，因而操作简便， 不易出错。 仪器的操作是通过操作键盘形成一定格式的指令，再由微处 理器按指令去控制信号发生器中相应的功能部件。
例如，若需要信号发生器输出123.456MHz的频率时，
因而存在着一个负载匹配的问题，这个问题在高频频段尤为重 要。
二、正弦信号发生器的性能指标
（二）输出特性
2. 输出电平范围 ：是指信号发生器输出信号幅度的有效范围， 即所能提供的最小和最大输出电压的可调范围。
一般高频信号发生器输出信号幅度范围为0.1μV～1V，而 电平振荡器的输出电平范围为-60dB～+10dB。 为了在不过多牺牲信噪比的情况下输出微伏（μV）级的 小信号电压，信号发生器的输出级中一般都设置有衰减器。例 如，XD-1型信号发生器最大信号电压为5V，通过0～80dB的 步进衰减，最低可输出500μV的信号电压。
晶体振荡器产生的信号频率为基准频率，通过进行加减乘除运算， 得到一系列所需要的频率，且这些频率的稳定度、准确度可以达 到与基准频率相同的水平（日稳定度优于10-8量级的频率）。 能支持在很宽的范围内对输出频率进行精细的调节；可实现 多种调制工作；可产生多种输出波形。 合成信号发生器一般需要采用微处理器作为控制电路，它的 组成是一种典型的智能仪器架构，仪器操作具有较高的自动化程 度。合成信号发生器将是应用最广泛的信号发生器。
按键应按［Frequency］［1］［2］［3］［.］［4］［5］ ［6］［MHz］ 的顺序操作。在按数字键和单位键时，显示器应 显示相应的数字和单位。在这里，单位键还兼做执行键，当微处 理器判定执行键按下时，就会对从键盘输入的数字、单位和小数 点的位置码进行分析，转换成相应的数码通过数据总线送到频率 合成部分。
高频信号发生器
甚高频信号发生器 超高频信号发生器
200kHz～30MHz
30M Hz～300MHz 300MHz以上
7.1.1 信号发生器的分类及性能 3、按照产生信号方法及信号发生器组成不同分类 传统的通用信号发生器 智能型的合成信号发生器 传统通用信号发生器：是指采用谐振等方法产生频率的
一类信号发生器。其中低频信号发生器常以RC文氏电桥振荡器做 主振器，高频信号发生器常以LC振荡器做主振器。
泛的载波信号。
7.1.1 信号发生器的分类及性能 2、按照输出信号的频率范围，可分为：
可分为：低频信号发生器，高频信号发生器，
可细分：超低频、低频、视频、甚高频、超高频信号发生器
分类 超低频信号发生器 低频信号发生器 视频信号发生器 频率范围 0.0001Hz～10000 Hz 1Hz～1MHz 20Hz～10MHz
f max f min % 100 f0
没有足够的频率稳定度，就不可能保证测量结果有足够的准 确度。一般情况下，信号发生器的频率稳定度应比它的频率准确 度高1～2个数量级，
二、正弦信号发生器的性能指标
（二）输出特性
1. 输出阻抗 ：信号发生器的输出阻抗视信号发生器的类
型不同而异。 低频信号发生器的输出阻抗一般为600Ω （或1kΩ ）； 高频信号发生器一般仅有50Ω 或75Ω 。 信号发生器作为一个激励源应具有一定的内阻，当信号发 生器接人被测电路的输入端时，被测电路将被看作是一个负载，
设R1＝R2＝R，C1=C2=C时，振荡频率为
f =
1 2 R1C1 R2 C 2
=
1 2RC
电压输出 输出 放大器 W 电平调节 电压表 K 输出 衰减器 功率 放大器 匹配 变压器 功率输出
来自百度文库
主振级
二、高频信号发生器组成原理
7.1.3
合成信号发生器的组成
合成信号发生器使用一个或多个晶体作为频率标准，利用 电路的加、减、乘、除而产生一系列的离散频率，因此合成信 号发生器产生的信号具有很强的频率精度和长期稳定度。 合成信号发生器输出频率的改变是基于对环路分频比，合 成信号发生器一般都采用微处理器系统作为控制器。
第7章
信号发生器
信号发生器是为电子测量提供符合一定技术要求电信号的 仪器设备，其输出信号的波形、频率、幅度等参数是已知的。
7.1 信号发生器概述 7.2 锁相频率合成信号发生器 7.3 直接数字频率合成信号发生器
7.1 信号发生器概述
7.1.1 信号发生器的分类及性能 一、 分类
信号发生器应用广泛、种类繁多，分类方法也有多种
1、照输出信号波形特点，信号发生器可分为：正弦信号发 生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、噪声信号发生器等。
2、按照输出信号的频率范围分类，信号发生器一般分为： 低频信号发生器，高频信号发生器，也可以细分为超低频、低频、 视频、甚高频、超高频多种信号发生器， 3、按照产生信号方法及信号发生器组成的不同，可分为： 传统的通用信号发生器和智能型的合成信号发生器两类。
7.2 锁相频率合成信号发生器
7.2.1 锁相环的基本形式
在锁相频率合成器中，可以利用一个基本锁相环把压控振荡 器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，也可以通过不同形式的 的锁相环对基准频率频率进行加、减、乘、除运算，合成所需的 频率。 1. 基本锁相环 2. 倍频锁相环 3. 分频锁相环 4. 混频锁相环 5. 组合式锁相环 6. 小数分频锁相环
这种以RC、LC为主振器的信号源中，频率准确度和频率稳定 度只能达到10-2～10-4量级。
这类仪器主要由模拟电路组成，其输出信号频率和幅度的调 节需要用人工的方法通过调节旋钮、开关来实现，输出幅度一般 采用表头指示，操作自动化程度不够高。
7.1.1 信号发生器的分类及性能
智能型合成信号发生器：频率合成是以一个或几个石英
（三）调制特性
二、正弦信号发生器的性能指标
（一）频率特性
1. 频率范围：指信号发生器所产生信号的频率范围，在 频率范围内，信号发生器的各项性能指标应该都能得到保证， 因而，准确地说，该指标应称“有效频率范围”。当信号发生 器输出的频率范围太宽时，可以分为若干个频段。频率调节可 以是连续的，也可以是离散的。 例如，XD1型信号发生器的频率范围为1Hz～1MHz，分六 挡即六个频段，输出频率是连续的。为了保证有效频率范围连 续，两相邻频段间存在公共部分。 又例如，HP- 8660C型频率合成信号发生器产生的频率范 围为10kHz～2600MHz，输出频率是离散的，分辨率为1Hz、 共可提供约26亿个分离的频率点。
不足：需要大量混频器、分频器和滤波器，难于集成化， 所以体积大，价格昂贵。
直接模拟频率合成的典型例子
2锁相频率合成法 利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在 基准频率上，同时，利用一个基准频率，通过不同形成的锁相环 合成所需的各种频率。由于锁相频率合成的输出频率间接取自 VCO，所以该方式也称间接频率合成法。 优点：锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器，节省了大量滤 波器，简化了结构，且易于集成化、易于计算机控制。 不足：频率切换时间相对较长。 3直接数字频率合成法 近年来发展起来的一种新的频率合成技术。它利用计算机按 照一定的地址关系，读取数据存储器中的正弦取样值，再经D/A 转换得到一定频率的正弦信号。该方法不仅可以直接产生正弦信 号的频率，而且还能可以给出初始相位，甚至可以给出不同形状 的任意波形，这是前两种方法无法做到的。
3. 频率稳定度 ：指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。 短期频率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15分钟内所发生的最大变化；长期频率稳定度 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3小 时内所发生的最大变化。 频率稳定度表达式为：
二、正弦信号发生器的性能指标
（一）频率特性
2. 频率准确度：是指信号发生器预调值（即仪器度盘 指示或数字显示的频率值）与实际输出的信号频率值之间的偏 差，通常用相对误差表示
f f 0 f 100% f0 f0
• 频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。
• 传统通用信号发生器的频率准确度一般为±0.5％～± 10％ • 频率合成信号发生器其输出信号频率具有基准频率（晶振） 的准确度，可达到10-6以上。
二、正弦信号发生器的性能指标
（二）输出特性
3. 输出电平的稳定度和平坦度
输出电平的稳定度是指输出电平随时间的变化;平坦度是 指在有效频率范围内调节频率时,输出电平的变化,即输出电平 的频响。 4. 输出电平准确度 由输出电路的电平准确度、输出衰减器换档误差、表头刻 度误差以及输出电平平坦度几项误差共同决定。 5. 输出信号非线性失真和频谱纯度 通常用非线性失真来表征低频信号发生器输出波形的好坏； 而用频谱纯度表征高频信号发生器输出信号的质量。
7.1.1
信号发生器的分类及性能
二、正弦信号发生器的性能指标
正弦信号容易产生，容易描述，任何线性双端口网络的特性， 都需要用它对正弦信号的响应来表征，因而，正弦信号发生器几
乎渗透到所有的电子学实验及测量中，是最普通、应用最广泛的
一类信号发生器。 正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性 三大指标来评价。
合成信号发生器的基本组成框图
合成信号发生器的核心部件可大致分为频率合成部分和输出 部分（含宽带放大、步进衰减及ALC电路等）。 频率合成部分用于产生用户置定的频率； 输出部分用于控制用户置定的输出幅度。使用时，用户只要 通过仪器面板的按键输入数据对频率合成的频率和输出幅度值进 行置定（并能予以显示），便能输出所需信号。
7.2.1
锁相环的基本形式
1. 基本锁相环
基本锁相环是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和
压控振荡器（VCO）组成的闭合环路，基本形式如图
1. 基本锁相环
当锁相环处于锁定状态时，输入信号和VCO输出信号之间 只存在一个稳态相位差，而不存在频率差，即 fo= fi。锁相合成 法正是利用锁相环的这一特性，把VCO的输出频率稳定在基准 频率上，并把输出频率稳定度提高到与基准频率同一量级。
7.1.2
通用信号发生器的组成
一、低频信号发生器组成原理
由主振级、连续衰减器（电位器Ｗ）、电压放大器、输出 衰减器、匹配变压器（阻抗变换）和检测用电压表等组成。
一、低频信号发生器组成原理 主振级：一般采用
RC正弦波振荡器。尤以 文氏电桥振荡器为最多。 图中R1、C1 、R2、C2 组成正反馈电路，决定 振荡频率；R3、R4组成 负反馈电路，可自动稳 频。
7.1.1 信号发生器的分类及性能 1、照输出信号波形特点，信号发生器可分为：
正弦信号发生器（本章重点讨论内容）、
脉冲信号发生器、 函数信号发生器、
噪声信号发生器等。 正弦信号发生器是应用最广泛的信号发生器，这是因为 正弦信号容易产生、容易描述，任何线性双端口网络的特性 都是通过对正弦信号的响应来表征。正弦信号也是应用最广
7.1 信号发生器
7.1.3 合成信号发生器的组成
频率合成的方法：
与以RC或LC自激振荡为主振级的信号发生器相比，信号源
的频率稳定度可以提高3～4个数量级。 1、 直接模拟频率合成法 2、 锁相频率合成法 （间接频率合成法 ）
3、 直接模拟频率合成法
频率合成的方法：
1、 直接模拟频率合成法
利用倍频、分频、混频及滤波等技术，对一个或多个基准 频率进行算术运算来产生所需要的频率。由于倍频、分频、混 频及滤波大多是采用模拟电路来实现，所以这种方法称为直接 模拟频率合成法。 优点：工作可靠，频率切换速度快，相位噪声低。
2. 倍频锁相环
能对输入信号频率进行乘法运算的锁相环称倍频锁相环，简 称倍频环。它有数字倍频环和脉冲倍频环两种形式。
在相位比较器中进行比较的两个信号的频率是 fi 和 fo/N。很 显然，当环路锁定时，有fi = fo／N，即fo = N fi，从而达到倍频。 改变分频器的分频系数N，就能改变数字倍频环的倍频系数。
二、正弦信号发生器的性能指标
正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性 三大指标来评价。 （一）频率特性
1. 频率范围 2. 频率准确度 3. 频率稳定度
（二）输出特性
1. 2. 3. 4. 5. 输出阻抗 输出电平范围 输出电平的稳定度和平坦度 输出电平准确度 输出信号非线性失真和频谱纯度