电子测量技术(西电版)第6章-测量用信号源课件.ppt

第6章测量用信号源第第6章测量用信号源章测量用信号源6.1 信号源概述信号源概述6.2 信号产生方法及信号发生器发展趋势信号产生方法及信号发生器发展趋势6.3 频率合成技术及锁相频率合成频率合成技术及锁相频率合成6.4 直接数字频率合成技术直接数字频率合成技术6.5 频率合成技术的发展频率合成技术的发展思考与练习思考与练习第6章测量用信号源6.1信信 号号 源源 概概 述述6.1.1信号源的作用信号源的作用能产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器称为信号源，信号源在电子系统的研制、生产、测试、校准及维护中有着广泛的应用。例如在电子测量中，一个系统电参数的数值或特性(如电阻的阻值、放大器的放大倍数、四端网络的频率特性等)必须在一定的电信号作用下才能表现出来。第6章测量用信号源这时可以借助于信号源，将其产生的信号作为输入激励信号，观察系统响应的方法进行测量。另一方面，许多电子系统的性能只有在一定信号的作用下才能显现出来，如扬声器，电视机等。扬声器只有在外加音频信号时才能发声，如果不给电视机外加电视信号，其屏幕上就不会有图像。和示波器、电压表、频率计等仪器一样，信号源是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。第6章测量用信号源 在其他领域，信号源也有着广泛的应用，例如机械部门的超声波探伤、医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。归纳起来，信号源的用途主要有以下三个方面：(1)激励源。在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件及整机设备时，都需要有信号源作为激励信号，由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析确定它们的性能参数。第6章测量用信号源第6章测量用信号源(3)信号仿真。若要研究设备在实际环境下所受到的影响，而又暂时无法到实际环境中测量时，可以利用信号源给其施加与实际环境相同特性的信号来测量，这时信号源就要仿真实际的特征信号，如噪声信号、高频干扰信号等。第6章测量用信号源6.1.2 信号源的分类信号源的分类信号源的应用领域广泛，种类繁多，性能指标各异，分类方法亦不同。按用途有专用和通用之分；按性能有一般和标准信号源之分；按调试类型可以分为调幅、调频、调相、脉冲调制及组合调制信号发生器等；按频率调节方式可分为扫频、程控信号发生器等。下面介绍几种主要的分类方法。第6章测量用信号源按照输出信号的频率来分，大致可以分为6类：超低频率信号发生器，频率范围为0.0011000 Hz；低频信号发生器，频率范围1 Hz1 MHz;视频信号发生器，频率范围为20 Hz10 MHz；高频信号发生器，频率范围为200 kHz30 MHz；甚高频信号发生器，频率范围在30 kHz300 MHz；超高频信号发生器，频率在300 MHz以上。应该指出，按频段划分的方法并不是一种严格的界限，目前许多信号发生器可以跨越几个频段。第6章测量用信号源第6章测量用信号源标准信号发生器的技术指标要求较高，有的标准信号发生器用于为收音机、电视机和通讯设备的测量校准提供标准信号；还有一类高精度的直流或交流标准信号源是用于对数字多用表等高精度仪器或一般信号源进行校准，其输出信号的频率、幅度、调制系数等可以在一定范围内调节，而且准确度、稳定度、波形失真等指标要求很高。而一般信号源对输出信号的频率、幅度的技术指标要求相对低一些。第6章测量用信号源6.1.3 信号发生器的基本组成信号发生器的基本组成 信号源的种类很多，信号产生方法各不相同，但其基本结构是一致的，如图6-1所示。它主要包括主振器、缓冲级、输出级及相关的外部环节。第6章测量用信号源第6章测量用信号源主振器：它是信号源的核心，由它产生不同频率、不同波形的信号。由于要产生的信号频率、波形不同，其原理、结构差异很大。缓冲级：对主振器产生的信号进行放大、整形等。调制级：在需要输出调制波形时，对原始信号按照调幅、调频等要求进行调制。输出级：输出级的功能是调节输出信号的电平和输出阻抗，可以由衰减器、匹配变压器以及射极跟随器等构成。第6章测量用信号源第6章测量用信号源6.1.4 正弦信号发生器的性能指标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。其原因除了正弦信号容易产生，容易描述，又是应用最广的载波信号外，还由于任何线性双口网络的特性，都可以用它对正弦信号的响应来表征。第6章测量用信号源显然，由于信号发生器作为测量系统的激励源，则被测器件、设备的各项性能参数测量的质量，将直接依赖于信号发生器的性能。通常用频率特性、输出特性和调制特性(俗称三大指标)来评价正弦信号发生器的性能，其中包括30余项具体指标。不过由于各种仪器的用途不同，精度等级不同，并非每类每台产品都用全部指标进行考核。另外，各生产厂家出厂检验标准及技术说明书中的术语也不尽一致。这里仅介绍信号发生器中几项最基本最常用的性能指标。第6章测量用信号源第6章测量用信号源(2)频率准确度。频率准确度是指信号发生器盘(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 (6-1)第6章测量用信号源式中，f0为刻度盘或数字显示数值，也称预调值，f1是输出正弦信号频率的实际值。频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。用刻度盘读数的信号发生器频率准确度约为(1%10%)，精密低频信号发生器频率准确度可达0.5%。例如调谐式XFC-6型标准信号发生器，其频率标准优于1%，而一些采用频率合成技术带有数字显示的信号发生器，其输出信号具有基准频率(晶振)的准确度，若机内采用高稳定度晶体振荡器，输出频率的准确度可达到10-810-10。第6章测量用信号源(3)频率稳定度。频率稳定度指标要求与频率准确度相关。频率稳定度是指其他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，频率稳定又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。频率短期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，表示为 (6-2)第6章测量用信号源式中，f0为预调频率，fmax、fmin分别为任意15分钟的信号频率的最大值和最小值。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，信号频率在任意3小时所发生的最大变化，表示为 x10-6+y (6-3)第6章测量用信号源式中,x、y是由厂家确定的性能指标值，也可以用式(6-2)表示频率长期稳定度。需要指出，许多厂商的产品技术说明书中，并未按上述方式给出频率稳定度指标。例如国产HG1010信号发生器和(美)KH4024信号发生器的频率稳定度都是0.01%/h，含义是经过规定的预热时间后，两种信号发生器每小时(h)的频率漂移(fmax-fmin)与预调值f0之比为0.01%。第6章测量用信号源第6章测量用信号源 通常，通用信号发声器的频率稳定度为10-210-4，用于精密测量的高精度高稳定度信号发生器的频率稳定度应高于10-610-7,而且要求频率稳定度一般应比频率准确度高12个数量级。例如XD2型低频信号发生器的频率稳定度优于0.1%，频率准确度优于(13)%。第6章测量用信号源2.输出特性输出特性输出特性指标主要有输出阻抗、输出电平、非线性失真系数三项指标。(1)输出阻抗。作为信号源，输出阻抗的概念在“电路”或“电子电路”课程中都有说明。信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。低频信号发生器，电压输出端的输出阻抗一般为600(或1 k)，功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50，75，150，600 和5 k等挡。高频信号发生器一般仅有50 或75 挡。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。第6章测量用信号源(2)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大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。输出幅度可以用电压(V，mV,V)或分贝表示。例如XD1低频率信号发生器的最大电压输出为1 Hz1 MHz5 V，最大功率输出为10 Hz700 kHz(50、75、150、600)4 W。第6章测量用信号源第6章测量用信号源和频率稳定度指标类似，还有输出信号幅度稳定度及平坦度指标。幅度稳定度是指信号发生器经规定时间预热后，在规定时间间隔内输出信号幅度对预调幅度值的相对变化量。例如HG1010信号发生器幅度稳定度为0.01%/h。平坦度分别指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。使用者通常主要关心输出幅度随频率变化的情况。像用静态“点频法”测量放大器的幅频特性时就是如此。现代信号发生器一般都有自动电平控制电路(ALC)，可以使平坦度保持在1 dB以内，即幅度波动控制在10%以内，例如XD8B超低频信号发生器的幅频特性小于3%。第6章测量用信号源(3)非线性失真系数(失真度)。正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正弦波，但由于信号发生器内部放大器等元器件的非线性，会使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率外，还有其他谐波分量。人们通常用信号频谱纯度来说明输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数表示：(6-4)第6章测量用信号源第6章测量用信号源一般低频正弦信号发生器的失真度为0.1%1%，高档正弦信号发生器失真度可低于0.005%。例如XD2低频信号发生器电压输出的失真度0.1%。而ZN1030的非线性失真系数0.003%。对于高频信号发生器，这项指标要求很低，作为工程测量用仪器，其非线性失真系数5%，以眼睛观察不到波形失真即可。另外，人们通常只用非线性失真来评价低频信号发生器，而用频谱纯度来评价高频信号发生器，频谱纯度不仅要考虑高次谐波造成的失真，还要考虑由非谐波噪声而造成的正弦波失真。第6章测量用信号源3.调制特性调制特性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两种以上的已被调制的信号。多数情况下是调幅信号和调频信号，有些还带有调相和脉冲调制功能。当调制信号由信号发生器内部产生时成为内调制，当调制信号由外部加到信号发生器时，称为外调制。这类带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收发设备等场合不可缺少的仪器。例如，XFC-6标准信号发生器，就具备内、外调幅，内、外调频，或进行内调幅时进行外调频，或同时进行外调幅与外调频等功能。而像HP8663这类高档合成信号发生器，同时具有调幅、调频、调相、脉冲调制等功能。第6章测量用信号源评价信号发生器的性能指标不止上述各项，这里仅就最常用的最重要的项目作了概括介绍。由于使用目的、制造工艺、工作机理等诸方面的因素，各类信号发生器的性能指标相差是很悬殊的，因而价格相差也就很大，所以在选用信号发生器的时候(选用其他测量仪器也是如此)，必须考虑合理性和经济性。以对频率的准确度要求为例，当测试谐振回路的频率特性、电阻值和电容损耗角随频率变化时，仅需要110-2110-3的准确度，而当测广播通信设备时，则要求10-510-7的准确度，显然，两种场合应当选用不同档次的信号发生器。第6章测量用信号源6.2 信号产生方法及信号发生器发展趋势信号产生方法及信号发生器发展趋势6.2.1 正弦信号发生器正弦信号发生器正弦信号发生器可以产生正弦信号或受调制的正弦信号。它包括低频信号发生器，高频信号发生器，微波信号发生器，合成信号发生器，扫频信号发生器。这里对低频信号发生器和高频信号发生器作简单介绍。第6章测量用信号源1.低频信号发生器低频信号发生器低频信号发生器是信号发生器大家族中一个非常重要的组成部分，在模拟电子线路与系统设计、测试和维修中获得广泛的应用，其中最明显的一个例子是收音机、电视机、有线广播和音响设备中的音频放大器。事实上，“低频”就是从“音频”(20 Hz20 kHz)的含义演化而来的。由于其他电路测试的需要，频率向上向下分别延伸至超低频和高频段。现在一般“低频信号发生器”是指1 Hz1 MHz频段，最新的低频信号发生器的频率范围已达1 Hz10 MHz，输出波形以正弦波为主，或兼有方波及其他波形的发生器。第6章测量用信号源(1)低频信号发生器主要性能指标：频率范围为1 Hz1 MHz连续可调；频率稳定度(0.10.4)%/h；频率准确度(12)%；输出电压010 V连续可调；输出功率约(0.55)W连续可调；非线性失真(0.11)%；输出阻抗可为50、75、150、600 及5 k。(2)低频信号发生器组成框图。通用低频信号发生器的组成框图如图6-2所示。主要包括：主振级、缓冲放大、功率放大、衰减器、阻抗变换以及有关调节装置。第6章测量用信号源图6-2 低频信号发生器组成框图第6章测量用信号源(3)通用RC振荡器。低频信号发生器中产生振荡信号(图6-2中主振级)的方法有多种，在通用信号发生器(如XD1、XD2、XD7)中，主振器通常是使用RC振荡器，而其中应用最多的当属文氏桥振荡器。图6-3给出了文氏桥网络及其传输函数的幅频、相频特性，我们简要分析其工作原理。在图(a)中，是网络的输入电压，是输出电压，Z1为R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗，则网络的传输函数(6-6)第6章测量用信号源式中 (6-7)由式(6-6)得到传输函数的幅频特性N()和相频特性()分别为(6-9)(6-8)第6章测量用信号源或 N()和()分别示于图6-3(b)和(c)中。由图(b)、(c)可以看出：时，输出信号与输入信号同相，且此时传输函数模最大(N(0)=N()max=1/3),如果输出信号后接放大倍数的同相放大器(一般由两极反相放大器级联实现)，那么就可以维持=0或者的正弦振荡。而由于RC 网络的选频特性，其他频率的信号被抑制。第6章测量用信号源图6-3 RC文氏桥网络(a)文氏桥式网络；(b)幅频特性；(c)相频特性 第6章测量用信号源 但是，放大倍数 KV=3的放大器是不稳定的，又由于文氏桥电路的选频特性很差，放大器增益不稳，不但会引起振荡振幅变化，还会造成输出波形失真。因此，总是使用高增益的二级放大器加上负反馈，使得在维持振荡期间，总电压增益为3，这样就形成了图6-4 所示的文氏桥振荡电路。图中负温度系数热敏电阻Rt和电阻Rf就构成了电压负反馈电路。第6章测量用信号源热敏电阻Rt的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减少，当由于各种原因引起输出电压增大时，由于该电压也直接接在Rt、Rf串联电路，流过Rt的电流也随之增加而导致Rt阻值降低，负反馈加大，放大器总增益降低，使输出电压减小，达到稳定输出信号振幅的目的。而在振荡器起振阶段，由于Rt温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于3，振荡器容易起振。第6章测量用信号源图6-4 使用热敏电阻Rt作为增益控制器件的文氏桥振荡电路框图第6章测量用信号源由式(6-7)可知，改变电阻R和电容C数值可调节振荡频率，可以使用同轴电阻器改变电阻R进行粗调，使得换挡时频率变化10倍，而用改变双联同轴电容C的方法在一个波段内进行频率细调。第6章测量用信号源图6-5 放大器输入输出阻抗对RC网络的影响 第6章测量用信号源在上边的分析中，没有考虑放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro的影响，Ri和Ro对RC网络的影响如图6-5所示，由图不难看出，应使Ri尽可能大而Ro尽可能小。为此实际振荡器电路中放大器输入级常采用场效应管，以提高输入阻抗Ri，输出时加接射极跟随器，以降低输出阻抗Ro。如果仅提供电压输出，那么RC振荡器后加接电压放大器即可，如图6-4中A2。如果要求功率输出，则还应加接功率放大器和阻抗变换器。第6章测量用信号源(4)LC振荡器。当谈到正弦振荡器时，很容易想到用L、C构成谐振电路和晶体管放大器来实现。实际上基本不用这种电路作为低频信号发生器的主振荡器，这是因为对LC振荡电路，振荡频率。当频率较低时，L、C都比较大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低很多，谐振特性变坏，且调整困难。其次由于f0与成反比，因而同一频段内的频率覆盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容调节范围为40450 pF，则频率覆盖系数(6-10)第6章测量用信号源 如果用RC桥式振荡器，仍以上面的情况为例，根据式(6-7),得到频率覆盖系数为 (6-11)事实上，若以RC文氏桥电路构成振荡器的XD1型低频信号源，其信号频率范围为1 kHz1 MHz，分为6个频段，每个频段内的频率覆盖系数均为10。第6章测量用信号源(5)差频式振荡器。RC振荡器的每一分波段的频率覆盖系数(最高频率与最低频率的比值)通常为10。因此，要覆盖1 Hz1 MHz的频率范围，至少要6个波段，对于某些测量(特别是扫频测量)，极不方便。而差频式低频信号发生器可以在不分波段的情况下得到较宽的频率覆盖范围。图6-6为差频式低频信号发生器的原理框图。第6章测量用信号源图6-6 差频式低频信号发生器原理框图第6章测量用信号源图6-6中，可变频率的高频振荡器和固定频率振荡器分别产生可变频率的高频振荡f1和固定频率的高频振荡f2，经过混频器产生两者差频f=f1-f2，后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高频分量。当可变频率振荡器频率从f1max变到f1min时，低通滤波器后就得到了fminfmax的低频信号，再经放大器和输出衰减器后得到所需幅度的低频信号。这种方法的主要缺点是电路复杂，频率准确度、稳定度较差，波形失真较大；最大的优点是容易做到在整个频段内频率可连续调节而不用更换波段，输出电平也较均匀，所以常用在扫频振荡器中。第6章测量用信号源 高频振荡器是一个可调的LC振荡器，其输出频率为f1，固定频率振荡器输出频率为f2,设f1的变化范围为f11f12,则差频信号的频率范围为f1(f11-f2)f2(f12-f2)。如果f1与f2的值都很高，则差频的频率覆盖系数f1/f2可以达到很大的值，因此对f1进行调频指数不大的调频也可以使f具有很宽的范围。例如，f23.4 MHz，而f1可以从3.4003 MHz 到5.1 MHz，则输出频率可为300 Hz1.7 MHz。但是当f1与f2接近时，容易产生频率牵引(强迫同步)，使得f可以从某一较小值突变为零，而且差频振荡器的频率准确度较差，每次测量都要校准，而且校准后频率准确度仍然不高，因此该方法已较少使用。第6章测量用信号源2.高频信号发生器高频信号发生器高频信号发生器输出范围一般在300 kHz1 GHz，稳定度一般优于10-4/15 min,输出电压在0.1 V1 V左右，输出阻抗为标准的50(或75),大多数具有调幅、调频及脉冲调制等功能。图6-7为高频信号发生器的原理图，它包括主振荡器、调制级、输出级及监测设备(载波电平表，调制度表)等。第6章测量用信号源主振级通常采用LC振荡器，在波段选择及频率细调控制下产生的高频信号，经缓冲后耦合至调制级。根据反馈方式，LC高频振荡器可分为变压器反馈式、电感反馈式(也称电感三点式)及电容反馈式(也称电容三点式)三种振荡器形式。通常用改变电感L来改变频段，改变电容C进行频段内频率细调。缓冲级是为了保证主振级振荡器频率稳定，避免寄生调制和提高信噪比，缓冲一般采用选频放大器。信号根据调制要求进行相应调制，调制信号可以由内部调制振荡器产生，也可由外部输入。输出级对信号进行放大、滤波、电平调节以及获得准确固定的源阻抗(一般为50 或75)。监测器用于监测载波电平和调制系数等。第6章测量用信号源图6-7 高频信号发生器原理图第6章测量用信号源6.2.2 脉冲信号发生器脉冲信号发生器脉冲信号通常指持续时间短，按特定规律变化的电压或电流信号。常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等，如图6-8所示，其中最基本的是矩形脉冲信号。第6章测量用信号源图6-8 常见的脉冲信号(a)矩形波；(b)锯齿波；(c)阶梯波；(d)钟形脉冲；(e)数字编码序列第6章测量用信号源脉冲信号发生器是专门用于产生脉冲波形的信号源，它常用于测量宽带放大器的振幅特性、过渡特性，数字系统的开关特性，示波器、雷达及通信机等。根据脉冲发生器的用途和产生方法，可以分为通用脉冲发生器、快速(广谱)脉冲发生器、函数发生器、数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。其中应用最广泛的是通用矩形脉冲发生器，它可以产生宽度可变，且上升、下降沿极短的矩形脉冲。这里简单介绍一下通用脉冲发生器和快速(广谱)脉冲发生器的基本原理。第6章测量用信号源1.通用脉冲发生器通用脉冲发生器为了满足一般测量的要求，通用脉冲发生器能够调节脉冲的重复频率、宽度、输出幅度和极性等。有的脉冲发生器除了能输出主脉冲外，还可以输出一个超前于主脉冲的前置脉冲(亦称同步脉冲)，而且两个脉冲间的延时可调。双脉冲输出功能主要用于测量电路分辨间隔极近的相邻脉冲的能力。脉冲发生器的基本原理如图6-9所示。第6章测量用信号源图6-9 脉冲信号发生器组成原理框图第6章测量用信号源主振级是脉冲信号发生器的振荡源，一般采用恒流源射级耦合自激多谐振荡器产生矩形波，也可采用正弦振荡及限幅放大等构成，它应具有波段调节(粗调)和频率细调。同时也可选择外部触发信号或手动触发输入作为延时级的脉冲输入信号。延时级将输入信号转换为脉冲形成单元所需的延时脉冲，脉冲形成单元在延时脉冲作用下，形成宽度准确、波形良好的矩形脉冲。输出级对脉冲进行整形、放大等处理后输出。同时主振级的输出信号驱动同步脉冲电路形成并输出前置同步脉冲。第6章测量用信号源通用脉冲发生器输出脉冲的频率、幅度、延迟时间、脉冲宽度、过渡时间等可在一定范围内调节，但他们产生的脉冲持续时间和过渡时间一般在1 ns以上，有的过渡时间虽然可到300 ps，但参数固定不能调节。而在某些测量场合，需要脉宽更窄、过渡时间更短的脉冲，这时通用的脉冲发生器就无法满足要求，而要采用快速脉冲发生器。第6章测量用信号源2.快速快速(广谱广谱)脉冲发生器脉冲发生器快速脉冲发生器广泛应用于雷达、数字通信、时域特性测量等场合。在时域测量中，快速脉冲信号发生器用来提供广谱的激励信号，尤其在微波网络、宽带元器件的时域测量中，脉冲信号发生器相当于频域测量中的扫频信号源。理论上脉冲信号可以产生无限的频谱，但是实际测量中由于器件、电路、工艺以及噪声等因素的限制，其频谱是有限的。在时域测量中提供边沿时间极短、幅度很大的快速脉冲信号具有十分重要的意义。例如一个前沿上升时间为1 ns的脉冲，其可用频谱分量为1 GHz，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快达15 ps，则其可用频谱高达30 GHz。第6章测量用信号源快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及隧道二极管脉冲发生器等。水银开关脉冲发生器原理如图6-10所示，它由直流电压源UD，充电电阻RC，特征阻抗为R0的同轴电缆及水银开关组成。第6章测量用信号源图6-10 水银开关脉冲发生器原理第6章测量用信号源同轴电缆传输线呈电容特性，开关打开时，直流电源经充电电阻RC将同轴传输线充电至电压UD。当开关闭合时，同轴传输线向负载RL放电，此时传输线被看作内阻为R0(R0RC)、电压为UD的电压源，如果负载与传输线匹配，则负载上得到的输出电压为UD/2，持续时间为传输线过渡过程时间2倍的脉冲。该方法产生的脉冲幅度可达50100 V，过渡持续时间为500 ps，如果采用超小型水银开关,其过渡时间还可以更短。但是由于水银开关的机械特性，脉冲重复频率很低，而且开关闭合产生的触发不确定性导致了较大的相位抖动。第6章测量用信号源采用雪崩晶体管来代替机械式的水银开关还可以解决水银开关造成的重复频率低及触发不确定的问题。雪崩晶体管脉冲发生器的触发抖动可以小于10 ps，重复频率可以达到数兆赫兹，但是它的脉冲幅度较低，过渡时间为数百皮秒。为了使过渡时间进一步缩短，采用阶跃恢复二极管对雪崩二极管的输出脉冲进行整形，可以获得100 ps以下量级的过渡持续时间，脉冲幅度能达到1030 V，其可用频谱可提高到微波波段。第6章测量用信号源6.2.3 函数发生器函数发生器在低频(或超低频)信号发生器的家族中，还有一种被称为函数信号发生器，简称函数发生器，它在输出正弦波的同时还能输出同频率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足不同的测试要求，因其时间波形可用某些时间函数来描述而得名。第6章测量用信号源1.函数发生器的性能和组成函数发生器的性能和组成函数发生器一般能输出方波、三角波、锯齿波、正弦波等波形，具有较宽的频率范围(0.1 Hz到几十兆赫兹)及较稳定的频率。具有可变的上升时间(对方波)以及可变的直流补偿，具有较高的频率准确度和较强的驱动能力，波形失真应比较小。函数发生器的典型原理框图如图6-11所示。第6章测量用信号源图6-11 函数发生器的基本组成原理框图第6章测量用信号源比较完整的函数发生器主要由频率控制网络、恒流源电路、积分电路、比较器、波形综合及缓冲电路、输出级等组成。其中频率控制网络控制恒流源电流大小，即改变积分器充放电斜率，进而改变输出三角波的周期，从而控制输出信号频率。恒流源提供一个稳定的充放电电流，以使积分电路输出电压呈线性上升和下降。比较器将三角波与两个门限电压比较，从而控制恒流源的工作，达到双稳态电路的功能。正弦波波形综合电路由三角波得到一个正弦波输出，而方波电路是由三角波产生一个方波输出。函数选择及其他波形产生部分则根据需要选择一个波形输出，或由三种基本波形产生锯齿波等波形并输出。输出级完成对输出信号的放大或衰减，阻抗匹配及直流补偿等功能。第6章测量用信号源2.函数发生器的基本工作原理函数发生器的基本工作原理函数发生器一般以某种波形为第一波形，然后在该波形基础上转换导出其他波形。因第一波形的不同，而采取不同的波形导出方式，主要的导出方式有：方波三角波正弦波，正弦波方波三角波，三角波正弦波方波等，这里主要讨论第一种方法。图6-12是方波三角波正弦波形式的函数发生器原理框图，图中由双稳态触发器，比较器、和积分器构成方波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网络将三角波整形成正弦波。第6章测量用信号源图6-12 函数发生器原理图第6章测量用信号源其简要工作原理如下：设开始工作时，双稳输出端电压为-E，经过电位器P分压，设分压系数，则积分器输出端D点电位随时间t正比上升(6-12)当经过时间T1，uD上升到Um时，比较器输出触发脉冲使双稳态电路翻转，端输出电压为E并输入给积分器，则积分器输出端D点电位为 (6-13)第6章测量用信号源再经过时间T2，uD下降到-Um时，比较器输出触发脉冲使双稳态电路再次翻转，端重新输出-E，如此周而复始，在Q()端产生周期性方波，在积分器输出端产生三角波。如果比较器、正负比较电平完全一样，那么得到的将是完全对称的方波和三角波。如果改变积分器正向，反向积分时间常数，比如用二极管代替电阻R，由式(6-12)、(6-13)可以看到，uD达到+Um和-Um各自需要的时间T1将不等于T2，从而可以产生锯齿波和不对称的方波，上述情况下函数发生器的波形如图6-13所示。第6章测量用信号源图6-13 函数发生器波形图第6章测量用信号源将对称三角波转换为正弦波的原理图如图6-14(a)所示。正弦波可以看做是由许多斜率不同的直线段组成，只要直线段足够多，由折线构成的波形就可以相当好的近似正弦波形，斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到(各段相应的分压系数不同)。因此，只要将三角波ui通过一个分压网络，根据ui大小改变分压网络的分压系数，便可以得到近似的正弦波输出。二级管整形网络就可实现这种功能，我们用图6-14(b)所示的二级管整形网络来说明其工作原理。第6章测量用信号源图中E1、E2、E3及-E1、-E2、-E3等为由正负电源+E和-E通过分压电阻R7、R8、R14分压得到的不同电位，由于各二极管串联的电阻R1、R2、R6及R0都比R7、R8、R14大得多，因而它们的接入几乎不会影响E1、E2等的数值。第6章测量用信号源开始阶段(tt1),uiE1,二级管VD1VD6全部截止，输出电压uo等于输入电压ui；t1tt2阶段，E1uiE2，二极管VD3导通，此阶段uo等于ui经R0和R3分压输出，uo上升斜率减小；在t2tt3阶段，E2uiE3，即tt3后，VD3、VD2、VD1全部导通，uo等于ui经R0和(R3R2R1)(R3、R2、R1三个电阻并联)分压输出，上升斜率最小；当到达t=后，ui逐渐减小，二极管VD1、VD2、VD3依次截止，uo下降斜率又逐步增大，完成正弦波的正半周期近似；负半周期情况类似，不再赘述。第6章测量用信号源通常将正弦波一个周期分为22段或26段，用10个或12个二极管组成整形网络，只要电路参数选择得合理、对称，就可以得到非线形失真小于0.5的波形良好的正弦波。第6章测量用信号源图6-14 由三角波整形成正弦波(a)正弦波的折线近似；(b)二极管整形网络第6章测量用信号源3.集成函数信号发生器集成函数信号发生器由大规模集成电路构成的集成函数信号发生器，能产生方波、三角波、锯齿波及正弦波；由于这种集成电路的功能很强，除了输出固定频率的信号外，还可以输出调频或扫频信号。其典型芯片为5G8038，电路组成如图 6-15所示。三角波由电流源I1、I2对外接电容器CT充放电实现。当RS触发器输出Q=0时，内部开关S断开，电流源I1对CT正向充电，充电电流使CT的端电压上升。第6章测量用信号源当上升到比较器1门限电平EC/3时，触发器置位(Q1)。由于Q1，开关S接通，CT被电流I1I2充电。调节RB可使|I2|=|2I1|，则CT的反相充电电流也等于|I1|(因为I2I1-2I1I1-I1)。在反向充电的过程中，CT上的电压()线性下降。当降至比较器2的门限电平-EC/3时，触发器复位(Q=0)，开关S再次断开，再由I1向CT正向充电。如此反复进行，CT上形成的三角波经过缓冲器1在引脚3输出。第6章测量用信号源，三角波的频率(f0)取决于外接元件CT、RA和RB，其关系可以参考下面的关系式表达：(6-14)式中，设，|+EC|=|-EC|=|E|。如果RA=RB=RT，则 (6-15)第6章测量用信号源5G8038的输出频率范围为1 MHz300 kHz。如果改变两个电阻RA和RB的比值，则将输出非对称三角波或锯齿波。在RS触发器的输出Q端后接缓冲器2就可以从引脚9输出方波或脉冲波，这时调节RA和RB的比值可得到占空比为2%98%的脉冲波。三角波在缓冲器1后经过正弦波变换电路就在引脚1(或2、12)输出正弦波，通过外接元件可以对正弦波的非线形失真进行改善。在引脚7输入调频电压，引脚8外接适当控制信号可以使输出信号实现扫频和调频。所以，5G8038是一个功能很强的集成函数信号发生器。第6章测量用信号源图 6-15 集成函数信号发生器芯片原理图第6章测量用信号源以5G8038为核心接入少量外部元件就可以构成一个实用的函数信号发生器，原理电路如图6-16所示。图中5G8038是该发生器的核心，可以输出三角波、正弦波和方波，经过4选1模拟开关可以选择其中一种波形。A4为该信号源的输出级，输出具有一定幅度和功率的信号。调节引脚8的电位可以改变输出信号的频率以实现扫频或调频。在图6-16中引脚8的电位由数/模转换系统提供。当它输出定值电压时，信号源输出点频；当它输出扫描电压时，其输出信号的频率随扫描电压的规律变化，从而实现扫频。数/模转换系统包括D/A转换器(DAC0832)及运算放大器A1和A2。A3是跟随器，起缓冲作用。图中D/A及4选1模拟开关所需的数据线(DB)及控制线(CB)均由微机提供。第6章测量用信号源图6-16 集成函数信号发生器应用电路第6章测量用信号源6.2.4 合成信号发生器合成信号发生器合成信号发生器是借助电子技术及计算机技术将一个(或几个)基准频率通过合成产生一系列满足实际需要频率的信号源。其基准信号通常由石英晶体振荡器产生。第6章测量用信号源1.现代科学技术对信号源技术的要求现代科学技术对信号源技术的要求 随着电子科学技术的发展，对信号频率的稳定度和准确度提出了愈来愈高的要求。例如在无线电通信系统中，蜂窝通信频段在912 MHz并以30 kHz步进，为此，信号频率稳定度的要求必须优于10-6。同样，在电子测量技术中，如果信号源频率的稳定度和准确度不够高，就很难做到对电子设备特性进行准确的测量。因此，频率的稳定度和准确度是信号源的一个重要的技术指标。第6章测量用信号源在以RC、LC为主振荡器的信号源中，频率准确度一般只能达到10-2量级，频率稳定度只能达到10-310-4量级，远远不能满足现代电子测量和无线电通信等方面的要求。另外，以石英晶体组成的晶体振荡器日稳定度优于10-8量级，但是它只能产生某些特定的频率，为此需要采用频率合成技术，产生一定频段的高稳定度的信号。第6章测量用信号源频率合成技术是对一个或几个高稳定度频率进行加、减、乘、除算术运算，得到一系列所要求的频率信号。采用频率合成技术做成的信号源称为频率合成器，用于各种专用设备或系统中，例如通信系统中的激励源和本振。用这种技术做成通用的电子仪器，称为合成信号发生器(或称合成信号源)。频率的加、减通过混频获得，乘、除通过倍频、分频获得，采用锁相环也可以实现加、减、乘、除运算。第6章测量用信号源合成信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形，它是当前应用最广泛且性能较高的信号源。其具体原理将在本章第三节中作比较详细的介绍。第6章测量用信号源2.合成信号源的主要技术指标合成信号源的主要技术指标如同6.1.4节所述，合成信号源的工作特性应该包括以下几个方面：频率特性、频谱纯度、输出特性、调制特性等。下面就对频率特性和频谱纯度作进一步的叙述。(1)频率准确度和稳定度。其取决于内部基准源，一般能达到10-8/日或更好的水平。HP8663A合成信号发生器的频率稳定度已经达到510-10/日。(2)频率分辨力。由于合成信号源的频率稳定度较高，所以分辨力也较好，可达0.0110 Hz。第6章测量用信号源(3)相位噪声。信号相位的随机变化称为相位噪声，相位噪声会引起频率稳定度的下降。在合成信号源中，由于其频率稳定度较高，所以对相位噪声也应该严格限制，通常带宽相位噪声应低于-60dB，远端相位噪声(功率谱密度)应低于-120 dB/Hz。第6章测量用信号源(4)相位杂散。在频率合成的过程中常常会产生各种寄生频率分量，称为相位杂散，相位杂散一般限制在-70dB以下。需要说明的是：在频域里，相位杂散是在信号谱两旁呈对称的离散谱线分布，而相位噪声则在两旁呈连续分布。(5)频率转换速度。指信号源的输出从一个频率变换到另一个频率所需要的时间。直接合成信号源的转换时间为微秒量级，而间接合成则需要毫秒量级。第6章测量用信号源6.2.5 信号发生器的发展趋势信号发生器的发展趋势由于电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类日益增多，性能日益提高，尤其随着上个世纪70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化的方向发展。现在，许多信号发生器除因为带有微处理器而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成与修正等功能外，还带有IEEE-488或RS232总线，可以控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高频率稳定度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。第6章测量用信号源6.3 频率合成技术及锁相频率合成频率合成技术及锁相频率合成6.3.1 频率合成的原理频率合成的原理在现代测量和现代通信技术中，需要高稳定度、高纯度的频率信号源。这种高稳定度的信号不能用LC或RC振荡器(稳定度只能达到10-310-4量级)产生，而一般采用晶体振荡器(稳定度可以优于10-610-8量级)来产生，但晶体振荡器只能产生一个固定的频率。当要获得许多稳定的信号频率时，采用很多个晶体振荡器来产生是不现实的，而采用频率合成的方法就能方便地实现。第6章测量用信号源 频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率(一般由高稳定的石英晶体振荡器产生)