电子测量技术第三章信号发生器

第3章 信号发生器,3.1 概述 3.1.1 信号发生器的作用和组成 信号发生器(简称信号源)是输出供给量的仪器。它产生频率、幅度、波形等主要参数都可调节的信号，主要有以下作用： 测元件参数,测网络的幅频特性、相频特性 测接收机 测网络的瞬态响应 校准仪表 信号源一般由主振器、放大器、衰减器、指示器、调制器等组成。,3.1.2 信号源的分类 信号源可划分为通用信号源和专用信号源两大类。通用信号源包括：正弦信号源、脉冲信号源、函数信号源、高频信号源、噪声信号源。专用信号源包括：电视信号源、编码脉冲信号源,实用中大都采用正弦信号源，按频段划分：超低频(0.000 1 1 000 Hz)、低频(20 Hz1 MHz)、高频(100 kHz30 MHz)、甚高频(30300 MHz)、超高频大于300 MHz。,3.1.3 信号源的工作特性 频率范围。 频率准确度和稳定度 线性失真和频谱纯度 输出电平 输出电平准确度 输出阻抗,3.1.4 信号发生器的基本构成 (1)振荡器 (2)变换器 (3)输出级 (4)指示器 (5)电源,图3.1 信号发生器原理框图,3.1.5 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。,3.2 低频信号发生器 一台性能良好的低频信号发生器必须具备以下基本要求： 能在指定的范围内连续或分波段连续调节输出信号频率，且具有较高的稳定度和准确度，一般稳定度应在1%左右。,输出电压能进行连续调节，且频率响应不均匀性应在1 dB以内。 应具有一种或几种输出阻抗，以适应不同测量需要。 输出信号波形应趋近于正弦波，且非线性失真系数应小于1%3%。,3.2.1 XD-2信号发生器电路组成及主要技术指标 主要技术指标如下： 频率范围：从1 Hz1 MHz分六个频段：110 Hz、10100 Hz、100 Hz 1 kHz、110 kHz、10100 kHz、1001 000 kHz 。,频率基本误差：1 Hz100 kHz小于(1%f0+0.3 Hz)；1001 000 kHz小于1.5%f0。 输出电压：大于5 V。 非线失真： 20 Hz20 kHz小于0.1%。 输入电阻：大于100 k；输入电容小于50 pF。,图3.2 XD-2信号源整机框图,3.2.2 整机工作原理分析 (1)文氏桥主振器 振荡频率： 将文氏桥臂改画成图3.4，设R1C1的阻抗为Z1，R2C2的阻抗为Z2，则,反馈系数F为,图3.3 文氏桥振荡器原理,图3.4 文氏桥选频网络,(2)放大器 放大器的作用是将振荡器产生的信号放大到输出所要求的电压值和功率值。对放大器的要求是高增益、高输入阻抗、宽频带、低输出阻抗。 XD-2型低频信号发生器中的放大器采用了以下的形式：,多级放大，并采用了有源负载； 源极跟随器作为第一级放大； 中间放大两级采用共射共基放大器； 复合射极输出器。 (3)衰减器 输出衰减器的作用是调节输出信号电压的大小，常采用电位器进行连续调节，即细衰减。,图3.5 衰减器原图,连续调节是通过电位器R进行的，R1R8是各挡的步进调节电阻。各挡的衰减量为 因为各挡是不同的，例如：,(4)电子电压表 3.2.3 使用方法 (1)开启电压源 开启电压的具体操作步骤如下：,图3.6 XD-2低频信号发生器中的电压表,打开电源开关，表头内指示灯亮。 表头阻尼开关一般放在“快”的位置。 (2)频率调节 (3)幅值调节 (4)电压输出端 3.3 高频信号发生器,3.3.1 WY1052高频信发生器电路组成及主要技术指标 (1)整机组成 (2)主要技术指标 载波频率范围：100 kHz40 MHz，分为六个波段。 载波频率显示：四位数字显示，分辨率100 Hz。,图3.7 WY1052高频信号发生器整机框图,载波频率工作误差：5%。 调幅度范围：0100%。 内调幅频率：400 Hz和1 kHz。 外调幅率范围：100 Hz10 kHz。 调频频偏范围：0100 kHz 。 3.3.2 整机工作原理 (1)载波振荡器,图3.8 WY1052载波振荡器的交流等效电路,图3.9 变容二极管的等效电路与特性曲线,(2)载频放大器 本机放大器采取的扩展频带的措施是： 尽量采用直流耦合方式，以扩展下限频率。 采用共射共基式级联放大进行高频补偿，扩展了上限频率。,图3.10 WY1052载波放大器简图,采取电容进行高频补偿，如图中的C17、C18、C19。这些电容的数值较少，在低频时不起作用，随着频率的增加，其容抗 减小，从而使电路中的负反馈减小，而增益得到提高，从而扩展了上限频率。,采用负反馈可以扩展频带，如图中的源极电阻或射极电阻R18、R21、R23、R36等。 (3)调制度指示电路 (4)输出频率和幅度显示电路,图3.11 调制度指示电路,3.3.3 使用方法 (1)使用前的准备工作 (2)载波输出 1)载波频率置定 2)输出电压调节 3)载波输出,图3.12 WY1052高频信号发生器仪器前面板,(3)调幅输出 (4)调频输出 (5)音频输出 3.4 脉冲信号发生器 3.4.1 脉冲信号 下面以矩形脉冲为例，介绍表征脉冲信号的主要参数：,图3.13 矩形脉冲信,脉冲幅度Um：定义为脉冲波从底部到顶部之间的数值。 脉冲上升时间tr：定义为脉冲波从0.1Um上升到0.9Um所经历的时间，也称为脉冲前沿。 脉冲下降时间tf：定义为脉冲波从Um下降到0.1Um所经历的时间，也称为脉冲后沿。,脉冲宽度：即脉冲的持续时间，一般指脉冲前、后沿分别等于0.5Um时相应的时间间隔。 平顶降落U：表征脉冲顶部不能保持平直而呈现倾斜降落的数值，也常用其对脉冲幅度的百分比值来表示。,脉冲过冲：脉冲过冲包括上冲和下冲。上冲指上升边超过顶值Um，以上所呈现的突出部分，如图3.13(a)中b；下冲是指下降边超过底值以下所呈现的向下突出部分，如图3.13(a)中f。,脉冲周期和重复频率：周期性脉冲相邻两脉冲之间的时间间隔称为脉冲周期，用T表示；脉冲周期的倒数称为重复频率，用f表示，如图3.13(b)所示。 脉冲的占空系数：脉冲宽度与脉冲周期T的比值称为占空系数或空度比。,3.4.2 脉冲信号发生器分类 按照用途和产生脉冲的方法不同，脉冲信号发生器可分为通用脉冲发生器、快沿脉冲发生器、函数发生器、数字可编程脉冲信号发生器及特种脉冲发生器等。,3.4.3 基本脉冲信号发生器 (1)主振级 (2)脉冲形成级 (3)输出级 3.4.4 脉冲信号源的应用 脉冲信号源的应用主要是在时域测量。,图3.14 基本脉冲信号发生器框图,图3.15 XC-15型脉冲发生器主振级简化图,图3.16 脉冲形成级框图,图3.17 脉冲形成级框图和工作波形,图3.18 时域测量原理,3.5 合成信号发生器 3.5.1 频率合成器 频率合成器是把一个(或少数几个)高稳定度频率源f经过加、减、乘、除及其组合运算，以产生在一定频率范围内，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。,3.5.2 直接频率合成技术 直接合成法是用一个或多个石英晶体振荡器的振荡频率作为基准频率，由这些基准频率产生一系列的谐波，这些谐波具有与石英晶体振荡器统一的频率稳定度和准确度，然后，从这一系列的谐波中取出两个或两个以上的频率进行组合，得出这些频率的和或差，经过适当方式处理(如经过滤波)后，获得所需要的频率。,(1)非相干式直接合成器 (2)相干式直接合成器 3.5.3 间接频率合成技术 (1)锁相环路 (2)脉冲控制锁相法,图3.19 非相式直接合成器方框图,图3.20 直接式频率合成器原理框图,图3.21 锁相环基本框图,图3.22 脉冲控制锁相环路原理方框图,对于不同的VCD频率f，取相应的谐波nf0在鉴相器中进行比较，通过锁相环路的作用，即可将f 锁定在nf0上， 即 f=nf0 (n=1，2，3，) (3)数字锁相环路法,图3.23 数字锁相环路原理框图,为环路锁定时，有 3.5.4 合成信号发生器主要性能,