基于电子电路的信号源Word下载.docx
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1绪论
信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是被广泛应用到工业生产和电子、电工实验室中的电子仪器之一。
本文是采用分立元器件设计了能输出正弦波、三角波和方波的信号发生器，介绍了信号发生器的工作原理、电路参数计算方法、电路仿真结果。
1.1信号发生器背景概述
信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。
按输出信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。
信号发生器又称信号源，被广泛的应用于在生产实践和科技领域中。
能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。
在测试、研究或调整电子电路及设备时，在测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等时可以用来提供电路重的参考量，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。
如使用振幅、频率已知的正弦信号源进行系统的稳态特性测量。
使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源测试系统的瞬态特性。
并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。
信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。
由于产生正弦信号的方法比较简单所以正弦信号是使用最广泛的测试信号，而且用正弦信号测量相对方便。
正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。
1.2信号发生器的应用
信号发生器又称信号源或振荡器，被广泛应用在电子研发、维修、测量、校准等领域，是教学科研及工程实践中最重要的仪器之一。
由于信号发生器能够为后端电路提供一个理想信号，所以它在电路中常常用来代替前端电路的实际信号。
它可以方便地模拟各种情况下的不同特性的信号，对于产品研发和电路实验特别有用是因为信号源信号的特征参数均可人为设定的特性所决定的。
在电路测试中，我们可以通过测量、对比输入和输出信号，来判断信号处理电路的功能和特性是否达到设计的要求。
例如，用信号发生器产生一个频率为10（kHz）的正弦波信号，输入到一个被测的信号处理电路（功能为正弦波输入、方波输出），在被测电路输出端可以用示波器检验是否有符合设计要求的方波输出。
高精度的信号发生器在计量和校准领域也可以作为标准信号源或参考源，待校准仪器以参考源为标准进行调校。
信号发生器可以用来调节电台和对讲机的灵敏度，其基本原理就是使对讲机接收通道中的滤波槽路对有用的信号传输衰减达到最小，从而使对讲机具有较高的灵敏度，这在一些业余电台改频改造和自制电台中应用得比较多。
信号发生器在此同样扮演的是模拟空中信号的角色。
如果对讲机本身具有接收信号强度S表或者测试点，可以用信号发生器输入一个使机器信号表指示25%左右强度的信号（容易看出调节的变化效果），然后按照对讲机维修手册的说明，调节接收槽路，使信号表指示到最大，要是在调节过程中出现信号表指示到最大的情况，可以再把信号发生器的信号幅度调小一些。
通常，为了保证整个频段的灵敏度，平均需要采用在目标频段的高端、低端、中心多个频率点作为参考点进行“统调”。
对于没有信号强度指示反馈的对讲机，只能通过在低信噪比状态下，监视信噪比的改善与劣化来调整接收槽路。
其实只要信号发生器能产生相同类型的信号，信号发生器除了可以调节对讲机的接收灵敏度，也可以用来调校电视机和收音机。
通过由前级往后级，逐一测量接收通路中每一级滤波器和放大器，找出哪一级放大电路没有达到设计应有的放大量或者哪一级滤波电路衰减过大，信号发生器可以用来查找电台、对讲机的接收通道故障信号。
发生器在此扮演的是标准信号源的角色。
信号源在对讲机天线输入端输入一个已知幅度的信号，然后通过超高频电压表或者频率足够高的示波器，逐级测量从天线输入端口开始各级的增益情况，找出增益异常的部件，再进一步细查，最后确诊存在故障的零部件。
信号发生器可以用来调试滤波器，典型的就是带通滤波器和电台上用的双工器。
信号发生器是网络分析仪和扫频仪主要功能部件之一，二者又是试滤波器的理想仪器。
在没有这些高级仪器的情况下，信号发生器配合高频电压测量工具，如超高频毫伏表、频率足够高的示波器、测量接收机等，也能勉强调试滤波器，主要是因为它可以测量滤波器带通频段内外对信号的衰减情况。
信号发生器在此处扮演的是一个标准信号源的角色，信号发生器可以产生一个相对比较强的已知频率和幅度的信号，从滤波器或者双工器的INPUT端输入，测量输出端信号衰减情况。
带通滤波器要求带内衰减尽量小，带外衰减尽量大，而陷波器正好相反，陷波频点衰减越大越好。
因为普通的信号源都是固定单点频率发射的，所以调测滤波器需要采用多个测试点来“统调”。
如果有扫频信号源和配套的频谱仪，就能图示化地看到滤波器的全面频率特性，调试起来极为方便。
信号源可以用来校准对讲机和接收机的信号强度表，信号源在此扮演的是标准信号源的角色。
按照各机型的维修手册要求，在校准频点输入特定强度的信号，此时校正S信号强度表的实际指示。
在实际调整中，我们可以看到，虽然国际上有接收机S信号表指示的参考场强标准，但现在很多厂家都执行自家的标准，使S表指示偏大而指示范围偏小，给用户的感觉就是S表指示很容易满表，暗示用户它的接收灵敏度高。
除了在射频方面的应用，信号源在音频领域也有广泛的应用。
信号源用于对讲机话音电路和调制电路的调测。
信号源代替驻极体拾音器向对讲机的“MICin”送入符合要求的1kHz单音信号（输入幅度要求在维修手册会有标明），然后使调频对讲机处于发射状态。
正常情况下，在接收机中会听到1kHz的音频，通过调制度仪,可以测量出被测对讲机的调制幅度。
由此,可以检测和调整调频对讲机的语音调制电路（调制度一般在对讲机内部可调整）。
一般25kHz间隔FM调制的对讲机,要求在1kHz音频下调制度在4.5kHz左右。
调频对讲机调制过小,语音会偏轻，调制过大,会影响话音,并增加占用带宽。
有的发射无语音故障的对讲机,也可以通过类似方法从MICin开始逐级测量语音信号状况。
信号发生器用于音频功放的维修。
信号发生器在此扮演的是理想信号源的角色。
信号源产生一个适当幅度的音频正弦信号，作为音频功放的信号输入。
通过测量音频功放的输出幅度和波形,我们可以判断音频功放电路工作是否基本正常，包括是否有自激等不正常状态以及失真情况。
1.3信号发生器的分类和主要产品
1.3.1按工作频段分类
分为超低频信号发生器、低频信号发生器、高频信号发生器、微波信号发生器。
超低频信号发生器一般是指工作频率下潜到0.1Hz以下的信号发生器，一般用于专业上的特殊用途。
低频信号发生器一般是指工作频率主要在1Hz～1MHz的信号发生器，多用于音频领域。
高频信号发生器，也叫射频信号发生器，一般是指工作频率从100kHz到几百兆赫的信号发生器，多用于通信和测量领域。
微波信号发生器一般是指工作频率高达数吉赫兹到几十吉赫兹的信号发生器，多用于雷达领域。
随着频率合成技术和电路的发展，很多信号发生器都可提供更大的频率覆盖范围，一机多能，频段的划分渐渐成为一个模糊的观念。
例如常用的Agilent33250A函数发生器就可以工作在1μHz～80MHz的范围，包含传统的超低频、低频、音频和HF频段。
1.3.2按频率产生机制分类
分为LC振荡器信号发生器、压控振荡信号发生器、频率合成信号发生器。
目前低端的廉价信号发生器多采用LC振荡器，中低端的函数信号发生器多采用压控振荡器，中高档的信号发生器多采用DDS频率直接合成技术。
随着DDS技术的普及和芯片价格的下降，越来越多的信号发生器采用DDS技术，并有向入门级产品发展的趋势。
近期，很多一两千元的函数信号发生器也开始使用DDS技术。
1.3.3按功率输出分类
分为简易信号发生器、标准信号发生器、功率信号发生器。
简易信号发生器在信号输出幅度控制上比较简单，只使用一个简易衰减器，对输出的信号不能直接量化控制。
标准信号发生器在信号输出幅度上有严格的控制，能提供准确的输出幅度读数。
一般高频标准信号发生器输出幅度在-127～+23dBm。
功率信号发生器则提供较大的功率输出，一般在+20dBm以上，功率大的可达几瓦到几十瓦。
1.3.4按照产生信号的类型分类
可以分为正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器、随机信号发生器、专用信号发生器。
正弦信号发生器提供最基本的正弦波信号，可以作为参考频率和参考幅度信号，用于增益和灵敏度的测量以及仪器的校准。
常见的高频信号发生器和标准信号发生器都属于此类。
函数信号发生器可以产生各种函数波形信号，典型的有方波、正弦波、三角波、锯齿波、脉冲等。
函数信号发生器一般工作频率不高，频率上限在几兆赫到一二十兆赫，频率下限很低，大多可以低于0.1Hz。
函数信号发生器用途非常广泛，科学实验、产品研发、生产维修、IC芯片测试中都能见到它的身影。
脉冲信号发生器和随机信号发生器多用于专业场合。
专用信号发生器是产生特定制式信号的专用仪器，如常见的电视信号发生器、立体声信号发生器等。
高端信号发生器有矢量信号源、基带信号源，主要应用在航空、国防等尖端领域，价格也非常昂贵。
1.3.4信号发生器主要产品
目前，国际高端信号发生器以美国Agilent（安捷伦）和德国Rohde&
Schwarz（罗德与施瓦茨）品牌产品为主。
此外，Tektronix（泰克）、Aeroflex-IFR和日本ANRITSU（安立）的信号发生器也很好。
国际高档函数信号发生器有Agilent33210A和33220A，高端一些的产品是Agilent33250A。
高频（射频）信号发生器主要是AgilentE4428C和罗德与施瓦茨的SMC100A。
国产信号发生器品牌包括普源RIGOL、盛普、扬中科泰以及中国台湾的固纬。
普源的DG1022是一款普及型的中档函数信号发生器，设计理念先进，外观时尚，具有很好的性价比，DG1022售价只有国际品牌同类产品的20%左右，完全适合普通研发和维修以及教学使用。
2总体方案设计
2.1设计技术指标与要求
2.1.1 设计要求
基本要求：
A、电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；
B、输出信号的频率要求可调；
C、拟定测试方案和设计步骤；
D、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；
E、测量输出信号的幅度和频率；
F、写出设计报告。
2.1.2 技术指标
频率范围：
100Hz-10KHz；
输出电压：
方波VP-P≤24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P=1V；
方波tr小于30uS。
2.1.3 方案选择
方案一
1、设计方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；
也可先产生三角波-方波，再将三角波转变成正弦波。
如下框图所示。
图2-1系统框图
2、用单片集成芯片ICL8038实现，但课题要求幅度和频率都可调，可采用数字电位器加程控放大器实现。
ICL8038芯片简介及典型应用--FSK
ICL8038函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。
ICL8038芯片简介
1、性能特点
具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；
具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；
正弦波输出具有低于1％的失真度；
三角波输出具有0．1％高线性度；
具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；
工作变化周期宽，2％～98％之间任意可调；
高的电平输出范围，从TTL电平至28V；
易于使用，只需要很少的外部条件。
2、管脚功能
图2-2为ICL8038的管脚图，下面介绍各引脚功能。
脚1、12（Sine Wave Adjust）：
正弦波失真度调节；
脚2（Sine Wave Out）：
正弦波输出；
脚3（Triangle Out）：
三角波输出；
脚4、5（Duty Cycle Frequency）：
方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；
脚6（V＋）：
正电源±
10V～±
18V；
脚7（FM Bias）：
内部频率调节偏
图2-2 ICL8038管脚图
置电压输；
脚8（FMSweep）：
外部扫描频率电压输入；
脚9（Square Wave Out）：
方波输出，为开路结构；
脚10（Timing Capacitor）：
外接振荡电容；
脚11（V－or GND）：
负电原或地；
脚13、14（NC）：
空脚。
3、基本电路的工作原理：
图2-3 ICL8038内部框图
其中，振荡电容C是由外部接入，它由内部两个恒流源来完成充电和放电过程。
恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C进行连续充电，增加电容电压，从而改变比较器输入电平，比较器的状态改变，使触发器翻转来连续控制的。
当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的2／3倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。
由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的1／3倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。
在以上基本电路中很容易获得3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。
由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。
适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。
因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。
正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。
利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。
ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。
一般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N＝4，失真度可以小于1。
在实测中得到正弦信号的失真度可达0．5左右。
其精度效果相当满意。
方案二
2、利用锁相环（PLL）频率合成技术。
锁相环的结构及基本原理:
图2-4锁相环的结构
图2-4是锁相环的基本方框图，它主要由电压控制振荡器（压控振VCO）,鉴相器，低通滤波器和晶体振荡器所组成。
当压控振的频率
由于某种原因而发生变化时，必然相应的产生相位变化。
这个相位变化在鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定相位（对应于频率
）相比较，使鉴相器输出一个与相位误差成比例的误差电压
，经过低通滤波器，取出其中缓慢变动的直流分量
用来控制压控振荡器中的压控组件数值（通常是改变变容二极管的电容量）而这压控组件又是VCO振荡回路的组成部分，结果压控组件电容量的变化将VCO的输出频率又拉回到稳定值上。
这样，VCO的输出频率稳定度即由参考晶体振荡器决定，这时我们称环路处于锁定状态。
瞬时频率与瞬时相位的关系是：
（2-1）
（2-2）
式中，
为初始相位。
由上面的讨论已知，加到鉴相器的两个振荡信号的频率差为：
此时的顺势相位差为：
可分成两种情况来讨论：
若
，则
，由式
（2）得：
（2-3）
由此可知，当两个振荡器频率相等式，他们的顺势相位差是个常数。
，则由公式
（1）得：
亦即
（2-4）
由此可知，当两个振荡信号的瞬时相位差为常数时，二者频率一定相等。
从以上的简单分析可以得到关于锁相环的概念：
当两个振荡信号频率相等时，则它们之间的相位差保持不变;
反之，若两个振荡信号的相位差是个固定值，则它们的频率必然相等。
根据上面概念可知，锁相环路在锁定后，两个信号频率相等，但二者之间存在着恒定的相位差。
稳态相位差经过鉴相器转变为直流误差，通过低通滤波器去控制VCO，使
与
同步。
在闭环的条件下，如果由于某种原因使VCO的角频率
发生变化，设变动量为
，那么，由式（2-2）可知，这两个信号之间的相位差不再是固定值，鉴相器输出的电压也就跟着发生改变。
这个变化的电压使VCO的频率发生不断改变，直到
为止。
这就是锁相环工作的基本原理。
图2-5锁相环频率合成器原理
其中的锁相环部分采用集成锁相环CD4046外接环路滤波器。
前置分频器和可变分频器使用可编程定时器/计数器芯片8253和MCS-51系列单片机中的8031实现。
整个频率生成的过程为：
1）单片机选用合适的晶振产生一个频率较高的脉冲。
2）设这个脉冲为
，经过8253的一个计数器，此计数器经过单片机设置简单程序将
进行M分频。
3）分频后的合适鉴相器的脉冲作为参考频率输入鉴相器。
4）鉴相器将输出频率分频后的脉冲和参考频率比较后输出一个误差电压。
5）误差电压通过环路滤波器滤除其中的高频分量得到一个控制电压。
6）控制电压控制压控振荡器，调节它的输出。
7）输出电压经过8253的另一个计数器，此计数器由单片机编写的程序将输出电压N分频并反馈至鉴相器和参考电压进行比较，循环此过程直到锁相环入锁。
下面对所用到的芯片做简要的介绍:
（1）集成锁相环CD4046CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高（约100MΩ），动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。
各引脚功能如下：
1脚相位输出端，环路入高电平，环路失锁时为低电平。
2脚相位比较器Ⅰ的输出端。
3脚比较信号输入端。
4脚压控振荡器输出端。
5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。
6、7脚外接振荡电容。
8、16脚电源的负端和正端。
9脚压控振荡器的控制端。
10脚解调输出端，用于FM解调。
11、12脚外接振荡电阻。
13脚相位比较器Ⅱ的输出端。
14脚信号输入端。
15脚内部独立的齐纳稳压管负极。
图2-6CD4046内部电原理框图
图2-6是CD4046内部电原理框图，主要由相位比较Ⅰ、Ⅱ、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。
比较器Ⅰ采用异或门结构，当两个输人端信号
、
的电平状态相异时（即一个高电平，一个为低电平），输出端信号
为高电平；
反之，
电平状态相同时（即两个同为高，或同为低电平），
输出为低电平。
当
的相位差Δφ在0°
-180°
范围内变化时，
的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比也在改变。
从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形（如图2-7所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90°
相移。
从图中还可知，fout不一定是对称波形。
对相位比较器Ⅰ，它要求
的占空比均为50％（即方波），这样才能使锁定范围为最大。
图2-7比较器1的输入输出
相位比较器Ⅱ是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。
它对输入信号占空比要求并不高，允许输入不对称波形，而且具有很宽的捕捉频率范围，还不会锁定在输入信号的谐波。
它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器Ⅱ的两个输人信号之间保持0°
对相位比较器Ⅱ而言，如果两个输入信号的频率不同，当14脚的输入信号比3脚的比较信号频率低时，相位比较器II的输出端13为逻辑“0”；
反之输出逻辑“1”。
如果两输入信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器Ⅱ的输出为正脉冲，当相位超前时则输出为负脉冲。
在这两种情况下，从1脚（相位输出端，人锁为高电平，失锁为低电平）都有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。
从相位比较器Ⅱ输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。
而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，相位比较器Ⅱ的输出为高阻态，则1脚输出高电平。
上述波形如图2-8所示。
由此可见，从1脚输出信号负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的情况了。
图2-8相位比较器工作原理图
CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件。
当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。
由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。
当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；
当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。
VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。
由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波。
一般规定CD4046的最高频率为1.2MHz（VDD=15V），若VDD<
15V，则fmax要降低一些。
CD4046内部还有线性放大器和整形电路，可将14脚输入的100mV左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。
源跟踪器是增益为1的放大器，VCO的输出电压经源跟踪器至10脚作FM解调用。
齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5V，若与TTL电路匹配时，还可用作辅助电源。
综上所述，CD4046工作原理如下：
输入信号
从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号
与输入信号
作相位比较，从相位比较器输出的误差电压
则反映出两者（输入信号
和比较信号
）位差。
经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚（VCO控制端），调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。
VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与
进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。
若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同
（2）可编程定时/计数器82538253是具有3个功能相同的16位计数器，每个计数器的工作方式
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