電子測量技術(shù)基礎(chǔ)第三章PPT課件

1、3.1 信號發(fā)生器概述二、 信號發(fā)生器的分類 信號發(fā)生器應(yīng)用廣泛，種類型號繁多，性能各異，分類方法也不盡一致1. 按頻率范圍分 名 稱 頻率范圍 主要應(yīng)用領(lǐng)域 超低頻信號發(fā)生器 低頻信號發(fā)生器 視頻信號發(fā)生器 高頻信號發(fā)生器 甚高頻信號發(fā)生器 超高頻信號發(fā)生器 30kHz以下 30 kHz300 kHz 300 kHz6 MHz 6 MHz30 MHz 30 MHz300 MHz 300 MHz3000 MHz 電聲學(xué)、聲納 電報通訊 無線電廣播 廣播、電報 電視、調(diào)頻廣播、導(dǎo)航 雷達、導(dǎo)航、氣象第1頁/共57頁3.1 信號發(fā)生器概述2. 按輸出波形分第2頁/共57頁3.1 信號發(fā)生器概述3.

2、 按用途分 通用信號發(fā)生器:指對其輸出信號的頻率、幅度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的一類發(fā)生器 專用信號發(fā)生器:指其輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號發(fā)生器。第3頁/共57頁3.1 信號發(fā)生器概述4.其他的分類方法: 比如按照使用范圍，可分為通用和專用信號發(fā)生器(例如電聲行業(yè)中使用的立體聲和調(diào)頻立體聲信號發(fā)生器就屬于專用信號發(fā)生器)；按照調(diào)節(jié)方式，可分為普通信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器和程控信號發(fā)生器；按照頻率產(chǎn)生方法又可分為諧振信號發(fā)生器、鎖相信號發(fā)生器及合成信號發(fā)生器等。第4頁/共57頁3.1 信號發(fā)生器概述三、 信號發(fā)

3、生器的基本構(gòu)成 雖然各類信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的方法及功能各有不同，但其基本的構(gòu)成一般都可用下圖描述第5頁/共57頁 振蕩器：振蕩器是信號發(fā)生器的核心部分，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號。產(chǎn)生不同頻段、不同波形信號的振蕩器原理、結(jié)構(gòu)差別很大。 變換器：可以是電壓放大器、功率放大器、調(diào)制器或整形器。一般情況下，振蕩器輸出的信號都較微弱，需在該部分加以放大。還有像調(diào)幅、調(diào)頻等信號，也需在這部分由調(diào)制信號對載頻加以調(diào)制。而像函數(shù)發(fā)生器，振蕩器輸出的是三角波，需在這里由整形電路整形成方波或正弦波。 輸出級：其基本功能是調(diào)節(jié)輸出信號的電平和輸出阻抗，可以是衰減器、匹配變壓器和射極跟隨器等。第6頁/共57頁

4、 指示器：指示器用來監(jiān)視輸出信號，可以是電子電壓表、功率計、頻率計和調(diào)制度表等，有些脈沖信號發(fā)生器還附帶有簡易示波器。使用時可通過指示器來調(diào)整輸出信號的頻率、幅度及其他特性。通常情況下指示器接于衰減器之前，并且由于指示儀表本身準(zhǔn)確度不高，其示值僅供參考，從輸出端輸出信號的實際特性需用其他更準(zhǔn)確的測量儀表來測量。 電源：提供信號發(fā)生器各部分的工作電源電壓。通常是將50Hz交流市電整流成直流并有良好的穩(wěn)壓措施。第7頁/共57頁 四、信號發(fā)生器的發(fā)展趨勢 由于電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類日益增多，性能日益提高，尤其隨著70年代微處理器的出現(xiàn)，更

5、促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)在，許多信號發(fā)生器除帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成和修正等功能外，還帶有IEEE-488或RS232總線，可以和控制計算機及其他測量儀器一起方便地構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。當(dāng)前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率復(fù)蓋高頻率精度、多功能、多用途、自動化和智能化方向發(fā)展。第8頁/共57頁3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo) 通常用頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性(俗稱三大指標(biāo))來評價正弦信號發(fā)生器的性能，其中包括30余項具體指標(biāo)。不過由于各種儀器的用途不同，精度等級不同，并非每類每臺產(chǎn)品都用全部指標(biāo)進行考核。另外各生產(chǎn)廠家出廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)說明

6、書中的術(shù)語也不盡一致。本節(jié)僅介紹信號發(fā)生器中幾項最基本最常用的性能指標(biāo)。第9頁/共57頁一、頻率范圍 指信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號頻率范圍，該范圍內(nèi)既可連續(xù)又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋，在此范圍內(nèi)應(yīng)滿足全部誤差要求。例如國產(chǎn)XDl型信號發(fā)生器，輸出信號頻率范圍為1Hz1MHz，分六檔即六個頻段，為了保證有效頻率范圍連續(xù)，兩相鄰頻段間有相互銜接的公共部分即頻段重迭。又如(美)HP公司HP8660C型頻率合成器產(chǎn)生的正弦信號的頻率范圍為10kHz2 600MHz，可提供間隔為1Hz總共近26億個分立頻率。3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)第10頁/共57頁3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)二、頻率準(zhǔn)

7、確度 頻率準(zhǔn)確度是指信號發(fā)生器度盤(或數(shù)字顯示)數(shù)值與實際輸出信號頻率間的偏差，通常用相對誤差表示%100110fff第11頁/共57頁 用度盤讀數(shù)的信號發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度約為(110)，精密低頻信號發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度可達0.5o例如調(diào)諧式XFC6型標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，其頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于1，而一些采用頻率合成技術(shù)帶有數(shù)字顯示的信號發(fā)生器，其輸出頻率具有基準(zhǔn)頻率(晶振)的準(zhǔn)確度，若機內(nèi)采用高穩(wěn)定度晶體振蕩器，輸出頻率的準(zhǔn)確度可達到 l0-810-10。3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)第12頁/共57頁三、頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度指標(biāo)要求與頻率準(zhǔn)確度相關(guān)。頻率穩(wěn)定度是指其他外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間

8、內(nèi)，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，頻率穩(wěn)定度又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長期穩(wěn)定度。3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)第13頁/共57頁 3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo) 頻率短期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，信號頻率在任意1.5min內(nèi)所發(fā)生的最大變化，表示為%1000minmaxfff第14頁/共57頁3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo) 頻率長期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，信號頻率在任意3h內(nèi)所發(fā)生的最大變化，表示為： 預(yù)調(diào)頻率的 )(106Hzyx第15頁/共57頁3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)四、由溫度、電源、負載變化而引起的頻率變動

9、量 測量儀器的穩(wěn)定性指標(biāo)，其一為穩(wěn)定度，其二為影響量。規(guī)定時間間隔內(nèi)的頻率漂移即穩(wěn)定度，而由溫度、電源、負載變化等外界因素造成的頻率漂移(或變動)即為影響量.(Ctfff/1010)(60601第16頁/共57頁3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)(2) 電源引起的頻率變動量 供電電源變化10所產(chǎn)生的相對頻率變化，表示為， 即610 x606011010)(fff610 x616121010)(fff。第17頁/共57頁3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)五、非線性失真系數(shù)(失真度) 正弦信號發(fā)生器的輸出在理想情況下應(yīng)為單一頻率的正弦波，但由于信號發(fā)生器內(nèi)部放大器等元、器件的非線性，會使輸出信號產(chǎn)生非

10、線性失真，除了所需要的正弦波頻率外， 還有其他諧波分量。人們通常用信號頻譜純度來說明輸出信號波形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數(shù) 表示：%100122322UUUUn第18頁/共57頁3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo) 由于 U2, U3 Un 等較U1小得多，為了測量上的方便，也用下面公式定義y：%1002222122322nnUUUUUU第19頁/共57頁六、輸出阻抗 信號發(fā)生器的輸出阻抗視其類型不同而異。低頻信號發(fā)生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600 (或1 k )，功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計而定，通常有50 、75 、150 、600和5k等檔。高頻信號發(fā)生器一般僅有50或75

11、檔。當(dāng)使用高頻信號發(fā)生器時，要特別注意阻抗的匹配。3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)第20頁/共57頁七、輸出電平 輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍，即由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率及其衰減范圍內(nèi)所得到輸出幅度的有效范圍。輸出幅度可用電壓(V，mV， V)或分貝表示。例如XD-1低頻信號發(fā)生器的最大電壓輸出為1Hz1MHz，大于5V，最大功率輸出為10Hz700kHz(50 、75 、150 、600 )，大于4W。3.2 正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)第21頁/共57頁3.3 低頻、超低頻信號發(fā)生器一、低頻信號發(fā)生器 1低頻信號發(fā)生器主要性能指標(biāo) 通用低頻信號發(fā)生器的主要

12、性能指標(biāo)：頻率范圍為1Hz1MHz連續(xù)可調(diào)；頻率穩(wěn)定度(0.10.4)h；頻率準(zhǔn)確度(12)；輸出電壓010v連續(xù)可調(diào)； 輸出功率約(0.55)w連續(xù)可調(diào)；非線性失真(0.1 1)；輸出阻抗可為50 、 75 、150 、 600 及5k 。 第22頁/共57頁3.3 低頻、超低頻信號發(fā)生器2低頻信號發(fā)生器組成框圖 通用低頻信號發(fā)生器的組成框圖如圖所示。圖(a)僅包括電壓輸出，負載能力弱。圖(b)除包括電壓輸出外，另有功率輸出能力。第23頁/共57頁3.3 低頻、超低頻信號發(fā)生器3. 通用RC振蕩器 低頻信號發(fā)生器中產(chǎn)生振蕩信號(圖中主振器)的方法有多種，在通用信號發(fā)生器(如XD-1 、 XD

13、-2、XD-7)中，主振器通常使用RC振蕩器，而其中應(yīng)用最多的當(dāng)屬 文氏橋振蕩器第24頁/共57頁3.3 低頻、超低頻信號發(fā)生器 上圖給出了文氏橋式網(wǎng)絡(luò)及其傳輸函數(shù)的幅頻相頻特性。我們簡要分析其工作原理。在圖(a)中，Ui是網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓, UO是輸出電壓，Z1為R、C串聯(lián)阻抗，Z2為R、C并聯(lián)阻抗，則網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù) 式中)(31)(31)1(31)(0000212ffffjjCRCRjZZZUUjNioRCfRC21,100第25頁/共57頁3.3 低頻、超低頻信號發(fā)生器3. 通用RC振蕩器-幅頻特性和相頻特性第26頁/共57頁3.3 低頻、超低頻信號發(fā)生器 低頻信號發(fā)生器3. 通用RC振蕩

14、器-幅頻特性和相頻特性第27頁/共57頁3.3 低頻、超低頻信號發(fā)生器 低頻信號發(fā)生器4. 輸出衰減器第28頁/共57頁3.3 低頻、超低頻信號發(fā)生器 超低頻信號發(fā)生器1. 利用積分器構(gòu)成第29頁/共57頁3.3 低頻、超低頻信號發(fā)生器 超低頻信號發(fā)生器1. 利用積分器構(gòu)成由于“虛斷”，i+= 0，u+ = 0由于“虛短”， u- = u+ = 0第30頁/共57頁 3.4 射頻信號發(fā)生器 射頻信號發(fā)生器是指能產(chǎn)生正弦信號，頻率范圍部分或全部覆蓋300kHz1GHz(允許向外延伸)，并且具有一種或一種以上調(diào)制或組合調(diào)制(正弦調(diào)幅、正弦調(diào)頻、斷續(xù)脈沖調(diào)制)的信號發(fā)生器，也稱為高頻信號發(fā)生器。與低

15、頻信號發(fā)生器相比，高頻信號發(fā)生器的輸出幅度調(diào)節(jié)范圍較大。為了適應(yīng)對接收機等設(shè)備的測試需要，要求高頻信號發(fā)生器能有可調(diào)節(jié)的微弱信號的輸出(可小于1V)，同時要求該類信號發(fā)生器有良好的屏蔽，以免信號泄漏而影響測量準(zhǔn)確性。出于對各類接收設(shè)備性能測試的需要，高頻信號發(fā)生器應(yīng)有調(diào)制功能，以輸出所需的已調(diào)高頻信號。第31頁/共57頁第32頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器一、調(diào)諧信號發(fā)生器 調(diào)諧信號發(fā)生器的振蕩器通常為LC振蕩器，根據(jù)反饋方式，又可分為變壓器反饋式、電感反饋式(也稱電感三點式或哈特萊式)及電容反饋式(也稱電容三點式或考畢茲式)三 種振蕩器形式。 通常用改變電感L來改變頻段，改變電容C進行頻

16、段內(nèi)頻率細調(diào)。放大器通常采用調(diào)諧放大器，其作用一是放大振蕩器輸出的高頻信號電壓， 二是在輸出器和振蕩器間起隔離作用(因此也叫緩沖放大器)以提高振蕩頻率穩(wěn)定性,三是 兼作調(diào)幅信號的調(diào)幅器第33頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器第34頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器第35頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器第36頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器二、鎖相信號發(fā)生器 鎖相信號發(fā)生器是在高性能的調(diào)諧式信號發(fā)生器中增加頻率計數(shù)器，并將信號源的振蕩頻率利用鎖相原理鎖定在頻率計數(shù)器的時基上，而頻率計數(shù)器又以高穩(wěn)定度的石英晶體振蕩器為基準(zhǔn)，從而使鎖相信號發(fā)生器的輸出頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度大大提高，信號頻譜純度等

17、性能特性也有很大改善。第37頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器第38頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器鎖相環(huán)的基本工作原理： 當(dāng)壓控振蕩器輸出頻率f2由于某種原因變化時，相應(yīng)相位也產(chǎn)生變化，該相位變化在鑒相器中與基準(zhǔn)晶振頻率f1的穩(wěn)定相位相比較，使鑒相器輸出一個與相位差成比例的電壓ud(t)，經(jīng)過低通濾波器，檢出其直流分量uc(t) ，用uc(t)控制壓控振蕩器中壓控元件數(shù)值(如變?nèi)荻O管電容)，從而調(diào)整VCO的輸出頻率f2 ，使其不但頻率和基準(zhǔn)晶振一致，相位也同步，這時稱為相位鎖定，因此最終VCO的頻率輸出穩(wěn)定度就由晶振頻率f1所決定。第39頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器第40頁/共57

18、頁3.4 射頻信號發(fā)生器三、合成信號發(fā)生器 合成信號發(fā)生器是用頻率合成器代替信號發(fā)生器中的主振蕩器。它既有信號發(fā)生器良好 的輸出特性和調(diào)制特性，又有頻率合成器的高穩(wěn)定度、高分辨率的優(yōu)點，同時輸出信號的頻率、電平、調(diào)制深度等均可程控，是一種先進的高檔次的信號發(fā)生器。為了保證良好的性能，合成信號發(fā)生器的電路一般都相當(dāng)復(fù)雜，但其核心是頻率合成器。第41頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器 頻率合成器是把一個(或少數(shù)幾個)高穩(wěn)定度頻率源fs經(jīng)過加、減、乘、除及其組合運算，以產(chǎn)生在一定頻率范圍內(nèi)，按一定的頻率間隔(或稱頻率跳步)的一系列離散頻率的信號發(fā)生器。頻率合成的方法分為直接合成法和間接合成法兩類。第

19、42頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器 直接合成法是將基準(zhǔn)晶體振蕩器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，利用倍頻器、分頻器、混頻器及濾波器等進行一系列四則運算以獲得所需要的頻率輸出。在這種合成法中，又可分為非相干式直接合成器和相干式直接合成器。若用多個石英晶體產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，產(chǎn)生混頻的兩個基準(zhǔn)頻率之間相互獨立，就叫做非相干式直接合成器。如果只用一個石英晶體產(chǎn)生基準(zhǔn) 頻率，然后通過分頻、倍頻等，使加入混頻器的頻率之間是相關(guān)的，就稱為相干式頻率合成器。第43頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器第44頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器間接合成法即鎖相環(huán)路法第45頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器四、射頻信號發(fā)生器代表性產(chǎn)品性能介紹第46頁/共57頁3.4 射頻信號發(fā)生器第47頁/共57頁3.6 脈沖信號發(fā)生器 定義：指持續(xù)時間較短且有特定變化規(guī)律的電壓或電流信號。第48頁/共57頁3.6 脈沖信號發(fā)生器1.脈沖信號發(fā)生器的分類 1）按照頻率范圍來分，脈沖信號發(fā)生器有射頻脈沖信號發(fā)生器和視頻脈沖信號發(fā)生器兩種。 2）按照用途和產(chǎn)生脈沖的方法不同，脈沖信號發(fā)生器可分為通用脈沖發(fā)生器、快沿脈沖發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、特種脈沖發(fā)生器等。第49頁/共57頁脈沖信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)基本的脈沖信號發(fā)生器，包括主振級、延遲級、脈寬形成級、輸出級等部分。 第50頁/共57頁脈沖信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)(1