电子测量技术与仪器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,书名：电子测量技术与仪器,ISBN,：,978-7-111-39249-1,出版社：机械工业出版社,本书配有电子课件,1,项目二 信号产生与信号发生器的使用,一、教学目标,终极目标：能够知道信号发生器的基本工作原理，会信号发生器的使用。,促成目标：,1,）能懂得信号发生器的基本原理。,2,）会用信号发生器产生各种波形信号。,2,二、工作任务,1,）用函数信号发生器产生幅值（注：本项目下面若无特别说明，则幅值皆为峰,-,峰值）,50mV,、,1kHz,的正弦波。,2,）用函数信号发生器产幅值,50mV,、,1kHz,、,50%,（占空比）的方波。,3,）用函数信号发生器产生幅值,50mV,、,1kHz,的三角波。,3,三、相关实践知识（一）,DG1022,型双通道函数信号发生器的介绍,信号发生器即信号源，它负责提供电子测量所需的各种电信号，是最基本、应用最广泛的电子测量仪器之一。函数信号发生器是一种能产生正弦波、方波、三角波等多种函数波形的仪器，由于其输出波形均可用数学函数描述，故命名为函数信号发生器，新型的函数信号发生器一般还具有调频、调幅等调制功能。,4,DG1022,型双通道函数信号发生器使用直接数字合成（,DDS,）技术，可生成稳定、精确、纯净和低失真的正弦信号、能提供,5MHz,、具有快速上升沿和下降沿的方波及脉冲波、锯齿波、白噪声和其他任意波形，具有调幅（,AM,）、调频（,FM,）、调相（,PM,）等调制功能，另外还附带高准确度、宽频带的频率计，具备频率测量功能，其外形如图,2-1,所示。,DDS,是指直接数字合成技术，它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，而是用数字合成方法产生一连串数据流，再经过数模转换器产生出一个预先设定的模拟信号。,5,图,2-1 DG1022,型双通道函数信号发生器外形图,6,DG1022,型双通道函数信号发生器的性能特点：,1,）,DDS,直接数字合成技术，得到稳定、低失真的输出信号。,2,）双通道输出，可实现通道耦合，通道复制。,3,）输出,5,种基本波形，内置,48,种任意波形。,4,）可编辑输出,14bit,垂直分辨率、,4,千个点的用户自定义任意波形。,5,）,100MSa/s,采样率。,6,）频率特性： 正弦波：,1Hz,20MHz,； 方波：,1Hz,5MHz,； 锯齿波：,1Hz,150kHz,； 脉冲波：,500Hz,3MHz,； 白噪声：,5MHz,带宽,(-3dB),；,任意波形：,1Hz,5MHz,。,7,7,）幅值范围：,2mV,10V,（,50,）、,4mV,20V,（高阻）。,8,）具有丰富的调制功能，输出各种调制波形：调幅（,AM,）、调频（,FM,）、调相（,PM,）、二进制频移键控（,FSK,）、线性和对数扫描（,Sweep,）及脉冲串（,Burst,）模式。,9,）丰富的输入输出：外接调制源、外接基准,10MHz,时钟源、外触发输入、波形输出、数字同步信号输出。,10,）高准确度、宽频带频率计。 测量功能：频率、周期、占空比、正,/,负脉冲宽度。 频率范围：,100,200MHz,（单通道）。,8,11,）支持即插即用,SB,存储设备，并可通过,SB,存储设备存储、读取波形配置参数及用户自定义任意波形，以及进行软件升级。,12,）标准配置接口：,SB Host&Device,。,13,）与,DS1000,系列示波器无缝对接，直接获取示波器中存储的波形并无损地重现。,14,）图形化界面可以对信号设置进行可视化验证。,15,）中英文嵌入式帮助系统。,16,）支持中英文输入。,9,（二）,DG1022,型双通道函数信号发生器的操作使用,信号发生器的使用大同小异，无非是调节要输出信号的类型、频率（周期）、幅度及其他波形参数。,DG1022,型双通道函数信号发生器的前面板如图,2-2,所示。前面板上包括各种功能按键、旋钮及菜单软键，您可以进入不同的功能菜单或直接获得特定的功能应用。,10,图,2-2 DG1022,型双通道函数信号发生器的前面板,11,1,DG1022,的用户界面,DG1022,型双通道函数信号发生器提供了三种界面显示模式：单通道常规模式、单通道图形模式及双通道常规模式，如图,2-3,所示。这三种显示模式可通过前面板左侧的,View,按键切换。用户可通过,CH1,、,CH2,来切换活动通道，以便于设定每通道的参数及观察、比较波形（注意：本项目对按键的标识用加边框的字符表示，如,Sine,代表前面板上一个标注着,“,Sine,”,字符的功能键，菜单软键的标识用带阴影的字符表示， 如频率表示,Sine,菜单中的,“,频率,”,选项）。,12,a,）单通道常规模式,b,）单通道图形模式,a,）单通道常规模式,b,）单通道图形模式,13,c,）双通道常规模式,图,2-3 DG1022,型双通道函数信号发生器三种界面显示模式,14,2,DG1022,的波形设置,在操作面板左侧下方有一系列带有波形显示的按键，如图,2-4,所示。它们分别是正弦波、方波、锯齿波、脉冲波、噪声波和任意波等波形选择键，此外还有两个常用按键，即通道选择和视图切换键。下面的练习将引导您逐步熟悉这些按键的设置。本章以下对波形选择的说明均在常规显示模式下进行。,图,2-4,按键选择,15,1,）使用,Sine,按键，波形图标变为正弦信号，并在状态区左侧出现,“,Sine,”,字样。,DG1022,可输出频率从,1Hz,到,20MHz,的正弦波形。通过设置频率,/,周期、幅值,/,高电平、偏移,/,低电平、相位，可以得到不同参数值的正弦波。图,2-5,所示为正弦波使用系统默认参数：频率为,1kHz,，幅值为,5.0V,，直流偏移量为,0V,，初始相位为,0,。 图,2-5,正弦波常规显示界面,16,2,）使用,Square,按键，波形图标变为方波信号，并在状态区左侧出现,“,Square,”,字样。,DG1022,可输出频率为,1Hz,5MHz,并具有可变占空比的方波。通过设置频率,/,周期、幅值,/,高电平、偏移,/,低电平、占空比、相位，可以得到不同参数值的方波。图,2-6,所示为方波使用系统默认参数：频率为,1kHz,，幅值为,5.0V,，直流偏移量为,0V,，占空比为,50,，初始相位为,0,。 图,2-6,方波常规显示界面,17,3,）使用,Ramp,按键，波形图标变为锯齿波信号，并在状态区左侧出现,“,Ramp,”,字样。,DG1022,可输出频率为,1Hz,150kHz,并具有可变对称性的锯齿波波形。通过设置频率,/,周期、幅值,/,高电平、偏移,/,低电平、对称性、相位，可以得到不同参数值的锯齿波。图,2-7,所示为锯齿波使用系统默认参数：频率为,1kHz,，幅值为,5.0V,，直流偏移量为,0V,，对称性为,50,，初始相位为,0,。,图,2-7,锯齿波常规显示界面,18,4,）使用,Pulse,按键，波形图标变为脉冲波信号，并在状态区左侧出现,“,Pulse,”,字样。,DG1022,可输出频率为,500Hz,3MHz,并具有可变脉冲宽度的脉冲波形。通过设置频率,/,周期、幅值,/,高电平、偏移,/,低电平、脉宽,/,占空比、延时，可以得到不同参数值的脉冲波。图,2-8,所示为脉冲波使用系统默认参数：频率为,1kHz,，幅值为,5.0V,，直流偏移量为,0V,，脉宽为,500s,，占空比为,50,，延时为,0,。,图,2-8,脉冲波常规显示界面,19,5,）使用,Noise,按键，波形图标变为噪声信号，并在状态区左侧出现,“,Noise,”,字样。,DG1022,可输出带宽为,5MHz,的噪声。通过设置幅值,/,高电平、偏移,/,低电平，可以得到不同参数值的噪声信号。图,2-9,所示为噪声波使用系统默认参数：幅值为,5.0V,，直流偏移量为,0V,。 图,2-9,噪声波常规显示界面,20,6,）使用,Arb,按键，波形图标变为任意波信号，并在状态区左侧出现,“,Arb,”,字样。,DG1022,可输出最多,4,千个点和最高,5MHz,重复频率的任意波形。通过设置频率,/,周期、幅值,/,高电平、偏移,/,低电平、相位，可以得到不同参数值的任意波信号。图,2-10,所示为任意波形常规显示界面，显示,NegRamp,倒三角波形使用系统默认参数：频率为,1kHz,，幅值为,5.0V,，直流偏移量为,0V,，相位为,0,。,图,2-10,任意波形常规显示界面,21,7,） 使用,CH1,、,CH2,键切换通道，当前选中的通道可以进行参数设置。在常规和图形模式下均可以进行通道切换，以便用户观察和比较两通道中的波形。,8,）使用,View,键切换视图，使波形显示在单通道常规模式、单通道图形模式、双通道常规模式之间切换。此外，当仪器处于远程模式，按下该键可以切换到本地模式。,22,3,DG1022,的输出设置,通道输出及频率计输入如图,2-11,所示，在前面板右侧有两个按键，用于通道输出、频率计输入的控制。下面的说明将引导您逐步熟悉这些功能。,图,2-11,通道输出及频率计输入,23,1,）使用,“,Output,”,按键，启用或禁用前面板的输出连接器输出信号。通道输出显示如图,2-12,所示，已按下,“,Output,”,键的通道显示,“,ON,”,且,Output,点亮（,CH1,）；未按下,“,Output,”,键的通道显示,“,OFF,”,且,Output,灭（,CH2,）。,2,）在频率计模式下，,CH2,对应的,Output,连接器作为频率计的信号输入端，,CH2,自动关闭，禁用输出。 图,2-12,通道输出显示,24,4,DG1022,的模式,/,功能键设置,在,DG1022,前面板右侧上方有六个模式,/,功能键按键，,Mod,、,Sweep,、,Burst,按键分别用于调制、扫描及脉冲串的设置，在本信号发生器中，这三个功能只适用于通道,1,。,Store/Recall,、,Utility,、,Help,按键分别用于存储和调出、辅助系统功能及帮助功能的设置。下面的说明将逐步引导您熟悉这些功能的设置。,25,1,）使用,Mod,按键，可输出经过调制的波形。并可以通过改变类型、内调制,/,外调制、深度、频率、调制波等参数，来改变输出波形。,DG1022,可使用,AM,、,FM,、,FSK,或,PM,调制波形，可调制正弦波、方波、锯齿波或任意波形（不能调制脉冲、噪声和直流），图,2-13,所示为调制正弦波常规显示界面。 图,2-13,调制正弦波常规显示界面,26,2,）使用,Sweep,按键，对正弦波、方波、锯齿波或任意波形产生扫描（不允许扫描脉冲、噪声和直流）。在扫描模式中，,DG1022,在指定的扫描时间内从开始频率到终止频率而变化输出，图,2-14,所示为扫描正弦波常规显示界面。 图,2-14,扫描正弦波常规显示界面,27,3,）使用,Burst,按键，可以产生正弦波、方波、锯齿波、脉冲波或任意波形的脉冲串波形输出，噪声只能用于门控脉冲串，图,2-15,所示为正弦波脉冲串常规显示界面。输出具有指定循环数目的波形，称为,“,脉冲串,”,。脉冲串可持续特定数目的波形循环（,N,循环脉冲串），或受外部门控信号控制（为门控脉冲串）。脉冲串可适用于任何波形函数，但是噪声只能用于门控脉冲串。 图,2-15,正弦波脉冲串常规显示界面,28,4,）使用,Store/Recall,按键，存储或调出波形数据和配置信息。,5,）使用,Utility,按键，可以进行设置同步输出开,/,关、输出参数、通道耦合、通道复制、频率计测量；查看接口设置、系统设置信息；执行仪器自检和校准等操作。,6,）使用,Help,按键，查看帮助信息列表。要获得任何前面板按键或菜单按键的上下文帮助信息，按下并按住该键,2,3s,，显示相关帮助信息。,29,5,DG1022,数字输入的作用,在前面板上有两组按键，分别是左右方向键、旋钮和数字键盘，如图,2-16,所示。使用左右方向键，用于数值不同数位的切换；使用旋钮，用于改变波形参数的某一数位数值的大小，旋钮的输入范围是,0,9,，旋钮顺时针旋一格，数值增,1,。使用数字键盘，用于波形参数值的设置，直接改变参数值的大小。,图,2-16,数字输入键,30,（三）函数信号发生器的应用,1,用,DG1022,型双通道函数信号发生器产生幅值,50mV,、,1kHz,的正弦波,使用,Sine,按键，常规显示模式下，在屏幕下方显示正弦波的操作菜单，左上角显示当前波形名称。通过使用正弦波的操作菜单，对正弦波的输出波形参数进行设置。设置正弦波的参数主要包括：频率,/,周期，幅值,/,高电平，偏移,/,低电平，相位。通过改变这些参数，得到不同的正弦波，如图,2-17,所示（注意：操作菜单中的同相位专用于能使双通道输出时相位同步，单通道波形无需配置此项）。,图,2-17,正弦波参数值设置显示界面,31,（,1,）设置输出频率,/,周期 按,Sine,频率,/,周期频率 ，设置频率参数值。使用数字键盘，直接输入所选参数值,1000,，然后选择频率所需单位,Hz,，按下对应于所需单位的软键，也可以使用左右键选择需要修改的参数值的数位，使用旋钮改变该数位值的大小，如图,2-18,所示。 图,2-18,设置频率的参数值,32,（,2,）设置输出幅值 按,Sine,幅值,/,高电平幅值 ，设置幅值参数值。使用数字键盘或旋钮，输入所选参数值，然后选择幅值所需单位，按下对应于所需单位的软键，如图,2-19,所示（注意：幅值设置中的,“,dBm,”,单位选项只有在输出阻抗设置为,50,才会出现）。,图,2-19,设置输出幅值的参数值,33,（,3,）设置偏移电压 按,Sine,偏移,/,低电平偏移，设置偏移电压参数值。使用数字键盘或旋钮，输入所选参数值，然后选择偏移量所需单位，按下对应于所需单位的软键，如图,2-20,所示。,图,2-20,设置偏移电压的参数值,34,（,4,）设置起始相位 按,Sine,相位，设置起始相位参数值。使用数字键盘或旋钮，输入所选参数值，然后选择单位，如图,2-21,所示。,图,2-21,设置起始相位的参数值 此时按,View,键切换为图形显示模式，查看波形参数，如图,2-22,所示。 图,2-22,图形显示模式下的正弦波参数,35,2,用函数信号发生器产生幅值,50mV,、,1kHz,、,50%,（占空比）的方波,使用,Square,按键，常规显示模式下，在屏幕下方显示方波的操作菜单。通过使用方波的操作菜单，对方波的输出波形参数进行设置。设置方波的参数主要包括：频率,/,周期、幅值,/,高电平、偏移,/,低电平、占空比、相位。通过改变这些参数，得到不同的方波。方波参数值设置显示界面如图,2-23,所示，在软键菜单中，选中占空比，在参数显示区中，与占空比相对应的参数值反色显示，用户可在此位置对方波的占空比值进行修改。,图,2-23,方波参数值设置显示界面,36,按要求输入对应参数后，此时按,View,键切换为图形显示模式，查看波形参数，如图,2-24,所示。,图,2-24,图形显示模式下的方波参数,37,3,用函数信号发生器产生幅值,50mV,、,1kHz,的三角波,DG1022,型函数,信号发生器具有编辑任意波形的功能，要创建图,2-25,所示的三角波，用户可以通过初始化点的操作来创建任意的新波形，按,Arb,编辑，进入图,2-26,所示界面，界面操作菜单说明见表,2-1,。 图,2-25,三角波波形 图,2-26,编辑任意波形操作界面,38,表,2-1,编辑波形的操作菜单说明,功能菜单,菜单说明,创建,创建新的任意波形，并覆盖易失性存储器中的波形,已存,编辑存储在非易失性存储器中的任意波形,易失波,编辑存储在易失性存储器中的任意波形,删除,删除存储在,10,个非易失性存储器中的一个任意波形,注：,1,）当非易失存储器中没有存储波形时，已存菜单隐藏，删除菜单隐藏,2,）当易失存储器中没有存储波形时，易失波菜单隐藏,39,（,1,）创建新波形 要创建一三角波，按,Arb,编辑创建 ，进入图,2-27,所示界面，可以对总的波形参数进行设置，设置菜单说明见表,2-2,。 图,2-27,创建新波形参数值设置界面,40,表,2-2,创建新波形参数值设置菜单说明,功能菜单,菜单说明,周期,设置任意波形的周期,电平高,设置任意波形的最高电压电平,电平低,设置任意波形的最低电压电平,插值开,/,插值关,启用在波形的定义点之间的线性内插,/,禁用在波形的定义点之间的线性内插,点数,设置任意波形初始化点数,编辑点,启动波形编辑器,41,（,2,）设置周期 按周期，软键菜单周期反色显示；使用数字键盘输入,“,1,”,，选择单位,“,ms,”,，设置周期为,1ms,，频率为,1000Hz,。（,3,）设置波形电压限制 按电平高，使用数字键盘输入,“,50,”,，选择单位,“,mV,”,，设置高电平为,50mV,；按电平低，使用数字键盘输入,“,-50,”,，选择单位,“,mV,”,，设置低电平为,-50mV,。（,4,）选择插值方法 按插值开,/,关插值开 ，启用在波形点之间进行线性内插。若选择插值关，表示在波形点之间维持不变的电压电平，并创建一个类似的数字波形。（,5,）设置波形的初始化点数 设置初始化点数为,“,4,”,，按确定。当创建新波形时，波形编辑器最初建立一个具有两个点的波形。 波形编辑器自动地将波形的最后一个点连接到点,1,的电压电平，以创建一个连续波形，可创建最多,4,千个点的任意波形。在波形中，最后一个可定义点的时间必须小于指定的循环周期。在默认情况下，点,1,设置为高电平，固定在,0,，点,2,设置为低电平，设置为指定循环周期的一半。,42,（,6,）编辑波形点 对波形中的每个点的电压和时间进行编辑，来定义波形。如果需要的话，可插入或删除波形点。 按编辑点，使用数字键盘或旋钮在不同点数之间切换。各点的时间值和电压值设置见表,2-3,。 表,2-3,波形点的时间值和电压值设置表,点,时间值,/ms,电压值,/mV,1,0,0,2,0.25,50,3,0.50,0,4,0.75,-50,43,（,7,）存储波形 按保存，将编辑完成的三角波存储到,10,个非易失性存储位置,ARB1,ARB10,中的任一个位置上，如图,2-28,所示。按存储，输入文件名后再按存储将编辑完成的任意波形存储到指定非易失存储器中，每个非易失性存储器只能存一个自定义波形，如果有新波形存入，旧波形将被覆盖；按读取将已存波形读到易失性存储器并进行输出。 图,2-28,保存用户自定义波形上述设置完成后，按,View,键切换到图形显示模式，信号发生器输出创建的三角波。,44,四、相关理论知识（一）信号发生器的分类,信号发生器即信号源，它负责提供电子测量所需的各种电信号。信号发生器用途广泛、种类繁多，它分为通用信号发生器和专用信号发生器两大类。专用信号发生器是为某种特殊专用目的而设计制作的，能够提供特殊的测量信号，如调频立体声信号发生器、电视信号发生器等。通用信号发生器应用面广，灵活性好，可以分为以下几类：,45,1,按发生器输出信号波形分类,按照输出信号波形的不同，信号发生器大致分为正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器。（,1,）正弦信号发生器 主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按其不同性能和用途还可细分为低频（,20Hz,10MHz,）信号发生器、高频（,100kHz,300MHZ,）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等，广泛应用于科研与生产实践。（,2,）函数信号发生器 能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几微赫到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域，广泛应用于科研与生产实践。,46,（,3,）,脉冲信号发生器,能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。（,4,）随机信号发生器 通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器主要用途是在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。,47,2,按工作频率分类,按照工作频率的不同，信号发生器分为超低频、低频、视频、高频、甚高频、超高频信号发生器。其工作频率范围见表,2-4,。,3,按调制方式分类,按调制方式的不同，信号发生器分为调幅、调频、调相、脉冲调制等类型。,4,按工作原理分类,按工作原理（实现方式）的不同，信号发生器又可分为集成芯片的函数发生器和直接数字合成芯片的函数发生器。集成芯片的函数发生器能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试，如用,MAX038,集成芯片开发的函数信号发生器；直接数字合成芯片的函数发生器能产生任意波形并达到很高的频率，性能较好，但成本较高，如上述,DG1022,型双通道函数信号发生器。,48,（二）信号发生器的主要技术特性,1,频率特性,（,1,）频率范围 又称为,“,有效频率范围,”,，指的是正弦信号源的各项指标都能得到保证时的输出频率范围。（,2,）频率准确度 正弦信号源的频率准确度可用频率的绝对偏离（绝对误差）,f,=,f,f,0,或相对偏离（相对误差）, =,f,/,f,0,来表示，其中，,f,0,为标称频率，,f,为频率指示值。（,3,）频率稳定度 频率短期稳定度定义为信号发生器经规定的预热时间后，频率在规定的时间间隔内的最大变化，即。频率稳定度是一个信号源的重要工作特性，一个正弦信号源的频率准确度是由主振器的频率稳定度来保证的，一般主振器的频率稳定度应比所要求的准确度高,1,2,个数量级。（,4),频谱纯度 对于正弦信号发生器，频谱纯度也是其重要指标之一。,49,2,输出特性,（,1,）输出电平范围 表征信号源所能提供的最小和最大输出电平的可调范围。（,2,）输出电平准确度 指信号发生器输出电平的误差大小。对常用电子仪器，常采用,“,工作误差,”,来评价仪器的准确度。工作误差指仪器在额定工作条件下，在任何可能组合的各种使用条件下，仪器总的极限误差。 （,3,）输出阻抗 输出阻抗的高低随信号发生器类型而异。低频信号发生器一般有,50,、,75,、,150,、,600 ,、,5k,等几种不同的输出阻抗，而高频信号发生器一般只有,50(,或,75),不平衡输出，在使用高频信号发生器时，要注意阻抗的匹配。,50,（,4,）输出波形及谐波失真 输出波形是指信号发生器所能输出信号的波形。谐波失真是指全部谐波能量与基波能量之比的平方根值。对于纯电阻负载，则定义为全部谐波电压（或电流）有效值与基波电压（或电流）有效值之比，即 式中，,U,1,为输出信号基波的有效值；,U,2,、,U,3,、,Un,为其他次谐波电压的有效值。,3,调制特性,许多信号源还包含调制功能。如高频信号发生器，一般还具有输出一种或多种调制信号的能力，通常为调幅和调频信号，有些还带有调相、脉冲调制、数字调制等功能。调制特性包括调制频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。,51,（三）信号发生器的组成及工作原理,不同类型的信号发生器其性能、用途虽不相同，但基本构成是类似的，其组成框图如图,2-29,所示。 图,2-29,信号发生器组成框图,52,（,1,）振荡器 是信号发生器的核心部分，由它产生各种不同频率的信号，通常是正弦波振荡器或脉冲发生器。它决定了信号发生器的一些重要工作特性，如工作频率范围、频率的稳定度等。输出电平及其稳定度、频谱纯度、调频特性等也在很大程度上取决于振荡器的工作特性。调频信号一般都在本级直接调制而产生。（,2,）变换器 可以是电压放大器、功率放大器或调制器、脉冲形成器等，它将振荡器的输出信号进行放大或变换，进一步提高信号的电平并给出所要求的波形。（,3,）调制器 主要为高频信号发生器提供调制信号。（,4,）输出电路 为被测设备提供所要求的输出信号电平或信号功率及阻抗匹配。,53,（,5,）指示器 用来监视输出信号。不同功用的信号发生器，指示器的种类是不同的，它可能是电压表、功率计、频率计、调制度仪或以上综合等。（,6,）电源 为测量信号源的各部分电路提供所需的各种直流电压，通常是将,50HZ,的交流电经过变压、整流、滤波和稳压后而得到的。,54,1,正弦低频信号发生器,（,1,）正弦低频信号发生器的组成及工作原理,低频信号发生器组成框图如图,2-30,所示，主要包括主振器、缓冲放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器和输出指示器等部分。,图,2-30,低频信号发生器组成框图,55,1,）主振器：是低频信号发生器的核心部分，产生频率可调的正弦信号，它决定了信号发生器的有效频率范围和频率稳定度。低频信号发生器中产生振荡信号的方法有多种，现代低频信号发生器中，主振器常采用,RC,文氏电桥振荡电路，其原理图如图,2-31,所示。 图,2-31,主振器原理图,56,2,）缓冲放大器：兼有缓冲和电压放大的作用。缓冲是为了将后级电路与主振器隔离，防止后级电路、负载等的变化对主振器的影响，保证主振频率稳定，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。,3,）输出衰减器：图,2-32,所示电路为低频信号发生器中最常用的输出衰减器原理图。由电位器,R,P,取出一部分信号电压加于,R,1,R,8,组成的步进衰减器，调节电位器,R,P,或调节波段开关,S,所接的档位，均可使衰减器输出不同电压。,57,图,2-32,输出衰减器原理图,58,4,）功率放大器：用来对电平调节器送来的电压信号进行功率放大，使之达到额定的功率输出，驱动低阻抗负载。通常采用电压跟随器或,BTL,电路等。,5,）阻抗变换器：用于匹配不同阻抗的负载，以便在负载上获得最大输出功率。,6,）输出指示器：用来指示输出端输出电压的幅度，或对外部信号电压进行测量，可能是指针式电压表、数码,LED,或,LCD,。,59,（,2,）正弦低频信号发生器的主要性能指标 一般正弦低频信号发生器的主要性能指标如下：,1,）频率范围： 一般为,20Hz,1MHz,，连续可调。,2,）频率准确度：,(1,3)%,。,3,）频率稳定度： 优于,0.1%,。,4,）输出电压：,0,10V,连续可调。,5,）输出功率：,0.5,5W,连续可调。,6,）非线性失真范围：,0.1%,1%,。,7,）输出阻抗：,50,、,75,、,150,、,600,、,5k,。,8,）输出形式： 平衡输出与不平衡输出。,60,（,3,）正弦低频信号发生器的使用,一般正弦低频信号发生器的使用步骤如下：,1,）仔细阅读操作使用说明书。,2,）开机准备。,3,）选择输出频率。,4,）输出电压的调节和测读。,5,）输出阻抗的配接。,6,）选择输出电路的形式。,61,2,正弦高频信号发生器,正弦高频信号发生器的组成框图如图,2-33,所示，主要包括振荡器、缓冲级、调制级、输出级、内调制振荡器、频率调制器、监测指示电路等。 图,2-33,正弦高频信号发生器的组成框图,62,（,1,）振荡器 用于产生高频振荡信号，它是信号发生器的核心，信号发生器的主要工作特性大都由它决定。一般采用可调频率范围宽、频率准确度高、稳定性能好的,LC,振荡器。 （,2,）缓冲级 主要起隔离放大的作用，用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作稳定，并将主振信号放大到一定的电平。（,3,）调制级 主要完成对主振信号的调制，包括调频和调幅等调制方式。在输出载波或调频波时，调制级相当于一个宽带放大器；在输出调幅波时，相当于实现振幅调制和信号放大。 （,4,）频率调制器 与主振器的谐振回路耦合，在调制信号作用下，控制谐振回路电抗的变化而实现调频。,63,（,5,）内调制振荡器 供给符合调制级要求的音频正弦调制信号，该方式称为内调制；当调制信号由外部提供时，称为外调制。（,6,）输出级 主要由放大器、滤波器、输出微调、输出衰减器、倍乘器等组成，对高频输出信号进行调节以得到所需的输出电平。输出级还用来提供合适的输出阻抗。（,7,）监测指示电路 监测指示输出信号的载波电平和调制系数。,64,3,函数信号发生器,函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。函数信号发生器主要有三种组成方案，第一种是施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波，即脉冲式函数信号发生器；第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波，即正弦式函数信号发生器；第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波，即三角波式函数发生器。（,1,）脉冲式函数信号发生器,脉冲式函数信号发生器的组成如图,2-34,所示。它包括双稳态触发器、积分器、正弦波转换器和输出放大器等部分，双稳态触发器通常采用施密特触发器，积分器则采用密勒积分器，正弦波转换器一般采用分段折线逼近的方法。脉冲式函数信号发生器的工作原理如下：,65,图,2-34,脉冲式函数信号发生器的组成,66,1,）方波、三角波的形成：开关,S1,悬空，当双稳态触发器输出为,u,1=,U,1,时，积分器输出,u,2,将开始线性下降，当,u,2,下降到等于参考电平,U,r,时，比较器使双稳态触发器翻转，,u,1,由,U,1,变为,U,1,，同时，,u,2,将开始以与线性下降相等的速率线性上升。当,u,2,上升到等于参考电平,U,r,时，双稳态触发器又翻转回去，于是完成一个循环周期。不断重复上述过程，即得到方波信号,u,1,、三角波信号,u,2,，如图,2-35,所示。二种波形再经过输出级放大后即可在输出端得到所需的波形。,2,）锯齿波和矩形波的形成：,S1,与,VD2,相接，当触发器输出为,U,1,时，,VD2,导通，电阻,R,3,被短路，积分器很快下降，当下降到,U,r,时，触发电路翻转，触发器输出为,U,1,，,VD2,截止，,R,3,接入电路，积分器输出缓慢上升，形成正向锯齿波,u,2(,t,),，触发器输出为矩形波,u,1(,t,),，如图,2-36,所示。如果,S1,与,VD1,相接，将得到反向锯齿波和极性相反的矩形波。,67,图,2-35,方波、三角波形成 图,2-36,矩形波、锯齿波形成,68,3,）正弦波的形成：正弦波成形电路一般采用分段折线逼近的方法将三角波变换成为正弦波。图,2-37,中,a,、,b,和,c,分别为电路输出特性、输入波形、输出波形，由于该网络对信号的衰减随三角波幅度的加大而增加，而使输出波形向正弦波逼近。如果折线段选得足够多，并适当选择转折点的位置，便能得到非常逼真的正弦波。,69,图,2-37,正弦波形成电路原理,图,2-37,正弦波形成电路原理,t,0,0,0,u,i,u,o,u,o,u,i,a,t,c,b,70,图,2-38,为实际正弦波形成电路，电路中使用了,3,对二极管。正、负直流电源和电阻,R,7,R,10,及,R,11,R,14,为二极管提供适当的偏压，以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置。随着输入电压的变化，,3,个二极管依次导通及截止，并把电阻,R,3,、,R,2,、,R,1,依次接入电路或从电路断开，这样就改变了电路输入输出比例。电路中每个二极管可产生一个转折点。在正半周可获得,4,段折线；负半周也得到,4,段折线。以后每增加,1,对二极管，正负半周可各增加,1,段折线，当二极管足够多时，可逼近正弦波，其波形失真很小。,71,由上述分析得知，脉冲式函数信号发生器无独立的主振级，而是由施密特触发器、积分器和比较器构成的闭合回路组成的自激振荡器，它产生的最基本波形是方波和三角波。调换积分电容或改变电位器,R,P,可以改变输出信号的频率。如果用压控元件（如场效应晶体管）代替电阻,R,2,，可使振荡电路成为压控振荡器，实现调频或脉宽调制。,图,2-38,实际正弦波形成电路,72,（,2,）正弦式函数信号发生器,正弦式函数信号发生器原理框图如图,2-39,所示，它包括正弦振荡器、缓冲级、方波形成器、积分器、放大器和输出级等部分。其工作过程是：正弦振荡器输出正弦波，经缓冲级隔离后，分为两路信号，一路送放大器输出正弦波，另一路作为方波形成器的触发信号。方波形成器通常是施密特触发器，它输出两路信号，一路送放大器，经放大后输出方波；另一路作为积分器的输入信号。积分器通常为密勒积分器，积分器将方波变换为三角波，经放大后输出。三个波形的输出由选择开关控制。,73,图,2-39,正弦式函数信号发生器原理框图,74,4,脉冲信号发生器,脉冲信号发生器可以产生频率、脉宽和幅度可调的脉冲信号，普遍应用于电子测量系统、自动控制系统和数字通信领域，主要用于对视频放大器、宽带电路的过渡特性以及逻辑器件的开关速度进行测试。按照频率范围来分，脉冲信号发生器有射频脉冲信号发生器和视频脉冲信号发生器两种。前者一般是高频或超高频信号发生器受矩形脉冲的调制而获得的，而常用的脉冲信号发生器都是以产生矩形脉冲为主的视频脉冲信号发生器。（,1,）脉冲信号发生器的组成及工作原理,一台基本的脉冲信号发生器，其组成框图如图,2-40,所示，包括主振级、延迟级、脉宽形成级、整形级、输出级等部分。,75,图,2-40,脉冲信号发生器组成框图,76,1,）主振级：用于产生频率可调的同步脉冲，是脉冲信号源的核心，决定输出脉冲的重复频率。要求有良好的调节性能，较高的频率稳定度，宽的频率范围，陡峭的前后沿和足够的幅度。,2,）延迟级：主振级输出的未经延时的脉冲称为同步脉冲，又称前置脉冲，延迟级用于产生与同步脉冲有一定延迟的主脉冲，如图,2-41,所示。延迟级一般由单稳电路和微分电路组成。,图,2-41,同步脉冲与延时主脉冲,77,3,）形成级：是脉冲信号发生器的中心环节，用于形成波形良好、宽度准确的矩形脉冲，要求脉冲的宽度可调，并具有较高的稳定性。一般由单稳态触发器等电路组成。,4,）整形级：起限幅与电流放大的作用，一般由限幅、放大电路组成。,5,）输出级：主要对输出信号进行功率放大及极性、幅度的调整，主要由脉冲放大器、倒相器等组成。,78,（,2,）矩形脉冲信号的基本参数 脉冲信号发生器一般以矩形脉冲为标准信号输出，如图,2-42,所示。表征矩形脉冲的参数较多，其基本参数如下：,a,）,b,）,图,2-42,矩形脉冲信号,79,1,）脉冲幅度,A,：指脉冲顶电压值与底电压值之差。,2,）上升时间,t,r,：指由,10%,电平处上升到,90%,电平处所需的时间，也叫脉冲前沿,3,）下降时间,t,f,：指由,90%,电平处下降到,10%,电平处所需的时间，也叫脉冲后沿。,4,）脉冲宽度,(,或,t,w),：脉冲宽度本应指脉冲出现后所持续的时间，但是由于脉冲波形差异很大，顶部和底部宽度并不一致，所以定义脉冲宽度为前后沿,50%,电平处的宽度。,5,）脉冲周期,T,和重复频率,f,：如图,2-42b,所示，,f,=1/,T,。,6,）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占空比，,=,/,T,。,80,5,直接数字合成（,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，其频率准确度和稳定度都不高，分辨率低，频率设置和实现计算机控制也不方便。随着频率合成技术的不断发展，可以用频率合成器代替振荡器。 目前的频率合成方法主要有直接合成法与间接合成法。间接合成法是通过锁相技术进行频率的算术运算，最后得到所需的频率。直接合成法又分为模拟直接合成法和数字直接合成法。模拟直接合成法采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率； 数字直接合成法则是使用直接数字合成（,DDS,）技术，将先进的数字处理理论与方法,81,引入信号合成领域，通过控制相位变化速度来直接产生各种不同频率信号，通过数字合成方法产生一连串数据流，再经过数模转换器产生出一个预先设定的模拟信号。它是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法，上述,DG1022,型双通道函数信号发生器就是利用直接数字合成技术设计生产的。,82,下面简单介绍这一种方法的工作原理。,DDS,的工作原理是建立在采样定理基础上，其原理框图如图,2-43,所示。首先对需要产生的波形进行采样，将采样值数字化后存入,存储器,作为查找表，例如要合成一个正弦波信号，首先将函数进行数字量化，然后以,x,为地址，以,y,为量化数据，依次存入波形存储器。,DDS,使用了相位累加技术来控制波形存储器的地址，系统的参考时钟源通常是一个具有高稳定性的,晶体振荡器,，为各组成部分提供同步时钟。频率控制字实际上是相位增量值（二进制编码），相位累加器在每一个参考时钟脉冲输入时，累加一次频率字，其输出相应增加一个步长的相位增量。由于相位累加器的输出连接在波形存储器（,ROM,）的地址线上，因此其输出的改变就相当于波形存储器（,ROM,）的地址的改变，这样就可以把存储在波形存,83,储器内的波形量化数据（二进制编码）依次查找出来，再经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，输出即为连续的正弦波。数模转换器内部带有高准确度的基准电压源，因而保证了输出波形具有很高的幅度准确度和幅度稳定性。 图,2-43 DDS,的工作原理框图,84,与传统的频率合成技术相比，直接数字合成,DDS,具有以下优点：,1,）频率分辨率高。,2,）频率转换快。,3,）相位连续，相位噪声小。,4,）输出信号稳定、低失真。,5,）便于实现复杂方式的信号调制，输出各种调制波形。,6,）微处理器接口，控制容易，稳定可靠。,7,）大规模集成，体积小，功耗低，重量轻。,85,