电子仪器与测量第3章信号发生器

伪随机信 号
是一串0/1电平随机编码的数字序列信号，因其序列周期相当长（在足 够宽的频带内产生相当平坦的离散频谱），故有点类似随机信号。
任意波形
能产生任意形状的模拟信号，例如：模仿产生心电图、雷电干扰、机 械运动等形状复杂的波形。
调制信号
将模拟信号或数字信号调制到射频载波信号上，以便于远程传输。通 常调制方式有：调幅、调频、调相、脉冲调制、数字调制等。
短期：15分钟内 （3.2）
长期：3小时内
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4.失真度与频谱纯度
U
定义
t
测量：低频信号发生器用失真系数
A
高频信号发生器用频谱纯度
f
A
US
Un f
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5. 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5 kΩ等档
普通----功率大，频率、电压刻度不大准确，
3. 按性能分
用于天线测试等
标准----频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用
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4. 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
频段 低频 高频 微波
混频器
f0=300Hz~1.7000MHz
滤波放大
衰减器
输出
可变频率
振荡器 f1=3.3997~5.1000MHz (b)
图3.3 低频信号源组成框图
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频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示： （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
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3.2.2 高频信号发生器
1. 高频信号发生器的组成原理
可变 电抗器
主振级
缓冲级 调制级 输出级 输出
FM AM
电源
内外 内调制
振荡器
监测器 外调制输入
若语音调制则成小电台
图3.4 高频信号发生器原理框图
标准调制：F=1000HBaidu Nhomakorabea m=30%
电子仪器与测量第3章信号发生器
电子仪器与测量第3章信 号发生器
2020/11/27
电子仪器与测量第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 射频率合成信号发生器（数字调制信号源、矢 量信号源）---新增内容
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。
原因② 在LC振荡器中
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40 pF～450pF，则频率覆盖系数为
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而用RC振荡器，由（3.8）式可知， 覆盖系数为
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2.高频信号发生器的使用 信号发生器是向外提供激励信号的仪器，使用比较简单容易。主
要调节输出频率和幅度，关键是注意其使用说明书上输出幅度 是如何标定的，然后才能正确读数。 1) 输出频率的读数 LC振荡器，通过调节电容来改变输出频率的，调节频率时来回 转动时其齿轮的回差会给频率读数带来误差，因此频率准确度 不太高，通常只有±1％左右。
频率范围 1Hz~1MHz 1MHz~1GHz 1GHz~100GHz
主振电路
RC 电 路 LC电路
磁控管、体效 应管、……
调制方式 无
AM、FM AM、FM、PM
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实用频段划
表3.1 频段的划分
频率与波长的关系
λ （λ=C/f，C=3×108m）
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数字矢量 信号
通过正交调制（I-Q调制），可以同时传递幅度和相位信息，故称为 数字矢量信号源。该内容将在本章3.4节射频信号发生器中介绍。
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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
（a）
外触发输入
积分器
正弦波转 换电路
讨论： 信号源输出： 100mv
示波器显示：
200mv
为什么？
50Ω
50Ω，匹配时 100mv
信号发生器输出2电0压0m的v读数是在匹配不阻2不阻2负00匹抗匹抗00载配高配高mm时约时约vv的，11，MM条不不ΩΩ确确件，，知知下故。故。显示显示按示波示波正器器输输弦入入波 有效值标定的。
7.调制特性
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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）。
信
号 发
输入
被 测
2) 输出幅度的读数
输出电阻常取50、75、150、 600欧姆等数值
输出电压显示值均为阻抗匹配时 信号源输出端电压值:V、mV、 μV；或分贝电平dBm（分贝毫 瓦）、dBV（分贝伏）的电压。
图3.6 信号源模型及加载等效电路
浮地
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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。
课程特点
专业课讲系统、整机的组成的框图原理、特点及实例
例：超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展， 但框图原理未变。
天线 高 放 混频器 中 放 检 波 低 放 功放
本振
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3.2.1 低频信号发生器
电压指示
主振器
放大器
衰减器
输出
(a)
固定频率 f2=3.4000MHz 振荡器
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 标准调制：F=1000Hz m=30% 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，这个任务在调制级中完成。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，还有线性扫频。脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号源中 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，衰减量应能准确读数，有良 好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。
输出的脉冲信号可按需要设置其重复频率、脉冲宽度、占空比、上升 及下降时间等参数。脉冲信号有的还有双脉冲输出。
数字信号
可按编码要求产生0/1逻辑电平（多为TTL或ECL电平），也称数据发 生器、图形或模式发生器。通常是具备多路数字输出的。
噪声信号
提供随机噪声信号，具有很宽的均匀频谱。常用于测量接收机的噪声 系数或调制到高频、射频载波上作干扰源。
延迟级 c 形成级 d 整形级 e 输出级 f 主脉冲
同步输出
外同步 b
放大
外同步输入
U
Um δ 0.9Um
0.5Um
τ
0.1Um
0 tr
ΔU
Δt tf
矩形脉冲的参数
a
t
T
b
t
c tz
t
d
τ
e tr
f
U
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3.2.4 函数信号发生器
正弦振荡器
缓冲级
放大级
输出级
方波形成
积分器
输出
测 试
生
激励
设
响应
仪
器
备
器
图3.1 信号源的功用
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3.1.2 信号发生器的分类
专用----电视信号发生器、电平振荡器、误码仪 1. 按用途分 通用----产生正弦:波等通用波形
正弦----
t
2. 按波形分 脉冲----
t
t
函数----产生函数通用波形
t
噪声----
t
成反比，频率
在一个波段内有较大的频率覆盖系数。 3.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：
频率范围： 1Hz～1MHz分频段，均匀连续可调 频率稳定度：优于0.1% 非线性失真：＜0.1%～1% 输出电压：0V～10V 输出功率：0.5 W～5W 连续可调 输出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ 输出形式：平衡输出与不平衡输出
Ri
R0
Ra
Ra
Ra
Rb
Rb
Rb
R0
Rb
RL
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3）输出匹配变换器
信号源
阻抗 变换器
被测设备
Rs 50 Ω
R1 Rs
R3
RL
R2
RL
75 Ω
(a)
(b)
图3.8 阻抗匹配 美国夏威夷大学曾来电询问如何设计？
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3.2.3 脉冲信号发生器
a
主振级
U0
振荡条件？
R1 A
C1
• 输出(f0)
C2
R2
R3
R1
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：
（3.8）
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在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的LC振荡器呢？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
例3.1 XFC-6型高频信号发生器f =4 MHz～300MHz，
试问应划分几个波段？
（3.10）
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。 （3.11）
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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
可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。
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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。
选频网络 0º 放大器 180º 放大器 180º
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
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3.2 通用信号发生器
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。
基础课讲部件、单元电路如振荡器、放大器等单元 模拟电路
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。 三点式振荡器
高频信号发生器主振级的LC振荡器，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：
....
C Ln L2 L1
电图子仪3器.4与测量L第C3章回信路号发生器
名称
正弦波信 号
波形示意图
主
要
特
性
正弦波是电子系统中最基本的测试信号，频率从µHz至几十GHz。大 多信号源都具备正弦波输出。
函数信号
通常包含正弦波、方波、三角波三种，有的还包含锯齿波、脉冲波、 梯形波、阶梯波等波形，频率从几Hz至上百MHz。
扫频信号 脉冲信号
频率可在某区间有规律地扫动，多为用锯齿波进行线性扫频。多数扫 频源是以正弦波扫频，也有以方波、三角波扫频。还有非线性的对数 扫频。
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。
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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。
（3.1）
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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。