第第6 6章章 系统分析系统分析 3.4 射频信号发生器射频信号发生器 射频信号发生器是指能产生正弦信号，频率范围部分或全部复盖300kHz土GHz(允许向外延伸)，并且具有一种或一种以上调制或组合调制(正弦调幅、正弦调频、断续脉冲调制)的信号发生器，也称为高频信号发生器。第第6 6章章 系统分析系统分析 按照国家标准GBl211489高频信号发生器技术条件规定，射频信号发生器分为调谐信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器三类。和低频信号发生器相比，高频信号发生器的输出幅度调节范围较大。为了适应对接收机等设备的测试需要，要求高频信号发生器能有可调节的微弱信号的输出(可小于1uV)，同时就要求该类信号发生器有良好的屏蔽，以免信号泄漏而影响测量准确性。也是出于对各类接收设备性能测试的需要，高频信号发生器应有调制功能，以输出所需的已调高频信号。第第6 6章章 系统分析系统分析 高频信号发生器框图如图341。不同类别的发生器的主要区别在于振荡器，即产生高频正弦波的方法不同。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.411 高频信号发生器框图第第6 6章章 系统分析系统分析 一、调谐信号发生器 调谐信号发生器的振荡器通常为LC振荡器，根据反馈方式，又可分为变压器反馈式、电感反馈式(也称电感三点式或哈特莱式)及电容反馈式(也称电容三点式或考毕兹式)三 种振荡器形式。图342、343、344分别给出了三种振荡器的电路及其交流等效电路，并注明了各种方式下的振荡频率。通常用改变电感乙来改变频段，改变电容c进行频段内频率细调。放大器通常采用调谐放大器，其作用一是放大振荡器输出的高频信号电压， 二是在输出器和振荡器间起隔离作用(因此也叫缓冲放大器)以提高振荡频率稳定性，第第6 6章章 系统分析系统分析 三是 兼作调幅信号的调幅器，调频一般是在振荡级直接进行，比如用改变偏压的方法改变LC振 荡器中电容以达到调频的目的. 70年代后，逐步用宽频带放大器、宽频带调制器和相应的 滤波器，替代了传统的调谐放大器，省去了多联可变电容等元件，提高了高频信号发生器 的可靠性、稳定性及调幅特性。像国产QF1074、QFl076等信号发生器就采用了这些技术，由于使用元件少，可靠性、稳定性不错，而且价格较低，受到要求不高的用户的欢迎。第第6 6章章 系统分析系统分析 图342 变压器反馈振荡器第第6 6章章 系统分析系统分析 图342 变压器反馈振荡器第第6 6章章 系统分析系统分析 XFC-6标准信号发生器可看作高频信号发生器的一个典型例子，其主要技术性能为：频率范围4300MHz，分八档；频率稳定度210-4 10min；输出电压在端接75负载上为0.05 V一50mV连续可调；具有内调幅、外调幅、内调频、外调频及外部视频信号调幅等功能。该信号发生器主要用来测试调整及维修相应频率范围内的各种无线电接收设备。图345是XFC6标准信号发生器组成框图。第第6 6章章 系统分析系统分析 图343 电感反馈式振荡器第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.44 电容反馈式振荡器第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.45 XFC6标准信号发生器组成框图第第6 6章章 系统分析系统分析 二、锁相信号发生器 随着通信及电子测量水平的发展与提高，需要信号发生器能有足够宽的频率复盖，足够高的频率准确度和稳定度。上述由LC振荡电路或RC振荡器为主振器的信号发生器已不能适应更高的要求。 锁相信号发生器是在高性能的调谐式信号发生器中增加频率计数器，并将信号源的振荡频率利用锁相原理锁定在频率计数器的时基上，而频率计数器又是以高稳定度的石英晶体振荡器为基准的，从而使锁相信号发生器的输出频率的稳定度和准确度大大提高，信号 频谱纯度等性能特性也有很大改善。第第6 6章章 系统分析系统分析 图346是锁相环路的基本方框图，主要由电压控制振荡器(简称VCO， 其振荡频率可由偏置电压改变。比如改变变容二极管两端直流电压，就可改变 其等效电容，从而改变由它构成的振荡器的频率)、鉴相器(简称PD，其输出端直流电压随其两个输入信号的相位差改 变)、低通滤波器(简称PLF，在这里的 作用是滤除高频成分，留下随相位差变 化的直流电压)及晶体振荡器等部分构 成。该锁相环的基本工作原理如下：当压控振荡器输出：频率f2由于某种原因变化时，相应相位也产生变化，第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.46 锁相环基本方框图第第6 6章章 系统分析系统分析 相应相位也产生变化，该相位变化在鉴相器中与基准晶振频率f1的稳定相位相比较，使鉴相器输出一个与相位差成比例的电压ud(t)，经过低通滤波器，检出其直流分量uc(t) ，用uc(t)控制压控振荡器中压控元件数值(如变容二极管电容)，从而调整VCO的输出频率f2 ，使其不但频率和基准晶振一致，相位也同步，这时称为相位锁定，因此最终VCO的频率输出稳定度就由晶振频率f1所决定。 锁相环的电路形式有多种，根据不同的电路结构，锁相环可以完成频率的加、减、乘、除运算。第第6 6章章 系统分析系统分析 图34-7是国产QFl050型标准信号发生器中振荡器和锁相环部分框图。图中上半部分为射频部分：由变容二极管调谐的VCO，直接产生75110MHz信号，经缓冲、放大和衰减器后由插孔输出. 80MHz晶振输出信号与VCO输出信号在混频器中混合，取出差频信号，获得0330MHz输出信号。调频信号加至VCO变容管，实现调频，高频段(75110MHz)调幅由调制器I完成，0330MHz频段调幅由调制器完成。由衰减器输入端取出的部分射频信号经检波和运放后，去调制PIN二极管工作点，以达到自动电平控制(ALC)目的。第第6 6章章 系统分析系统分析 锁相部分：由射频输出端送来的取样信号经放大后，送至分频器和预置计数器进行分频，变为50Hz信号，送入鉴相器。预置计数器的分频比是由控制部分置定的频率值的代码决定的，并且分频比可变。由16MHz基准晶振产生的信号经分频后得到50Hz信号也送入鉴相器，并与取样信号进行同频鉴相，其输出的误差电压经有源低通滤波器滤波后，反馈到VCO的变容二极管，以达到锁相目的。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.47 QFl050信号发生器部分电路框图第第6 6章章 系统分析系统分析 三、合成信号发生器 合成信号发生器是用频率合成器代替信号发生器中主振荡器。它既有信号发生器良好 的输出特性和调制特性，又有频率合成器的高稳定度、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，是一种先进高档次的信号发生器。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，但其核心是频率合成器。第第6 6章章 系统分析系统分析 频率合成器是把一个(或少数几个)高稳定度频率源fs。经过加、减、乘、除及其组合运算，以产生在定频率范围内，按一定的频率间隔(或称频率跳步)的一系列离散频率的信号发生器。频率合成的方法分为直接合成法和间接合成法两类。第第6 6章章 系统分析系统分析 直接合成法是将基准晶体振荡器产生的标准频率信号，利用倍频器、分频器、混频器及滤波器等进行一系列四则运算以获得所需要的频率输出。在这种合成法中，又可分为非相干式直接合成器和相干式直接合成器。若用多个石英晶体产生基准频率，产生混频的两个基准频率之间相互独立，就叫做非相干式直接合成器。如果只用一个石英晶体产生基准 频率，然后通过分频、倍频等，使加入混频器的频率之间是相关的，就称为相干式频率合成器。第第6 6章章 系统分析系统分析 图348是相干式直接频率合成器的原理图。图中晶振产生1MHz基准信号，并由 谐波发生器产生相关的1MHz 、2MHz 、 、9MHz等基准频率，然后通过十进制分频器 (完成10运算) 、混频器和滤波器(完成加法或减法运算)，最后产生4628MHz输出信号。只要选取不同次谐波进行合适的组合，就能得到所需频率的高稳定度信号，频率间隔可以做到01Hz以下。这种方法频率转换速度快，频谱纯度高。但它需要众多的混频器、滤波器，因而显得笨重。目前多用在实验室、固定通讯、电子对抗和自动测试等领域。第第6 6章章 系统分析系统分析 图348 直接式频率合成器原理框图第第6 6章章 系统分析系统分析 间接合成法即锁相环路法，图349是它的原理框图。图中压控振荡器输出频率经分 频后得到 频率的信号送往鉴相器，与采自晶振输出经n2次分频的频率f0/n2的信号进行相位比较，由前面的锁相环路的介绍可知，当 即(3.4-1)第第6 6章章 系统分析系统分析 时，相位锁定，输出信号按式(34-1)的频率输出，且具有与f0。即晶振信号同样的稳定度。为了有效地锁相，需要鉴相器两输入信号频率足够接近。如果两信号频率相差较大，可先进行鉴频，用鉴频器输出控制VCO实现频率粗调，而后利用鉴相器输，出控制VCO实现频率细调。间接式频率合成器的优点是省去了滤波器和混频器，因而电路简单，价格便宜，但频率转换速度较慢。第第6 6章章 系统分析系统分析 图349 间接式频率合成器原理框图第第6 6章章 系统分析系统分析 实际应用的合成信号发生器往往是多种方案的组合，以解决频率复盖、频率调节、频率跳步、频率转换时间及噪声抑制等问题。当前合成信号发生器的发展趋势仍是宽频率复 盖、高频率稳定度和准确度、数字化、自动化、小型化和高可靠性。第第6 6章章 系统分析系统分析 四、射频信号发生器代表性产品性能介绍 表341列出了当前几类射频信号发生器代表性产品的主要性能，以供参考。 第第6 6章章 系统分析系统分析 表 3.41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 第第6 6章章 系统分析系统分析 3.5 扫频信号发生器扫频信号发生器 扫频信号发生器是一种输出信号的频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发生器，它是频率特性测试仪(扫频仪)的核心，主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。第第6 6章章 系统分析系统分析 一、线性电路幅频特性的测量 在测量技术分类中，频域测量占有重要地位，其中主要原因是线性电路对正弦激励的响应仍是正弦信号，只是与输入相比，其振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频率的函数。我们已经知道，正弦稳态下的系统函数或传输函数N( )就反映了该系统激励与响应间的关系(3.5-1)第第6 6章章 系统分析系统分析 式中 (或写成 )与 ) (或写成 )分别称为电路(系统)的幅频特性和相频特性.第第6 6章章 系统分析系统分析 1点频法测量幅频特性 所谓点频法，简单说就是“逐点”测量幅频特性或相频特性的方法，如图351(a)所示。图中ui(t)为正弦信号源，接于被测电路输入端，由低到高不断改变信号源频率，信号电压不应超过被测电路的线性工作范围，用测量仪器在各个频率点上测出输出信号与输入信号的振幅比(幅频特性)和相位差(相频特性).以f为横座标，以振幅比(或相位差)为纵座标，就可以逐点描绘出如图3.5l(b)所示的频率特性曲线。第第6 6章章 系统分析系统分析 点频法原理简单，需要的设备也不复杂。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，非常容易遗漏掉某些特性突变点，而这常常是我们在测试和分析电路性能时非常关注的问题。另外当我们试图改变电路的结构或元件参，数时，任何改变都必然导致重新逐点测量。如果能够在测试过程中，使信号源输出信号的频率按特定规律自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就得到了被测电路的幅频特性曲线。这种快速直观的测量方法就是扫频法测量的基本思想，提供频率可自动连续变化的正弦波信号源，称为扫频信号源或扫频振荡器。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.51 点频法测量系统的幅频特性第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.51 点频法测量系统的幅频特性第第6 6章章 系统分析系统分析 2扫频法测量频率特性 扫频法测量电路幅频特性的原理图示于图3.52中，在图(a)的原理框图中，除被测网络外，其余部分通常都安装于称为频率特性测试仪(也称扫频仪)的同一仪器中，扫频信 号发生器实际上是频率可控的正弦振荡器，比如前面所说的压控振荡器(VCO)，它的振荡 频率受扫描电压us控制。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.52 扫频法测量网络频率特性原理第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.52 扫频法测量网络频率特性原理第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.52 扫频法测量网络频率特性原理第第6 6章章 系统分析系统分析 若扫描电压为三角波(图(6)，则扫频信号发生器瞬时频率在扫描正程将随扫描电压的线陛增加，由fmin线性地变到fmax，在回扫期间，又由fmax线性地变到fmin ，如此周期性反复，而扫描信号的幅度则始终保持不变。常用的扫描信号还有锯齿波和对数型波等。第第6 6章章 系统分析系统分析 振幅不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号加到被测电路(例如调谐放大器)的输入端，由于调谐放大器的增益随频率而变，故其输出信号uo的振幅也将随频率而改变， uo的包络就反映了该放大器的幅频特性(图(d)，经峰值检波器检出输出信号的包络 (图(e)，将它送至示波管的垂直偏转系统，同时扫描信号 us 加到示波管的水平系统作为扫描时基信号，由于扫频信号叭的瞬时频率和水平扫描电压“l，的瞬时值一一对应，使得示波管的水平轴成为线性的频率座标轴。这样在us和 的共同作用下，示波管荧光屏上就直接显示出该调谐放大器的幅频特性。第第6 6章章 系统分析系统分析 和点频法相比，扫频法具有以下优点： 可实现网络的频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路调试时，人们可以一面调节电路中有关元件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化，从而迅速地将电路性能调整到预定的要求. 由于扫频信号的频率是连续变化的，因此所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于点频法中的频率点离散而遗漏掉细节的问题.第第6 6章章 系统分析系统分析 点频法中是人工逐点改变输入信号的频率，速度慢，得到的是被测电路稳态情况下的频率特性曲线。扫频测量法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性，而后 者更符合被测电路的应用实际。第第6 6章章 系统分析系统分析 二、扫频仪的基本构成 1扫频仪的基本方框图 图353中(a)是扫频仪原理框图，(b)是BT4型低频(200H22MH2)扫频仪框图。图(a)中几个主要部分的功能如下。 时基系统产生一个扫描信号，由该信号控制一个可调谐的连续振荡源以产生频率随时间变化的正弦信号，频率变化的规律就取决于扫描信号，若扫描信号是锯齿波或三角波(这是最常用的情况)，则扫频规律就呈线性，或者说扫频振荡器输出正弦信号的瞬时频率随时间线性增加或降低。有些场合也使用对数型扫描信号，则扫频规律就呈现对数性。第第6 6章章 系统分析系统分析 扫频振荡器是扫频仪的主要部分，实际上它是一个调频振荡器，在时基系统产生的扫描信号(即调频的调制信号)作用下，产生频率随时间按一定规律变化的扫频振荡，并利用电平限制电路及自动幅度控制电路以确保输出振幅平稳的扫频信号，通过输出控制系统输出。 时标系统用来产生频率标记(简称频标)信号，以便在示波管荧光屏上确定扫频信号发生器的瞬时频率和扫频宽度。扫频信号施加于被测网络输入端，输出响应经检波，包络上 加上频标信号，就可在示波管荧光屏上的频率特性曲线上找到对应的频率.第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.53 扫频仪原理框图第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.53 扫频仪原理框图第第6 6章章 系统分析系统分析 2扫频振荡器的工作原理 实现扫频振荡的方法很多，常用的有磁调电感法、变容二极管法以及微波波段使用的返波管法、YIG谐振法等。下面简单介绍前两种方法。 (1) 磁调电感法 磁调电感法原理图如图354，图(a)中L2、C谐振回路的谐振频率f0为(3.5-2)第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.54 磁调电感式扫频法原理第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.54 磁调电感式扫频法原理第第6 6章章 系统分析系统分析 式中L2为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变L2 ，也就改变了谐振频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的导磁系数 成正比(3.5-3)第第6 6章章 系统分析系统分析 式中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接在低频磁芯ML的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流，如图(b)所示。当扫描电流随时间变化 时，使得磁芯的有效导磁系数 也随着改变，再由式(35-2)、(35-3)可知，扫描电流的变化就导致了L2及谐振频率f0的变化实现了“扫频”。第第6 6章章 系统分析系统分析 (2)变容二极管法 由式(352)可知，如果能用扫描信号改变谐振电路中电容量C的大小，也能使谐振频率随之改变，变容二极管法扫频振荡器就是基于这一原理。图3.55是变容二极管特性曲线，这种二极管的特性可表示为（3.5-4）第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.55 变容二极管特性第第6 6章章 系统分析系统分析 式中Cj0为变容二极管反向电压为零时的结电容，r为电容变化系数，UD为PN结势垒电压，U为加到变容二极管两端的反向电压。比如如果使用突变结的变容二极管，则r12，此时电容为（3.5-5）第第6 6章章 系统分析系统分析 因此，用扫描信号作为U，当U随时间变化时，电容C也随之改变，从而也就改变了谐振 频率，获得了扫频信号。 当然，前面所叙述的仅是磁调电感法和变容二极管法产生扫频振荡的最基本原理，实际扫频振荡器中还有许多其他电路，用以增大扫频振荡的频率复盖系数，改善扫频线性等。许多扫频仪中，还将扫频振荡器分成几个波段，用以扩大扫频范围，而在不同扫频波段，可能采用不同的扫频振荡方式，用手工切换或自动切换各个频段。第第6 6章章 系统分析系统分析 三、BT3型著频仪 l.扫频仪的主要性能要求 扫频振荡器除应具有一般正弦振荡器所具有的工作特性外，还有下面几个主要的性能要求. (1)中心频率范围大且可连续调节。中心频率是指扫频信号从低频到高频之间中心位置的频率。不同测试对象对中心频率要求也不同.第第6 6章章 系统分析系统分析 (2)扫频宽度(频宽)要宽且可任意调节。频偏是指扫频信号的瞬时频率与中心频率的差值。显然，频偏应能复盖被测电路的通频带，以便测绘该电路完整的频率特性曲线。例如测试电视接收机中的图像中频通道，要求频偏达5MHz，测试伴音中频频道时，频偏只需0.5MHz。第第6 6章章 系统分析系统分析 (3)寄生调幅要小。理想的调频波应是等幅波，因为只有在扫频信号幅度保持恒定不变的情况下，被测电路输出信号的包络才能表征该电路的幅频特性曲线. (4)扫描线性度好。当扫频信号的频率和调制信号间成直线关系时，示波管的水平轴则变换成线性的频率轴，这时幅频特性曲线上的频率标尺将均匀分布，便于观察。在测试宽带放大器时5若使用对数幅频特性，则要求扫频规律和扫频电压之间是对数关系。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.56 BT3扫频仪原理框图第第6 6章章 系统分析系统分析 2. BT3型频率特性测试仪(扫频仪) BT3型扫频仪主要用来测试宽带放大器、雷达接收机的高频放大器、电视接收机各通道频率特性，也可用于鉴频器测试，是一种较为典型的频率特性测试仪，其框图如图3.56所示，主要由扫频信号发生器、频标发生器、显示器及电源等四部分组成。面板图示于图357。第第6 6章章 系统分析系统分析 图3.57 BT3面板图第第6 6章章 系统分析系统分析 BT3型扫频仪的主要技术性能： 中心频率：在1300MHz内可任意调节，分1 75MHz，75上50MHz， 1 50300MHz三个波段； 扫频频偏：最大频偏7.5MHz； 扫频信号输出：输出电压0.1V(有效值)，输出阻抗75 ； 寄生调幅系数：最大频偏时7.5； 调频非线性系数：最大频偏时20； 频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。