第3章A信号发生器1张永瑞版

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1、第第6 6章章 系统分析系统分析 第第3章章 信号发生器信号发生器第第6 6章章 系统分析系统分析 第第3章章 信号发生器信号发生器3.1 信号发生器概述信号发生器概述3.2 正弦信号发生器的性能指标正弦信号发生器的性能指标3.3 低频信号发生器低频信号发生器3.4 射频信号发生器射频信号发生器3.5 扫频信号发生器扫频信号发生器3.6 脉冲信号发生器脉冲信号发生器3.7 噪声发生器噪声发生器习习 题题 三三第第6 6章章 系统分析系统分析 3.1 信号发生器概述信号发生器概述第第6 6章章 系统分析系统分析 一、信号发生器的用途一、信号发生器的用途 在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器

2、件、在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同部件以及整机设备时，都需要有信号源，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，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，如图以分析确定它们的性能参数，如图31l所示。所示。图3.11 测试信号发生器第第6 6章章 系统分析系统分析 二、信号发生器的分类二、信号发生器的分类 l.按频率范围分类按频率范围分类 按照输出信号的频率范围，有表按照输出信号的频率范

3、围，有表3.11所示的划分。所示的划分。名名 称称 频率范围频率范围 主要应用领域主要应用领域 超低频信号发生器超低频信号发生器 低频信号发生器低频信号发生器 视频信号发生器视频信号发生器 高频信号发生器高频信号发生器 甚高频信号发生器甚高频信号发生器 超高频信号发生器超高频信号发生器 30kHz以下以下 30 kHz300 kHz 300 kHz6 MHz 6 MHz30 MHz 30 MHz300 MHz 300 MHz3000 MHz 电声学、声纳电声学、声纳 电报通讯电报通讯 无线电广播无线电广播 广播、电报广播、电报 电视、调频广播、导航电视、调频广播、导航 雷达、导航、气象雷达、导

4、航、气象第第6 6章章 系统分析系统分析 2按输出波形分类按输出波形分类 根据使用要求，信号发生器可以输出不同波形的根据使用要求，信号发生器可以输出不同波形的信号，图信号，图3.12是其中几种典型波形。是其中几种典型波形。按照输出信号的波形特性，信号发生器可分为正按照输出信号的波形特性，信号发生器可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦信号发生器又可包括：脉冲信号发生器、非正弦信号发生器又可包括：脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列信号发函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列信号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等生器、图形信号发

5、生器、噪声信号发生器等.第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.12 几种典型的信号波形第第6 6章章 系统分析系统分析 3按信号发生器的性能分类按信号发生器的性能分类 按信号发生器的性能指标，可分为按信号发生器的性能指标，可分为一般信号发生一般信号发生器和标准信号发生器。器和标准信号发生器。前者指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳前者指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类发生器；定度以及波形失真等要求不高的一类发生器；后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽在一定范围内

6、连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。良好的中、高档信号发生器。第第6 6章章 系统分析系统分析 按照使用范围，可分为按照使用范围，可分为通用和专用信号发生器通用和专用信号发生器(例例如电声行业中使用的立体声和调频立体声信号发生器如电声行业中使用的立体声和调频立体声信号发生器就属于专用信号发生器就属于专用信号发生器)；按照调节方式，可分为普通信号发生器、扫频信号按照调节方式，可分为普通信号发生器、扫频信号发生器和程控信号发生器；按照频率产生方法又可分发生器和程控信号发生器；按照频率产生方法又可分为谐振信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生为谐振信号发生器、锁相信号发生器

7、及合成信号发生器等。器等。第第6 6章章 系统分析系统分析 三、信号发生器的基本构成三、信号发生器的基本构成图313信号发生器原理框图第第6 6章章 系统分析系统分析 振荡器：振荡器是信号发生器的核心部分，由它产生振荡器：振荡器是信号发生器的核心部分，由它产生不同频率、不同波形的信号。不同频率、不同波形的信号。变换器：可以是电压放大器、功率放大器、调制器或变换器：可以是电压放大器、功率放大器、调制器或整形器。整形器。输出级：其基本功能是调节输出信号的电平和输出阻输出级：其基本功能是调节输出信号的电平和输出阻抗，可以是衰减器、匹配变压器和射极跟随器等。抗，可以是衰减器、匹配变压器和射极跟随器等。

8、指示指示器：指示器用来监视输出信号，可以是电子电压表、功器：指示器用来监视输出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计和调制度表等，有些脉冲信号发生器还附率计、频率计和调制度表等，有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器。带有简易示波器。电源：提供信号发生器各部分的工作电源电压。通常电源：提供信号发生器各部分的工作电源电压。通常是将是将50Hz交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。第第6 6章章 系统分析系统分析 四、信号发生器的发展趋势四、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

9、技术的迅速发展，促使信号发生器种类日益增多，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，尤其随着性能日益提高，尤其随着70年代微处理器的出现，更促使年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器除带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动号发生器除带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外，还带有故障诊断和自动波形形成和修正等功能外，还带有IEEE-488或或RS232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便地构

10、成自动测试系统。起方便地构成自动测试系统。第第6 6章章 系统分析系统分析 当前信号发生器总的趋势是向着宽频率复盖高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。我们将在后面各节陆续介绍当前各类有代表性信号发生器的性能指标。第第6 6章章 系统分析系统分析 3.2 正弦信号发生器的性能指标正弦信号发生器的性能指标第第6 6章章 系统分析系统分析 通常用通常用频率特性、输出特性和调制特性频率特性、输出特性和调制特性(俗称三大俗称三大指标指标)来评价正弦信号发生器的性能，其中包括来评价正弦信号发生器的性能，其中包括30余项余项具体指标。不过由于各种仪器的用途不同，精度等级具体指标。不过由于各种

11、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。本节仅介绍信号发生器中几项最基本最常不尽一致。本节仅介绍信号发生器中几项最基本最常用的性能指标。用的性能指标。第第6 6章章 系统分析系统分析 一、频率范围一、频率范围 指信号发生器所产生的信号频率范围，该范围内指信号发生器所产生的信号频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率复盖，在既可连续又可由若干频段或一系列离散频率复盖，在此范围内应满足全部误差要求。此范围内

12、应满足全部误差要求。例如国产例如国产XDl型信号发生器，输出信号频率范围为型信号发生器，输出信号频率范围为1Hz1MHz，分六档即六个频段，为了保证有效频率，分六档即六个频段，为了保证有效频率范围连续，两相邻频段间有相互衔接的公共部分即频范围连续，两相邻频段间有相互衔接的公共部分即频段重迭。段重迭。第第6 6章章 系统分析系统分析 二、频率准确度二、频率准确度 频率准确度是指信号发生器度盘频率准确度是指信号发生器度盘(或数字显示或数字显示)数值数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示%100110fff（3.2-1）式中式中f0为度盘或数

13、字显示数值，也称预调值；为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。是输出正弦信号频率的实际值。第第6 6章章 系统分析系统分析 频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。用度盘读数的信号发生器频率准确度约为(110)，精密低频信号发生器频率准确度可达0.5o例如调谐式XFC6型标准信号发生器，其频率准确度优于1，而一些采用频率合成技术带有数字显示的信号发生器，其输出频率具有基准频率(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l0-810-10。第第6 6章章 系统分析系统分析 三、频率稳定度三、频率稳定度 是指其他外界条件恒定不变的情况下，在规

14、定时间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。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，频率稳定度又分为频率短期稳定度按照国家标准，频率稳定度又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。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，信号频率在任意时间后，信号频率在任意15min内所发生的最大变化，内所发生的最大变化，表示为表示为%1000minmaxfff（3.2-2）式中式中fo为预调频率，为预调频率，fmax、fmin分别为任意分别为任意15min信信号频率的最

15、大值和最小值。号频率的最大值和最小值。第第6 6章章 系统分析系统分析 频率长期稳定度定义为信号发生器经过规定的预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，信号频率在任意热时间后，信号频率在任意3h内所发生的最大变化，内所发生的最大变化，表示为：表示为：预调频率的预调频率的 yHzx610（3.2-3）式中式中x、y是由厂家确定的性能指标值。是由厂家确定的性能指标值。第第6 6章章 系统分析系统分析 四、由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量四、由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量 (l)温度引起的变动量温度引起的变动量 环境温度每变化工环境温度每变化工所产生的相对频率变化，表

16、示为：所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的预调频率的x.10-6，即，即Ctfff/1010)(60601（3.2-4）式中t为温度变化值，f0为预调值，f1为温度改变后的频率值.第第6 6章章 系统分析系统分析 (2)电源引起的频率变动量 供电电源变化10所产生的相对频率变化，表示为：，即610 x606011010)(fff（3.2-5）第第6 6章章 系统分析系统分析 (3)负载变化引起的频率变动量 负载电阻从开路变化到额定值时所引起的相对频率变化，表示为：，即610 x616121010)(fff（3.2-6）式中f1为空载时的输出频率，f2为额定负载时的输出频率。第第6 6章章

17、系统分析系统分析 五、非线性失真系数五、非线性失真系数(失真度失真度)正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频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，要的正弦波频率外，还有其他谐波分量。人们通常用还有其他谐波分量。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，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并用非线性失真系数 表示：表示：%100122322UU

18、UUn（3.2-7）第第6 6章章 系统分析系统分析 式中U1为输出信号基波有效值，为各次谐波有效值。由于 等较U1小得多，为了测量上的方便，也用下面公式定义y：nUUU、32nUUU、32%1002222122322nnUUUUUU（3.2-8）第第6 6章章 系统分析系统分析 六、输出阻抗六、输出阻抗 信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。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低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600(或或1 k)；功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有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

19、和和5k等档；等档；高频信号发生器一般仅有高频信号发生器一般仅有50或或75档。当使用高档。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。第第6 6章章 系统分析系统分析 七、输出电平七、输出电平 输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由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。出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。输出幅度可用电压输出幅度可用电压(V，mV，V)或分贝表示。例或分贝表示。例如如XD-1低频信号

20、发生器的最大电压输出为低频信号发生器的最大电压输出为lHz1MHz，5V，最大功率输出为，最大功率输出为10Hz700kHz(50 、75 、150 、600)，4W。第第6 6章章 系统分析系统分析 八、调制特性八、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，多数情况下是调幅信一种或一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等功能。号和调频信号，有些还带有调相和脉冲调制等功能。当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调制；当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调

21、制；当调制信号由外部加到信号发生器进行调制时，称为当调制信号由外部加到信号发生器进行调制时，称为外调制。外调制。第第6 6章章 系统分析系统分析 3.3 低频信号发生器低频信号发生器第第6 6章章 系统分析系统分析 一、低频信号发生器一、低频信号发生器 1低频信号发生器主要性能指标低频信号发生器主要性能指标 通用低频信号发生器的主要性能指标：通用低频信号发生器的主要性能指标：频率范围为频率范围为lHz1MHz连续可调；连续可调；频率稳定度频率稳定度(0.10.4)h；频率准确度频率准确度(12)；输出电压输出电压010v连续可调；连续可调；输出功率约输出功率约(0.55)w连续可调；连续可调；

22、非线性失真非线性失真(0.1 1)；输出阻抗可为输出阻抗可为50 、75 、150 、600 及及5k。第第6 6章章 系统分析系统分析 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33-1所示。图(a)仅包括电压输出，负载能力弱。图(b)除包括电压输出外，另有功率输出能力。图3.31 低频信号发生器框图第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.31 低频信号发生器框图第第6 6章章 系统分析系统分析 3.通用RC振荡器 低频信号发生器中产生振荡信号的方法有多种，在通用信号发生器中，主振器通常使用RC振荡器，而其中应用最多的当属文氏桥振荡器。图3.32 RC文氏桥网络第第6 6章章

23、 系统分析系统分析 图33-2给出了文氏桥式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iUoU)(31)(31)1(31)(0000212ffffjjCRCRjZZZUUjNio（3.3-1）第第6 6章章 系统分析系统分析 式中RCfRC21,100（3.3-2）由式(3。31)得到传输函数的幅频特性 和相频特性 分别为)(N)(3/)(arctan)()(31)()(0022002jNN（3.3-3）（3.3-4）第第6 6章章 系统分析系统分析 和 分别示于图33-2中(

24、b)和.由图(b)、(c)可以看出：当 ，或 时，输出信号与输入信号同相，且此时传输函数模最大 ，如果输出信号 后接放大倍数 的同相放大器(一般 由两级反相放大器级联实现)，那么就可以维持 或者 的正弦振荡，而 由于RC网络的选频特性，其他频率的信号将被抑制。)(N)(RC/10RCff2/10)3/1)()(max0NNoU3)(/1ovNK0RCff2/10第第6 6章章 系统分析系统分析 但是，放大倍数Kv3的放大器是不稳定的，同时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

25、电压增益为3，这样就形成了图3，33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。第第6 6章章 系统分析系统分析 热敏电阻R的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减小，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。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.33 使用热敏电阻Rt作为增益控制器件的 文氏桥式振荡器方框图第第6

26、 6章章 系统分析系统分析 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，使得换档时频率变化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。图3.34是XD2型低频信号发生器中的RC振荡器部分电路。第第6 6章章 系统分析系统分析 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.图3.35 放大器输入输出阻抗对 RC网络的影响第第6 6章章

27、系统分析系统分析 4其他低频振荡器 (l)LC振荡器 当谈到正弦振荡时，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做为低频信号发生器的主振荡器。这是因为对L、C振荡电路，振荡频率 当频率较低时，L、C的体积都相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低很多，谐振特性变坏，且调节困难。其次，由于f0与 成反比，因而同一频段内的频率复盖系数很小。CLf210CL第第6 6章章 系统分析系统分析 例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容调节范围为 40450pF，则频率复盖系数340450minmaxminmaxCCffK(3.3-5)如果用只C桥式振

28、荡器，仍以上面的情况为例，根据式(332)，可以得到频率复盖系数1140450minmaxminmaxCCffK(3.3-6)事实上，例如以RC文氏桥电路构成振荡器的XD-1型低频信号源，信号频率范围为1kHz 1MHz，分为6个频段，每个频段内的频率复盖系数均为主0。第第6 6章章 系统分析系统分析 (2)差频式振荡器 差频式低频信号发生器框图示于图33-60框图中可变频率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M产生两者差频信号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变成f1min时，低

29、通滤波器后就得到了fmax fmin的低频信号，再经放大器和输出衰减器后得到所需要的低频信号。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低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。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.36 差频信号发生器框图第第6 6章章 系统分析系统分析 5XDl型低频信号发生器 由于低频信号发生器应用非常广泛和频繁，我们以XD1型低频信号发生器为例，介 绍其主要技术指标和简要使用方法.第第6 6章章 系统分析系统分析 (1)主要技术指标 频率范围：lHz1MHz，分成1Hz一10Hz

30、100Hz1kHz10kHz一100kHz1MHz六个频段(六档)。频率漂移：预热30min后，第一小时内，I档，04；档，02；V档，0，工，其后7小时内，I档，08；档，04；V档，02。第第6 6章章 系统分析系统分析 频率特性(输出信号幅频特性)：电压输出5V；最大功率输出，10Hz7 0 0kHz(5 0、75 、150、600 )，10 Hz200 kHz(5 k)，4W。第第6 6章章 系统分析系统分析 非线性失真：电压输出，20Hz 20kHz，0.1；功率输出，20Hz20kHz，0.5。衰减器：电压输出，lHz1MHz衰减80dB l.5dB；功率输出，10Hz 100kH

31、z衰减80dB 3dB，100kHz700kHz衰减80dB 3.5dB。交流电压表：5V、15V、5 0V、15 0V四档，5，电压表输入电阻、电容：100k，50pF。电源：220V 10，50Hz，50VA。第第6 6章章 系统分析系统分析 (2)使用 参考图3.3-7所示XD-1低频信号发生器框图。频率选择：根据所需频段按下“频率范围”按钮，然后再用按键开关上面的“频率调节1、2、3旋钮按照十进制原则进行细调。例如：“频率范围”指10100kHz档，“频率调节1”指4，“频率调节 0.1”指8，“频率调节 001”指7，则此时输出频率为 487 kHz。第第6 6章章 系统分析系统分析

32、 图3.37 XD1低频信号发生器框图第第6 6章章 系统分析系统分析 电压输出：用电缆直接从“电压输出”插口引出。通过调节输出衰减旋钮和输出细调旋钮，可以得到较好的非线性失真(0.1)、较小的电压输出(200 V)和小电压下较高的信噪比。最大电压输出5V，输出阻抗随输出衰减的分贝数变化而变化。为了保证衰减的准确性及输出波形不变坏，电压输出端钮上的负载应大于5k.第第6 6章章 系统分析系统分析 功率输出：将功率开关按下，用电缆直接从功率输出插口引出。为了获得大功率输出，应考虑阻抗匹配，适当选择输出阻抗。当负载为高阻抗，且输出频率接近低高两端，即接近10Hz或几百kHz时，为保证有足够的功率输

33、出，应将面板右侧“内负载”键按下，接通内负载。第第6 6章章 系统分析系统分析 过载保护：刚开机时，过载保护指示灯亮，约56s后熄灭，表示进入工作状态。若负载阻抗过小，过载指示灯会再次闪亮，表示已经过载，机内过载保护电路动作，此时应加大负载阻抗值(即减轻负载)，使灯熄灭。第第6 6章章 系统分析系统分析 交流电压表：该电压表可做“内测”与“外测”o测量开关拨向“外测”时，它做为一般交流电压表测量外部电压大小。当开关拨向“内测”时，它做为信号发生器输出指示，由于它位于输出衰减器之前，因此实际输出电压应根据电压表指示值与输出衰减分贝数按表3.3l计算。第第6 6章章 系统分析系统分析 表3.3l第

34、第6 6章章 系统分析系统分析 二、超低频信号发生器 超低频信号发生器实际上仍属于低频信号发生器，只是输出信号频率低端较一般低频信号发生器更低一些，通常将能产生士Hz以下频率的信号源称为超低频信号发生器，目前超低频信号发生器的频率低端已可低于10-8 Hz.这类信号发生器主要用于自动控制系统的 测试。第第6 6章章 系统分析系统分析 在电子测量仪器的门类划分中，并不把超低频信号发生器单列一类，我们仅出于从产生低频振荡的方法不同考虑，将其单独列出加以叙述，其实这些产生低频振荡的方法，有时也用在一般低频信号发生器中。除了输出信号频率范围往低端延伸外，超低频信号发生器和一般低频信号发生器技术指标基本

35、相同。下面我们主要介绍产生超低频振荡的几种常用方法.第第6 6章章 系统分析系统分析 1用积分器构成的超低频信号发生器 (1)运算放大器及其理想化模型 图33-8(a)中虚框内表示运算放大器，(b)中虚框内部分为其等效电路，其中只i为运算放大器(以后简称运放)输入电阻，必为运放开环放大系数，图中R2、R1为构成实际放大器的反馈电阻。由于电子技术的发展，现在运放(不管是集成电路还是分立元件构成)的性能可以达到很高，比如输入电阻Ri和开环放大倍数且可分别达到106108及105108 甚至更高。输出电压受到偏置直流电压限制，一般在一15V+15V范围内。第第6 6章章 系统分析系统分析 当运放工作

36、在线性区时，u 2Aui，由此可推算出叭在几个微伏到几十微伏之间，相比输入电压，u1(几十毫伏几伏)小到可以忽略，再由于R1很大，因此流入运放的电流i更 是小于 10-8 A以下。为了便于分析，不妨就近似认为：ui 0(习惯上称为虚短路，因为小并不真正等于零)，i 0(习惯上称为虚开路)输入电阻、开环放大系数分别近似认为 ，这样就得到图33-8中(c)的理想化运放模型。ARi,第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.38 运算放大器及其理想化模型第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.38 运算放大器及其理想化模型第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.38 运算放大器及其理想化模型第第6 6

37、章章 系统分析系统分析 现在使用理想化运放模型分析图3.39中三个电路的功能。图(a)中i1i2(虚开路)，(虚短路)，所以111222,iRuiRu12112212RRiRiRuu(3.3-7)第第6 6章章 系统分析系统分析 因此图(a)所示电路具有比例(乘法、除法)功能。在图(b)中，(虚开路)，而 (虚短路)，所以12112iii222121212111111,iRuiRuiRu1212111122RURURu(3.3-8)若取R2R11R12，由上式成为)(12112uuu(3.3-9)第第6 6章章 系统分析系统分析 由式(338)、(339)可见图(b)电路具有加法(或比例与加法

38、)功能。在图(c)中，同样考虑虚开路、虚短路的理想化条件，可以得到dttuRCdttiCdttiCuRiuii)(1)(1)(111221121(3.3-10)第第6 6章章 系统分析系统分析 由式(3。310)，可看到(c)图电路具有积分功能，积分时常数由R、C决定，如果在积分区间 为常数U，则输出电压u2为)(1tuURCtu2(3.3-11)由上面的分析可以得出结论，由于运放反馈通路的构成不同，它可以具有乘、除、加、减、微分、积分等运算功能，运算放大器就因此而得名.第第6 6章章 系统分析系统分析 (2)用运放构成的超低频信号发生器 仍考虑图3.39(c)积分电路和式(3.310)，当输

39、入 为角频率 )的正弦函数时 也为同频率正弦函数，用相量表示有)(1tu)(2tu121UjRCU(3.3-12)或者RCjUUK112第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.39 运算放大器的运算功能第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.39 运算放大器的运算功能第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.39 运算放大器的运算功能第第6 6章章 系统分析系统分析 即积分器产生 相移，增益为 如果用两级积分器级联并在反馈环路中加接一个反相器()，如图3.31.0(a)所示，则闭环增益2/RC/11K212121CCRRK(3.3-13)或者当212102121021,1CCRRffCCRR(3

40、.3-14)第第6 6章章 系统分析系统分析 时，闭环增益 ，这正好是维持振荡的相位和振幅条件，也就是说图3310(a)图电路可产生频率为式(3314)所表示的正弦振荡。在实际振荡器中，为了调节方便，结构简单，一般取 ，并在两级积分器前，各加一个由同轴电位器构成的分压电路，分压比均为a，如图33l0(b)所示，不难得出其振荡频率为1KCCCRRR2121,RCafRCa2,00(3.3-15)实际振荡器中，用改变R或C的办法改变频段，改变。进行频率细调。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.310 用积分器构成的超低频信号发生器第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.310 用积分器构成的超

41、低频信号发生器第第6 6章章 系统分析系统分析 2函数信号发生器 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，以满足不同的测试需求。函数发生器的基本工作原理是先由积分电路和触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器(例如二极管整形网络)将三角波整形成正弦波。第第6 6章章 系统分析系统分析 图331l是函数发生器的原理图，图中由双稳态触发器，比较器I、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。其简要工作原理如下：第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.

42、311 函数发生器原理图 第第6 6章章 系统分析系统分析 设开始I作时，双稳 输出端电压为-E，经过电位器P分压，设分压系数 ，根据式(3311)，积分器输出端D点电位随时间t正比上升Q212RRRtRCEuD(3.3-16)第第6 6章章 系统分析系统分析 当经过时间 上升到Um时，比较器I输出触发脉冲使双稳态电路翻转，弓端输出电压为刀并输入给积分器，则积分器输出端。点电位为 DuT,1tRCEuD(3.3-17)第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.312 函数发生器波形图第第6 6章章 系统分析系统分析 将对称三角波转换为正弦波的原理如图3.313(a)所示。正弦波可看成是由许多斜率

43、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地近似正弦波形，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，只要将三角波叭通过二个分压网络，根据叭的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。二极管整形网络就可实现这种功能，我们用图3.313(b)所示的二极管整形网络来说明其工作原理。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.313 由三角波整形成正弦波第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.313 由三角波整形成正弦波第第6 6章章 系统分析系统分析 图3314为XD8B超低频信号发生器(函数发生器)框图，它由积分电路、比较电路、正弦波

44、成形电路、功率放大器、衰减器及稳压电源等部分组成。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.314 XD8B框图第第6 6章章 系统分析系统分析 比较器把恒定的正负极性电位(16V)交替地送到积分器去积分而得到三角波，三角波又反馈到比较器使它交替翻转，形成振荡环路，从积分器得到三角波，从比较器得到方波。三角波经过由10只二极管组成的电阻网络和缓冲放大器组成的正弦折线成形电路变换 成正弦波。如果将二极管并接在积分电阻R上，由于二极管正、反向电阻的巨大差异而使正负积分时间常数不同，可以获得锯齿波和脉冲信号。第第6 6章章 系统分析系统分析 3数字合成低频信号发生器 用RC文氏桥振荡器以及以积分器为基

45、础的函数发生器，突出的优点是 电路简单。但频率准确度及稳定度较差，非线性失真较大，而且输出信号的幅频特性不太平坦。数字合成低频信号发生器可以有效地提高上述性能指标。在这种仪器中，正弦波由阶梯波合成，如图33-15所示，而阶梯波的形成是由存贮在只读存贮器(ROM)中的数字信息经数模转换器(DA)形成的。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.315 正弦波的阶梯近似第第6 6章章 系统分析系统分析 图 3.3-16是基于这种方法的数字合成低频振荡器方框图，我们简要分析其工作原理。在 区间titti)1(TifUmtu2sin)(3.3-18)由于TpTf11(3.3-19)所以)(2sin)(i

46、upiUmtu(3.3-20)第第6 6章章 系统分析系统分析 通常正弦信号峰值电压恒定，比如设Um=255mV，这样我们可以用32个字节8比特的存贮器(ROM)来贮存i等于不同数值时的电压 u(t)或u(i)最小分辨率为1 mV。由于正 弦信号四个象限内数值的对称性，一个周期分成p=128等份，只有32个独立的数值，因此用32个字节的ROM存贮数据就够了。由式(33-19)看出，输出信号的频率取决于 T，改变 T即可得到不同的输出频率，这通过图33-16“中的晶体振荡器和分频器实现。由分频器输出的计数脉冲周期为 T，设晶体振荡器振荡频率为f0，分频系数为q，则输出信号频率第第6 6章章 系统

47、分析系统分析 图3316中加减5位二进制计数器、RS触发器、检测器等构成ROM的地址译码器，根据译出地址从ROM中取出相对应的幅度值(是数字量)，经模数转换器转换成模拟电压，配合以相应的倒相电路，构成图3315所示的阶梯波，再经低通滤波器加以“平滑”，即滤除阶梯波中的高次谐波，得到正弦波输出。这种方法的主要优点包括：011fqpTpf(3.3-21)第第6 6章章 系统分析系统分析 输出频率准确度高，基本上等于机内晶体振荡器的频率准确度和稳定度.因为各区间的振幅值以数字形式存于ROM中不会改变，加上现在的数模转换器性能稳定，因此输出信号的幅频特性很好o输出信号的非线性失真很小，可低于01.第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.316 数字合成低频信号产生器框图第第6 6章章 系统分析系统分析 三、低频信号产生器的发展现状 由于需求的广泛和电子技术的发展，低频信号发生器的性能指标不断得到提高，表332列出了当前国外、国内有代表性产品的主要性能指标，以给读者一些数量上的概念。表 中所列的频率合成器也是低频信号发生器中的重要一类，其工作原理将在后面予以介绍。第第6 6章章 系统分析系统分析 表3.32第第6 6章章 系统分析系统分析 第第6 6章章 系统分析系统分析