第2章 信号源

学习目标

● 了解信号源的分类。

● 理解正弦信号发生器的主要性能指标及用途。

● 能画出低频信号发生器、高频信号发生器的组成框图，理解其工作原理，并注意其使用要点。

● 了解合成信号发生器的主要技术指标及其分类与用途。了解模拟直接合成法工作原理，理解间接合成法、数字直接频率合成法的工作原理。

● 理解几种函数信号发生器的工作原理与用途。

● 会操作低频信号发生器、高频信号发生器、函数信号发生器等信号源，能使其输出符合要求的信号。

2.1 概述

信号源又称信号发生器，它能够产生不同频率、不同幅度、规则或不规则的波形信号，是电子测量中最常用的仪器之一。信号发生器使用广泛，常用在试验、测量、校准和维修等领域。

2.1.1 信号发生器的用途

归纳起来，信号发生器有如下三方面的用途：

（1）激励源。即作为某些电器设备的激励信号，如激励扬声器发出声音等。

（2）信号仿真。当研究一个电气设备在某种实际环境下所受的影响时，需要施加与实际环境相同特性的信号，如高频干扰信号等。

（3）校准源。用于对一般信号源或其他测量仪器进行校准，如校验自动化仪表时需要标准直流电压、电流信号源。

2.1.2 信号发生器的分类

信号发生器用途广泛、种类繁多，可从不同的角度进行分类。

1.按用途分类

信号发生器按其用途可分为通用信号发生器和专用信号发生器。前者用于对输出信号的频率、幅度的准确度、稳定度以及波形失真度等要求不高的场合；后者对上述参数要求较为严格，并且要读数准确、屏蔽良好，是为专业用途而设计制造的，如电视信号发生器、调频立体声信号发生器和脉冲信号发生器等。

2.按输出波形分类

信号发生器按输出波形又可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦信号发生器又进一步分为脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字信号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器、任意波形发生器等。

本章重点讨论正弦信号发生器和函数信号发生器的组成、工作原理及应用。

2.2 正弦信号发生器

正弦信号源是最普遍、应用最广泛的一类信号发生器，按其输出信号频率可分为低频信号发生器和高频信号发生器。

2.2.1 正弦信号发生器的主要技术指标

正弦信号发生器的主要技术指标包括频率特性、输出特性和调制特性。

1.频率特性

（1）有效频率范围。指各项指标都能得到满足的输出信号的频率范围。在有效频率范围内，频率调节可以是离散的，也可以是连续的。当频率范围很宽时，常划分为若干频段。表2.1列出了各类常用正弦信号发生器的频率范围。

（2）频率准确度。指信号发生器输出频率的指示值的实际相对误差。对于用刻度盘指示频率的信号发生器，其频率准确度在±（1～10）%的范围内；标准信号发生器优于±1%；合成信号发生器优于±10-6。

（3）频率稳定度。信号发生器在一定时间内维持其输出信号频率不变的能力，称为频率稳定度，用一定时间内的相对频率偏移来表示。由于信号发生器的频率稳定度是频率准确度的基础，所以要求信号发生器的频率稳定度比频率准确度高1～2个数量级。

2.输出特性

（1）输出电平调节范围。指输出信号幅度的有效范围，可用电压有效值（V，mV，µV）或绝对电平（dB）表示。一般信号发生器输出电平调节范围都比较宽，可达七个数量级。

（2）输出电平的准确度。指信号发生器输出电平指示器的显示值与实际值之间的偏差，常用相对误差表示，一般在±（3～10）%范围内。

（3）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。低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Ω或1kΩ，功率输出端经输出匹配变压器，其输出阻抗可扩展为50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等挡。高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω挡。使用高频信号发生器时要注意阻抗匹配。

2.2.2 低频信号发生器

低频信号发生器用来产生1Hz～1MHz的低频正弦信号。这种信号在模拟电子线路与系统的设计、测试和维修中得到广泛的应用，也可用做高频信号发生器的外调制信号源。

1.低频信号发生器的基本组成原理

低频信号发生器的组成框图如图2.1所示。它主要由主振器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和监测电压表等组成。

（1）主振器。低频信号发生器中主振器的作用是产生低频的正弦波信号，并实现频率调节功能。它是低频信号发生器的主要部件，一般采用RC振荡器，尤以文氏桥振荡器为多。图2.2是文氏桥振荡器的原理电路。图中R1、C1、R2、C2组成正反馈网络，负温度系数的热敏电阻Rt和电阻Rf组成负反馈支路，二者共同构成文氏电桥。文氏电桥和放大器组成的放大环路称为文氏电桥振荡器。为了方便起见，取R1=R2=R，C1=C2=C。当满足振幅平衡条件和相位平衡条件，要求放大器的闭环增益等于3，这时振荡器的输出频率为

热敏电阻Rt具有加速振荡建立和稳幅作用。电路中频率粗调（频段转换）与细调可通过切换电阻和调节可变电容来实现。

（2）电压放大器和功率放大器。电压放大器的作用是放大主振级产生的振荡信号，满足信号发生器对输出信号幅度的要求，并将振荡器与后续电路隔离，防止因输出负载变化而影响振荡器频率的稳定。功率放大器提供足够的输出功率。为了保证信号不失真，要求放大器的频率特性好，非线性失真小。

（3）输出衰减器和阻抗变换器。输出衰减器的作用是调节输出电压使之达到所需的值。低频信号发生器中采用连续衰减器和步级衰减器配合进行衰减。

阻抗变换器实际上是一个变压器，其作用是使输出端连接不同的负载时都能得到最大的输出功率。一般在低频（20Hz～2kHz）和高频（2～20kHz）采用不同的匹配变压器，以便在高、低频段分别与不同的负载匹配。

（4）监测电压表。用于监测信号源输出电压或输出功率的大小。

2.XD-2型低频信号发生器的主要性能与使用

XD-2型低频信号发生器产生从1Hz～1MHz的正弦波信号，输出电压有效值可在0～5V范围内任意调节。

（1）主要技术性能

① 频率范围：1Hz ～1MHz。分成1Hz ～10Hz ～100Hz ～1kHz ～10kHz ～100kHz ～1MHz六个频段（六挡）。

② 频率特性：在整个频段内，输出电压平坦度＜±1dB。

③ 频率基本误差：±（1～1.5）%。

④ 频率稳定度：Ⅰ、Ⅱ挡，第1 小时内＜2×10-3/h，以后7h内＜7×10-4/h；Ⅲ、Ⅳ挡，第1小时内＜1×10-3/h，以后7小时内＜5×10-4/h。

⑤ 非线性失真：≤0.1%（20Hz ～20kHz），其他频段不做考核。

⑥ 输出幅度：0～5Vrms连续可调。

⑦ 衰减器：衰减总量90 dB。衰减误差：＜±1.5dB（80dB以内）；＜±5dB（90dB时）。

⑧ 电压指示误差：＜±5%（20Hz～10MHz）。

⑨ 输出阻抗（正弦波）：600Ω。

⑩ 功率消耗：1 0 VA。

（2）使用方法

XD-2型低频信号发生器面板如图2.3所示。

XD-2型低频信号发生器的使用说明如下。

（1）准备工作

正确选择使用符合要求的电源电压，将电源线接到220V、50Hz的交流电源上，应注意将三芯电源插头的地线脚与地面妥善接好，以避免干扰。

开机前应将输出调节旋钮置于起始位置（最小），待仪器稳定工作后才可以投入使用。

（2）输出信号的调节

频率调节：通过频段选择开关可选择输出信号频段，通过频率选择旋钮可选择选定频段内的频率，输出信号频率为频段起始频率值与频率选择比例的乘积。

例如，输出456Hz信号时，可选择频段Ⅲ（起始频率为100Hz），频率选择比例值为4.56（=4×1+5×0.1+6×0.01）。若需在小范围内细调输出信号频率值，可使用频率微调旋钮；顺时针方向调节时，信号频率略增大。

输出电压调节：通过步级衰减开关（dB）可选择输出信号衰减倍率，通过输出调节旋钮可连续调节输出信号电压有效值，输出信号电压值约为电压表指示电压值与衰减倍率的乘积。

例如，欲输出45mV电压值，可选择输出衰减为40dB（衰减比例为0.01），使用输出调节旋钮，调节使电压表指示电压值为4.5V，即：45mV=4.5V×0.01。

电压表指示值与衰减分贝数对照表如表2.2所示。

2.2.3 高频信号发生器

高频信号发生器输出频率范围在100kHz～300MHz之间，有调幅功能。主要用来向各种高频电子设备和电路提供高频信号能量或高频标准信号，以便测试其电气性能，如各种接收机的灵敏度、选择性等。

1.高频信号发生器的基本组成原理

高频信号发生器主要包括主振级、缓冲级、内调制信号发生器、调制级、输出级和可变电抗器，组成框图如图2.4所示。

（1）主振级。高频信号发生器主振级的作用是产生频率可在一定范围内调节的高频正弦波信号。信号发生器的频率特性，如频率范围、频率稳定度和准确度、频谱纯度等主要由主振级决定。为了保证信号发生器有较高的频率稳定度，一般采用电感反馈或变压器反馈的单管振荡电路或双管推挽振荡电路。

（2）缓冲级。放大主振级输出的高频信号；在主振级和后续电路间起隔离作用，以提高振荡频率的稳定性。

（3）内调制信号发生器。产生并输出内调制信号，一般由RC振荡器构成，信号频率一般为400Hz和1000Hz两种。

（4）调制级。用外调制信号或内调制信号对主振信号调幅，输出调幅信号，以适应某些测量的需要。外调制信号通过面板接线柱输入。外调制和内调制的转换通过开关控制。

（5）输出级。高频信号发生器中的输出级电路的作用有三点：放大、衰减调制器的输出信号，使信号发生器输出电平有足够的调节范围；滤除不需要的频率分量；保证输出端有固定的输出阻抗（50Ω）。它一般由放大器、滤波器和粗、细衰减器等组成。为了适应不同的使用条件，要求输出电平既能步级衰减，又能连续调节。

（6）可变电抗器。高频信号发生器中可变电抗器与主振级的谐振电路耦合，使主振级产生调频信号。在高频信号发生器中多采用变容二极管调频电路。

2.XFG-7型高频信号发生器的主要性能与使用

XFG-7型高频信号发生器是一种应用较广的高频信号发生器，面板如图2.5所示。一般用于接收机调整与测试及高频信号源使用。

（1）主要技术性能

① 频率范围：100kHz～30MHz，分8个波段；频率刻度误差为1%。

② 输出电压与输出阻抗。

“0～0.1V”插孔：输出电压为0～0.1V，分10μV、100μV、1mV、10mV、100mV五挡，每挡可以微调，输出阻抗为40Ω。

“0～1V”插孔：输出电压为0～1V，连续可变。输出阻抗约为40Ω。

在有分压电阻时的电缆（电缆分压器）终端，“0.1”插口输出为0～10000μV，输出阻抗为8Ω。“1”插口，信号不衰减，输出为0～100000μV，输出阻抗为40Ω。

③ 调幅：调幅度：0%～100%，连续可调；调制信号频率：内调制为400Hz、1000Hz，外调制为50～8000Hz。

④ 剩余电压：≤0.3μV。

（2）使用方法

① 测量准备

通电前，各旋钮初始位置选择如下：“载波调节”、“调幅系数调节”、载波输出“微调”旋钮逆时针旋到最小；载波输出“倍乘”置于“1”处；如需要，可调节载波电压表（“V”）、调幅度表（“M%”）指针位于机械零点。由于电源变压器进线中有高频滤波电容器，使机壳带有一定电位，如果仪器机壳没有接地线，应在使用者脚下垫绝缘板。

开机预热5min以上（作精密测量使用时，必须预热1h），将波段开关置于两挡中间，如果这时电压表有指示，应调节“V”表零点旋钮，使指针指在零点。

② 输出信号的调节

a.输出等幅信号

将“调幅选择”旋钮置于“等幅”位置。根据所需信号的频率，将“波段”开关置于相应的位置，调节“频率调节”旋钮到需要的频率附近，然后再调节“频率微调”以获得准确的频率。

旋动“载波调节”旋钮，使“V”表指在“1V”红线处。此时，“0～0.1V”插孔输出信号幅度等于载波输出“微调”旋钮指示的读数与载波输出“倍乘”值的乘积。载波电压调节过程中，电压表指针可能会在刻度盘“1V”红线位置波动，出现此情况时，应反复调整几次，直至指针稳定于红线位置。

测试场合需要仪器提供1μV以下的输出电压时，应使用带分压的输出电缆。如果电缆输出口的“0.1”接线柱上引出信号电压值，还应将按上述方法计算的结果再乘0.1。例如，要得到0.38μV的电压，应将载波输出“微调”置于3.8div处，载波输出“倍乘”置于“1”挡，从电缆的“0.1”端输出高频信号，信号电压值为3.8×1×0.1μV=0.38μV。

测试场合需要0～1V信号电压时，应调节“载波调节”旋钮，使电压表指在对应刻线位置，从“0～1V”插孔获取输出信号。例如，载波输出“微调”旋钮位于刻度“6”处，仪器输出电压为0.6V。在不同频率情况下，仪器输出电压值会有差异，仪器使用中，每次调整输出信号频率后，都应按上述方法对载波电压进行“1V”校准。

b.内调幅

将“调幅选择”开关置于“400 Hz”或“1000Hz”位置，此时，等幅载波信号受到机内400 Hz或1000Hz音频信号调制。按选择等幅振荡频率的方法选择载波频率，旋动“载波调节”旋钮，使电压表指示为1V。

旋动“调幅系数调节”旋钮，由“M%”表读数可确定输出调幅波的调幅度。利用载波输出“微调”旋钮和载波输出“倍乘”开关来控制调幅波输出，计算方法与等幅信号输出时的方法相同。

c.外调幅

将“调幅选择”开关置于“等幅”位置，调节载波频率。选择合适的音频信号发生器作为音频调幅信号源，音频信号发生器应具有相适应的工作频段，且能提供0.5W以上的信号功率。

接通音频信号发生器的电源，预热后投入使用。首先将音频信号发生器输出电压调至最小，并将音频信号发生器输出端与XFG-7的“外调幅输入”的接线柱连接。逐渐增大音频信号输出幅度，直至调幅度表上的指示值满足需要为止。利用载波输出“微调”旋钮和“倍乘”开关来控制载波的输出幅度。

2.3 合成信号发生器

随着科学技术的发展，对信号的频率稳定度和准确度提出了越来越高的要求，普通信号发生器已不能满足此要求，而频率合成信号发生器可从根本上解决这个问题。

合成信号发生器是用频率合成器代替信号发生器中的主振器，它既有一般信号发生器良好的输出特性和调制特性，又具有频率合成器高稳定度、高分辨力的优点，同时输出信号的频率、电平、调制深度等均可程控，是一种先进的信号发生器。为了保证良好的性能，合成信号发生器的电路一般都相当复杂，其核心是频率合成器。

采用频率合成技术制成的频率源统称频率合成器，用于各种专用设备和系统中。频率合成技术的发展大致可分为三个阶段：第一阶段是模拟直接频率合成技术，第二阶段是间接合成技术（又称锁相合成技术），第三阶段是数字直接频率合成技术。模拟直接合成法和数字直接合成法统称直接合成法。下面分别加以介绍。

2.3.1 模拟直接合成法

模拟直接合成法是将一个或多个基准频率，通过倍频、分频、混频技术实现算数运算（加、减、乘、除），合成所需频率，并用窄带滤波器将其选出。

图2.6所示为直接合成法的例子，将石英晶体振荡器产生的1MHz振荡信号，通过谐波发生器产生1MHz，2MHz，3MHz，…，9MHz等基准频率，然后通过10分频器（完成÷10运算）、混频器（完成加法和减法运算）和滤波器，最后产生4.628MHz的输出信号。只要选取不同谐波进行适当组合，就能得到所需频率的高稳定度信号。

这种合成法频率转换速度快（μs级），频谱纯度高。但需要大量的混频器、分频器和窄带滤波器，因而体积大，价格高，且难以集成化，一般只适用于实验室、固定通信以及要求转换时间较短的场合。

2.3.2 间接合成法

间接合成法又称为锁相合成法，它通过锁相环（PLL）来完成频率加、减、乘、除运算，得到所需频率。

锁相就是自动实现相位同步，而锁相环就是能完成两个电信号相位同步的自动控制系统。基本锁相环是由鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）组成的，如图2.7所示。

鉴相器是相位比较装置，它将输入信号ui(t)和输出信号uo(t)的相位进行比较，其输出是与两信号的相位差成正比例的误差电压uφ(t)。低通滤波器滤除误差电压uφ(t)中的高频分量和噪声，以保证环路所要求的性能，并提高系统的稳定性。压控振荡器接受滤波器输出电压uf(t)的控制，使其振荡频率向输入信号频率靠近，直至锁定。环路锁定后，VCO的振荡频率等于输入信号频率，VCO的相位与输入信号相位相同或相差某一个常数。因此，当环路锁定时，鉴相器PD的输出电压是一个直流电压。

锁相环的电路形式很多，频率合成器中常用的有以下几种：倍频式锁相环、分频式锁相环、混频式锁相环和组合式锁相环，如图2.8所示。其中图2.8（d）能在71～100.9MHz的频率范围内产生300个输出频率，最小间隔为100kHz。

锁相环具有滤波作用，其通带可以做得很窄，并且中心频率易调，又能自动跟踪输入频率。因而可以省去直接合成法中使用的大量混频器、分频器和滤波器，有利于简化结构、降低成本，便于集成，在频率合成技术中获得了广泛的应用。但间接合成法受锁相环锁定过程的限制，转换速度较慢，转换时间一般为毫秒（ms）级。

2.3.3 数字直接合成法

数字直接频率合成法（DDS）突破了前面两种频率合成法的原理，从“相位”概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波，而且可以给出不同的初始相位，甚至可以输出任意波形。后面两种性能是前面两种合成法无法实现的。

数字直接合成法的原理如图2.9所示，以合成正弦波为例，首先，把一个周期的正弦波按一定的相位间隔分成若干离散点。若离散点数用A位二进制数表示，则可分成2A个间隔点。于是可得两个离散点之间的间隔为

求出相应点的正弦函数值（设正弦波幅值为1），并用D位二进制数表示。将这些数值依次写入ROM中，构成一个正弦表。

频率合成过程中，在标准时钟（CLK）的作用下，相位累加器按一定的间隔（设间隔用K表示）递增，其输出A位二进制数作为地址码对ROM中的存储单元寻址。ROM输出相应相位点的正弦函数值（D 位二进制数），经D/A转换器转换为阶梯状的正弦波。最后，用低通滤波器对阶梯正弦波进行平滑滤波，即可输出较为标准的正弦波。

在特定的时钟频率 fc下，输出正弦波的频率取决于相位累加器每次累加数值 K 的大小，即

由上式可知，K值越大，取完一个正弦周期所用的时钟周期越少，即输出正弦波的频率越大。

对输出信号的相位控制是通过给相位累加器设置不同的初始值来完成的。

直接数字合成法基于大规模集成电路和计算机技术，尤其适用于函数波形和任意波形的信号发生器。目前DDS专用芯片仅能产生100MHz量级的正弦波，这仍然不能满足高频信号的需要，需进一步发展。

2.3.4 PO12型频率合成器

PO12型频率合成器是一种间接式频率合成器。

1.主要技术指标

（1）频率范围：100kHz～500MHz，由8位数码管显示，可以手控，也可用BCD8421码进行遥控（32线并行输入）。

（2）基准晶振频率：5MHz，频率稳定度3×10-9/div。

（3）分辨率：最小频率步进10Hz，插入连续振荡器后分辨率可达0.5Hz。

（4）输出阻抗：50Ω。

（5）最高电平输出：+10dBm。

（6）输出衰减器：可将最高输出信号衰减至70dB，由1dB、2dB、2dB、5dB、10dB、10dB、20dB、20dB八级组成。

（7）谐波含量：低于-30dB。

2.组成原理

PO12型频率合成器的组成原理如图2.10所示。由图可以看出，它是由基准频率发生器、内插振荡器（频率20～21MHz）、七级十进锁相合成单元（末一级十进合成单元少一个固定的十进分频电路）、倍频器、输出混频器、输出放大器和输出衰减器等组成。

单元①：由一个高精度、高稳定度的石英晶体振荡器产生5MHz频率信号，经倍频或分频后分别输出100kHz、2MHz、15MHz、100MHz的基准频率。

单元②：由6个相同的合成单元相串接，完成“×10Hz”、“×100Hz”、“×1kHz”、“10kHz”、“100kHz”和“1MHz”位的频率合成。每一个合成单元的组成都相同，如图2.11所示就是其中一个合成单元。每一级输入信号都是2.0～2.1MHz的频率，该信号在第一个混频器中同15MHz频率信号进行加法运算后，得到17～17.1MHz频率信号；再在第二混频器中同数字振荡器送来的3.0～3.9MHz频率信号进行加法运算，混频后的信号再经分频器十分频，其输出频率仍然为2.0～2.1MHz。显然每经过一级合成单元，其最小频率间隔将缩小10倍。

单元③：完成“×10MHz”位的频率合成。

单元④：是一个10 倍频锁相环。将前一单元送来的20～21MHz频率倍乘到200～210MHz。

单元⑤：是一个10倍频电路。将前一单元送来的200～210MHz频率信号倍增至2.0～2.1GHz信号。

单元⑥：将单元①送来的100MHz基准频率信号通过倍频器倍频后再由带通滤波器选取1.6GHz、1.7GHz、1.8GHz、1.9GHz、2.0 GHz的五个频率的信号。

单元⑦：该单元内部由微波混频、宽带放大和衰减器三部分组成。来自单元⑤的2.0～2.1GHz信号分别与单元⑥的1.6GHz、1.7GHz、1.8GHz、1.9GHz、2.0 GHz的信号在混频器中混频，取其差频分量，经低通滤波器输出500MHz以下的合成频率信号。此信号经宽带放大器和自动增益电路，保证获得平坦的输出频率响应。衰减器可在70dB范围内改变输出电平。

单元⑧：这是一个可连续变化的插入振荡器。既可连续改变频率，又可作扫频之用。它可在100MHz位以下任意插入。

2.4 函数信号发生器

函数信号发生器的输出波形均可用数学函数描述，故得名。它能够输出正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号，其中前三种最为常用。有的函数信号发生器还具有调制功能，可以进行调幅、调频、调相、脉冲调制和VCO（电压控制振荡器）特性。函数信号发生器有很宽的频率范围（从几赫兹到几十兆赫兹），使用范围也很广，是一种不可缺少的通用信号源。

2.4.1 函数信号发生器的工作原理

传统函数信号发生器产生信号的方法有三种：一种是脉冲式，用施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波；第二种是正弦波式，先产生正弦波再得到方波和三角波；第三种是三角波式，先产生三角波再转换为方波和正弦波。

新型函数信号发生器采用数字直接合成技术（DDS）。它不采用振荡器，而是通过数字合成的方法产生一连串的数据流，再经A/D转换和低通滤波电路输出预先设定的模拟信号。

1.脉冲式函数信号发生器

由方波产生三角波、正弦波函数信号发生器的电路原理方案如图2.12所示，电路主要由脉冲发生器、施密特触发器、积分器和正弦波转换器等部分构成。

其工作原理如下：

脉冲发生器产生脉冲信号，由施密特触发器变换成方波信号，方波经积分器积分形成三角波，三角波经正弦波转换器转换成正弦波。

缓冲放大器通过开关选择输出信号的波形。缓冲级接在选择开关和放大器之间，可减小放大器对前级的影响。

2.正弦波式函数信号发生器

由正弦波产生方波和三角波的方案如图2.13所示。电路主要由正弦波发生器、微分电路、方波形成电路、三角波形成电路和缓冲放大器构成。

正弦波发生器产生正弦信号，经微分电路、方波形成电路（单稳态触发电路）形成脉冲宽度可调的方波信号，方波经三角波形成电路形成三角波。

3.三角波式函数信号发生器

由三角波产生方波和正弦波的方案如图2.14所示。电路主要由三角波发生器、方波形成电路、正弦波形成电路和缓冲放大器构成。

三角波发生器产生三角波信号，经方波形成电路形成脉冲宽度可调的方波信号，三角波经正弦波形成网络整形，变换成正弦波。

4.DDS函数信号发生器

要产生一个电压信号，传统的模拟信号源是采用电子元器件以各种不同的方式组成振荡器，其频率精度和稳定度都不高，而且工艺复杂、分辨率低，频率设置和实现计算机程控也不方便。数字直接合成技术（DDS）是最新发展起来的一种信号产生方法，它完全没有振荡器元件。DDS函数信号发生器的工作原理框图如图2.15所示。

例如要合成一正弦波信号，首先将函数y=sinx进行数字量化，然后以x为地址，将量化的数据y依次存入波形存储器。DDS函数信号发生器使用相位累加技术来控制波形存储器的地址，在每一个采样时钟周期中，都把一个相位增量累加到相位累加器的当前结果上，通过改变相位增量即可改变DDS的输出频率值。根据相位累加器输出的地址，由波形存储器取出波形量化数据，通过数模转换器和运算放大器转换成模拟电压。由于波形数据是间断的取样数据，所以DDS发生器输出的是一个阶梯正弦波形，必须经过低通滤波器将波形中所含的高次谐波滤除掉，输出的才是连续的正弦波。数模转换器内部带有高精度的基准电压源，因而保证了输出波形具有很高的幅度精度和幅度稳定性。

幅度控制器是一个数模转换器，根据操作者设定的幅度数值，产生出一个相应的模拟电压，然后与输出信号相乘，使输出信号的幅度等于操作者设定的幅度值。偏移控制器也是一个数模转换器，根据操作者设定的偏移数值，产生出一个相应的模拟电压，然后与输出信号相加，使输出信号的偏移等于操作者设定的偏移值。经过幅度偏移控制器的合成信号再经过功率放大器进行功率放大，最后由输出端口输出。

2.4.2 函数信号发生器典型产品介绍

SP1641B型函数信号发生器/计数器，采用大规模集成电路，具有连续信号、扫频信号、函数信号、脉冲信号以及点频信号、TTL/CMOS等多种信号输出以及外部测频功能，是电子工程师、物理、电子实验室、生产线及科研、教学的常用设备。

1.主要技术性能

（1）主输出频率：0.1Hz～3MHz；

（2）主输出幅度：10Vp-p（50Ω 负载），20Vp-p（1MΩ负载）；

（3）输出波形：正弦波、三角波、方波等七种波形；

（4）占空比调节范围：20%～80%；

（5）方波边沿：≤30 ns；

（6）正弦波失真：≤1%；

（7）扫描方式：线性、对数、内外扫描；

（8）点频输出：100Hz或50Hz正弦波2Vp-p；

（9）输出阻抗：50Ω（函数、点频输出）、600 Ω（TTL/CMOS同步输出）；

（10）输出信号衰减：0dB/20dB/40dB/（20+40）dB；

（11）TTL/CMOS输出：标准TTL脉冲波和CMOS脉冲（高电平5～15V可调）；

（12）LED双显：5位频率，3位幅度；

（13）频率计测频范围：0.1Hz～50MHz，具有100kHz以下低通滤波器和10 倍衰减功能；

（14）直流电平设置范围：-5～+5V（50 Ω 负载），-10～+10V（1M Ω负载）。

2.面板分布

SP1641B型函数信号发生器/计数器面板如图2.16所示。

（1）频率显示窗口①：显示输出信号的频率或外测频信号的频率。

（2）幅度显示窗口②：显示函数输出信号的幅度。

（3）扫描宽度调节旋钮③：调节此电位器可调节扫频输出的频率范围。在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过低通开关进入测量系统。

（4）扫描频率调节旋钮④：调节此电位器可以改变内扫描的时间长短。在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过衰减20dB进入测量系统。

（5）扫描/计数输入插座⑤：当“扫描/计数”功能选择在外扫描状态或外测频功能时，外扫描控制信号或外测频信号由此输入。

（6）点频输出端⑥：输出标准正弦波100Hz信号，输出幅度2Vp-p。

（7）函数信号输出端⑦：输出多种波形受控的函数信号，输出幅度20 Vp-p（1MΩ负载），10 Vp-p（50Ω负载）。

（8）函数信号输出幅度调节旋钮⑧：调节范围20dB。

（9）函数输出信号直流电平偏移调节旋钮⑨：调节范围：-5～+5V(50Ω负载)，-10～+10V(1MΩ负载)。当电位器处在关位置时，则为0电平。

（10）输出波形对称性调节旋钮⑩：调节此旋钮可改变输出信号的对称性。当电位器处在关位置时，则输出对称信号。

（11）函数信号输出幅度衰减开关⑪：“20dB”、“40dB”键均不按下，输出信号不经衰减，直流输出到插座口。“20dB”、“40dB”键分别按下，则可选择20dB或40dB衰减。“20dB”、“40dB”同时按下时为60 dB。

（12）函数输出波形选择按钮⑫：可选择正弦波、三角波、脉冲波输出。

（13）扫描/计数按钮⑬：可选择多种扫描方式和外测频方式。

（14）频率微调旋钮⑭：调节此旋钮可微调输出信号频率，调节基数范围为0.1～1。

（15）倍率选择按钮⑮：每按一次此按钮可递减输出频率的1个频段。

（16）倍率选择按钮⑯：每按一次此按钮可递增输出频率的1个频段。

（17）整机电源开关⑰：此键按下时，机内电源接通，整机工作。此键释放为关掉整机电源。

3.使用方法

（1）准备工作

先检查市电电压，确认市电电压在220V±10%范围内，方可将电源线插头插入仪器后面板电源线插座内。按下面板电源开关，预热5～10min后，仪器即可稳定使用。

（2）50 Ω主函数信号输出

① 以终端连接50 Ω匹配器的测试电缆，由前面板“50 Ω”插座输出函数信号；

② 由频率选择按钮选定输出函数信号的频段，由频率微调旋钮 调整输出信号频率，直至所需的工作频率值；

③ 由函数输出波形选择按钮 选定输出函数的波形，分别获得正弦波、三角波、脉冲波；

④ 由函数信号输出幅度调节旋钮 选定和调节输出信号的幅度；

⑤ 由函数输出信号直流电平偏移调节旋钮 选定输出信号所携带的直流电平；

⑥ 由输出波形对称性调节旋钮 改变输出脉冲信号占空比，类似输出波形为三角波时可调变为锯齿波，输出波形为正弦波时可调变为正与负半周分别为不同角频率的正弦信号，且可移相180°。

（3）点频正弦信号输出

以测试电缆（终端不加50 Ω匹配器）由点频输出端⑥输出标准的正弦信号，频率为100Hz，幅度为2Vp-p（中心电平为0）。

（4）内扫描信号输出

①扫描/计数按钮⑬选定为内扫描方式；

②分别调节“扫描宽度”和“扫描速率”获得所需的扫描信号输出；

③“50 Ω”输出插座输出相应的内扫描的扫频信号。

（5）外扫描信号输入

扫描/计数按钮⑬选定为“外扫描”方式，再由扫描/计数输入插座⑤输入相应的控制信号，即可得到相应的受控扫描信号。

本章小结

习题2

2.1什么叫信号发生器？信号发生器有什么作用？

2.2正弦信号发生器的主要性能指标有哪些？各具有什么含义？

2.3低频信号发生器由哪几部分组成？各单元的功能是什么？

2.4根据低频信号发生器的知识判断下列问题是否正确。

1）低频信号发生器只有功率输出，没有电压输出。（ ）

2）可以采用低频信号发生器产生5MHz的正弦信号。（ ）

2.5文氏电桥振荡器中的热敏电阻有何作用？改变频段和在频段内对频率进行细调各通过调节电路中的什么元件来实现？

2.6 XD-2 型低频信号发生器的指示电压表的指针指在6V处，而衰减开关分别处于10dB、20dB、50dB、60dB处，则实际输出电压分别为多少？

2.7高频信号发生器由哪几部分组成？各单元的功能是什么？

2.8高频信号发生器和低频信号发生器的主振级中的选频回路各由什么元件组成？

2.9高频信号发生器输出信号的调制方式一般有哪两种？在这两种调制方式下，主振级各输出什么波形？

2.10选择填空

XFG-7型信号发生器的主振级产生的是__________。

A.高频正弦信号

B.低频正弦信号

C.高频调频信号

D.高频调幅波信号

2.11使用XFG-7型高频信号发生器输出400Hz调幅、载波频率650kHz、电压值为0.25V的调幅信号，应如何调节？

2.12什么叫合成信号发生器？它与低频、高频信号发生器相比较，其信号的产生有何不同？

2.13合成信号发生器的频率合成有几种方法，各有何优缺点？

2.14频率合成器中常用的锁相环有哪几种？

2.15函数信号发生器产生信号的方法一般有哪几种？

综合实践1 函数信号发生器的使用

一、实践目的

1.掌握函数信号发生器的正确使用方法。

2.熟悉函数信号发生器的测量方法。

二、实践器材

1.函数信号发生器一台，型号____________________________。

2.示波器一台，型号______________________________。

三、实践内容及步骤

1.打开仪器电源开关，预热15min左右，准备使用。

2.调节函数信号发生器面板上的旋钮，使之调出实践记录表1.1中所列频率和幅度的正弦波信号。并用示波器观测波形（完成后在相应的格内打“√”）。反复进行训练，直到熟练掌握。

3.调出实践记录表1.2所列频率和幅度的方波，并用示波器观测波形（完成后在相应的格内打“√”）。反复进行训练，直到熟练掌握。

4.调出实践记录表1.3所列的调制波，用示波器观测波形，并在空格内画出所观察到的波形。

四、实践总结

1.将实验结果填入相应的表格中，分析各测试中主要误差的成因。

2.简要总结本实践仪器仪表的使用规范、注意事项及实践体会。

五、实践思考

1.实践过程中，仪器设备有无异常现象，分析说明产生异常现象的主要原因及解决措施。

2.观测调制电压改变时波形的变化。