第3章-信号源0109版课件

电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第1页u重点：u 掌握各类测试信号源的特点、工掌握各类测试信号源的特点、工作原理和使用方法。作原理和使用方法。u难点：u 各类测试信号源的工作原理与电各类测试信号源的工作原理与电路构成。路构成。重点：电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第2页常用信号发生器示例常用信号发生器示例脉冲信号发生器常用信号发生器示例脉冲信号发生器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第3页函数、任意波形发生器函数、任意波形发生器函数、任意波形发生器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第4页功率函数信号发生器功率函数信号发生器功率函数信号发生器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第5页函数发生器函数发生器函数发生器函数发生器/计数器计数器计数器计数器函数发生器/计数器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第6页视频和电视信号发生器视频和电视信号发生器uu 视频和电视信号发生器 电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第7页3.1 信号源概述信号源概述u 信号源的作用和组成信号源的作用和组成u 信号源的分类信号源的分类u 正弦信号源的性能指标正弦信号源的性能指标3.1 信号源概述 信号源的作用和组成电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第8页3.1.1 信号源在电子测量中的作用和组成信号源在电子测量中的作用和组成1.1.信号源的作用信号源的作用 信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。则或不规则波形的信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面：信号源的用途主要有以下三方面：激励源。激励源。-测量用的激励信号测量用的激励信号 信号仿真。信号仿真。标准信号源。标准信号源。-校准测量仪器校准测量仪器3.1.1 信号源在电子测量中的作用和组成1.信号源的作用电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第9页2.信号源的组成信号源的组成u基本构成如图基本构成如图3.13.1所示，一般包括振荡器、所示，一般包括振荡器、变换器、指示器、电源及输出电路等部变换器、指示器、电源及输出电路等部分。分。振荡器振荡器调制器调制器输出电路输出电路电源电源指示器指示器图3.1正弦信号发生器的基本组成框图输出正弦波用RC或LC电路调节输出频率调频、调幅两个电路；调频可直接由振荡器实现，调幅有专门电路完成衰减器电路、阻抗变换器和电压表几部分2.信号源的组成振荡器调制器输出电路电源指示器图3.1正弦电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第10页1.按频率范围按频率范围 大致可分为六类：大致可分为六类：（1）超低频信号发生器u频率在频率在0.00011KHz范围内。范围内。（2)低频信号发生器u频率在频率在1Hz20KHz(或或1MHz)1MHz)范围内。其中范围内。其中用得最多的是音频信号发生器，频率范围用得最多的是音频信号发生器，频率范围在在20Hz20KHz之间。之间。（3）视频信号发生器u频率在频率在20KHz10MHz范围内。范围内。3.1.2 信号源的分类信号源的分类1.按频率范围 大致可分为六类：3.1.2 信号源的分电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第11页（4 4）高频信号发生器）高频信号发生器u频率在频率在频率在频率在200KHz30MHz200KHz30MHz范围内，大致相当于范围内，大致相当于范围内，大致相当于范围内，大致相当于长、中、短波段的范围长、中、短波段的范围长、中、短波段的范围长、中、短波段的范围-广播的波段。广播的波段。广播的波段。广播的波段。（5 5）甚高频信号发生器）甚高频信号发生器u频率在频率在频率在频率在30MHz300MHz30MHz300MHz范围内，相当于米波范围内，相当于米波范围内，相当于米波范围内，相当于米波波段。波段。波段。波段。（6 6）超高频信号发生器）超高频信号发生器u频率一般在频率一般在频率一般在频率一般在300MHz300MHz300MHz300MHz以上，相当于分米波、厘以上，相当于分米波、厘以上，相当于分米波、厘以上，相当于分米波、厘米波波段等。米波波段等。米波波段等。米波波段等。u工作在厘米波及更短波长的信号发生器常被工作在厘米波及更短波长的信号发生器常被工作在厘米波及更短波长的信号发生器常被工作在厘米波及更短波长的信号发生器常被称为微波信号发生器。称为微波信号发生器。称为微波信号发生器。称为微波信号发生器。u射频信号射频信号射频信号射频信号-易于辐射的无线电信号；大体为易于辐射的无线电信号；大体为易于辐射的无线电信号；大体为易于辐射的无线电信号；大体为30KHz30KHz若干若干若干若干GHzGHz的的的的范围范围范围范围（4）高频信号发生器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第12页2.2.按输出波形按输出波形,大致可分为：大致可分为：正弦波形发生器；正弦波形发生器；脉冲信号发生器；脉冲信号发生器；函数信号发生器；函数信号发生器；噪声信号发生器。噪声信号发生器。3.按照信号发生器的性能指标 可分为：一般信号发生器；标准信号发生器；2.按输出波形,大致可分为：3.按照信号发生器的性能指标电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第13页3.1.3 3.1.3 正弦信号源的性能指标正弦信号源的性能指标1.1.1.1.频率特性频率特性频率特性频率特性uu（1 1 1 1）频率范围）频率范围）频率范围）频率范围-上述上述上述上述uu（2 2）频率准确度）频率准确度）频率准确度）频率准确度 度盘数值与实际输出信号频率间度盘数值与实际输出信号频率间度盘数值与实际输出信号频率间度盘数值与实际输出信号频率间的偏差的偏差的偏差的偏差uu（3 3）频率稳定度）频率稳定度）频率稳定度）频率稳定度-是指其它外界条件恒定不变的情况是指其它外界条件恒定不变的情况是指其它外界条件恒定不变的情况是指其它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下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调下，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。值变化的大小。值变化的大小。值变化的大小。uuRCRC和和和和LCLC信号源，频率准确度可达信号源，频率准确度可达信号源，频率准确度可达信号源，频率准确度可达10 10 量级，稳定度可量级，稳定度可量级，稳定度可量级，稳定度可达达达达10 10 10 10 量级；利用晶体振荡器的合成信号源，频量级；利用晶体振荡器的合成信号源，频量级；利用晶体振荡器的合成信号源，频量级；利用晶体振荡器的合成信号源，频率准确度和稳定度都可达到率准确度和稳定度都可达到率准确度和稳定度都可达到率准确度和稳定度都可达到10 10 量级量级量级量级-2-3-8-43.1.3 正弦信号源的性能指标1.频率特性-2-3-8电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第14页u2输出特性u正弦信号源的输出特性一般包括正弦信号源的输出特性一般包括输出电平输出电平范围范围、输出电平的频响输出电平的频响、输出电平的准确输出电平的准确度度、输出阻抗输出阻抗等指标。等指标。u（1）输出电平范围u指输出信号幅度的有效范围，也就是信号指输出信号幅度的有效范围，也就是信号发生器的最大和最小输出电平的可调范围。发生器的最大和最小输出电平的可调范围。输出幅度可用电压输出幅度可用电压(mV、V)和分贝和分贝(dB)两两种方式表示。种方式表示。2输出特性电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第15页u（2）输出电平的频率响应u是指在有效频率范围内调节频率时，输出是指在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化情况，也就是输出电平的平坦电平的变化情况，也就是输出电平的平坦度。度。u（3）输出电平准确度u输出电平准确度一般由电压表刻度误差、输出输出电平准确度一般由电压表刻度误差、输出输出电平准确度一般由电压表刻度误差、输出输出电平准确度一般由电压表刻度误差、输出衰减器换档误差、衰减器换档误差、衰减器换档误差、衰减器换档误差、0dB0dB准确度和输出电平平坦准确度和输出电平平坦准确度和输出电平平坦准确度和输出电平平坦度等几项指标综合组成。度等几项指标综合组成。度等几项指标综合组成。度等几项指标综合组成。（2）输出电平的频率响应电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第16页u（）输出阻抗u信号发生器的输出阻抗视其类型不同而信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。异。u低频信号发生器电压输出端的输出阻抗低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为一般为600600（或（或1K1K）；）；u功率输出端根据输出匹配变压器的设计功率输出端根据输出匹配变压器的设计而定，通常有而定，通常有5050、7575、150150、600600和和5K5K等；等；u高频信号发生器一般有高频信号发生器一般有5050和和7575两种两种不平衡输出。不平衡输出。（）输出阻抗电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第17页 u3调制特性u描述高频信号发生器输出正弦波的描述高频信号发生器输出正弦波的同时，输出调频、调幅、调相或脉同时，输出调频、调幅、调相或脉冲调制信号的能力。冲调制信号的能力。下一节结束返回 电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第18页3.2 低频信号发生器低频信号发生器u低频信号发生器的输出信号频率范围通常低频信号发生器的输出信号频率范围通常为为20Hz20KHz，也称为音频信号发生器。，也称为音频信号发生器。u低频信号发生器可用于测试调整低频放大低频信号发生器可用于测试调整低频放大器、传输网络和广播、音响等电声设备，器、传输网络和广播、音响等电声设备，还可以用于调制高频信号发生器或标准电还可以用于调制高频信号发生器或标准电子电压表等。子电压表等。3.2 低频信号发生器低频信号发生器的输出信号频率范围通常电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第19页u321低频信号发生器的低频信号发生器的u 主要性能指标主要性能指标u（1 1）频率范围。）频率范围。）频率范围。）频率范围。1Hz1Hz20KHz20KHz或延伸到或延伸到或延伸到或延伸到1MHz1MHzu（2 2）频率稳定度。（）频率稳定度。（）频率稳定度。（）频率稳定度。（0.10.10.40.4）%/%/小时小时小时小时u（3 3）频率的准确度。）频率的准确度。）频率的准确度。）频率的准确度。(1(12)%2)%u（4 4）输出电压。）输出电压。）输出电压。）输出电压。0 010V10V连续可调连续可调连续可调连续可调u（5 5）输出功率。）输出功率。）输出功率。）输出功率。0.50.55w5w连续可调连续可调连续可调连续可调u（6 6）输出阻抗。）输出阻抗。）输出阻抗。）输出阻抗。5050、7575、150150、600600和和和和5K5Ku（7 7）非线性失真系数。）非线性失真系数。）非线性失真系数。）非线性失真系数。(0.1(0.11)%1)%u（8 8）平衡输出与不平衡输出方式。）平衡输出与不平衡输出方式。）平衡输出与不平衡输出方式。）平衡输出与不平衡输出方式。321低频信号发生器的电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第20页u3 32 22 2低频信号发生器的低频信号发生器的u 基本组成与工作原理基本组成与工作原理u如图如图如图如图3.23.2所示，包括振荡器、放大器、稳压电源、所示，包括振荡器、放大器、稳压电源、所示，包括振荡器、放大器、稳压电源、所示，包括振荡器、放大器、稳压电源、电压表及输出级等部分。电压表及输出级等部分。电压表及输出级等部分。电压表及输出级等部分。振荡器振荡器放大器放大器输出衰减输出衰减稳压电源电压表低频信号输出图3.2 低频信号发生器框图322低频信号发生器的振荡器放大器输出衰减稳压电源电压电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第21页u1振荡器u振荡器是低频信号发生器的核心部分，振荡器是低频信号发生器的核心部分，振荡器是低频信号发生器的核心部分，振荡器是低频信号发生器的核心部分，产生频率可调的正弦信号。一般由产生频率可调的正弦信号。一般由产生频率可调的正弦信号。一般由产生频率可调的正弦信号。一般由RCRC振荡电路或差频式振荡电路组成。振荡振荡电路或差频式振荡电路组成。振荡振荡电路或差频式振荡电路组成。振荡振荡电路或差频式振荡电路组成。振荡器决定输出信号的频率范围和稳定度。器决定输出信号的频率范围和稳定度。器决定输出信号的频率范围和稳定度。器决定输出信号的频率范围和稳定度。1振荡器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第22页（1 1）通用）通用RCRC振荡电路振荡电路图图图图3.33.3为文氏电桥振荡器的原理框图。为文氏电桥振荡器的原理框图。为文氏电桥振荡器的原理框图。为文氏电桥振荡器的原理框图。R1R1、C1C1、R2R2、C2C2组组组组成成成成RCRC选频网络，可改变振荡器的频率；选频网络，可改变振荡器的频率；选频网络，可改变振荡器的频率；选频网络，可改变振荡器的频率；R3R3、R4R4组成负反组成负反组成负反组成负反馈臂，可自动稳幅。馈臂，可自动稳幅。馈臂，可自动稳幅。馈臂，可自动稳幅。（1）通用RC振荡电路电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第23页u（2）差频式振荡电路u差频电路产生低频正弦信号的原理方框图如图差频电路产生低频正弦信号的原理方框图如图差频电路产生低频正弦信号的原理方框图如图差频电路产生低频正弦信号的原理方框图如图所示。主要包括固定高频振荡器、可变高频振所示。主要包括固定高频振荡器、可变高频振所示。主要包括固定高频振荡器、可变高频振所示。主要包括固定高频振荡器、可变高频振荡器、混频器、低通滤波器和放大、衰减器等。荡器、混频器、低通滤波器和放大、衰减器等。荡器、混频器、低通滤波器和放大、衰减器等。荡器、混频器、低通滤波器和放大、衰减器等。固定高频振固定高频振荡器荡器混频器混频器可变高频可变高频振荡器振荡器低通滤低通滤波电路波电路放大电路放大电路 衰减电路衰减电路输出图3-5 差频式振荡电路框图（2）差频式振荡电路固定高频振放大电路输出图3-5 差频式振l设固定高频振荡器的频率为 ，可变高频振荡器的频率范围为 ，则混频器输出的基波差频信号频率范围为 l差频信号的频率覆盖系数为6/16/202424设固定高频振荡器的频率为 ，可变高频振荡器的频率范围为l式中 可变高频振荡器的频率覆盖系数；l 可变高频振荡器的最低频率；l 可变高频振荡器的最高频率。l由式可以看出，和 越大，差频信号的频率覆盖系数就越大，所得到的低频信号的频率范围也就越宽。6/16/202425式中 可变高频电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第26页u2放大器u 低频信号发生器的放大器一般包括电压放低频信号发生器的放大器一般包括电压放低频信号发生器的放大器一般包括电压放低频信号发生器的放大器一般包括电压放大器和功率放大器两级，以达到电压输出幅度大器和功率放大器两级，以达到电压输出幅度大器和功率放大器两级，以达到电压输出幅度大器和功率放大器两级，以达到电压输出幅度和功率的要求。和功率的要求。和功率的要求。和功率的要求。u3输出级u 输出级一般包括输出衰减器电路、阻抗变输出级一般包括输出衰减器电路、阻抗变输出级一般包括输出衰减器电路、阻抗变输出级一般包括输出衰减器电路、阻抗变换器和电压表几部分。换器和电压表几部分。换器和电压表几部分。换器和电压表几部分。2放大器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第27页323低频信号发生器的应用u1使用方法u（1 1 1 1）接通电源，频率应有显示。）接通电源，频率应有显示。）接通电源，频率应有显示。）接通电源，频率应有显示。u（2 2 2 2）根据测试所要求信号的频率选择合适的波段，）根据测试所要求信号的频率选择合适的波段，）根据测试所要求信号的频率选择合适的波段，）根据测试所要求信号的频率选择合适的波段，再通过频率开关得到所需的频率。再通过频率开关得到所需的频率。再通过频率开关得到所需的频率。再通过频率开关得到所需的频率。u（3 3）通过衰减器和细调电位器调节输出信号的幅）通过衰减器和细调电位器调节输出信号的幅）通过衰减器和细调电位器调节输出信号的幅）通过衰减器和细调电位器调节输出信号的幅度，并由电压表监测。度，并由电压表监测。度，并由电压表监测。度，并由电压表监测。u（4 4）低频信号发生器的输出阻抗一般为）低频信号发生器的输出阻抗一般为）低频信号发生器的输出阻抗一般为）低频信号发生器的输出阻抗一般为600600，应注意与被测对象的匹配。应注意与被测对象的匹配。应注意与被测对象的匹配。应注意与被测对象的匹配。323低频信号发生器的应用1使用方法电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第28页u2放大器放大倍数的测量u测试电路如图测试电路如图测试电路如图测试电路如图3.63.6所示。所示。所示。所示。2放大器放大倍数的测量l用毫伏表分别测出被测放大器输入、输出信号电压的有效值，即可求出放大器的电压放大倍数。l式中 lUO被测放大器输入电压的有效值；lUi被测放大器输出电压的有效值。l3功率放大倍数的测量功率放大倍数的测量 ()/()6/16/202429用毫伏表分别测出被测放大器输入、输出信号电压的有效值，即可求3.3 函数信号发生器v 函数信号发生器实际上是一种多波形信号源，可以输出正弦波、方波、三角波、斜波、半波正弦波及指数波等。v3.3.1函数信号发生器的基本组成与原理v 构成函数发生器的方案很多，通常有三种。6/16/2024303.3 函数信号发生器 函数信号发生器实际上是一种多1.1.1.1.方波方波方波方波-三角波三角波三角波三角波-正弦波函数发生器的构成方案正弦波函数发生器的构成方案正弦波函数发生器的构成方案正弦波函数发生器的构成方案 v由外触发脉冲或内触发脉冲触发，触发施密特电路产生方波，输出信号的频率由触发脉冲决定，然后经积分输出线性变化的三角波或斜波，调节积分时间常数RC值，可改变积分速度，即改变输出的三角波斜率，从而调节三角波的幅度，最后由正弦波形成电路形成正弦波。v如图3.7所示。6/16/2024311.方波-三角波-正弦波函数发生器的构成方案 由外触发脉冲或内触发脉冲发生器施密特触发器积分器正弦波形成电路缓冲放大器外触发脉冲输入图3.7 方波-三角波-正弦波函数发生器的原理框图oooo6/16/202432内触发施密特触发器积分器正弦波形缓冲放外触发脉冲输入图3.7v2 2三角波三角波-方波方波-正弦波函数发生器的构正弦波函数发生器的构成方案成方案 如图3.8所示。由三角波发生器先产生三角波，然后经方波形成电路产生方波，或经正弦波形成电路形成正弦波，最后经过缓冲放大器输出所需信号。三角波发生器正弦波形成电路缓冲放大器方波变换电路缓冲放大器图3.8 三角波-方波-正弦波函数发生器的原理框图输出正弦波输出方波6/16/2024332三角波-方波-正弦波函数发生器的构成方案三角波正弦波形成v3.3.正弦波正弦波-方波方波-三角波函数发生器的构成三角波函数发生器的构成方案方案v由正弦波发生器先产生正弦波，然后经微分电路产生尖脉冲，用脉冲触发单稳电路形成方波，经三角波形成电路产生三角波，最后经过缓冲放大器输出所需信号。正弦波发生器微分电路三角波形成电路方波形成电路缓冲放大器缓冲放大器图3.9 正弦波-方波-三角波函数发生器的原理框图输出三角波输出方波6/16/2024343.正弦波-方波-三角波函数发生器的构成方案正弦波微分电路三v3.3.2函数信号发生器的典型电路函数信号发生器的典型电路v1.三角波形成电路三角波形成电路v电路框图如图3.10所示，由恒流源控制电路、恒流源、积分器（包括积分电容C和运算放大器A）和幅度控制电路构成。6/16/2024353.3.2函数信号发生器的典型电路8/9/202335v（1）电压斜升过程v输出电压可表示为 （3-10）v式中 UO1斜升输出电压的瞬时值；v I1 正恒流源的的电流值；v C 积分电容的电容量。v（2）电压斜降过程v输出电压可表示为 （3-13）v式中 UO2斜升输出电压的瞬时值；I2 负恒流源的的电流值；C 积分电容的电容量。v 6/16/202436（1）电压斜升过程8/9/202336v当正负恒流源的恒流值相等时，即I1=I2时，可得到左右对称的三角波，三角波的幅度取决于幅度控制的极限电平。v若 ，v可得到正、负幅度对称的波形。6/16/202437当正负恒流源的恒流值相等时，即I1=I2时，可得到左右对称的2.2.正弦波形成电路正弦波形成电路 如图3.12所示典型的二极管网络变换电路，将三角波变换成正弦波。6/16/2024382.正弦波形成电路 如图3.12所示典型的二极管网络变换电v（1）在三角波的正半周，当ui的瞬时值很小时，uo=ui。v（2）当三角波的瞬时电压ui 上升到u1，v（3）当三角波的瞬时电压ui 上升到u2 时，输入电压和输出电压分别为 6/16/2024398/9/202339 随着输入三角波的不断增大，二极管V3a、V4a依次导通，使得分压器的分压比逐渐减小，输出电压衰减幅度更大，使三角波趋近于正弦波。同理，当三角波自正峰值逐渐减小时，二极管V4a、V3a、V2a、V1a依次截止，分压器的分压比又逐渐增大，输出电压衰减幅度依次变小.同理，在三角波负半周，二极管v1b、V2b、V3b、V4b依次导通与截止，使三角波也趋近于正弦波，如此循环，三角波变换成正弦波。波形如图3.13所示。utiustusct图图3.13 分段折线逼近波形综合分段折线逼近波形综合6/16/202440 随着输入三角波的不断增大，二极管V3a、V4a依次导通，3.3.3 函数信号发生器的性能指标函数信号发生器的性能指标（1）输出波形。有正弦波、方波、脉冲和三角波等波形，具有TTL同步输出、单次脉冲输出等。（2）频率范围。频率范围一般分为若干频段，如1Hz10Hz、10 Hz100Hz、100Hz1kHz、1kHz 10kHz、10kHz100kHz、100kHz 1MHz等六个波段。（3）输出电压。一般指输出电压的峰-峰值。6/16/2024413.3.3 函数信号发生器的性能指标（1）输出波形。有正弦波（4）波形特性。不同波形有不同的表示法。一般地有：v正弦波的特性用非线性失真系数表示，一般要求3%；v三角波的特性用非线性系数表示，一般要求2%；v方波的特性参数是上升时间，一般要求100ns。（5）输出阻抗。函数输出50；TTL同步输出600。6/16/2024428/9/202342v3.3.4函数信号发生器的应用函数信号发生器的应用v函数信号发生器可用于音频放大器、滤波器、自动测试系统等的测试。如用于测量低频放大器的幅频特性。测试过程如下。6/16/2024433.3.4函数信号发生器的应用8/9/202343精品课件精品课件！6/16/202444精品课件！8/9/202344精品课件精品课件！6/16/202445精品课件！8/9/202345v（1）按图3.14所示连线。v（2）调节函数发生器，使其输出频率1kHz，幅度为10mV的正弦信号，并将其送到被测放大器输入端。v（3）在被测放大器输出端接上负载电阻RL后，再将输出接到毫伏表或示波器的Y输入端，测出放大器在1kHz时的输出电压值。v（4）按被测电路的技术指标，在保持函数发生器输出幅度不变的情况下，逐点改变信号发生器的频率，逐点记录被测放大器的输出电压值，然后，根据记录数据，画出被测放大器的频率特性曲线。6/16/202446（1）按图3.14所示连线。8/9/202346