电子测量第7章

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1、第7章 测量用信号源7.1 概述n测量用信号源是指测量用信号发生器 ，它可以产生不同频率的正弦信号、 调幅信号、调频信号，以及各种频率 的方波、三角波、锯齿波、正负脉冲 信号等，其输出信号的幅值也可按需 要进行调节。可以说，几乎所有的电 参量的测量都需要用到信号源。711 测量用信号源作用与 分类n1测量用信号源的作用n（1）测元件参数。如电感、电容及Q值、损耗 角等。n（2）测网络的幅频特性、相频特性、周期等。n（3）测试接收机的性能。如测接收机的灵敏度 、选择性、AGC范围等指标。n（4）测量网络的瞬态响应。如用方波或窄脉冲 激励，测量网络的阶跃响应、冲击响应、时间 常数等。n（5）校准仪

2、表。输出频率、幅度准确的信号， 校准仪表的衰减器、增益及刻度。2信号源的分类n可分为通用和专用信号发生器两大类。 n专用信号发生器是专门为某种特殊的测量 而研制的。如电视信号发生器、编码脉冲 信号发生器等。这类信号发生器的特性与 测量对象紧密相关。n通用信号发生器按输出波形可分为正弦信 号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器 、噪声发生器等。正弦信号发生器最具普 遍性和广泛性。3正弦信号发生器的分类n（1）超低频信号发生器。n（2）低频信号发生器。n（3）视频信号发生器。 n（4）高频信号发生器。n（5）甚高频信号发生器。n（6）超高频信号发生器。712 正弦信号发生器的组 成n1振荡器n2变换

3、器n3指示器n4输出电路n5电源正弦信号发生器的基本组成 框图变换器电源输出电路振荡器指示器输出正弦波图7.1正弦信号发生器的基本组成框图713 正弦信号发生器的主 要性能指标n1频率特性n频率范围、频率准确度、频率稳定度n2输出特性n输出电平范围n输出电平的频率响应n输出电平准确度n输出阻抗n输出信号的频谱纯度3调制特性n高频信号发生器输出正弦波的同时， 一般还能输出一种或一种以上的已被 调制的信号，多数情况下是调频、调 幅。有些还常有调相和脉冲调制等。 调制信号有的是信号发生器内部产生 的，称为内调制，有的是把外部信号 加到信号发生器进行调制。称为外调 制。 7.2 低频信号发生器n低频信

4、号发生器的输出信号频率范围 通常为20HZ20KHZ，也称为音频信 号发生器。n低频信号发生器可用于测试调整低频 放大器、传输网络和广播、音响等电 声设备，还可以用于调制高频信号发 生器或标准电子电压表等。721 低频信号发生器的主 要性能指标n（1）频率范围。1Hz20KHz或延伸到1MHzn（2）频率稳定度。（0.10.4）%/小时n（3）频率的准确度。 (12)%n（4）输出电压。010V连续可调n（5）输出功率。0.55w连续可调n（6）输出阻抗。50、75、150、600和 5Kn（7）非线性失真系数。(0.11)%n（8）平衡输出与不平衡输出方式。722 低频信号发生器的基 本组成

5、与原理放大器稳压电源输出衰减 振荡器电压表输出级低频信号输出图7.2 低频信号发生器方框图1振荡器n振荡器是低频信号发生器的核心部分 ，产生频率可调的正弦信号，一般由 RC振荡电路或差频式振荡电路组成。 振荡器决定输出信号的频率范围和稳 定度。n（1）通用RC振荡电路n（2）差频式振荡电路2放大器n低频信号发生器的放大器一般包括电压放 大器和功率放大器两级，以达到电压输出 幅度和功率的要求。n 3输出级n输出级包括输出衰减器电路、阻抗变换器 和电压表几部分。低频信号发生器的输出 电压一般可进行步进和连续调节，以满足 不同输出要求。 723 低频信号发生器的应 用n1使用方法n2放大器放大倍数的

6、测量n3功率放大倍数的测量应用实例毫伏表被测放大器示波器信号源图7.8 放大器放大倍数测量连线图7.3 函数信号发生器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。由于其输 出波形均可用数学函数描述，故命名为函 数发生器。目前函数发生器输出信号的频 率低端可至量级，高端可达50MHZ。除了 作为正弦信号源使用外，还可以用来测试 各种电路和机电设备的瞬态特性、数字电 路的逻辑功能、模数转换器、压控振荡器 以及锁相环的性能。731 函数信号发生器的基 本组成与原理n1方波-三角波-正弦波函数发生器的构成 方案n2三角波-方波-正弦波函数发

7、生器的构成 方案n3正弦波-方波-三角波函数发生器的构成 方案方波-三角波-正弦波函数发生器 的原理框图图7.9 方波-三角波-正弦波函数发生器的原理框图施密 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 入内触 发脉 冲发 生器输出正弦 波三角波-方波-正弦波函数发生器 的原理框图三角波 发生器方波变换电路正弦波形成电路缓冲 放大器输出正弦波缓冲 放大器输出方波图7.10三角波-方波-正弦波函数发生器的原理框图正弦波-方波-三角波函数发生器 的原理框图图7.11正弦波-方波-三角波函数发生器的原理框图正弦 波 发生 器微分 电路方波 形成电路正弦 波 形成电路输出正弦 波

8、缓冲 放大 器输出方波缓冲 放大 器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恒流 源 控制电路幅度 控制电路正 恒 流 源输出三角波负 恒 流 源CAVOK12正弦波形成电路原理图直流偏置电压R-E+ER4aR4bR5bR5aR4R3aR3bR2bR1bR2aR1aD1aD1bD2aD2bD3aD4aD3bD4b图7.14 正弦波形成电路原理图733 函数信号发生器性能 指标n（1）输出波形。n（2）频率范围。n（3）输出电压。n（4）波形特性。不同波形有不同的表示法。一 般n正弦波的特性用非线性失真系数表示，一般要 求3%；n三角波的特性用非线性系数表示，一般要

9、求 2%；n方波的特性参数是上升时间，一般要求100ns 。n（5）输出阻抗。函数输出50；TTL同步输出 600。734 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。 7.4 高频信号发生器n高频信号源也称为射频信号源，信号的频 率范围在30KHZ1GHZ（允许向外延伸） 之间。这种仪器通常具有一种或一种以上 调制或组合调制功能，包括正弦调幅、正 弦调频以及脉冲调制，其输出信号的频率 和电平在一定范围内可调节并能准确读数 ，特别是具有微伏级的小信号输出，以适 应接收机测试的需要。高频信号发生器框图图7.17高频信号发

10、生器框图AM MM电源缓冲级振荡器输出输出级调制度计电压表调制级可变电抗器内调制振荡器外调制输入K外内FM742 高频信号发生器的分 类n主振级用于产生高频振荡信号， 它决定高频信号发生器的主要工 作特性。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、锁相信号发生器 和合成信号发生器三大类。743 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。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）及电容反馈式（也

11、称电 容三点式或考毕兹式）三种振荡形式。744 锁相信号发生器n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，而频率计数器又是以高稳定度 的石英晶体振荡器为基础的，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，信号的频谱纯度等性能也大为 改善。锁相环的基本框图图7.19 锁相环的基本框图鉴相器f0Vd压控振荡器低通滤波器f0frViVo基准频率源745 高频信号发生器的其 它单元电路n1可变电抗器n2缓冲级n3调制级n4输出级75 合成信号发生器n合成信号发生器具有良好的输出 特性和调制特性，又有频率合

12、成 器的高稳定度、高分辩力的优点 ，同时输出信号的频率、电平调 制深度均可程控，是一种性能优 越的信号发生器。751 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）四则运算， 从而得到所需的频率。这一系列频率的准 确度和稳定度取决于基准频率，n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，一类是间接合成法 。752 直接合成法n1固定频率合成法图7.20固定频率合成法原理图f0frD分频器基准频率源N倍频器2 可变频率合成法图7.21可变频率合成器的原理图滤波器1M 基准频

13、率源谐 波 发 生 器0.37MHZ 混频器10分频滤波器3.7MHZ10分频滤波器10分频滤波器10分频0.037MHZ混频器5.937MHZ8MHZ 9MHZ4MHZ1MHZ 2MHZ 3MHZ5MHZ 6MHZ 7MHZ滤波器滤波器0.937MHZ输出混频器0.9MHZ3 数字直接合成法图7.22数字直接合成法原理CPU正弦波顺序 地址 发生器 余弦波ROM1 正弦编码表ROM2 余弦编码表锁存器DAC1锁存器DAC1753 间接合成法n也称为锁相合成法。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

14、式锁相环、组合 式锁相环、多环式锁相环等。n间接合成法通过锁相环来完成频率的加、减、 乘、除，由于锁相环具有滤波作用，因此可以 省掉直接合成法中所需的滤波器，它的通频带 可以作得很窄，其中心频率便于调节，而且可 以自动跟踪输入频率，因而结构简单、价格低 廉、便于集成，在频率合成中获得广泛应用。7.6 扫频信号发生器n761 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 级构成的分析电路频率特性的电子测量仪 器。1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 通常有线性

15、和对数变化两种。线性扫频可以得到均匀 的频率刻度；对数扫频的频率刻度则是非线性的。n （2）输出信号的频率受控制参量控制。n输出信号的频率与控制参量的关系称为扫频信号源的扫 频特性，若控制参量为电压，则称为频率的压控特性。 根据不同的刻度要求，扫频特性可以是线性的，也可以 是指数性的。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 。2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。3扫频信号发生器的优点n（1）可实现网络频率特性的自动或半自动测量，

16、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）点频法是人工逐点改变输入信号的频率，速度慢 ，得到的是被测电路稳态情况下的频率特性曲线。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，而后者更符合被测电路的应用实际。762 扫频振荡器的工作 原理n扫频振荡器是扫频信号发生器的核心部件 。实现扫频振荡的方法很多，目前广泛采 用的是利用变容二极管实现扫频振荡；若 要获得较高的扫频频率（几十到几百MHz ）可采用磁调电感的扫频方法；要得到更 高的扫频频率（GHz级），则可采用Y1G （钆铁