电子测量章第部分

1、6.3 函数信号发生器函数信号发生器l 函数信号发生器实际上是一种多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、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三角波、斜波、半波正弦波及指数波等。等。l6 63 31 1函数信号发生器的基本组成与函数信号发生器的基本组成与原理原理l 构成函数发生器的方案很多，通构成函数发生器的方案很多，通常有三种。常有三种。1 1方波方波- -三角波三角波- -正弦波函数发生器的构成方案正弦波函数发生器的构成方案 l由外触发脉冲或内触发脉冲触发，触由外触发脉冲或内触发脉冲触发，触发施密特电路产生方波，输出信号的发施密特电路产

2、生方波，输出信号的频率由触发脉冲决定，然后经积分输频率由触发脉冲决定，然后经积分输出线性变化的三角波或斜波，调节积出线性变化的三角波或斜波，调节积分时间常数分时间常数RCRC值，可改变积分速度，值，可改变积分速度，即改变输出的三角波斜率，从而调节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三角波的幅度，最后由正弦波形成电路形成正弦波。路形成正弦波。 l如图如图6.96.9所示。所示。内触发脉冲发生器施密特触发器积分器正弦波形成电路缓冲放大器外触发脉冲输入图6.9 方波-三角波-正弦波函数发生器的原理框图ooool2 2三角波三角波- -方波方波- -正弦波函数发生器的构成方

3、案正弦波函数发生器的构成方案l如图如图6.106.10所示。由三角波发生器先产生三角波，然后经所示。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。波，最后经过缓冲放大器输出所需信号。三角波发生器正弦波形成电路缓冲放大器方波变换电路缓冲放大器图6.10三角波-方波-正弦波函数发生器的原理框图输出正弦波输出方波l3正弦波-方波-三角波函数发生器的构成方案l由正弦波发生器先产生正弦波，然后经微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分电路产生尖脉冲，

4、用脉冲触发单稳电路形成方波，经正弦波形成电路产生正弦波，形成方波，经正弦波形成电路产生正弦波，最后经过缓冲放大器输出所需信号。最后经过缓冲放大器输出所需信号。正弦波发生器微分电路正弦波形成电路方波形成电路缓冲放大器缓冲放大器图6.11 正弦波-方波-三角波函数发生器的原理框图输出正弦波输出方波l632函数信号发生器的典型电路l1三角波形成电路l电路框图如图电路框图如图6.12所示，由恒流源控所示，由恒流源控制电路、恒流源、积分器（包括积分制电路、恒流源、积分器（包括积分电容电容C和运算放大器和运算放大器A）和幅度控制）和幅度控制电路构成。电路构成。l（1）电压斜升过程）电压斜升过程l输出电压可

5、表示为输出电压可表示为 （6-10）l式中式中 UO1斜升输出电压的瞬时值；斜升输出电压的瞬时值；l I1 正恒流源的的电流值；正恒流源的的电流值；l C 积分电容的电容量。积分电容的电容量。l（2）电压斜降过程）电压斜降过程l输出电压可表示为输出电压可表示为 （6-13）l式中式中 U UO2O2斜升输出电压的瞬时值；斜升输出电压的瞬时值； I I2 2 负恒流源的的电流值；负恒流源的的电流值； C C 积分电容的电容量。积分电容的电容量。l tCIUo11tCIUUoo212l当正负恒流源的当正负恒流源的恒流值相等时，恒流值相等时，即即I I1 1=I=I2 2时，可得时，可得到左右对称的

6、三到左右对称的三角波，三角波的角波，三角波的幅度取决于幅度幅度取决于幅度控制的极限电平。控制的极限电平。l若若 ，l可得到正、负幅可得到正、负幅度对称的波形。度对称的波形。EE2正弦波形成电路l图图6.146.14所示为典型的二极管网络变换电路，所示为典型的二极管网络变换电路，将三角波变换成正弦波。将三角波变换成正弦波。l（1 1）在三角波的正半周，当）在三角波的正半周，当u ui i的瞬时值很的瞬时值很小时，小时， u uo o = u = ui i 。l（2 2）当三角波的瞬时电压）当三角波的瞬时电压u ui i 上升到上升到u u1 1 ，l（3）当三角波的瞬时电压）当三角波的瞬时电压u

7、 ui i 上升到上升到u u2 2 时，输入时，输入电压和输出电压分别为电压和输出电压分别为 ERRRRRRUUaaaaaai5432111iaaOURRRRRU1111ERRRRRRRUUaaaaaaai54321212iaaaaOURRRRRRRU212212 随着输入三角波的不断增大，二极管V3a、V4a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。v 同理，当三角波自正峰值逐渐减小时，二极管V4a、V3a、V2a、V1a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6.15

8、所示。 633函数信号发生器的性能指标l（1）输出波形。有正弦波、方波、脉）输出波形。有正弦波、方波、脉冲和三角波等波形，具有冲和三角波等波形，具有TTL同步输出、同步输出、单次脉冲输出等。单次脉冲输出等。l（2 2）频率范围。频率范围一般分为若）频率范围。频率范围一般分为若干频段，如干频段，如1Hz1Hz10Hz 10Hz 、10 Hz10 Hz100Hz 100Hz 、100Hz100Hz1kHz 1kHz 、1kHz 10kHz、10kHz100kHz、100kHz 100kHz 1MHz1MHz等六个波段。等六个波段。l（3 3）输出电压。一般指输出电压的峰）输出电压。一般指输出电压的

9、峰- -峰值。峰值。l（4 4）波形特性。不同波形有不同的表）波形特性。不同波形有不同的表示法。一般地示法。一般地l正弦波的特性用非线性失真系数表示，正弦波的特性用非线性失真系数表示，一般要求一般要求3%3%；l三角波的特性用非线性系数表示，一三角波的特性用非线性系数表示，一般要求般要求2%2%；l方波的特性参数是上升时间，一般要方波的特性参数是上升时间，一般要求求100ns100ns。l（5 5）输出阻抗。函数输出）输出阻抗。函数输出5050；TTLTTL同步输出同步输出600600。l634函数信号发生器的应用l函数发生器可用于音频放大器、滤波器、函数发生器可用于音频放大器、滤波器、自动测

10、试系统等的测试。如用于测量低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。测试过程如下频放大器的幅频特性。测试过程如下。l（1）按图）按图6.16所示连线。所示连线。l（2）调节函数发生器，使其输出频率）调节函数发生器，使其输出频率1kHz，幅度为，幅度为10mV的正弦信号，并将其的正弦信号，并将其送到被测放大器输入端。送到被测放大器输入端。l（3）在被测放大器输出端接上负载电阻）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器的后，再将输出接到毫伏表或示波器的Y输入端，测出放大器在输入端，测出放大器在1kHz时的输出电时的输出电压值。压值。l（4）按被测电路的技术指标

11、，在保持函）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，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。画出被测放大器的频率特性曲线。 6.4 高频信号发生器高频信号发生器6.4.1高频信号发生器的组成与原理高频信号发生器的组成与原理 高频信号发生器主要包括主振级、高频信号发生器主要包括主振级、缓冲级、调制级、输出级、监测电路缓冲级、调制级、输出级、监测电路和电源等电路。和电源等电路。 组成的基本框图如图组成的基

12、本框图如图6.16所示。所示。可变电抗器振荡器缓冲级调制级调制度计输出级电压表内调制振荡器图6.16 高频信号发生器框图外调制输入电源O外内OO OFMAM 输出S Ol高频信号发生器的其它单元电路高频信号发生器的其它单元电路1 1可变电抗器可变电抗器2 2缓冲级缓冲级3 3调制级调制级4 4输出级输出级l642高频信号发生器的分类高频信号发生器的分类 l 按产生主振信号的方法不同，高按产生主振信号的方法不同，高频信号发生器可分为调谐信号发生器、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锁相信号发生器和合成信号发生器三大类。大类。l643 调谐信号发生器调谐信号发生器l

13、 由调谐振荡器构成的信号发生器由调谐振荡器构成的信号发生器称为调谐信号发生器。它们的工作频称为调谐信号发生器。它们的工作频率率 为为 LCf2100f6.4.4 6.4.4 锁相信号发生器锁相信号发生器l锁相环路是由基准频率源、鉴相器锁相环路是由基准频率源、鉴相器（PDPD）、环路滤波器（）、环路滤波器（LPFLPF）和压控振）和压控振荡器（荡器（VCOVCO）组成的一个闭环反馈系统。）组成的一个闭环反馈系统。基准频率源鉴相器压控振荡器低通滤波器图6.19 锁相环的基本框图foUof0frUiUd651 频率合成的定义l 所谓频率合成，是对一个或多个所谓频率合成，是对一个或多个基准频率进行频率

14、的加、减（混频）、基准频率进行频率的加、减（混频）、乘（倍频）、除（分频）四则运算，乘（倍频）、除（分频）四则运算，从而得到所需的频率。从而得到所需的频率。l 频率合成的方法很多，但基本上频率合成的方法很多，但基本上分为两类，一类是直接合成法，一类分为两类，一类是直接合成法，一类是间接合成法。是间接合成法。6 65 5 合成信号发生器合成信号发生器l直接合成法包括直接合成法包括模拟直接合成法模拟直接合成法和和数数字直接合成法。字直接合成法。l模拟直接合成法模拟直接合成法采用基准频率通过谐采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行

15、频率的后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率；算术运算，最终得到所需的频率；l数字直接合成法数字直接合成法则利用则利用RAM和和DAC结合，通过控制电路，从结合，通过控制电路，从RAM单元单元中读出数据，再进行数模转换，得到中读出数据，再进行数模转换，得到一定频率的输出波形。一定频率的输出波形。l间接合成法间接合成法则是通过锁相技术进行频则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。率的算术运算，最后得到所需的频率。652 直接合成法直接合成法l1固定频率合成法l石英晶体振荡器提供基准频率，基准频率经分频石英晶体振荡器提供基准频率，基准频率经分频器、倍频器后输出

16、。输出频率为器、倍频器后输出。输出频率为 （6-16）l式中式中 D分频器的分频系数；分频器的分频系数；N倍频器的倍频器的倍频系数；倍频系数； f0输出频率；输出频率；fr基准频率。基准频率。l D、N均为给定的正整数，所以输出频率为一固均为给定的正整数，所以输出频率为一固定值，称为固定频率合成法。定值，称为固定频率合成法。基准频率计D分频器N倍频器frf0图6.20 固定频率合成法原理图rfDNf0l2可变频率合成法l l3数字直接合成法l电路由程控时钟发生器、顺序地址电路由程控时钟发生器、顺序地址发生器、发生器、ROMROM、锁存器和、锁存器和DACDAC变换器变换器构成。构成。653 间

17、接合成法间接合成法l间接合成法通过锁相环来完成频率的间接合成法通过锁相环来完成频率的加、减、乘、除，最后获得需要的频加、减、乘、除，最后获得需要的频率。率。l1.基本锁相环基本锁相环l基本锁相环是由基准频率源、鉴相器基本锁相环是由基准频率源、鉴相器（PD）、环路滤波器（）、环路滤波器（LPF）和压控）和压控振荡器（振荡器（VCO）组成的一个闭环反馈）组成的一个闭环反馈系统。系统。2.混频式锁相环混频式锁相环l是能对输入频率进行加、减运算的锁相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。如果混入混频器和带通滤波

18、器组成的。如果混频器是和混频，则输出频率频器是和混频，则输出频率 ；如果混频器是差混频，则输出频如果混频器是差混频，则输出频率率 。21iiofff21iiofff3.倍频式锁相环倍频式锁相环l是利用锁相环对基准频率进行乘法运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。算的锁相环，简称倍频环。基准频率源鉴相器低通滤波器压控振荡器分频器（/N） 数字控制式倍频器fi图6.25 倍频式所相环框图Udf0分频式锁相环分频式锁相环l是利用锁相环对基准频率进行除法运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。算的锁相环，简称分频环。l在锁相环锁定条件时，在锁相环锁定条件时， 满足

19、，所以，实满足，所以，实现了分频。如图现了分频。如图6.26（a）、（）、（b）所）所示。示。 oifNfNffiol组合式锁相环组合式锁相环l图图6.26所示，为混频环和倍频环构成所示，为混频环和倍频环构成的组合环，锁定时可产生的组合环，锁定时可产生2MHz频率频率的信号。的信号。频率源鉴相器低通滤波器压控振荡器分频 器10带通滤波器混频器频率源1MhzUdf0图6.26 组合式锁相环构成8MHZ654 频率合成器应用举例频率合成器应用举例6.6 扫频信号发生器l661 概述l输出信号的频率随时间按一定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规律、在一定范围内重复连续变化的信

20、号源，称为扫频信号发生器。的信号源，称为扫频信号发生器。l1扫频信号的特性l（1）输出信号的频率随时间按一定的规）输出信号的频率随时间按一定的规律变化。律变化。l（2）输出信号的频率受控制参量控制。）输出信号的频率受控制参量控制。l（3）扫频信号源的输出振幅在整个扫频）扫频信号源的输出振幅在整个扫频范围内应保持平稳。范围内应保持平稳。l（4）扫频信号源应能产生同步的扫描信）扫频信号源应能产生同步的扫描信号和频率标志。号和频率标志。l2对扫频信号发生器的基本要求l（）中心频率范围大且可连续调节。（）中心频率范围大且可连续调节。l（）扫频宽度要宽且可任意调节。（）扫频宽度要宽且可任意调节。l（）寄

21、生调幅要小。（）寄生调幅要小。l（）扫描线性度好。（）扫描线性度好。l3扫频信号发生器的优点l（1）可实现网络频率特性的自动或半自）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。速地将电路性能调整到预定的要求。l（2）由于扫频信号的频率是连续变化的，）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因此，所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，

22、不会出现由于点频法中频率也是连续的，不会出现由于点频法中频率点离散而遗漏掉细节的问题。点离散而遗漏掉细节的问题。l（3）扫频测量法是在一定扫描速度下获）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，符合被测电得被测电路的动态频率特性，符合被测电路的应用实际。路的应用实际。 l662 扫频振荡器的工作原理l1变容二极管扫频l变容管扫频振荡器利用变容管容变容管扫频振荡器利用变容管容量改变达到改变频率的目的。量改变达到改变频率的目的。l变容二极管是一种电压控制的可变电变容二极管是一种电压控制的可变电抗器。可以证明，变容二极管的电容抗器。可以证明，变容二极管的电容特性为特性为 （6-16）

23、njjUUcc/1001l式中式中 l cj0 变容二极管反向电压为零时的结变容二极管反向电压为零时的结电容；电容；l U0 PN结势垒电压；结势垒电压；l n电容的变化系数；电容的变化系数；l U加到变容二极管两端的反向电压。加到变容二极管两端的反向电压。l若若n，则变容二极管的电容为，则变容二极管的电容为 (6-18）l变容二极管特性曲线如图变容二极管特性曲线如图6.29所示。所示。 001UUccjj BT4型低频率型低频率特性测试仪中特性测试仪中采用的是变容采用的是变容二极管扫频振二极管扫频振荡电路。如图荡电路。如图6.30所示。所示。l磁调电感扫频l磁调电感法扫频通过磁场改变电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。感量，达到改变振荡器的频率的目的。l带磁心的电感线圈，其电感量带磁心的电感线圈，其电感量LC与该磁心的有效导磁系数之间存在着与该磁心的有效导磁系数之间存在着线性关系。线性关系。 l （6-19）l式中式中 L空心线圈的电感量；空心线圈的电感量；l 磁芯的增量导磁系数；磁芯的增量导磁系数；l 有效导磁系数；有效导磁系数；l 磁芯的利用率。磁芯的利用率。LLLOCOl原理如图原理如