电子测量技术基础第三章.ppt

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 6脉冲信号发生器 第3章测量用信号发生器 3 1信号发生器概述 一 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 以分析确定它们的性能参数 这种提供测试用电信号的装置 统称为信号发生器 3 1信号发生器概述 二 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1 按频率范围分 3 1信号发生器概述 2 按输出波形分 3 1信号发生器概述 3 按用途分通用信号发生器 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专用信号发生器 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 3 1信号发生器概述 4 其他的分类方法 比如按照使用范围 可分为通用和专用信号发生器 例如电声行业中使用的立体声和调频立体声信号发生器就属于专用信号发生器 按照调节方式 可分为普通信号发生器 扫频信号发生器和程控信号发生器 按照频率产生方法又可分为谐振信号发生器 锁相信号发生器及合成信号发生器等 3 1信号发生器概述 三 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下图描述 振荡器 振荡器是信号发生器的核心部分 由它产生不同频率 不同波形的信号 产生不同频段 不同波形信号的振荡器原理 结构差别很大 变换器 可以是电压放大器 功率放大器 调制器或整形器 一般情况下 振荡器输出的信号都较微弱 需在该部分加以放大 还有像调幅 调频等信号 也需在这部分由调制信号对载频加以调制 而像函数发生器 振荡器输出的是三角波 需在这里由整形电路整形成方波或正弦波 输出级 其基本功能是调节输出信号的电平和输出阻抗 可以是衰减器 匹配变压器和射极跟随器等 指示器 指示器用来监视输出信号 可以是电子电压表 功率计 频率计和调制度表等 有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器 使用时可通过指示器来调整输出信号的频率 幅度及其他特性 通常情况下指示器接于衰减器之前 并且由于指示仪表本身准确度不高 其示值仅供参考 从输出端输出信号的实际特性需用其他更准确的测量仪表来测量 电源 提供信号发生器各部分的工作电源电压 通常是将50Hz交流市电整流成直流并有良好的稳压措施 四 信号发生器的发展趋势 由于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 尤其随着70年代微处理器的出现 更促使信号发生器向着自动化 智能化方向发展 现在 许多信号发生器除带有微处理器 因而具备了自校 自检 自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外 还带有IEEE 488或RS232总线 可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统 当前信号发生器总的趋势是向着宽频率复盖 高频率精度 多功能 多用途 自动化和智能化方向发展 3 2正弦信号发生器的性能指标 通常用频率特性 输出特性和调制特性 俗称三大指标 来评价正弦信号发生器的性能 其中包括30余项具体指标 不过由于各种仪器的用途不同 精度等级不同 并非每类每台产品都用全部指标进行考核 另外各生产厂家出厂检验标准及技术说明书中的术语也不尽一致 本节仅介绍信号发生器中几项最基本最常用的性能指标 一 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 例如国产XDl型信号发生器 输出信号频率范围为1Hz 1MHz 分六档即六个频段 为了保证有效频率范围连续 两相邻频段间有相互衔接的公共部分即频段重迭 又如 美 HP公司HP 8660C型频率合成器产生的正弦信号的频率范围为10kHz 2600MHz 可提供间隔为1Hz总共近26亿个分立频率 3 2正弦信号发生器的性能指标 3 2正弦信号发生器的性能指标 二 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 式中f0为度盘或数字显示数值 也称预调值 f1是输出正弦信号频率的实际值 频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差 用度盘读数的信号发生器频率准确度约为 1 10 精密低频信号发生器频率准确度可达 0 5 o例如调谐式XFC 6型标准信号发生器 其频率准确度优于 1 而一些采用频率合成技术带有数字显示的信号发生器 其输出频率具有基准频率 晶振 的准确度 若机内采用高稳定度晶体振荡器 输出频率的准确度可达到l0 8 10 10 3 2正弦信号发生器的性能指标 三 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 3 2正弦信号发生器的性能指标 3 2正弦信号发生器的性能指标 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1 5min内所发生的最大变化 表示为 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 3 2正弦信号发生器的性能指标 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 预调频率的 式中x y是由厂家确定的性能指标值 3 2正弦信号发生器的性能指标 四 由温度 电源 负载变化而引起的频率变动量测量仪器的稳定性指标 其一为稳定度 其二为影响量 规定时间间隔内的频率漂移即稳定度 而由温度 电源 负载变化等外界因素造成的频率漂移 或变动 即为影响量 l 温度引起的变动量环境温度每变化工 所产生的相对频率变化 表示为 预调频率的x 10 6 即 式中 t为温度变化值 f0为预调值 f1为温度改变后的频率值 3 2正弦信号发生器的性能指标 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 即 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 即 式中f1为空载时的输出频率 f2为额定负载时的输出频率 3 2正弦信号发生器的性能指标 五 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 但由于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 表示 式中U1为输出信号基波有效值U2 U3 Un为各次谐波有效值 3 2正弦信号发生器的性能指标 由于U2 U3 Un等较U1小得多 为了测量上的方便 也用下面公式定义y 六 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 当使用高频信号发生器时 要特别注意阻抗的匹配 3 2正弦信号发生器的性能指标 七 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内所得到输出幅度的有效范围 输出幅度可用电压 V mV V 或分贝表示 例如XD 1低频信号发生器的最大电压输出为1Hz 1MHz 大于5V 最大功率输出为10Hz 700kHz 50 75 150 600 大于4W 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 一 低频信号发生器1 低频信号发生器主要性能指标通用低频信号发生器的主要性能指标 频率范围为1Hz 1MHz连续可调 频率稳定度 0 1 0 4 h 频率准确度 1 2 输出电压0 10v连续可调 输出功率约 0 5 5 w连续可调 非线性失真 0 1 1 输出阻抗可为50 75 150 600及5k 3 3低频 超低频信号发生器 2 低频信号发生器组成框图通用低频信号发生器的组成框图如图所示 图 a 仅包括电压输出 负载能力弱 图 b 除包括电压输出外 另有功率输出能力 3 3低频 超低频信号发生器 3 通用RC振荡器低频信号发生器中产生振荡信号 图中主振器 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 3 3低频 超低频信号发生器 上图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 Ui是网络的输入电压 UO是输出电压 Z1为R C串联阻抗 Z2为R C并联阻抗 则网络的传输函数式中 3 3低频 超低频信号发生器 3 通用RC振荡器 幅频特性和相频特性 3 3低频 超低频信号发生器 3 3 1低频信号发生器3 通用RC振荡器 幅频特性和相频特性 3 3低频 超低频信号发生器 3 3 1低频信号发生器4 输出衰减器 3 3低频 超低频信号发生器 3 3 2超低频信号发生器1 利用积分器构成 3 3低频 超低频信号发生器 3 3 2超低频信号发生器利用积分器构成由于 虚断 i 0 u 0由于 虚短 u u 0 3 4射频信号发生器 射频信号发生器是指能产生正弦信号 频率范围部分或全部覆盖300kHz 1GHz 允许向外延伸 并且具有一种或一种以上调制或组合调制 正弦调幅 正弦调频 断续脉冲调制 的信号发生器 也称为高频信号发生器 与低频信号发生器相比 高频信号发生器的输出幅度调节范围较大 为了适应对接收机等设备的测试需要 要求高频信号发生器能有可调节的微弱信号的输出 可小于1 V 同时要求该类信号发生器有良好的屏蔽 以免信号泄漏而影响测量准确性 出于对各类接收设备性能测试的需要 高频信号发生器应有调制功能 以输出所需的已调高频信号 3 4射频信号发生器 一 调谐信号发生器调谐信号发生器的振荡器通常为LC振荡器 根据反馈方式 又可分为变压器反馈式 电感反馈式 也称 电感三点式或哈特莱式 及电容反馈式 也称电容三点式或考毕兹式 三种振荡器形式 通常用改变电感L来改变频段 改变电容C进行频段内频率细调 放大器通常采用调谐放大器 其作用一是放大振荡器输出的高频信号电压 二是在输出器和振荡器间起隔离作用 因此也叫缓冲放大器 以提高振荡频率稳定性 三是兼作调幅信号的调幅器 3 4射频信号发生器 变压器反馈振荡器 3 4射频信号发生器 电感反馈式振荡器 3 4射频信号发生器 电容反馈式振荡器 3 4射频信号发生器 二 锁相信号发生器锁相信号发生器是在高性能的调谐式信号发生器中增加频率计数器 并将信号源的振荡频率利用锁相原理锁定在频率计数器的时基上 而频率计数器又以高稳定度的石英晶体振荡器为基准 从而使锁相信号发生器的输出频率的稳定度和准确度大大提高 信号频谱纯度等性能特性也有很大改善 3 4射频信号发生器 3 4射频信号发生器 锁相环的基本工作原理 当压控振荡器输出频率f2由于某种原因变化时 相应相位也产生变化 该相位变化在鉴相器中与基准晶振频率f1的稳定相位相比较 使鉴相器输出一个与相位差成比例的电压ud t 经过低通滤波器 检出其直流分量uc t 用uc t 控制压控振荡器中压控元件数值 如变容二极管电容 从而调整VCO的输出频率f2 使其不但频率和基准晶振一致 相位也同步 这时称为相位锁定 因此最终VCO的频率输出稳定度就由晶振频率f1所决定 3 4射频信号发生器 3 4射频信号发生器 三 合成信号发生器合成信号发生器是用频率合成器代替信号发生器中的主振荡器 它既有信号发生器良好的输出特性和调制特性 又有频率合成器的高稳定度 高分辨率的优点 同时输出信号的频率 电平 调制深度等均可程控 是一种先进的高档次的信号发生器 为了保证良好的性能 合成信号发生器的电路一般都相当复杂 但其核心是频率合成器 3 4射频信号发生器 频率合成器是把一个 或少数几个 高稳定度频率源fs经过加 减 乘 除及其组合运算 以产生在一定频率范围内 按一定的频率间隔 或称频率跳步 的一系列离散频率的信号发生器 频率合成的方法分为直接合成法和间接合成法两类 3 4射频信号发生器 直接合成法是将基准晶体振荡器产生的标准频率信号 利用倍频器 分频器 混频器及滤波器等进行一系列四则运算以获得所需要的频率输出 在这种合成法中 又可分为非相干式直接合成器和相干式直接合成器 若用多个石英晶体产生基准频率 产生混频的两个基准频率之间相互独立 就叫做非相干式直接合成器 如果只用一个石英晶体产生基准频率 然后通过分频 倍频等 使加入混频器的频率之间是相关的 就称为相干式频率合成器 3 4射频信号发生器 3 4射频信号发生器 间接合成法即锁相环路法 3 4射频信号发生器 四 射频信号发生器代表性产品性能介绍 3 4射频信号发生器 3 6脉冲信号发生器 定义 指持续时间较短且有特定变化规律的电压或电流信号 3 6脉冲信号发生器 脉冲信号发生器的分类1 按照频率范围来分 脉冲信号发生器有射频脉冲信号发生器和视频脉冲信号发生器两种 2 按照用途和产生脉冲的方法不同 脉冲信号发生器可分为通用脉冲发生器 快沿脉冲发生器 函数信号发生器 特种脉冲发生器等 3 6 3脉冲信号发生器的结构 基本的脉冲信号发生器 包括主振级 延迟级 脉宽形成级 输出级等部分 3 6 3脉冲信号发生器的结构 1 主振级 该单