255388annizj电子测量仪器教案-第3章

课题第三章信号源3.1概述3.2正弦信号源（一）教学目标知识与能力：1．掌握信号源的定义、种类。2．掌握正弦信号发生器的主要技术特性：频率特性、输出特性和调制特性。过程与方法：通过观察和讲解，掌握信号源的特性情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点正弦信号发生器的主要技术特性教学难点新授课3.1概述信号源种类：（1）按性能指标分类普通信号发生器：用于对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的场合。标准信号发生器：要求输出信号的频率、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。（2）按输出波形分类正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦发生器又包括：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。3.2正弦信号源3.2.1正弦信号发生器的主要技术特性1．频率特性（1）有效频率范围定义：各项指标都能得到保证的输出信号的频率范围。在有效频率范围内，频率调节可以是连续的，也可以是离散的。当频率范围很宽时，常划分为若干频段。（2）频率准确度定义：输出频率的实际值与显示器或频率刻度盘的示值之间的相对误差。要求：用刻度盘读数的信号发生器，其频率准确度在（1~10%）的范围内；标准信号发生器优于1；合成信号发生器优于10-6。（3）频率稳定度定义：在一定时间内维持其输出信号频率不变得能力。表示：用一定的时间内的相对频率偏移。要求：比频率准确度高1～2个数量级。2．输出特性（1）输出电平定义：输出信号幅度的有效值范围（有很宽的调节范围）。表示：可用绝对电平（Ｖ，mV，V）或相对电平（dB）。（2）输出电平的准确度输出电平的实际值与显示器的显示值之间的相对误差，一般在（3%~10%）范围内。（3）输出阻抗输出阻抗视信号发生器的类型不同而异。低频信号发生器：电压输出端的输出阻抗一般为600（或1kΩ），功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50、75、150、600和5k等档。高频信号发生器：一般仅有50或75档。3．调制特性（1）调制信号调制信号可以由内调制振荡器产生，也可以由外部输入。调制信号的频率可以是固定的，也可以是连续调节的。（2）调制系数的有效范围定义：各项指标都能得到保证的调制系数的范围。调幅时：调制系数一般为（0~80）；调频时：频偏不小于75kHz。练习习题小结1．信号源的定义：是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号的设备，是电子测量中最基本、使用最广泛的电子仪器之一。2．信号源种类：（1）按性能指标分类：普通信号发生器和标准信号发生器。（2）按输出波形分类：正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦发生器又包括：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。3．正弦信号发生器的主要技术特性包括频率特性、输出特性和调制特性。布置作业习题课题3.2正弦信号源（二）教学目标知识与能力：掌握低频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。过程与方法：通过观察和讲解，掌握低频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点低频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。教学难点低频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。新授课3.2.2低频信号发生器定义：用来产生1Hz~1MHz的低频正弦信号。用途：模拟电子线路与系统的设计、测试和维修；高频信号发生器的外调信号源。1．低频信号发生器的主要指标频率范围：1Hz~1MHz连续可调；频率稳定度：（0.1~2）；输出电压：0~10V连续可调；输出功率：（0.5~5）W连续可调；非线性失真：（0.1~1）；输出阻抗一般有50、75、150、600和5k等档。2．低频信号发生器的基本组成原理组成框图如下图所示。（1）主振器（主要部件）作用：产生低频的正弦波信号，并实现频率调节功能。组成：文氏电桥振荡器，如下图是文氏电桥振荡器的原理电路。图中R1、C1、R2、C2组成正反馈网络，负温度系数热敏电阻Rt和电阻Rf组成负反馈支路，二者共同组成构成文氏电桥。文氏电桥和放大器组成的反馈环路称为文氏电桥振荡。一般取R1=R2=R，C1=C2=C。当满足振幅平衡条件和相位平衡条件时，振荡器的输出频率为RCf2π10热敏电阻Rt具有稳幅作用。电路中频率粗调（频段转换）和细调分别通过改变双连电位器和双连电容器实现。（2）电压放大器和功率放大器电压放大器作用：放大主振级产生的振荡信号，满足信号发生器对输出信号幅度的要求，并将振荡器与功率输出器隔离，防止因输出负载变化而影响振荡频率的稳定。功率放大器作用：提供足够的输出功率。要求放大器的频率特性好，非线性失真小。（3）衰减器和匹配器衰减器的作用：调节输出电压使之达到所需要的值。采用连续衰减器和步级衰减器配合进行衰减。下图所示电路就是一个步级衰减器电路，其衰减倍数为1（0dB）、10（20dB）、100（40dB）、1000（60dB）和10000（80dB）五种。匹配器（变压器）作用：使输出端连接不同的负载时都得到最大的输出功率。注意：在低频段（20Hz~2kHz）和高频段（2~20kHz）采用不同的匹配变压器。（4）检测电压表作用：监测振荡器输出电压的大小，监测输出功率。3．XD1型低频信号发生器XD1型低频信号发生器产生从1Hz~1MHz非线性失真很小的正弦波信号，有电压输出和功率输出两档。（1）主要技术性能（2）使用方法XD1型低频信号发生器面板装置如图。①频率选择根据所需频段按下“频率范围”按键，然后再用按键开关上面的“频率调节”1，2，3旋钮按照十进制进行细调。②电压输出用电缆直接从“电压输出”插口引出。通过调节输出衰减开关和输出细调旋钮，可以得到非线性失真小（＜0.1）、信噪比较高的小电压输出（＜200V）。最大输出电压5V。将板右侧“内负载”键按下，接通内负载。③功率输出将功率开关按下，用电缆直接从功率输出插口引出。为了获得大功率输出，应考虑阻抗匹配。当负载为高阻抗，且输出频率接近10Hz或几百千赫时，应将面板右侧“内负载”键按下，接通内负载。④过载保护刚开机时，过载保护指示灯亮，约5~6s后熄灭，表示进入工作状态。若负载阻抗小，过载指示灯会再次闪亮，此时应加大负载阻抗值（即减轻负载），使灯熄灭。⑤交流电压表该电压表可进行“内测”与“外测”。拨向“外测”时，它作为一般交流电压表测量外部电压；当拨向“内测”时，它作为信号发生器输出指示。练习习题小结1．低频信号发生器：用来产生1Hz~1MHz的低频正弦信号。这种信号在模拟电子线路与系统的设计、测试和维修中得到广泛的应用，也可用作高频信号发生器的外调信号源。2．低频信号发生器的基本组成主要包括主振器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（功率放大器）、阻抗变换器（输出变压器）和检测电压表。布置作业习题课题3.2正弦信号源（三）教学目标知识与能力：1．掌握高频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。2．了解XD1型低频信号发生器和XFG-7主要技术特性和使用方法过程与方法：通过观察和讲解，掌握高频信号发生器主要技术指标、基本组成原理情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点高频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。教学难点高频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。新授课3.2.3高频信号发生器用途：向各种高频电子设备和电路提供高频信号能量或高频标准信号。1．主要性能指标2．基本组成原理早期的原理框图如下图所示。缺点：没有调频功能；调制级的输入阻抗低，易造成主振级频率不稳和产生寄生调频。现代的高频信号发生器组成框图如下图。（1）主振级作用：产生具有一定频率调节范围的高频正弦波信号。发生器的频率特性由主振级决定。电路构成：电感反馈或变压器反馈的单管振荡电路或双管推挽振荡电路（保证较高的频率稳定度）。（2）放大及调制器作用：放大主振级输出的高频信号，在输出级间起隔离作用（因此也叫缓冲放大器）以提高振荡频率的稳定性；调幅信号的调幅器，使高频信号发生器能输出调频信号。（3）调制信号发生器内调制信号：由简单的LC振荡器或RC振荡器产生，频率一般为400Hz和1000Hz两种。外调制信号：通过面板接线柱输入。（4）输出级电路作用：放大、衰减及调制输出信号，使输出电平有足够的调节范围；滤出不需要的频率分量；保证输出端有固定的输出阻抗（50）。组成：放大器、滤波器和粗、细衰减器等。要求：输出电平既能步级衰减，又能连续调节。（5）可变电抗器可变电抗器与主振级的谐振电路耦合，使主振级产生调频信号。采用变容二极管调频电路。3．XFG-7型高频信号发生器XFG-7（旧型号×C-2）型是一种应用比较广的高频信号发生器，一般作为接受调整与测试及高频信号源使用。主要技术指标（见书）。4．QF1050型标准信号发生器QF1050型主要技术性能（见书）。练习习题小结1．高频信号发生器：主要用来向各种高频电子设备和电路提供高频信号能量或高频标准信号，以便测试其电器性能。2．高频信号发生器组成：主振级、调制级、内调制振荡器、输出级、调制度指标、输出载波电压指示等组成。布置作业习题课题3.2正弦信号源（四）教学目标知识与能力：1．掌握合成信号发生器定义、优点、核心、合成方法。2．掌握锁相环的组成及电路形式。过程与方法：通过观察和讲解，掌握合成信号发生器情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点合成信号发生器定义、优点、核心、合成方法教学难点锁相环的组成及电路形式新授课3.2正弦信号源3.2.4合成信号发生器定义：用频率合成器代替信号发生器的主振器。优点：有良好的输出特性和调制特性；具有频率合成器的高稳定度、高分辨力，同时输出信号的频率、电平、调制深度等均可程控。核心：频率合成器：把一个（或少数几个）高稳定度频率源fs经过加、减、乘、除及组合运算，产生在一定频率范围内具有一定频率间隔的一系列离散频率。频率合成方法：直接合成法和间接合成法直接合成法：转换速度快，频谱纯度高，但需要众多的混频器、分频器和滤波器，因而显得笨重。间接合成法（又称锁相合成法）：通过锁相环来完成频率加、减、乘、除及其组合运算，产生在一定频率范围内具有滤波作用，其通带可以做得很窄，并且中心频率易调，又能自动跟踪输入频率，有利于简化结构、降低成本，便于集成。锁相：自动实现相位同步。锁相环：能完成两个电信号相位同步的自动控制系统。基本锁相环组成：由鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）。如图所示。鉴相器：相位比较装置，它将输入信号ui(t)和输出信号uo(t)的相位进行比较，其输出是与两信号的相位差成正比例的误差电压u(t)。低通滤波器：滤出误差电压u(t)中的高频分量和噪声。压控振荡器：接受滤波器输出电压uf(t)的控制，使其振荡器频率向输入信号频率靠近，直至锁定。环路锁定后，VCO的振荡频率等于输入信号频率，VCO的相位与输入信号相位相同或相差某一个常数。因此，当环路锁定时，鉴相器PD的输出电压是一个直流电压。频率合成器种类：倍频器锁相环、分频式锁相环、混频式锁相环和组合式锁相环，分别如图所示。图（d）能在71~100.9MHz的频率范围内产生300个输出频率，最小间隔为100kHz。练习习题小结1．合成信号发生器定义：用频率合成器代替信号发生器的主振器。优点：有良好的输出特性和调制特性；具有频率合成的高稳定度、高分辨力，同时输出信号的频率、电平、调制深度等均可程控。核心：频率合成器：把一个（或少数几个）高稳定度频率源fs经过加、减、乘、除及组合运算，产生在一定频率范围内具有一定频率间隔的一系列离散频率。频率合成方法：直接合成法和间接合成法2．频率合成器种类：倍频器锁相环、分频式锁相环、混频式锁相环和组合式锁相环。布置作业习题课题3.2正弦信号源（五）教学目标知识与能力：了解PQ12型频率合成器的组成原理过程与方法：通过观察和讲解，了解PQ12型频率合