电子测量技术与应用项目—高职电子信息—徐洁 课件第4章 测量用信号源

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1、第五章 测量用信号源,4.1 概述,4.1.1 测量用信号源的分类与主要性能指标 1信号发生器的分类 信号发生器种类繁多，从不同角度可将信号发 生器进行不同的分类。 （1）按用途分类 根据用途的不同，信号发生器可以分为通用信号发生器和专用信号发生器两大类。 专用信号发生器是为特定目的而专门设计的，它只适用于某种特定的测量对象和测量条件。 低频信号发生器、高频信号发生器、脉冲信号发生器、正弦信号发生器、噪声信号发生器、函数信号发生器等都属于通用信号发生器。,（2）按频率范围分类 根据输出信号频率范围的不同，信号发生器可以 分成六种不同的种类，参见表4-1。 类型 频率范围 超低频信号发生器 0.

2、001Hz1kHz 低频信号发生器 1Hz1MHz 视频信号发生器 20Hz10MHz 高频信号发生器 100kHz30MHz 甚高频信号发生器 4MHz300MHz 高频信号发生器 300MHz以上,（3）按输出信号波形分类,正弦信号发生器 矩形信号发生器 脉冲信号发生器 三角波信号发生器 钟形脉冲信号发生器 噪声信号发生器 电视信号发生器 调频立体声信号发生器,（4）按调制方式分类,调频调制 调幅调制 脉冲调制,2. 信号发生器的主要技术特性,（1）频率特性 有效频率范围：各项指标均得到保证的输出频率范 围称为信号发生器的有效频率范围 频率准确度：,频率稳定度 ：在一定的时间间隔内频率的相

3、对变化。,fx 频率的实际值 f0 标称值,频率稳定度 长期稳定度 短期稳定度 （2）输出特性 输出阻抗、输出电平、输出波形 平坦度、 谐波失真 （3）调制特性 调幅、 调频、 调相,4.1.2 信号发生器的基本组成,4.2 通用信号发生器 4.2.1 正弦信号发生器,1. 低频信号发生器,特点：输出频率为1Hz1MHz，有功率放大输出。,低频信号发生器组成: 主振器 电平调节 电压放大器 输出衰减器 功率放大器 阻抗变换器 电压表,1）主振器: 主振器是低频信号发生器的核心电路，产生频率可调 的低频正弦信号，其振荡频率范围即为信号发生器的 有效频率范围。在现代低频信号发生器中，主振器常 采用

4、RC文氏桥式振荡电路，利用波段开关改变RC振 荡器选频网络的电容器容量来改变频段，调节电位器 使同一频段内的频率连续变化。这种振荡器产生的正 弦波频率调节方便、可调范围较宽、振荡频率稳定、 振幅稳定、谐波失真小。,RC文氏桥式振荡电路如图4-3所示， 图中A为同相运算放大器，C1、R1、C2、R2为选频网络，它跨接于放大器的输出端与输入端之间，形成正反馈，产生正弦振荡，振荡频率由选频网络中的元件参数决定。R3是具有负温度系数的热敏电阻，引入负反馈起稳幅作用。在振荡器起振阶段，由于温度低，R3的阻值较大，负反馈系数小，使负反馈放大器的电压增益大于3，输出信号频率产生增幅振荡。随着该信号的增大，流

5、过R3的电流增大，温度升高，阻值下降，反馈深度加深，负反馈放大器的电压放大倍数减小，只要R3、R4选择适当，最后将达到稳定的等幅振荡。 当电路进入稳定的等幅振荡后，如果由于某种原因引起输出电压增大，由于U0直接接在R3、R4串联电路中，从而使流过R3的电流增大，R3阻值的减小也会使负反馈放大器的放大倍数下降，最终令输出电压减小，达到稳定输出电压的目的。,2）电压放大器 ：,电压放大器特点：缓冲、电压放大作用。 缓冲是为了隔离后级电路对主振器的影响，保证 主振频率稳定，一般采用射极跟随器或运放组成的 电压跟随器。 放大是为了使信号发生器的输出电压达到预定技 术指标，要求其频带宽、谐波失真小、工作

6、稳定等,3）输出衰减器： 用于改变信号发生器的输出电压 或功率，通常分为连续调节和步进调节。连续调节由 电位器实现，步进调节由电阻分压器实现。图4-4所示 电路为低频信号发生器中最常用的输出衰减器。由电 位器RP取出一部分信号电压加于R1R8组成的步进衰 减器，调节电位器中点在不同位置，或调节波段开关S 处于不同档位，均可使衰减器输出不同电压。 4）功率放大器用来对衰减器送来的电压信号进行功率 放大，使之达到额定的功率输出。,5）阻抗变换器：用于匹 配不同阻抗的负载，以便 获得最大输出功率。 6）电压表：用来指示电压 放大器或功率放大器的输出 电压幅度，或对外部信号电 压进行测量。,(2) 低

7、频信号发生器的主要工作特性 目前，低频信号发生器的主要工作特性如下： 1）频率范围 一般为1Hz1MHz，且连续可调。 2）频率准确度 3）频率稳定度 优于0.14）输出 电压 010V连续可调。 5）输出功率 0.55W连续可调。 6）非线性失真范围 （0. 11） 7）输出阻抗 50、75、150、600、5k 等几种。 8）输出形式 平衡输出与不平衡输出。,2. 高频信号发生器,（1）高频信号发生器的组成,高频信号发生器的组成： 1） 主振级 2）缓冲级 3）调制级 4）输出级 5）衰减器 6）内调制振荡器 7）调频器 8）监测指示 9）电源供给,1）主振级：用于产生高频振荡信号。主振是

8、信号发生器的核心。一般采用可调频率范围宽、频率准确度高（优于10-3）和稳定度（优于10-4）好的LC振荡电路。主振级电路结构简单，输出功率不大，一般在几到几十毫瓦的范围内。 2）缓冲级：主要用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作稳定。 3）内调制振荡器：用于为调制级提供频率为400HZ或1000HZ的内调制信号，供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。,4）调制级：主振信号经缓冲级输出到调制级，进行正弦幅度调制和放大后输出，并保证一定的输出电平调节和输出阻抗。 5）可变电抗器：用来实现频率调制。可变电抗器与主振的谐振回路相耦合，在调制信号作用下，控制谐振回路电抗的变化实现调

9、频功能。为使高频信号发生器有较宽的工作频率范围和主振器工作在较窄的频率范围，以提高输出频率的稳定度和准确度，必要时可在主振级之后加入倍频器、分频器和混频器。 6）输出级：主要由放大器、滤波器、输出微调、输出倍乘等组成。可进一步控制输出电压的幅度，可使最小输出电压达V数量级。,当高频信号发生器处于AM调幅工作状态时，用内调制振荡器产生的信号对主振产生的高频振荡信号的幅度进行调制，让输出的信号频率保持载波信号不变，而幅度随调制信号的变化规律变化。达到输出调幅波的目的。 当高频信号发生器处于FM调频工作状态时，用内调制振荡器产生的信号对主振产生的高频振荡信号的频率进行调制，让输出的信号幅度保持载波信

10、号幅度不变，而频率随调制信号的变化规律变化，达到输出调频波的目的。,高频信号发生器的特点：有调制输出。 高频信号发生器输出波形： 正弦波 调幅波 调频波 输出频率为： 100kHz30MHz,调幅器电路 V1和V2为平衡调制器 Tr1 Tr2 变压器 载波信号通过变压器 Tr1加到V1和V2基极上 调制信号从Tr1的中心 抽头加入,调制,调幅主要用于高频段 （100KHZ 30MHZ） 调频主要用于甚高频段或超高频段 （4 300MHZ） 脉冲调制主要用于微波段 （300MHZ）,（2）高频信号发生器实例XFG-7高频信号发生器,（3）高频信号发生器的使用,高频信号发生器与低频信号发生器的使用

11、方法步骤相类似。大致分为如下几个方面： 1）准备工作 除了应注意正确选用符合要求的电源，保证仪器外壳接地良好（否则，必须在使用者的脚下垫衬绝缘板），电压表调零外，还应注意将各开关和旋钮置于起始位置：输出衰减处于最大衰减档，电源开关处于关断，载波调节、调幅度调节和输出微调旋钮等处于最小位置。然后开机预热，并将波段开关置于两档中间，继续对电压表调零。,2）等幅振荡输出 将调幅选择开关置于等幅位置；根据所需频率，将波段开关置于相应的频段；频率粗调旋钮旋到所需的频率附近，然后再调节频率微调旋钮以得到准确的频率。反复调节载波调节旋钮和输出微调旋钮输出所需的等幅振荡信号。 3）调幅波输出 高频信号发生器分

12、为内调制和外调制。 用内调制信号时： 将调幅选择开关置于相应的位置（400Hz或1000kHz）。 按选择等幅振荡频率的方法选择载波频率。 调节载波调节旋钮，使电压表指示处在大小合适的位置。 调节调幅度旋钮并读出调幅度的大小，典型的调幅度为30% 利用输出微调旋钮和输出倍乘开关来控制载波的输出幅度。,4.2.2 合成信号发生器,采用频率合成技术制成的频率源统称为频率合成器，采用频率合成技术可以对一个或几个高稳定度频率进行加、减、乘、除等算术运算，得到一系列所要求的频率。频率的加、减可通过混频获得，乘、除可通过倍频、分频获得。利用频率合成技术可以产生在一定频率范围内，按一定的频率间隔变化的一系列

13、离散频率的信号发生器。从频率合成技术的发展来看，大致可分为三个阶段：直接频率合成技术、间接频率合成技术即锁相合成技术(PLL)及数字频率合成技术(DDS)。,1直接频率合成技术 利用分频、倍频和混频及滤波技术，对一个或几 个基准频率进行算术运算合成所需要的频率的方 法称为直接频率合成技术。 （1）固定频率合成法 原理如图4-8所示。,图中基准频率源采用石英晶振，提供基准频率fr , 经分频（分频系数为D）、倍频（倍频系数为N）后输出频率为 ：,（2）可变频率合成法 原理如图4-9所示。可变频率合成法可根据需要选 择各种输出频率。将石英晶振产生的1MHZ基准频率， 通过谐波发生器产生1MHZ、2

14、MHZ、3MHZ 9MHZ 等基准频率信号，然后通过10分频器、混频器和窄带滤 波器，最后产生4.628MHZ的高稳定度的输出信号。只 要选取不同谐波进行合适的组合，就能得到各种所需频 率的高稳定度信号。可变频率合成法中，由于基准频率 转换输出频率所需的时间主要取决于混频器、滤波器、 倍频器、分频器等电路的稳定时间和传输时间，这些时 间一般较小（s量级），因此这种方法的频率转换速 度较快，频谱纯度高。但需要大量的混频器、分频器和 窄带滤波器，因而体积大、价格高，且难集成。一般只 用于实验室、固定通信、电子对抗及要求时间转换较小 的场合。,2数字频率合成技术 数字频率合成技术有直接合成与间接合成

15、之分， 这里主要介绍间接合成法。间接合成法也称锁相 合成法，它是利用锁相环PLL来完成频率的加减 乘除运算。,由于锁相环具有滤波作用，因此可以省掉直接合成法中大量的滤波器，它的通频带可以做得很窄，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。但间接合成法受锁相环锁定过程的限制，转换速度较慢，转换时间一般为毫秒ms级。,（1）基本锁相环 基本锁相环由基准频率源、相位比较器又称鉴相 器(PD)、环路滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)构 成一个闭环负反馈系统。如图4-10所示。,基本锁相环各部分作用如下： 1) 相位比较器(PD) 相位

16、比较器是相位比较装置，它将两个输入信号Ui和U0之间的相位进行比较，输出与两个信号的相位差成正比的误差电压Ud，送给窄带环路滤波器(LPF)。 2) 环路滤波器(LPF) 环路低通滤波器用于滤除误差电压Ud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。 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。,（2）锁相环的几种基本形式 1）倍频锁相环,（a）数字控制式倍频环 （b）脉冲控制式倍频环,2）分频锁相环,（a）数字控制式分频环 （b）脉冲控制式分频环,2）分频锁相环,（a）数字控制式分频环 （b）脉冲控制式分频环,3）组合锁相环,组合式锁相环如图4-13所示，由频率源、混频器、带通滤波器及基本锁相环组成，它可以实现频率的加、减运算。由于单个锁相环很难覆盖较宽的频