電子測量6章第1部分

第7章測量用信號源

內(nèi)容提要：

介紹測試用低頻信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器、合成信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器的電路組成及工作原理，并介紹各類測試信號源的特點(diǎn)及使用方法。重點(diǎn)：

掌握各類測試信號源的特點(diǎn)、工作原理和使用方法。難點(diǎn)：

各類測試信號源的工作原理與電路構(gòu)成。本章所用主要儀器任意波形發(fā)生器功率函數(shù)信號發(fā)生器射頻信號發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器視頻和電視信號發(fā)生器

7.1概述測量用信號源是指測量用信號發(fā)生器。它可以產(chǎn)生不同頻率的正弦信號、調(diào)幅信號、調(diào)頻信號，以及各種頻率的方波、三角波、鋸齒波、正負(fù)脈沖信號等，其輸出信號的幅值也可按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。7．1．1測量用信號源的作用與分類1．測量用信號源的作用信號發(fā)生器是輸出供給量的儀器，它產(chǎn)生頻率、幅度、波形等主要參數(shù)可調(diào)節(jié)的信號，主要有以下幾個作用。（1）測元件參數(shù)。如電感、電容及Q值、損耗角等。（2）測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性、相頻特性、周期等。（3）測試接收機(jī)的性能。如測接收機(jī)的靈敏度、選擇性、AGC范圍等指標(biāo)。（4）測量網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)響應(yīng)。如用方波或窄脈沖激勵，測量網(wǎng)絡(luò)的階躍響應(yīng)、沖擊響應(yīng)、時間常數(shù)等。（5）校準(zhǔn)儀表。輸出頻率、幅度準(zhǔn)確的信號，校準(zhǔn)儀表的衰減器、增益及刻度。2．信號源的分類專用信號發(fā)生器是專門為某種特殊的測量而研制的。如電視信號發(fā)生器、編碼脈沖信號發(fā)生器等。這類信號發(fā)生器的特性與測量對象緊密相關(guān)。通用信號發(fā)生器按輸出波形可分為正弦信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、噪聲發(fā)生器等。正弦信號發(fā)生器最具普遍性和廣泛性。

3．正弦信號發(fā)生器的分類（1）超低頻信號發(fā)生器頻率在0.0001~1KHz范圍內(nèi)。（2)低頻信號發(fā)生器頻率在1Hz~20KHz或1MHz范圍內(nèi)。其中用得最多的是音頻信號發(fā)生器，頻率范圍在20Hz~20KHz之間。（3）視頻信號發(fā)生器頻率在20Hz~10MHz范圍內(nèi)。

（4）高頻信號發(fā)生器頻率在200KHz~30MHz范圍內(nèi)，大致相當(dāng)于長、中、短波段的范圍。（5）甚高頻信號發(fā)生器頻率在30MHz~300MHz范圍內(nèi)，相當(dāng)于米波波段。（6）超高頻信號發(fā)生器頻率一般在300MHz以上，相當(dāng)于分米波、厘米波波段等。工作在厘米波及更短波長的信號發(fā)生器常被稱為微波信號發(fā)生器。

7．1．3正弦信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)歸納為頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性等三大指標(biāo)。 1．頻率特性頻率特性包括可調(diào)的頻率范圍、頻率的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)。（1）頻率范圍正弦信號發(fā)生器的頻率范圍是指各項(xiàng)指標(biāo)都能得到保證時的輸出頻率范圍。（2）頻率的準(zhǔn)確度是指信號發(fā)生器度盤（或顯示）數(shù)值與實(shí)際輸出信號頻率間的偏差，一般用相對誤差來表示。

（7-1）式中——為儀器度盤或數(shù)字顯示的輸出信號頻率；

——實(shí)際輸出頻率。

(3)

頻率穩(wěn)定度是指其它外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內(nèi)，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小。頻率的穩(wěn)定度又分為頻率短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度。頻率短期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定時間預(yù)熱后輸出信號的頻率,在任意15分鐘的時間內(nèi)所產(chǎn)生的最大變化。即

式中——為任意15分鐘時間內(nèi)信號輸出頻率的最大值；

——為任意15分鐘時間內(nèi)信號輸出頻率的最小值。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，輸出信號的頻率在任意15小時的時間內(nèi)所發(fā)生的最大變化。

2．輸出特性正弦信號源的輸出特性一般包括輸出電平范圍、輸出電平的頻響、輸出電平的準(zhǔn)確度、輸出阻抗以及輸出信號的頻譜純度等指標(biāo)。（1）輸出電平范圍指輸出信號幅度的有效范圍，也就是信號發(fā)生器的最大和最小輸出電平的可調(diào)范圍。輸出幅度可用電壓(mV、V)和分貝(dB)兩種方式表示。（2）輸出電平的頻率響應(yīng)是指在有效頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率時，輸出電平的變化情況，也就是輸出電平的平坦度。（3）輸出電平準(zhǔn)確度輸出電平準(zhǔn)確度一般由電壓表刻度誤差、輸出衰減器換檔誤差、0dB準(zhǔn)確度和輸出電平平坦度等幾項(xiàng)指標(biāo)綜合組成。（４）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600Ω（或1KΩ）；功率輸出端根據(jù)輸出匹配變壓器的設(shè)計(jì)而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5KΩ等；高頻信號發(fā)生器一般有50Ω和75Ω兩種不平衡輸出。（５）輸出信號的頻譜純度輸出信號的頻譜純度反映輸出信號波形接近理想正弦波的程度。常用非線性失真系數(shù)表示。

（7-3）式中

u1——輸出信號基波的有效值（或幅值）；

u2、u3……un——各次諧波分量的有效值（或幅值）。

3．調(diào)制特性描述高頻信號發(fā)生器輸出正弦波的同時，輸出調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相或脈沖調(diào)制信號的能力。下一節(jié)結(jié)束返回7．1．2正弦信號發(fā)生器的組成基本構(gòu)成如圖7.1所示，一般包括振蕩器、變換器、指示器、電源及輸出電路等部分。

振蕩器變換器輸出電路電源指示器圖7.1正弦信號發(fā)生器的基本組成框圖輸出正弦波7.2低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器的輸出信號頻率范圍通常為20Hz~20KHz，也稱為音頻信號發(fā)生器。低頻信號發(fā)生器可用于測試調(diào)整低頻放大器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和廣播、音響等電聲設(shè)備，還可以用于調(diào)制高頻信號發(fā)生器或標(biāo)準(zhǔn)電子電壓表等。

7．2．1低頻信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)（1）頻率范圍。1Hz～20KHz或延伸到1MHz（2）頻率穩(wěn)定度。（0.1～0.4）%/小時（3）頻率的準(zhǔn)確度?！?1～2)%（4）輸出電壓。0～10V連續(xù)可調(diào)（5）輸出功率。0.5～5w連續(xù)可調(diào)（6）輸出阻抗。50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5KΩ（7）非線性失真系數(shù)。(0.1～1)%（8）平衡輸出與不平衡輸出方式。7．2．2低頻信號發(fā)生器的基本組成與工作原理如圖7.2所示，包括振蕩器、放大器、穩(wěn)壓電源、電壓表及輸出級等部分。振蕩器放大器輸出衰減穩(wěn)壓電源電壓表低頻信號輸出圖7.2低頻信號發(fā)生器框圖1．振蕩器振蕩器是低頻信號發(fā)生器的核心部分，產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號。一般由RC振蕩電路或差頻式振蕩電路組成。振蕩器決定輸出信號的頻率范圍和穩(wěn)定度。（1）通用RC振蕩電路圖7.3為文氏電橋振蕩器的原理框圖。R1、C1、R2、C2組成RC選頻網(wǎng)絡(luò)，可改變振蕩器的頻率；R3、R4組成負(fù)反饋臂，可自動穩(wěn)幅。①RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性如圖7.4所示。該網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)（反饋系數(shù)）為式中——輸入信號的頻率；

——等于。由公式可畫出選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性。如圖7.5所示。當(dāng)時，輸出信號與輸入信號同相，且幅值達(dá)到輸出電壓最大值的1/3；離越遠(yuǎn)，幅值下降越大，即選頻網(wǎng)絡(luò)對頻率為的信號具有選通性，對其他頻率的信號具有抑制性。

②文氏電橋振蕩器的振蕩條件只要后接的二級放大器的電壓放大倍數(shù)為Av=3

，就滿足了振蕩器起振的幅值條件AF≥1，可以維持頻率f=f0=1/(2∏RC)時的等幅正弦振蕩。③文氏電橋振蕩器的實(shí)際電路（2）差頻式振蕩電路差頻電路產(chǎn)生低頻正弦信號的原理方框圖如圖7.7所示。主要包括固定高頻振蕩器、可變高頻振蕩器、混頻器、低通濾波器和放大、衰減器等。固定高頻振蕩器混頻器可變高頻振蕩器低通濾波電路放大電路

衰減電路輸出圖7.7差頻式振蕩電路框圖設(shè)固定高頻振蕩器的頻率為，可變高頻振蕩器的頻率范圍為，則混頻器輸出的基波差頻信號頻率范圍為 差頻信號的頻率覆蓋系數(shù)為式中——可變高頻振蕩器的頻率覆蓋系數(shù)；

——可變高頻振蕩器的最低頻率；

——可變高頻振蕩器的最高頻率。由式（7-8）可以看出，和越大，差頻信號的頻率覆蓋系數(shù)就越大，所得到的低頻信號的頻率范圍也就越寬。（7-8）2．放大器低頻信號發(fā)生器的放大器一般包括電壓放大器和功率放大器兩級，以達(dá)到電壓輸出幅度和功率的要求。3．輸出級輸出級一般包括輸出衰減器電路、阻抗變換器和電壓表幾部分。7．2．3低頻信號發(fā)生器的應(yīng)用1．使用方法（1）接通電源，頻率應(yīng)有顯示。（2）根據(jù)測試所要求信號的頻率選擇合適的波段，再通過頻率開關(guān)得到所需的頻率。（3）通過衰減器和細(xì)調(diào)電位器調(diào)節(jié)輸出信號的幅度，并由電壓表監(jiān)測。（4）低頻信號發(fā)生器的輸出阻抗一般為600Ω，應(yīng)注意與被測對象的匹配。2．放大器