第五章 信号发生器

第五章 信号发生器
5.1 概 述 5.2 低频信号发生器 5.3 高频信号发生器 5.4 函数信号发生器
5.1 概 述
信号发生器是指测量用信号发生器，它 信号发生器 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。
本章小结
5．函数信号发生器是一种低频范围内的多 波形发生器，可以输出正弦波、方波、三角 波等多种波形。除了作为正弦信号发生器使 用外，还可以用于测试各种电路的瞬态相应 特性、数字电路的逻辑功能、摸/数转换器及 锁相环的性能等。按其结构可分为脉冲式、 正弦式等，主要用于要求不高的场合。
本章小结
6.阻抗匹配是信号发生器使用时应特别注 意的问题，只有在输出阻抗匹配的情况下， 信号发生器才能正常工作。
5.1.2 信号发生器的一般组成
主振器
变换器
输出电路
输出
电源
指示器
图5-1 信号源的一般组成框图
2.1.3 信号发生器的主要技术指标
1．频率特性 （1）有效频率范围 （2）频率准确度 表达式为： （3）频率稳定度 可分为短期稳定度和长期稳定度。
f x − f 0 ∆f α= = f0 f0
2．输出特性 信号发生器的输出形式包括如图2-2所 示的平衡输出（即对称输出u2）和不平衡 输出（即不对称输出u1）两种形式。
高频信号发生器组成的基本框图如 图2-8所示，主要包括主振器、缓冲级、 调制级、输出级、衰减器、内调制振荡 器、监测电路和电源等部分。
可变电抗器 主振器 缓冲级 FM AM 监测器 S 电源 内调制振荡器 内 外调制输入 外 调制级 输出级 输出
图5 -8 高频信号发生器组成框图
2.3.2 高频信号发生器的主要性能指标
t
图5-15 正弦波形成电路的工作波形
2.4.3 函数信号发生器的性能指标
（1）输出波形 有正弦波、方波、三角波和脉冲等，具有 TTL同步输出及单次脉冲输出等。 （2）频率范围 一般分为若干频段，如1~10Hz、10~100 Hz、100 Hz~1 kHz、1~10 kHz、10~100 kHz、 100 kHz~1 MHz等六个波段。 （3）输出电压 一般指输出电压的峰-峰值。
方波
器
器
5-13 正弦式
器
2.4.2 正弦波形成电路
ui R R4 R3 R2 R3a VD
5
uo R1 R2a VD3 VD4 R2b R1a VD1 VD2 R1b R4a VD
7
R5a +E 直流 稳压 电源 － E R5b
VD
8
VD6 R3b
R4b
图5-14 正弦波形成电路原理图
uo
ui U3 U2 U1 0t
3.按工作原理分类 可分为简易信号发生器、标准信号发生器、 调幅信号发生器、调频信号发生器、合成信号
发生器和许多专用信号发生器等。 4．其他分类方法 按使用范围可分为通用和专用信号发生器；按调节 方式可分为普通信号发生器、扫描信号发生器和 程控信号发生器，按频率产生方式又可分为谐振 信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器。
R1 R2 R3 C + R4 R5 R6 RP + Ui － R7 R8 Uo － S +
图5-6 衰减器原理图
2.2.2 低频信号发生器的主要性能指标
（1）频率范围 （2）频率准确度 （3）频率稳定度 （4）输出电压 （5）输出功率 （6）非线性失真范围 （7）输出阻抗 （8）输出形式 一般为1Hz～20kHz（已延伸到1MHz），且 均匀连续可调。 ±（1～3）%。 一般为（0.1～0.4）%/小时。 0～10V连续可调。 0.5～5W连续可调。 （0.1～1）%。 有50 、75 、150 、600 、5k 等几种。 平衡输出与不平衡输出。
以XFG-7型高频信号发生器为例： （1）频率范围 100kHz ~ 30MHz，分11个波 段；频率刻度误差±1%。 （2）输出电压与输出阻抗 在“0 ~ 0.1V”插孔：分10，100µV，1，10， 100 mV五挡，每挡可以微调，输出阻抗为40 。 在“0 ~ 1V”插孔：输出0 ~ 1V，且连续可变， 输出阻抗约为400 。 （3）调幅频率 内调幅分400Hz和1 kHz两种频 率，均为±5%。
2.3.3 高频信号发生器在调收音机中频时 的应用
毫伏表
高 频 信 号 源
调幅 收音机
示波器
图5-9 用高频信号发生器调收音机中周
2.3.4锁相技术简介 锁相技术简介
fi 基准频率源 Ui Uo fo 鉴相器 fo 低通滤波器 压控振荡器
Ud
图5-10 基本锁相环电路框图
锁相环电路的工作过程（锁相原理 锁相原理）为： 锁相原理 利用鉴相器(PD)比较fi 与 fo的相位差△φ，输出 与△φ成正比的误差电压Ud，Ud经LPF滤波后 送至VCO，改变VCO的固有振荡频率fo ，并使 fo向基准频率源输入频率fi靠拢，这个过程称为 频率牵引。当fo= fi时，环路很快就稳定下来， 频率牵引 此时PD的两个输入信号的相位差为一个恒定值， 即△φ= C（C为常量），这种状态称为环路的 相位锁定状态 锁定状态。 锁定状态
双稳态触 发器
图5-11 脉冲式函数信号发生器的组成原理框图
u1(t) U1 0 t
u1(t) U1 0 －U1 u2(t) t Ur 0 –Ur (a) (b) t t
－U1
u2(t) Ur 0
－
Ur
图5-12 脉冲式函数信号发生器的工作波形图
2．正弦波-方波-三角波方式（正弦式）
缓 冲 正弦 振荡器 级 器 大 出 级 放 输
低频信号发生器的输出频率范围通常为 20Hz～20kHz，又称为音频信号发生器 音频信号发生器。 音频信号发生器 但是，现在低频信号发生器产生频率范围 已延伸到1Hz～1MHz频段，且可以产生低频 正弦信号、方波信号及其它的波形信号。
5.2.1 低频信号发生器的组成与原理
图5-2为低频信号发生器组成框图。它主 要包括振荡器、电压放大器、输出衰减器、 功率放大器、阻抗变换器和指示电压表等。
电压放大倍数为： 电压放大倍数
AV = UO /Ui
2.3 高频信号发生器
高频信号发生器也称射频信号发生器 射频信号发生器， 射频信号发生器 通常产生200kHz ~ 30MHz的正弦波或调 幅波信号，在高频电子线路工作特性（如 各类高频接收机的灵敏度、选择性等）的 调整测试中应用较广。
2.3.1高频信号发生器的组成与原理 高频信号发生器的组成与原理
（1）RC文氏桥式振荡器
C
R + A _
f0
R C R2 R1
图5-4 文氏桥式振荡器的电路原理图
（2）差频式振荡器
频 频 振荡器 f2 低 混 频 频 频 振荡器 f1 器 器 器 波 大 滤 放 通 频 低
5-5 差频式
频振荡器
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，以实现输出一定电压 幅度和功率的要求。 3．输出衰减器 输出衰减器用于改变信号发生器的输出 电压或功率，由连续调节器和步进调节器组 成。常用的输出衰减器原理图如图2-6所示。 4．输出级 输出级包括功率放大器、阻抗变换器和 指示电压表几部分。
2.2.3 低频信号发生器的使用方法
1．熟悉面板 2．掌握正确的操作步骤 （1）准备工作 （2）输出频率调节 （3）输出阻抗的配接 （4）输出形式的选择 （5）输出电压的调节和测读
2.2.4 低频信号发生器在测量放大倍数时 的应用
毫伏表
低 频 信 号 源
被测 放大器
示波器
图5-7 放大器放大倍数测量连线图
电压输出 主 振 器 放 大 器 主振输出 调节 输出 衰减 器 功率 放大 器 阻抗 变换 器
功率输出
指示电压表
S
电压输入
图5-3 低频信号发生器的组成框图
1．主振器 主振器是低频信号发生器的核心，产 生频率可调的正弦信号，一般由RC振荡器 振荡器 或差频式振荡器 差频式振荡器这两种电路组成。主振器 差频式振荡器 决定了输出信号的频率范围和稳定度。
2.4 函数信号发生器
函数信号发生器实际上是一种能产生正 弦波、方波、三角波等多波形的信号发生器 （频率范围约几mHz ~ 几十MHz），由于 其输出波形均为数学函数，故称为函数信号 函数信号 发生器。 发生器
2.4.1 函数信号发生器的组成与原理
1．方波-三角波-正弦波方式（脉冲式）
S1 A B R1 + R2 比较器 ＋U r u1 － －U r R3 RP VD1 VD2 － ∞+ u2 + 积分电路 C S2 正弦波 形成电路 输出级 输出uo
练习题
7. 高频信号发生器的主振级有什么特点?为 什么高频信号发生器在输出与负载之间需采 用阻抗匹配器？ 8. 基本锁相环由那些部分组成？其工作原 理是什么?
练习题
9. 分别解释什么叫调谐信号发生器和锁相 信号发生器？为什么采用锁相信号发生器 可使主振频率指标达到与基准信号相同的 水平？ 10. 函数信号发生器的主要构成方式有哪 些？简述正弦波形成电路的工作过程。
类型 超低频信号发生器 低频信号发生器 视频信号发生器 高频信号发生器 甚高频信号发生器 超高频信号发生器
频率范围 0.0001Hz～1kHz 1 Hz～ 1MHz 20 Hz ～ 10MHz 200kHz ～ 30MH 30MHz ～300MHz 300MHz以上
表5-1 信号发生器按频率分类
注意： 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。
本章小结
1．正弦信号发生器广泛应用于线性系统 的测试中。按其产生的信号频段，可分为 超低频、低频、视频、高频、甚高频和超 高频信号发生器。