《电子测量技术基础》(张永瑞第三版)第3章信号发生器

1第3章信号发生器第3章信号发生器3.1信号发生器概述3.2正弦信号发生器的性能指标3.3低频、超低频信号发生器3.4射频信号发生器3.5扫频信号发生器3.6脉冲信号发生器*3.7噪声信号发生器小结2第3章信号发生器3.1信号发生器概述3.1.1信号发生器的用途在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件、设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析和确定它们的性能参数，如图3.1-1所示。3第3章信号发生器图3.1-1测试信号发生器4第3章信号发生器3.1.2信号发生器的分类信号发生器应用广泛，种类、型号繁多，性能各异，分类方法也不尽一致，下面介绍几种常见的分类。1.按频率范围分类按照输出信号的频率范围，信号发生器的划分如表3.1-1所示。5第3章信号发生器6第3章信号发生器2.按输出波形分类根据使用要求，信号发生器可以输出不同波形的信号，图3.1-2是其中几种典型波形。按照输出信号的波形特性，信号发生器可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦信号发生器又包括脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列信号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。7第3章信号发生器图3.1-2几种典型的信号波形8第3章信号发生器3.按信号发生器的性能分类按信号发生器的性能指标，可分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类发生器；后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定，屏蔽良好的中、高档信号发生器。9第3章信号发生器3.1.3信号发生器的基本构成虽然各类信号发生器产生信号的方法及功能各有不同，但其基本的构成一般都可用图3.1-3的框图描述。下面对框图中各个部分作扼要介绍。10第3章信号发生器图3.1-3信号发生器原理框图11第3章信号发生器3.1.4信号发生器的发展趋势电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类日益增多，性能日益提高，尤其近代微处理器的迅速发展更促使信号发生器向着自动化、智能化的方向发展。12第3章信号发生器3.2正弦信号发生器的性能指标3.2.1频率范围频率范围指信号发生器所产生的信号频率范围，该范围内既可连续，又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。13第3章信号发生器3.2.2频率准确度频率准确度是指信号发生器度盘(或数字显示)数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示：(3.2-1)14第3章信号发生器3.2.3频率稳定度频率稳定度指标要求与频率准确度相关。频率稳定度是指其他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。按照国家标准，频率稳定度又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。频率短期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意15min内所发生的最大变化，表示为(3.2-2)15第3章信号发生器式中，f0为预调频率；fmax、fmin分别为任意15min信号频率的最大值和最小值。频率长期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意3h内所发生的最大变化，表示为(3.2-3)16第3章信号发生器3.2.4由温度、电源、负载变化引起的频率变动量1.温度引起的频率变动量环境温度每变化1℃所产生的相对频率变化表示为预调频率的x·10－6/℃，即(3.2-4)17第3章信号发生器2.电源引起的频率变动量供电电源变化±10%所产生的相对频率变化表示为x·10－6，即(3.2-5)18第3章信号发生器3.负载变化引起的频率变动量负载电阻从开路变化到额定值时所引起的相对频率变化表示为x·10－6，即(3.2-6)19第3章信号发生器3.2.5非线性失真系数(失真度)正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正弦波，但信号发生器内部放大器等元器件的非线性会使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率外，还有其他谐波分量。人们通常用信号频谱纯度来说明输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数γ表示：(3.2-7)20第3章信号发生器式中，U1为输出信号基波有效值，U2、U3、…、Un为各次谐波有效值。由于U2、U3、…、Un等较U1小得多，因此为了便于测量，也用下面公式定义γ：(3.2-8)21第3章信号发生器3.2.6输出阻抗输出阻抗的概念在“电路”或“电子线路”课程中都有说明。这里所述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600Ω(或1kΩ)，功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等几挡；高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω两挡。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。22第3章信号发生器3.2.7输出电平输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率及其衰减范围所得到的输出幅度的有效范围。23第3章信号发生器3.2.8调制特性高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一种以上已被调制的信号，多数情况下是调幅信号和调频信号，有些还带有调相和脉冲调制等功能。24第3章信号发生器3.3低频、超低频信号发生器3.3.1低频信号发生器1.低频信号发生器的主要性能指标通用低频信号发生器的主要性能指标：①频率范围为1Hz~1MHz连续可调；②频率稳定度为(0.1%~0.4%)/h；③频率准确度为±(1%~2%)；④输出电压为0~10V连续可调；⑤输出功率约为0.5~5W连续可调；⑥非线性失真为0.1%~1%；⑦输出阻抗可为50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ。25第3章信号发生器2.低频信号发生器的组成框图通用低频信号发生器的组成框图如图3.3-1所示。图(a)仅包括电压输出，带负载能力弱；图(b)除包括电压输出外，还有功率输出能力。26第3章信号发生器图3.3-1低频信号发生器的组成框图27第3章信号发生器3.通用RC振荡器低频信号发生器中产生振荡信号(图3.3-1中的主振器)的方法有多种。在通用信号发生器(如XD-1、XD-2、XD-7)中，主振器通常使用RC振荡器，而其中应用最多的当属文氏桥振荡器。28第3章信号发生器图3.3-2给出了文氏桥式网络及其传输函数的幅频、相频特性。我们简要分析其工作原理。在图(a)中，是网络的输入电压，是输出电压，Z1为R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗，则网络的传输函数：(3.3-1)式中：(3.3-2)29第3章信号发生器图3.3-2RC文氏桥网络30第3章信号发生器由式(3.3-1)得到传输函数的幅频特性N(ω)和相频特性分别为(3.3-3)(3.3-4)31第3章信号发生器为使振荡振幅稳定并减小波形失真，常用图3.3-3所示的文氏桥振荡电路。32第3章信号发生器图3.3-3使用热敏电阻Rt作为增益控制器件的文氏桥式振荡器方框图33第3章信号发生器由式(3.3-2)可知，改变电阻R和电容C的数值可调节振荡频率。可以使用同轴电阻器改变电阻R来进行粗调，使得换挡时频率变化10倍，而用改变双联同轴电容C的方法在一个波段内进行频率细调。图3.3-4是XD-2型低频信号发生器中的RC振荡器部分电路。34第3章信号发生器图3.3-4XD-2型低频信号发生器中的RC振荡器35第3章信号发生器在上面的分析中，没有考虑放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro的影响，Ri和Ro对RC网络的影响如图3.3-5所示。36第3章信号发生器图3.3-5放大器输入、输出阻抗对RC网络的影响37第3章信号发生器4.其他低频振荡器1)LC振荡器当谈到正弦振荡时，很容易想到用L、C构成谐振电路和晶体管放大器来实现。38第3章信号发生器例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容调节范围为40~450pF，则频率覆盖系数为(3.3-5)如果用RC桥式振荡器，仍以上面的情况为例，则根据式(3.3-2)可以得到频率覆盖系数：(3.3-6)39第3章信号发生器2)差频式振荡器差频式低频信号发生器框图如图3.3-6所示。图3.3-6差频式低频信号发生器框图40第3章信号发生器5.XD-1型低频信号发生器由于低频信号发生器的应用非常广泛和频繁，下面我们以XD-1型低频信号发生器为例，介绍其主要技术指标和简要使用方法。41第3章信号发生器图3.3-7XD-1型低频信号发生器框图42第3章信号发生器43第3章信号发生器3.3.2超低频信号发生器1.用积分器构成的超低频信号发生器1)运算放大器及其理想化模型内表示运算放大器，图(b)中虚框内部图3.3-8(a)中虚框分为其等效电路。44第3章信号发生器图3.3-8运算放大器及其理想化模型45第3章信号发生器现在使用理想化运放模型分析图3.3-9中三个电路的功能。图3.3-9运算放大器的运算功能46第3章信号发生器图(a)中考虑虚开路i≈0，则i1=i2，联系虚短路ui≈0，有u2=－R2i2，u1=R1i1，所以(3.3-7)因此图(a)所示电路具有比例乘法功能。47第3章信号发生器在图(b)中，同样考虑虚开路、虚短路的概念，有i2=i11+i12，u11=R11i11，u12=R12i12，u2=－R2i2，所以(3.3-8)若取R2=R11=R12，则式(3.3-8)可写为(3.3-9)由式(3.3-8)和式(3.3-9)可见，图(b)电路具有加法功能。48第3章信号发生器在图(c)中，同样考虑虚开路、虚短路的理想化条件，可以得到：(3.3-10)由式(3.3-10)可看到，图(c)所示电路具有积分功能，积分时常数由R、C决定，如果在积分区间u1(t)为常数U，则输出电压u2为(3.3-11)49第3章信号发生器2)用运放构成的超低频信号发生器仍考虑图3.3-9(c)所示的积分电路和式(3.3-10)，当输入u1(t)为角频率ω的正弦函数时，u2(t)也为同频率正弦函数，用相量表示为或(3.3-12)50第3章信号发生器即积分器产生π/2相移，增益为1/(ωRC)。如果用两级积分器级联并在反馈环路中接一个反相器如图3.3-10(a)所示，则闭环增益为(3.3-13)或者当(3.3-14)51第3章信号发生器在实际振荡器中，为了调节方便，使结构简单，一般取R1=R2=R，C1=C2=C，并在两级积分器前各加一个由同轴电位器构成的分压电路，分压比均为α，如图3.3-10(b)所示，不难得出其振荡频率为(3.3-15)52第3章信号发生器图3.3-10用积分器构成的超低频信号发生器53第3章信号发生器2.函数发生器设开始工作时，双稳态触发电路的输出端电压为－E，经过电位器RP分压，设分压系数根据式(3.3-11)，积分器输出端D点电位随时间t正比例上升，即(3.3-16)54第3章信号发生器图3.3-11函数发生器的原理图55第3章信号发生器当经过时间t1，uD上升到Um时，比较器Ⅰ输出触发脉冲使双稳态电路翻转，端输出电压为E并输入给积分器，则积分器输出端D点电位为(3.3-17)56第3章信号发生器图3.3-12函数发生器波形图57第3章信号发生器图3.3-13由三角波整形成正弦波58第3章信号发生器图3.3-14XD8B框图59第3章信号发生器3.数字合成低频信号发生器RC文氏桥振荡器以及以积分器为基础的函数发生器，其突出优点是电路简单，但频率准确度及稳定度较差，非线性失真较大，而且输出信号的幅频特性不太平坦。数字合成低频信号发生器可以有效地提高上述性能指标。60第3章信号发生器设要产生的正弦波为u(t)=Umsin2πft，周期T=1/f，我们把它的每个周期平均分成p个区间，每个区间间隔为ΔT=T/p。在每个ΔT区间内，u(t)的值看作不变的常数，即认为当0≤tΔT时，u(t)=u(0)，当ΔT≤t2ΔT时，u(t)=Umsin2πf·ΔT，当2