第3章信号源0109版

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,电子测量原理,第,*,页,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,*,*,第,3,章 信号源,内容提要：,3.1,信号源概述,3.2,低频信号发生器,3.3,函数信号发生器,3.4,高频信号发生器,3.5,合成信号发生器,重点：,掌握各类测试信号源的特点、工作原理和使用方法。,难点：,各类测试信号源的工作原理与电路构成。,常用信号发生器示例,脉冲信号发生器,函数、任意波形发生器,功率函数信号发生器,函数发生器,/,计数器,视频和电视信号发生器,3.1,信号源概述,信号源的作用和组成,信号源的分类,正弦信号源的性能指标,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,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。,信号源的用途主要有以下三方面：,激励源。,-,测量用的激励信号,信号仿真。,标准信号源。,-,校准测量仪器,2.,信号源的组成,基本构成如图,3.1,所示，一般包括振荡器、变换器、指示器、电源及输出电路等部分。,振荡器,调制器,输出电路,电源,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,1.,按频率范围 大致可分为六类：,（,1,）超低频信号发生器,频率在,0.00011KHz,范围内。,（,2),低频信号发生器,频率在,1Hz20KHz(,或,1MHz),范围内。其中用得最多的是音频信号发生器，频率范围在,20Hz20KHz,之间。,（,3,）视频信号发生器,频率在,20KHz10MHz,范围内。,3.1.2,信号源的分类,（,4,）高频信号发生器,频率在,200KHz30MHz,范围内，大致相当于长、中、短波段的范围,-,广播的波段。,（,5,）甚高频信号发生器,频率在,30MHz300MHz,范围内，相当于米波波段。,（,6,）超高频信号发生器,频率一般在,300MHz,以上，相当于分米波、厘米波波段等。,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。,射频信号,-,易于辐射的无线电信号；大体为,30KHz,若干,GHz,的,范围,2.,按输出波形,大致可分为：,正弦波形发生器；,脉冲信号发生器；,函数信号发生器；,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；,3.1.3,正弦信号源的性能指标,1.,频率特性,（,1,）频率范围,-,上述,（,2,）频率准确度,度盘数值与实际输出信号频率间的偏差,（,3,）频率稳定度,-,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值变化的大小。,RC,和,LC,信号源，频率准确度可达,10,量级，稳定度可达,10 10,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,10,量级,-2,-3,-8,-4,2,输出特性,正弦信号源的输出特性一般包括,输出电平范围,、,输出电平的频响,、,输出电平的准确度,、,输出阻抗,等指标。,（,1,）输出电平范围,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。输出幅度可用电压,(mV,、,V),和分贝,(dB),两种方式表示。,（,2,）输出电平的频率响应,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度。,（,3,）输出电平准确度,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、,0dB,准确度和输出电平平坦度等几项指标综合组成。,（）输出阻抗,信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。,低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为,600,（或,1K,）；,功率输出端根据输出匹配变压器的设计而定，通常有,50,、,75,、,150,、,600,和,5K,等；,高频信号发生器一般有,50,和,75,两种不平衡输出。,3,调制特性,描述高频信号发生器输出正弦波的同时，输出调频、调幅、调相或脉冲调制信号的能力。,下一节,结束返回,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为,20Hz20KHz,，也称为音频信号发生器。,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，还可以用于调制高频信号发生器或标准电子电压表等。,3,2,1,低频信号发生器的,主要性能指标,（,1,）频率范围。,1Hz,20KHz,或延伸到,1MHz,（,2,）频率稳定度。（,0.1,0.4,）,%/,小时,（,3,）频率的准确度。,(1,2)%,（,4,）输出电压。,0,10V,连续可调,（,5,）输出功率。,0.5,5w,连续可调,（,6,）输出阻抗。,50,、,75,、,150,、,600,和,5K,（,7,）非线性失真系数。,(0.1,1)%,（,8,）平衡输出与不平衡输出方式。,3,2,2,低频信号发生器的,基本组成与工作原理,如图,3.2,所示，包括振荡器、放大器、稳压电源、电压表及输出级等部分。,振荡器,放大器,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,1,振荡器,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,RC,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。,（,1,）通用,RC,振荡电路,图,3.3,为文氏电桥振荡器的原理框图。,R1,、,C1,、,R2,、,C2,组成,RC,选频网络，可改变振荡器的频率；,R3,、,R4,组成负反馈臂，可自动稳幅。,（,2,）差频式振荡电路,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、可变高频振荡器、混频器、低通滤波器和放大、衰减器等。,固定高频振,荡器,混频器,可变高频,振荡器,低通滤,波电路,放大电路,衰减电路,输出,图,3-5,差频式振荡电路框图,2024/11/14,25,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,差频信号的频率覆盖系数为,2024/11/14,26,式中,可变高频振荡器的频率覆盖系数；,可变高频振荡器的最低频率；,可变高频振荡器的最高频率。,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。,2,放大器,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和功率的要求。,3,输出级,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。,3,2,3,低频信号发生器的应用,1,使用方法,（,1,）接通电源，频率应有显示。,（,2,）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。,（,3,）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。,（,4,）低频信号发生器的输出阻抗一般为,600,，应注意与被测对象的匹配。,2,放大器放大倍数的测量,测试电路如图,3.6,所示。,2024/11/14,30,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。,式中,U,O,被测放大器输入电压的有效值；,Ui,被测放大器输出电压的有效值。,3,功率放大倍数的测量,()/(),2024/11/14,31,3.3,函数信号发生器,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。,3.3.1,函数信号发生器的基本组成与原理,构成函数发生器的方案很多，通常有三种。,2024/11/14,32,1.,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。,如图,3.7,所示。,2024/11/14,33,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,o,o,o,o,2024/11/14,34,2,三角波,-,方波,-,正弦波函数发生器的构成方案,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,2024/11/14,35,3.,正弦波,-,方波,-,三角波函数发生器的构成方案,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,2024/11/14,36,3.3.2,函数信号发生器的典型电路,1.,三角波形成电路,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。,2024/11/14,37,（,1,）电压斜升过程,输出电压可表示为 （,3-10,）,式中,U,O1,斜升输出电压的瞬时值；,I,1,正恒流源的的电流值；,C,积分电容的电容量。,（,2,）电压斜降过程,输出电压可表示为 （,3-13,）,式中,U,O2,斜升输出电压的瞬时值；,I,2,负恒流源的的电流值；,C,积分电容的电容量。,2024/11/14,38,当正负恒流源的恒流值相等时，即,I,1,=I,2,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。,若 ，,可得到正、负幅度对称的波形。,2024/11/14,39,2.,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。,2024/11/14,40,（,1,）在三角波的正半周，当,u,i,的瞬时值很小时，,u,o,=u,i,。,（,2,）当三角波的瞬时电压,u,i,上升到,u,1,，,（,3,）当三角波的瞬时电压,u,i,上升到,u,2,时，输入电压和输出电压分别为,2024/11/14,41,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。,u,t,i,u,st,u,sc,t,图,3.13,分段折线逼近波形综合,2024/11/14,42,3.3.3,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,1Hz,10Hz,、,10 Hz,100Hz,、,100Hz,1kHz,、,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。,2024/11/14,43,（,4,）波形特