电子测量技术(第3版)第七章第2部分

1、n 函数信号发生器实际上是一种多波形信号源，可 以输出正弦波、方波、三角波、斜波、半波正弦波 及指数波等。 n731函数信号发生器的基本组成与原理 7.3 函数信号发生器 1方波-三角波-正弦波函数信号发生器的构成方案 如图7.9所示，由外触发或内触发脉冲，触发施密 特电路产生方波，输出信号的频率由触发脉冲决定， 然后经积分器输出线性变化的三角波或斜波，调节积 分时间常数RC的值，可改变积分速度，即改变输出的 三角波斜率，从而调节三角波的幅度，最后由正弦波 形成电路形成正弦波。 图7.9 方波-三角波-正弦波函数发生器的原理框图 2三角波-方波-正弦波函数信号发生器的构成方案 如图7.10所示

2、，由三角波发生器先产生三角波， 然后经方波形成电路产生方波，或经正弦波形成电 路形成正弦波，最后经过缓冲放大器输出所需信号。 虽然方波可由三角波通过方波变换电路变换而来， 但在实际中，三角波和方波是难以分开的，方波形 成电路通常是三角波发生器的组成部分。 图7.10 三角波-方波-正弦波函数信号发生器的原理框图 3正弦波-方波-三角波函数信号发生器的构成方案 如图7.11所示，由正弦波发生器先产生正弦波， 然后经微分电路产生尖脉冲，用脉冲触发单稳电路形 成方波，经方波形成电路产生方波，最后经过缓冲放 大器输出所需信号。 图7.11 正弦波-方波-三角波函数信号发生器的原理框图 1三角波形成电路

3、 电路框图如图7.12所示，由恒流源控制电路、恒 流源、积分器（包括积分电容C和运算放大器A）和 幅度控制电路构成。 732函数信号发生器的典型电路 图7.12 三角波形成电路的原理框图 （1）电压斜升过程。积分器输出电压为: 1 o1 I ut C 式中，uo1斜升输出电压的瞬时值； I1 正恒流源的电流值； C 积分电容的电容量。 由上式可以看出，改变恒流源的电流或积分电容值 可改变输出电压的变化斜率，即改变三角波的频率， 通常调节C实现粗调，调节I实现细调。 当电压上升到幅度控制电路的限值电平+E时，幅 度控制电路将发出控制信号，使开关S断开“1”， 三角波的斜升过程结束。如图7.13所

4、示，三角波的 斜升时间为 1 1 2 E C T I 式中，T1 输出电压的斜升时间； I1 正恒流源的电流值； C 积分电容的电容量； E 幅度控制电路的限值电平。 图7.13 三角波形成过程的波形图 n （2）电压斜降过程。当开关S拨向“2”时，接 通负恒流源，负恒流源I2向积分电容充电，且充电 方向与开关S拨向“1”时相反，电容上的电荷减少， 形成三角波的斜降过程。当电压下降到幅度控制电 路的极限电平-E时，控制电路又使“2”断开，三 角波的斜降过程结束。同理可得： 2 o2o1 I uut C 式中，uo2斜升输出电压的瞬时值； I2 负恒流源的电流值； C 积分电容的电容量。 2 2

5、 2 E C T I 式中，T2为输出电压的斜降时间。 如此重复进行，形成了连续的三角波。 2正弦波形成电路 正弦波形成电路用于将三角波变换成正弦波。图7.14 所示为典型的二极管网络变换电路。 图7.14 正弦波形成电路原理图 n（1）在三角波的正半周，当ui的瞬时值很小时， uo = ui 。 n（2）当三角波的瞬时电压ui 上升到u1 ， n（3）当三角波的瞬时电压ui 上升到u2 时，输入 电压和输出电压分别为 E RRRRR R UU aaaaa a i 54321 1 1i a a O U RRR RR U 11 11 E RRRRR RR UU aaaaa aa i 54321

6、21 2 i aa aa O U RRRR RRR U 212 212 随着输入三角波的不断增大，二极管VD3a、VD4a 依次导通，使得分压器的分压比逐渐减小，输出电压 衰减幅度更大，使三角波趋近于正弦波。 同理，当三 角波自正峰值逐渐减小时，二极管VD4a、VD3a、VD2a、 VD1a依次截止，分压器的分压比又逐渐增大，输出电 压衰减幅度依次变小，三角波也趋近于正弦波，如此 循环，三角波变换成正弦波。波形如图7.15所示。 图7.15 正弦波形成电路波形图 733函数信号发生器的性能指标 n（1）输出波形：输出波形有正弦波、方波、脉冲 和三角波等波形，具有TTL同步输出及单次脉冲输 出等

7、。 n（2）频率范围：频率范围一般分为若干频段。 n（3）输出电压：一般指输出电压的峰-峰值。 n（4）波形特性：不同波形有不同的表示法。 n（5）输出阻抗：函数输出50；TTL同步输出 600。 7.3.47.3.4函数信号发生器的应用 n 函数发生器可用于音频放大器、滤波器、自动测试 系统等的测试。如用于测量低频放大器的幅频特性。 测试过程如下。 图7.16 放大器幅频特性测试连线图 n（1）按图7.16所示连线。 n（2）调节函数发生器，使其输出频率1kHz，幅度为 10mV的正弦信号，并将其送到被测放大器输入端。 n（3）在被测放大器输出端接上负载电阻RL后，再将 输出接到毫伏表或示波

8、器的Y输入端，测出放大器在 1kHz时的输出电压值。 n（4）按被测电路的技术指标，在保持函数发生器输 出幅度不变的情况下，逐点改变信号发生器的频率， 逐点记录被测放大器的输出电压值，然后，根据记 录数据，画出被测放大器的频率特性曲线。 7.4 高频信号发生器 n1高频信号发生器的基本组成与原理 n高频信号发生器组成的基本框图如图7.17所示，主 要包括主振级、缓冲级、调制级、输出级、监测电 路和电源等电路。 图7.17 高频信号发生器框图 n 主振级产生高频振荡信号，该信号经缓冲级缓 冲后，被送到调制级进行幅度调制和放大，调制 后的信号再送给输出级输出，以保证具有一定的 输出电平调节范围。监

9、测电路监测输出信号的载 波电平和调制系数，电源用于提供各部分所需的 直流电压。 n2高频信号发生器的分类 n 高频信号发生器可分为调谐信号发生器、锁相信 号发生器和合成信号发生器三大类。 n3调谐信号发生器 n 由调谐振荡器构成的信号发生器称为调谐信号发 生器。常用的调谐振荡器就是晶体管LC振荡电路， LC振荡电路实质上是一个正反馈调谐放大器，主要 包括放大器和反馈网络两个部分。 工作频率f0为： 0 1 2 f LC 4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。 图7.19所示为锁相环路的基本框图

10、。 图7.19 锁相环的基本框图 7.5 合成信号发生器 n7.5.1 7.5.1 频率合成的定义 n 合成信号发生器是利用频率合成技术构建的信 号发生器。所谓频率合成，是对一个或多个基准 频率进行频率的加、减（混频）、乘（倍频）、 除（分频）运算，从而得到所需的频率。频率合 成的方法分为两类，一类是直接合成法，一类是 间接合成法。 n（1）直接合成法包括模拟直接合成法和数字直接 合成法。模拟直接合成法采用基准频率通过谐波 发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、 倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需 的频率；数字直接合成法则是利用RAM和DAC结合， 通过控制电路，从RAM单元中读出

11、数据，再进行数 /模转换，得到一定频率的输出波形。 n（2）间接合成法是通过锁相技术进行频率的算术 运算，最后得到所需的频率。 7.5.27.5.2 直接合成法 1固定频率合成法 固定频率合成法的原理框图如图7.20所示。输出频 率为 or N ff D 式中，D分频器的分频系数； N倍频器的倍频系数； fo输出频率； fr基准频率。 图7.20 固定频率合成法原理框图 n2可变频率合成法 n可变频率合成法可以根据需要选择各种输出频率。 如图7.21所示为可变频率合成器的原理框图，可输 出频率为5.937MHz的信号。 图7.21 可变频率合成器的原理框图 3数字直接合成法 如图7.22所示，

12、电路由顺序地址发生器、ROM、锁 存器和DAC变换器等电路构成。 图7.22 数字直接合成法原理框图 n 间接合成法也称锁相合成法。所谓锁相就是自动 实现相位同步。能够完成两个电信号相位同步的自动 控制系统称为锁相环。经常用到的锁相环有混频式锁 相环、倍频式锁相环、分频式锁相环、组合式锁相环、 多环式锁相环等。 7.5.3 7.5.3 间接合成法 1基本锁相环 如图7.23所示，基本锁相环是由基准频率源、鉴相 器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO） 组成的一个闭环反馈系统。 图7.23 基本锁相环框图 n（1）鉴相器（PD）。鉴相器是相位比较装置，它 将两个输入信号Ui和Uo之

13、间的相位进行比较，取 出这两个信号的相位差，以电压Ud的形式输出给 低通滤波器（LPF）。当环路锁定后，鉴相器的输 出电压是一个直流量。 n（2）环路滤波器（LPF）。环路低通滤波器用于 滤除误差电压中的高频分量和噪声，以保证环路 所要求的性能，并提高系统的稳定性。 n（3）压控振荡器（VCO）。压控振荡器是受电压 控制的振荡器，它可根据输入电压的大小改变振 荡的频率。 n是能对输入频率进行加、减运算的锁相环。它 是在基本锁相环的反馈支路中加入混频器和带 通滤波器组成的。如果混频器是和混频，则输 出频率 ；如果混频器是差混频， 则输出频率 。 21iio fff 21iio fff 2.混频式

14、锁相环 图7.24 混频式锁相环框图 3倍频式锁相环 倍频式锁相环就是利用锁相环对基准频率进行乘 法运算的锁相环，简称倍频环。有脉冲控制环和数字 环两种，如图7.25（a）、（b）所示。 图7.25 倍频式锁相环框图 4分频式锁相环 分频式锁相环是利用锁相环对基准频率进行除法 运算的锁相环，简称分频环。与倍频环相同，分频 式锁相环也有脉冲控制环和数字环两种，如图7.26 （a）、（b）所示。 图7.26 分频式锁相环框图 5组合式锁相环 如图7.27所示为混频环和倍频环构成的组合环， 锁定时可产生2MHz的频率信号。 图7.27 组合式锁相环的构成框图 7.6 扫频信号发生器 n7.6.17.

15、6.1 概述 n输出信号的频率随时间按一定规律、在一定范围 内重复连续变化的信号源称为扫频信号发生器。 频域测试常用的仪器扫频仪就是利用扫频信 号发生器作为主振级构成的用于分析电路频率特 性的电子测量仪器。 n1扫频信号的特性 n（1）输出信号的频率随时间按一定的规律变化。 n（2）输出信号的频率受控制参量控制。 n（3）扫频信号源的输出振幅在整个扫频范围内 应保持平稳。 n（4）扫频信号源应能产生同步的扫描信号和频 率标志。 n2对扫频信号发生器的基本要求 n（）中心频率范围大且可连续调节。 n（）扫频宽度要宽且可任意调节。 n（）寄生调幅要小。 n（）扫描线性度好。 n3扫频信号发生器的优

16、点 n（1）可实现网络频率特性的自动或半自动测量， 特别是在进行电路测试时，人们可以一面调节电路 中的有关元件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的 变化，从而迅速地将电路性能调整到预定的要求。 n（2）由于扫频信号的频率是连续变化的，因此， 所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不 会出现由于点频法中频率点离散而遗漏掉细节的问 题。 n（3）扫频测量法是在一定扫描速度下获得被测电 路的动态频率特性，符合被测电路的应用实际。 7.6.27.6.2 扫频振荡器的工作原理 1变容二极管扫频 一般频率可调的LC振荡器用波段开关切换不同容 量的电容，达到改变频率的目的；而变容管扫频振 荡器用一个或多个变

17、容管和回路电容并连，当变容 管容量改变时，同样达到改变频率的目的。 图7.30 变容二极管扫频振荡电路 n 这是一个改进型电容三点式振荡电路，振荡频 率由L、C4、C5和两个变容二极管VD1、VD2的电容 Cj联合决定，锯齿波电压通过R6加到两个变容二 级管两端，以控制结电容Cj，从而使振荡器的振 荡频率随锯齿波电压的变化而变化，改变锯齿波 电压的变化速率（扫描速度），就可改变扫频速 度；改变锯齿波电压的幅度则可改变扫频宽度。 n磁调电感扫频 n磁调电感法扫频通过磁场改变电感量，达到 改变振荡器的频率的目的。 n带磁心的电感线圈，其电感量LC与该磁心的 有效导磁系数之间存在着线性关系。 n式中

18、 L空心线圈的电感量； n 磁芯的增量导磁系数； n 有效导磁系数； n 磁芯的利用率。 LLL OC O 磁调电感法扫频就是根据式（7.18）工作的。当电 流发生变化时，电感量发生变化，由它构成的振荡电 路的频率也发生变化。 图7.31 磁调电感法扫频的原理图 n磁调电感振荡器的振荡频率为 n (7.20) n式中 n L空心线圈的电感量； n 磁心的增量导磁系数； n 磁心的利用率； n C谐振回路的电容。 LCLCCLc 0 111 7.6.3 7.6.3 扫频法测试的基本原理 图7.32 扫频法测量电路幅频特性原理框图 7.7 脉冲信号发生器 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，前者一般由高频或超高频信号发 生器处于通断脉冲调制状态而获得，而通用脉冲信号 发生器都是以产生矩形脉冲为主的视频脉冲信号发生 器。通用脉