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1、电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第1页第第3 3章章 信号信号发生器发生器u3.1 3.1 信号发生器概述信号发生器概述信号发生器概述信号发生器概述u3.2 3.2 正弦信号发生器的性正弦信号发生器的性正弦信号发生器的性正弦信号发生器的性能指标能指标能指标能指标u3.3 3.3 低频信号发生器低频信号发生器低频信号发生器低频信号发生器u3.4 3.4 射频信号发生器射频信号发生器射频信号发生器射频信号发生器u3.5 3.5 扫频信号发生器扫频信号发生器扫频信号发生器扫频信号发生器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第2页3.1 信号信号发生器的概述发生器的概述u 信
2、号信号发生器发生器的的用途用途和和基本构基本构成成u 信号信号发生器发生器的分类的分类电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第3页3.1.1 信号源在电子测量中的信号源在电子测量中的用途用途和组成和组成1.1.信号源的作用信号源的作用 信号发生器也称信号发生器也称信号源是能够产生不同频率、信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。 信号源的用途主要有以下三方面：信号源的用途主要有以下三方面： 激励源。激励源。 信号仿真。信号仿真。 标准信号源。标准信号源。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第4页2. 信号源
3、的组成信号源的组成图313信号发生器原理框图电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第5页8.1.2 8.1.2 信号源的分类信号源的分类1. 按频率范围按频率范围 大致可分为六类：大致可分为六类： 名 称 频率范围 主要应用领域 超低频信号发生器 低频信号发生器 视频信号发生器 高频信号发生器 甚高频信号发生器 超高频信号发生器 30kHz以下 30 kHz300 kHz 300 kHz6 MHz 6 MHz30 MHz 30 MHz300 MHz 300 MHz3000 MHz 电声学、声纳 电报通讯 无线电广播 广播、电报 电视、调频广播、导航 雷达、导航、气象表3.11电子测量
4、原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第6页2. 2. 按输出波形按输出波形, ,大致可分为：大致可分为： 正弦波形发生器；正弦波形发生器； 脉冲信号发生器；脉冲信号发生器； 函数信号发生器；函数信号发生器； 噪声信号发生器。噪声信号发生器。 3. 按照信号发生器的性能指标 可分为： 一般信号发生器； 标准信号发生器； 电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第7页图3.12 几种典型的信号波形电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第8页3.23.2 正弦信号源的性能指标正弦信号源的性能指标1. 1. 频率特性频率特性uu（1 1 1 1）频率范围）频率范围）频率范围）频率
5、范围uu（2 2）频率准确度）频率准确度）频率准确度）频率准确度 : :通常用相对误差表示通常用相对误差表示通常用相对误差表示通常用相对误差表示uu（3 3）频率稳定度）频率稳定度）频率稳定度）频率稳定度 电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第9页uu (4)(4)由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量 在第一章第在第一章第在第一章第在第一章第114 4节中曾提到测量仪器的稳定性指标，其一为稳定节中曾提到测量仪器的稳定性指标，其一为稳定节中曾提到测量仪器的稳定性
6、指标，其一为稳定节中曾提到测量仪器的稳定性指标，其一为稳定度，其二为影响量。前述规定时间间隔内的频率漂移即稳定度，而由温度，其二为影响量。前述规定时间间隔内的频率漂移即稳定度，而由温度，其二为影响量。前述规定时间间隔内的频率漂移即稳定度，而由温度，其二为影响量。前述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度、电源、负载变化等外界因素造成的频率漂移度、电源、负载变化等外界因素造成的频率漂移度、电源、负载变化等外界因素造成的频率漂移( (或变动或变动或变动或变动) )即为影响量即为影响量即为影响量即为影响量. .uul) l)温度引起的变动量温度引起的变动
7、量温度引起的变动量温度引起的变动量 环境温度每变化工环境温度每变化工环境温度每变化工环境温度每变化工所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的x x.10.10-6-6，即，即，即，即（3.2-4） 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.电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第10页uu2) 2) 电源引起的频率变动量电源引起的频率变动量电源引起的频率变动量电源引起的频率变动量 供电电源变化供电电源变化供电电源变化供电电源变化1010所产生的相
8、对频率变化，表为：所产生的相对频率变化，表为：所产生的相对频率变化，表为：所产生的相对频率变化，表为： ，即即即即（3.2-5）电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第11页uu3)3)负载变化引起的频率变动量负载变化引起的频率变动量负载变化引起的频率变动量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：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：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：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，即，即，即（3.2-6） 式中f1为空载时的输出频率，f2为额定负
9、载时的输出频率。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第12页2. 2. 输出特性输出特性u（1 1）输出电平范围。）输出电平范围。u（2 2）输出电平的平坦度）输出电平的平坦度u（3 3）输出电平稳定度）输出电平稳定度u（4 4）输出阻抗）输出阻抗u（5 5）输出信号的非线性失真系数。）输出信号的非线性失真系数。uu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用非线性失真系
10、数用非线性失真系数用非线性失真系数 表示：表示：表示：表示：3. 调制特性调制特性的恒量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频偏，调制线性等。（3.2-7）式中U1为输出信号基波有效值， 为各次谐波有效值。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第13页1. 1. 低频信号发生器低频信号发生器的组成框图的组成框图u低频信号发生器频率范围一般为低频信号发生器频率范围一般为20Hz20Hz20KHz20KHz，故又称音，故又称音频信号发生器频信号发生器 3.33.3 低频信号发生器低频信号发生器图3.31 低频信号发生器框图一、低频信号发生器一、低频信号发生器电子测量原理电子测量原理电子测
11、量原理电子测量原理第14页图3.31 低频信号发生器框图电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第15页u低频信号发生器的核心部分是振荡器，作用：低频信号发生器的核心部分是振荡器，作用：低频信号发生器的核心部分是振荡器，作用：低频信号发生器的核心部分是振荡器，作用：产生频率可调的正弦信号，决定了信号源有产生频率可调的正弦信号，决定了信号源有产生频率可调的正弦信号，决定了信号源有产生频率可调的正弦信号，决定了信号源有效频率范围和频率稳定度。效频率范围和频率稳定度。效频率范围和频率稳定度。效频率范围和频率稳定度。 u低频信号发生器中产生振荡信号低频信号发生器中产生振荡信号低频信号发生器中产
12、生振荡信号低频信号发生器中产生振荡信号( (图图图图3 33-13-1中中中中主振器主振器主振器主振器) )的方法有多种，在通用信号发生器的方法有多种，在通用信号发生器的方法有多种，在通用信号发生器的方法有多种，在通用信号发生器( (如如如如XD-1 XD-1 、 XD-2XD-2、XD-7)XD-7)中，中，中，中，主振器通常使用主振器通常使用主振器通常使用主振器通常使用RCRC振荡器，振荡器，振荡器，振荡器，而其中应用最多的当属而其中应用最多的当属而其中应用最多的当属而其中应用最多的当属 文氏桥振文氏桥振文氏桥振文氏桥振荡器。荡器。荡器。荡器。2 2. .通用通用RC振荡器振荡器电子测量原
13、理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第16页图3.32 RC文氏桥网络u这里主要介绍文氏桥振荡器的核心部件这里主要介绍文氏桥振荡器的核心部件文氏文氏桥式选频网络桥式选频网络电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第17页图3.32 RC文氏桥网络电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第18页u 图图图图3 33-23-2给出了文氏桥式网络及其传输函给出了文氏桥式网络及其传输函给出了文氏桥式网络及其传输函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数的幅频相频特性。我们简要分析其工作原数的幅频相频特性。我们简要分析其工作原数的幅频相频特性。我们简要分析其
14、工作原理。在图理。在图理。在图理。在图(a)(a)中，中，中，中， 是网络的输入电压，是网络的输入电压，是网络的输入电压，是网络的输入电压， 是输出电压，是输出电压，是输出电压，是输出电压，Z Z1 1为为为为R R、C C串联阻抗，串联阻抗，串联阻抗，串联阻抗，Z Z2 2为为为为R R、C C并联阻抗，则网络的传输函数并联阻抗，则网络的传输函数并联阻抗，则网络的传输函数并联阻抗，则网络的传输函数（3.3-1）电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第19页u式中式中式中式中（3.3-2） 由式(3。31)得到传输函数的幅频特性 和相频特性 分别为 （3.3-3）（3.3-4）电子测
15、量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第20页u 和和和和 分别示于图分别示于图分别示于图分别示于图3 33-23-2中中中中(b)(b)和和和和.由图由图由图由图(b)(b)、(c)(c)可以看出：当可以看出：当可以看出：当可以看出：当 ，或，或，或，或 时，输出信号与输入信号同相，且此时传输时，输出信号与输入信号同相，且此时传输时，输出信号与输入信号同相，且此时传输时，输出信号与输入信号同相，且此时传输函数模最大函数模最大函数模最大函数模最大 ，如果，如果，如果，如果输出信号输出信号输出信号输出信号 后接放大倍数后接放大倍数后接放大倍数后接放大倍数 的同相放大器的同相放大器的同相放大器
16、的同相放大器( (一般一般一般一般 由两级反相放大器级联实由两级反相放大器级联实由两级反相放大器级联实由两级反相放大器级联实现现现现) )，那么就可以维持，那么就可以维持，那么就可以维持，那么就可以维持 或者或者或者或者 的正弦振荡，而的正弦振荡，而的正弦振荡，而的正弦振荡，而 由于由于由于由于RCRC网络的选频特性，其网络的选频特性，其网络的选频特性，其网络的选频特性，其他频率的信号将被抑制。他频率的信号将被抑制。他频率的信号将被抑制。他频率的信号将被抑制。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第21页u 但是，放大倍数但是，放大倍数但是，放大倍数但是，放大倍数K Kv v3 3的
17、放大器是不稳定的放大器是不稳定的放大器是不稳定的放大器是不稳定的，同时由于文氏桥电路的选频特性很差，的，同时由于文氏桥电路的选频特性很差，的，同时由于文氏桥电路的选频特性很差，的，同时由于文氏桥电路的选频特性很差，放大器增益不稳，不但会引起振荡振幅变化，放大器增益不稳，不但会引起振荡振幅变化，放大器增益不稳，不但会引起振荡振幅变化，放大器增益不稳，不但会引起振荡振幅变化，还会造成输出波形失真。因此，总是使用高还会造成输出波形失真。因此，总是使用高还会造成输出波形失真。因此，总是使用高还会造成输出波形失真。因此，总是使用高增益的二级放大器加上负反馈，使得在维持增益的二级放大器加上负反馈，使得在维
18、持增益的二级放大器加上负反馈，使得在维持增益的二级放大器加上负反馈，使得在维持振荡期间，总电压增益为振荡期间，总电压增益为振荡期间，总电压增益为振荡期间，总电压增益为3 3，这样就形成了图，这样就形成了图，这样就形成了图，这样就形成了图3 3，3333所示的文氏桥振荡电路。图中负温度所示的文氏桥振荡电路。图中负温度所示的文氏桥振荡电路。图中负温度所示的文氏桥振荡电路。图中负温度系数热敏电阻系数热敏电阻系数热敏电阻系数热敏电阻R Rt t和电阻和电阻和电阻和电阻R Rf f就构成了电压负反馈就构成了电压负反馈就构成了电压负反馈就构成了电压负反馈电路。电路。电路。电路。电子测量原理电子测量原理电子
19、测量原理电子测量原理第22页 图3.33 使用热敏电阻Rt作为增益控制器件的 文氏桥式振荡器方框图电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第23页 (l) (l) LCLC振荡器振荡器振荡器振荡器u 当谈到正弦振荡时，很容易想到用当谈到正弦振荡时，很容易想到用当谈到正弦振荡时，很容易想到用当谈到正弦振荡时，很容易想到用L L、C C构构构构成谐振电路和晶体管放大器来实现。实际上成谐振电路和晶体管放大器来实现。实际上成谐振电路和晶体管放大器来实现。实际上成谐振电路和晶体管放大器来实现。实际上基本不用这种电路做为低频信号发生器的主基本不用这种电路做为低频信号发生器的主基本不用这种电路做为低
20、频信号发生器的主基本不用这种电路做为低频信号发生器的主振荡器。这是因为对振荡器。这是因为对振荡器。这是因为对振荡器。这是因为对L L、C C振荡电路，振荡频振荡电路，振荡频振荡电路，振荡频振荡电路，振荡频率率率率u 当频率较低时，当频率较低时，当频率较低时，当频率较低时， L L、C C的体积都相当大，分的体积都相当大，分的体积都相当大，分的体积都相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数数数数QQ值降低很多，谐振特性变坏，且调节困难。值降低很多，谐振特性变坏，且调节困难。
21、值降低很多，谐振特性变坏，且调节困难。值降低很多，谐振特性变坏，且调节困难。3.其它低频振荡器其它低频振荡器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第24页 (2)(2)差频式振荡器差频式振荡器差频式振荡器差频式振荡器u可变频率振荡器和固定频率振荡器分别产生可可变频率振荡器和固定频率振荡器分别产生可可变频率振荡器和固定频率振荡器分别产生可可变频率振荡器和固定频率振荡器分别产生可变频率的高频振荡变频率的高频振荡变频率的高频振荡变频率的高频振荡f f1 1和固定频率的高频振荡和固定频率的高频振荡和固定频率的高频振荡和固定频率的高频振荡f f2 2，经过混频器，经过混频器，经过混频器，经过混
22、频器MM产生两者差频信号产生两者差频信号产生两者差频信号产生两者差频信号f f f f1 1 f f2 2 ，后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高频分量。频分量。频分量。频分量。图3.36 差频信号发生器框图电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第25页 超低频信号发生器实际上仍属于低频信号发超低频信号发生器实际上仍属于低频信号发超低频信号发生器实际上仍属于低频信号发超低频信号发生器实际上仍属于低频信号发生器，只是输出信号频率低端较一般低频信生器，只是输出信号频
23、率低端较一般低频信生器，只是输出信号频率低端较一般低频信生器，只是输出信号频率低端较一般低频信号发生器更低一些，通常将能产生士号发生器更低一些，通常将能产生士号发生器更低一些，通常将能产生士号发生器更低一些，通常将能产生士HzHz以下以下以下以下频率的信号源称为超低频信号发生器，目前频率的信号源称为超低频信号发生器，目前频率的信号源称为超低频信号发生器，目前频率的信号源称为超低频信号发生器，目前超低频信号发生器的频率低端已可低于超低频信号发生器的频率低端已可低于超低频信号发生器的频率低端已可低于超低频信号发生器的频率低端已可低于1010-8-8 Hz.Hz.这类信号发生器主要用于自动控制系统的
24、这类信号发生器主要用于自动控制系统的这类信号发生器主要用于自动控制系统的这类信号发生器主要用于自动控制系统的 测试。测试。测试。测试。二、超低频信号发生器二、超低频信号发生器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第26页1用积分器构成的超低频信号发生器用积分器构成的超低频信号发生器 (1)(1)运算放大器及其理想化模型运算放大器及其理想化模型运算放大器及其理想化模型运算放大器及其理想化模型u 图图图图3 33-8(a)3-8(a)中虚框内表示运算放大器，中虚框内表示运算放大器，中虚框内表示运算放大器，中虚框内表示运算放大器，(b)(b)中中中中虚框内部分为其等效电路，图虚框内部分为其
25、等效电路，图虚框内部分为其等效电路，图虚框内部分为其等效电路，图3 33-83-8中中中中(c)(c)的的的的理想化运放模型。理想化运放模型。理想化运放模型。理想化运放模型。 图3.38 运算放大器及其理想化模型电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第27页 图3.38 运算放大器及其理想化模型电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第28页 图3.38 运算放大器及其理想化模型电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第29页(2)(2)用运放构成的超低频信号发生器用运放构成的超低频信号发生器用运放构成的超低频信号发生器用运放构成的超低频信号发生器u 仍考虑图仍考虑图
26、仍考虑图仍考虑图3.39(c)3.39(c)积分电路和式积分电路和式积分电路和式积分电路和式(3.310)(3.310)，当输入当输入当输入当输入 为角频率为角频率为角频率为角频率 的正弦函数时的正弦函数时的正弦函数时的正弦函数时 也为同频率正弦函数，用相量表示有也为同频率正弦函数，用相量表示有也为同频率正弦函数，用相量表示有也为同频率正弦函数，用相量表示有(3.3-12)或者电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第30页图3.39 运算放大器的运算功能电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第31页u 即积分器产生即积分器产生即积分器产生即积分器产生 相移，增益为相移，增益
27、为相移，增益为相移，增益为 如如如如果用两级积分器级联并在反馈环路中加接一果用两级积分器级联并在反馈环路中加接一果用两级积分器级联并在反馈环路中加接一果用两级积分器级联并在反馈环路中加接一个反相器个反相器个反相器个反相器( )( )，如图，如图，如图，如图3.31.0(a)3.31.0(a)所示，所示，所示，所示，则闭环增益则闭环增益则闭环增益则闭环增益(3.3-13)或者当(3.3-14)电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第32页u 时，闭环增益时，闭环增益时，闭环增益时，闭环增益 ，这正好是维持振荡，这正好是维持振荡，这正好是维持振荡，这正好是维持振荡的相位和振幅条件，也就是
28、说图的相位和振幅条件，也就是说图的相位和振幅条件，也就是说图的相位和振幅条件，也就是说图3 3310(a)310(a)图电路可产生频率为式图电路可产生频率为式图电路可产生频率为式图电路可产生频率为式(3(3314)314)所表示的正所表示的正所表示的正所表示的正弦振荡。在实际振荡器中，为了调节方便，弦振荡。在实际振荡器中，为了调节方便，弦振荡。在实际振荡器中，为了调节方便，弦振荡。在实际振荡器中，为了调节方便，结构简单，一般取结构简单，一般取结构简单，一般取结构简单，一般取 ，并在两级积分器前，各加一个由同轴电位器并在两级积分器前，各加一个由同轴电位器并在两级积分器前，各加一个由同轴电位器并在
29、两级积分器前，各加一个由同轴电位器构成的分压电路，分压比均为构成的分压电路，分压比均为构成的分压电路，分压比均为构成的分压电路，分压比均为a a，如图，如图，如图，如图3 333l0(b)l0(b)所示，不难得出其振荡频率为所示，不难得出其振荡频率为所示，不难得出其振荡频率为所示，不难得出其振荡频率为(3.3-15) 实际振荡器中，用改变R或C的办法改变频段，改变。进行频率细调。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第33页 图3.310 用积分器构成的超低频信号发生器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第34页u在低频在低频在低频在低频( (或超低频或超低频或超低频或超
30、低频) )信号发生器的家族中，还有信号发生器的家族中，还有信号发生器的家族中，还有信号发生器的家族中，还有一种被称为函数信号发生器，简称函数一种被称为函数信号发生器，简称函数一种被称为函数信号发生器，简称函数一种被称为函数信号发生器，简称函数 发生发生发生发生器，它在输出正弦波的同时，还能输出同频器，它在输出正弦波的同时，还能输出同频器，它在输出正弦波的同时，还能输出同频器，它在输出正弦波的同时，还能输出同频率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足不同的测试需求。函数发生器的基本工作
31、原不同的测试需求。函数发生器的基本工作原不同的测试需求。函数发生器的基本工作原不同的测试需求。函数发生器的基本工作原理是先由积分电路和触发电路产生三角波和理是先由积分电路和触发电路产生三角波和理是先由积分电路和触发电路产生三角波和理是先由积分电路和触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器方波，然后通过函数转换器方波，然后通过函数转换器方波，然后通过函数转换器( (例如二极管整形例如二极管整形例如二极管整形例如二极管整形网络网络网络网络) )将三角波整形成正弦波。将三角波整形成正弦波。将三角波整形成正弦波。将三角波整形成正弦波。 2 2、函数信号发生器、函数信号发生器电子测量原理电子测量原理
32、电子测量原理电子测量原理第35页1 1）方波）方波）方波）方波三角波发生器三角波发生器三角波发生器三角波发生器 u图图图图3 331l31l是函数发生器的原理图，图中由是函数发生器的原理图，图中由是函数发生器的原理图，图中由是函数发生器的原理图，图中由双稳态触发器，比较器双稳态触发器，比较器双稳态触发器，比较器双稳态触发器，比较器I I、和积分器构成方和积分器构成方和积分器构成方和积分器构成方波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网络将三角波整形成正弦波。其简要工作原理络将三角波整形
33、成正弦波。其简要工作原理络将三角波整形成正弦波。其简要工作原理络将三角波整形成正弦波。其简要工作原理如下：如下：如下：如下：电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第36页图3.311 函数发生器原理图 电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第37页图3.312 函数发生器波形图电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第38页2 2）正弦波形成电路）正弦波形成电路）正弦波形成电路）正弦波形成电路 u 将对称三角波转换为正弦波的原理如图将对称三角波转换为正弦波的原理如图将对称三角波转换为正弦波的原理如图将对称三角波转换为正弦波的原理如图3.33.313(a)13(a)所
34、示。正弦波可看成是由许多斜率不同所示。正弦波可看成是由许多斜率不同所示。正弦波可看成是由许多斜率不同所示。正弦波可看成是由许多斜率不同的直线段组成，只要直线段足够多，由折线的直线段组成，只要直线段足够多，由折线的直线段组成，只要直线段足够多，由折线的直线段组成，只要直线段足够多，由折线构成的波形就可以相当好地近似正弦波形，构成的波形就可以相当好地近似正弦波形，构成的波形就可以相当好地近似正弦波形，构成的波形就可以相当好地近似正弦波形，斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到到到到(
35、 (各段相应的分压系数不同各段相应的分压系数不同各段相应的分压系数不同各段相应的分压系数不同). ).因此，只要将因此，只要将因此，只要将因此，只要将三角波叭通过二个分压网络，根据叭的大小三角波叭通过二个分压网络，根据叭的大小三角波叭通过二个分压网络，根据叭的大小三角波叭通过二个分压网络，根据叭的大小改变分压网络的分压系数，便可以得到近似改变分压网络的分压系数，便可以得到近似改变分压网络的分压系数，便可以得到近似改变分压网络的分压系数，便可以得到近似的正弦波输出。二极管整形网络就可实现这的正弦波输出。二极管整形网络就可实现这的正弦波输出。二极管整形网络就可实现这的正弦波输出。二极管整形网络就可
36、实现这种功能，我们用图种功能，我们用图种功能，我们用图种功能，我们用图3.313(b)3.313(b)所示的二极管整所示的二极管整所示的二极管整所示的二极管整形网络来说明其工作原理。形网络来说明其工作原理。形网络来说明其工作原理。形网络来说明其工作原理。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第39页图3.313 由三角波整形成正弦波电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第40页图3.313 由三角波整形成正弦波电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第41页3.4 3.4 高频信号发生器高频信号发生器u高频信号发生器输出频率范围一般在高频信号发生器输出频率范围一般在
37、300KHz1GHz，大，大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能图3.411 高频信号发生器框图电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第42页 一、锁相信号发生器一、锁相信号发生器u 随着通信及电子测量水平的发展与提高，需随着通信及电子测量水平的发展与提高，需随着通信及电子测量水平的发展与提高，需随着通信及电子测量水平的发展与提高，需要信号发生器能有足够宽的频率复盖，足够要信号发生器能有足够宽的频率复盖，足够要信号发生器能有足够宽的频率复盖，足够要信号发生器能有足够宽的频率复盖，足够高的频率准确度和稳定度。由高的频率准确度和稳定度。由高的频率准确度和稳
38、定度。由高的频率准确度和稳定度。由LCLC振荡电路或振荡电路或振荡电路或振荡电路或RCRC振荡器为主振器的信号发生器已不能适应振荡器为主振器的信号发生器已不能适应振荡器为主振器的信号发生器已不能适应振荡器为主振器的信号发生器已不能适应更高的要求。更高的要求。更高的要求。更高的要求。u 锁相信号发生器是在高性能的调谐式信号发锁相信号发生器是在高性能的调谐式信号发锁相信号发生器是在高性能的调谐式信号发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，并将信号源的振荡生器中增加频率计数器，并将信号源的振荡生器中增加频率计数器，并将信号源的振荡生器中增加频率计数器，并将信号源的振荡频率利用锁
39、相原理锁定在频率计数器的时基频率利用锁相原理锁定在频率计数器的时基频率利用锁相原理锁定在频率计数器的时基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上，而频率计数器又是以高稳定度的石英晶上，而频率计数器又是以高稳定度的石英晶上，而频率计数器又是以高稳定度的石英晶体振荡器为基准的，从而使锁相信号发生器体振荡器为基准的，从而使锁相信号发生器体振荡器为基准的，从而使锁相信号发生器体振荡器为基准的，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，信的输出频率的稳定度和准确度大大提高，信的输出频率的稳定度和准确度大大提高，信的输出频率的稳定度和准确度大大提高，信号
40、号号号 频谱纯度等性能特性也有很大改善。频谱纯度等性能特性也有很大改善。频谱纯度等性能特性也有很大改善。频谱纯度等性能特性也有很大改善。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第43页 图3.46 锁相环基本方框图锁相环基本工作原理锁相环基本工作原理 锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（鉴相器（PD）、环路滤波器（）、环路滤波器（LPF）、电压控制）、电压控制振荡器（振荡器（VCO）及基准晶体振荡器等部分组成）及基准晶体振荡器等部分组成 。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第44页锁相环的主要性能指标锁相环的主要性能
41、指标:u同步带宽同步带宽 ：锁定条件下输入频率所允许的最大变：锁定条件下输入频率所允许的最大变：锁定条件下输入频率所允许的最大变：锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围化范围化范围化范围 u捕捉带宽捕捉带宽捕捉带宽捕捉带宽 ：环路最终能够自行进入锁定状态的最：环路最终能够自行进入锁定状态的最：环路最终能够自行进入锁定状态的最：环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的频差大允许的频差大允许的频差大允许的频差 u环路带宽环路带宽环路带宽环路带宽 : : 锁相环的频率特性具有低通滤波器的锁相环的频率特性具有低通滤波器的锁相环的频率特性具有低通滤波器的锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性，其高频截
42、止频率称为环路带宽。传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第45页1.1.频率合成原理频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。 二、合成信号发生器二、合成信号发生器频率频率1 1输出输出石英晶体石英晶体代数运算代数运算（加、减、乘、除）（加、减、乘、除）频率合成原理频率合成原理频率频率n n输出输出基准频率基准频率电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第46页2. 2. 频率合成分类及特点频率合
43、成分类及特点直接频率合成直接频率合成 通通过过频频率率的的混混频频、倍倍频频和和分分频频等等方方法法来来产产生生一一系系列列频频率率信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。 晶振晶振谐波发生器（倍频）谐波发生器（倍频）分频（分频（1010）8MHz8MHz混频（混频（+ +）混频（混频（+ +）2MHz2MHz滤波滤波分频（分频（1010）2.8MHz2.8MHz滤波滤波0.28MHz0.28MHz分频（分频（1010）混频（混频（+ +）滤波滤波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628M
44、Hz3.628MHz直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz优点：优点：频率切换迅速，相位噪声很低。频率切换迅速，相位噪声很低。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第47页锁相式频率合成锁相式频率合成锁相式频率合成锁相式频率合成 间接频率合成间接频率合成间接频率合成间接频率合成uu一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（一种间接式的频率合成技
45、术。它利用锁相环（PLLPLLPLLPLL）把压）把压）把压）把压控振荡器（控振荡器（控振荡器（控振荡器（VCOVCOVCOVCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通）的输出频率锁定在基准频率上，这样通）的输出频率锁定在基准频率上，这样通）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。不同的频率。不同的频率。不同的频率。 uu优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低优点：易于集成化，体积
46、小，结构简单，功耗低，价格低优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低等优点。等优点。等优点。等优点。uu缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。 电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第48页图349 间接式频率合成器原理框图电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第49页u 间接合成法即锁相环路法，图间接合成法即锁相环路法，图间接合成法即锁相环路法，图间接合成法即锁相环路法，图3 3494
47、9是它的原理框图。图中压控振荡器输出频率是它的原理框图。图中压控振荡器输出频率是它的原理框图。图中压控振荡器输出频率是它的原理框图。图中压控振荡器输出频率经分经分经分经分 频后得到频后得到频后得到频后得到 频率的信号送往鉴相器，频率的信号送往鉴相器，频率的信号送往鉴相器，频率的信号送往鉴相器，与采自晶振输出经与采自晶振输出经与采自晶振输出经与采自晶振输出经n n2 2次分频的频率次分频的频率次分频的频率次分频的频率f f0 0/ /n n2 2的信的信的信的信号进行相位比较，由前面的锁相环路的介绍号进行相位比较，由前面的锁相环路的介绍号进行相位比较，由前面的锁相环路的介绍号进行相位比较，由前面
48、的锁相环路的介绍可知，当可知，当可知，当可知，当 即即即即(3.4-1)电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第50页u例：例：下面是一个三环锁相频率合成器原理框图下面是一个三环锁相频率合成器原理框图 三环三环PLL合成器合成器VCOBPDBLPFBfBfiNBMVCOCPDCLPFCBPFfoVCOAPDALPFA+NAfANAPLL+PLLMNBPLLfifo三环合成器简化框图三环合成器简化框图fBfA电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第51页uu环环环环A A A A输出频率为输出频率为输出频率为输出频率为: : : :uu环环环环B B B B的输出频率为的输出
49、频率为的输出频率为的输出频率为: : : : 由环由环C C有：有： 因此，合成器的输出频率为因此，合成器的输出频率为 ：电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第52页3.5 扫频信号发生器扫频信号发生器 扫频信号发生器是一种输出信号的频率扫频信号发生器是一种输出信号的频率扫频信号发生器是一种输出信号的频率扫频信号发生器是一种输出信号的频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发生器，它是频率特性测试仪生器，它是频率特性测试仪生器，它是频率特性测试仪生器，它是频率特性测试仪
50、( (扫频仪扫频仪扫频仪扫频仪) )的核心，的核心，的核心，的核心，主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第53页一、线性电路幅频特性的测量一、线性电路幅频特性的测量一、线性电路幅频特性的测量一、线性电路幅频特性的测量 在测量技术分类中，频域测量占有重要在测量技术分类中，频域测量占有重要在测量技术分类中，频域测量占有重要在测量技术分类中，频域测量占有重要地位，其中主要原因是线性电路对正弦激励地位，其中主要原因是线性电路对正弦激
51、励地位，其中主要原因是线性电路对正弦激励地位，其中主要原因是线性电路对正弦激励的响应仍是正弦信号，只是与输入相比，其的响应仍是正弦信号，只是与输入相比，其的响应仍是正弦信号，只是与输入相比，其的响应仍是正弦信号，只是与输入相比，其振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频率的函数。我们已经知道，正弦稳态下的系率的函数。我们已经知道，正弦稳态下的系率的函数。我们已经知道，正弦稳态下的系率的函数。我们已经知道，正弦稳态下的系统函数或传输函数统函数或传输函数统函数或传输函数统函数或传输函数N
52、 N( )( )就反映了该系统激就反映了该系统激就反映了该系统激就反映了该系统激励与响应间的关系励与响应间的关系励与响应间的关系励与响应间的关系(3.5-1)电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第54页u 式中式中式中式中 ( (或写成或写成或写成或写成 ) )与与与与 ) ( ) (或或或或写成写成写成写成 ) )分别称为电路分别称为电路分别称为电路分别称为电路( (系统系统系统系统) )的幅频特性和的幅频特性和的幅频特性和的幅频特性和相频特性相频特性相频特性相频特性. .电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第55页1 1点频法测量幅频特性点频法测量幅频特性点频法测量
53、幅频特性点频法测量幅频特性u 所谓点频法，简单说就是所谓点频法，简单说就是所谓点频法，简单说就是所谓点频法，简单说就是“ “逐点逐点逐点逐点” ”测量幅测量幅测量幅测量幅频特性或相频特性的方法，频特性或相频特性的方法，频特性或相频特性的方法，频特性或相频特性的方法， 点频法原理简单，点频法原理简单，点频法原理简单，点频法原理简单，需要的设备也不复杂。但由于要逐点测量，需要的设备也不复杂。但由于要逐点测量，需要的设备也不复杂。但由于要逐点测量，需要的设备也不复杂。但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连
54、续，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，非常容易遗漏掉某些特性突变点，而这常常非常容易遗漏掉某些特性突变点，而这常常非常容易遗漏掉某些特性突变点，而这常常非常容易遗漏掉某些特性突变点，而这常常是我们在测试和分析电路性能时非常关注的是我们在测试和分析电路性能时非常关注的是我们在测试和分析电路性能时非常关注的是我们在测试和分析电路性能时非常关注的问题。问题。问题。问题。u 这种快速直观的测量方法就是扫频法测这种快速直观的测量方法就是扫频法测这种快速直观的测量方法就是扫频法测这种快速直观的测量方法就是扫频法测量的基本思想，提供频率可自动连续变化的量的基本思想，提供频率可自动连续变化的量的基本思想
55、，提供频率可自动连续变化的量的基本思想，提供频率可自动连续变化的正弦波信号源，称为扫频信号源或扫频振荡正弦波信号源，称为扫频信号源或扫频振荡正弦波信号源，称为扫频信号源或扫频振荡正弦波信号源，称为扫频信号源或扫频振荡器。器。器。器。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第56页图3.51 点频法测量系统的幅频特性电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第57页图3.51 点频法测量系统的幅频特性电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第58页u 2 2扫频法测量频率特性扫频法测量频率特性扫频法测量频率特性扫频法测量频率特性u 扫频法测量电路幅频特性的原理图示扫频法测量
56、电路幅频特性的原理图示扫频法测量电路幅频特性的原理图示扫频法测量电路幅频特性的原理图示于图于图于图于图3.523.52中，在图中，在图中，在图中，在图( (a)a)的原理框图中，除被的原理框图中，除被的原理框图中，除被的原理框图中，除被测网络外，其余部分通常都安装于称为频率测网络外，其余部分通常都安装于称为频率测网络外，其余部分通常都安装于称为频率测网络外，其余部分通常都安装于称为频率特性测试仪特性测试仪特性测试仪特性测试仪( (也称扫频仪也称扫频仪也称扫频仪也称扫频仪) )的同一仪器中，扫的同一仪器中，扫的同一仪器中，扫的同一仪器中，扫频信频信频信频信 号发生器实际上是频率可控的正弦振荡号发
57、生器实际上是频率可控的正弦振荡号发生器实际上是频率可控的正弦振荡号发生器实际上是频率可控的正弦振荡器，比如前面所说的压控振荡器器，比如前面所说的压控振荡器器，比如前面所说的压控振荡器器，比如前面所说的压控振荡器( (VCO)VCO)，它的它的它的它的振荡振荡振荡振荡 频率受扫描电压频率受扫描电压频率受扫描电压频率受扫描电压u us s控制。控制。控制。控制。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第59页图3.52 扫频法测量网络频率特性原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第60页图3.52 扫频法测量网络频率特性原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第6
58、1页图3.52 扫频法测量网络频率特性原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第62页u 2 2扫频振荡器的工作原理扫频振荡器的工作原理扫频振荡器的工作原理扫频振荡器的工作原理u 实现扫频振荡的方法很多，常用的有实现扫频振荡的方法很多，常用的有实现扫频振荡的方法很多，常用的有实现扫频振荡的方法很多，常用的有磁调电感法、变容二极管法以及微波波段使磁调电感法、变容二极管法以及微波波段使磁调电感法、变容二极管法以及微波波段使磁调电感法、变容二极管法以及微波波段使用的返波管法、用的返波管法、用的返波管法、用的返波管法、YIGYIG谐振法等。下面简单介谐振法等。下面简单介谐振法等。下面简单介
59、谐振法等。下面简单介绍前两种方法。绍前两种方法。绍前两种方法。绍前两种方法。u (1) (1) 磁调电感法磁调电感法磁调电感法磁调电感法u 磁调电感法原理图如图磁调电感法原理图如图磁调电感法原理图如图磁调电感法原理图如图3 35454，图，图，图，图( (a)a)中中中中L L2 2、C C谐振回路的谐振频率谐振回路的谐振频率谐振回路的谐振频率谐振回路的谐振频率f f0 0为为为为(3.5-2)电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第63页图3.54 磁调电感式扫频法原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第64页图3.54 磁调电感式扫频法原理电子测量原理电子测量原理电
60、子测量原理电子测量原理第65页u 式中式中式中式中L L2 2为绕在高频磁芯为绕在高频磁芯为绕在高频磁芯为绕在高频磁芯MMHH上线圈的电上线圈的电上线圈的电上线圈的电感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变L L2 2 ，也就改变了谐振频率。由电磁学理论可也就改变了谐振频率。由电磁学理论可也就改变了谐振频率。由电磁学理论可也就改变了谐振频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的导磁系数知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的导磁系数知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的导磁系数知，带磁芯线圈的
61、电感量与磁芯的导磁系数 成正比成正比成正比成正比(3.5-3)电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第66页u 式中式中式中式中L L为空芯线圈的电感量。由于高为空芯线圈的电感量。由于高为空芯线圈的电感量。由于高为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯频磁芯频磁芯频磁芯MMHH接在低频磁芯接在低频磁芯接在低频磁芯接在低频磁芯MML L的磁路中，而绕在的磁路中，而绕在的磁路中，而绕在的磁路中，而绕在MML L上的线圈中的电流是交流和直流两部分的上的线圈中的电流是交流和直流两部分的上的线圈中的电流是交流和直流两部分的上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流，如图扫描电流，如图扫描电流，如图扫
62、描电流，如图( (b)b)所示。当扫描电流随时间所示。当扫描电流随时间所示。当扫描电流随时间所示。当扫描电流随时间变化变化变化变化 时，使得磁芯的有效导磁系数时，使得磁芯的有效导磁系数时，使得磁芯的有效导磁系数时，使得磁芯的有效导磁系数 也随也随也随也随着改变，再由式着改变，再由式着改变，再由式着改变，再由式(3(35-2)5-2)、(3(35-3)5-3)可知，扫可知，扫可知，扫可知，扫描电流的变化就导致了描电流的变化就导致了描电流的变化就导致了描电流的变化就导致了L L2 2及谐振频率及谐振频率及谐振频率及谐振频率f f0 0的变化的变化的变化的变化实现了实现了实现了实现了“ “扫频扫频扫
63、频扫频” ”。电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第67页u (2) (2)变容二极管法变容二极管法变容二极管法变容二极管法u 由式由式由式由式(3(352)52)可知，如果能用扫描信号可知，如果能用扫描信号可知，如果能用扫描信号可知，如果能用扫描信号改变谐振电路中电容量改变谐振电路中电容量改变谐振电路中电容量改变谐振电路中电容量C C的大小，也能使谐振的大小，也能使谐振的大小，也能使谐振的大小，也能使谐振频率随之改变，变容二极管法扫频振荡器就是频率随之改变，变容二极管法扫频振荡器就是频率随之改变，变容二极管法扫频振荡器就是频率随之改变，变容二极管法扫频振荡器就是基于这一原理。图基
64、于这一原理。图基于这一原理。图基于这一原理。图3.553.55是变容二极管特性曲是变容二极管特性曲是变容二极管特性曲是变容二极管特性曲线，这种二极管的特性可表示为线，这种二极管的特性可表示为线，这种二极管的特性可表示为线，这种二极管的特性可表示为（3.5-4）电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第68页 图3.55 变容二极管特性电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第69页u 式中式中式中式中C Cj0j0为变容二极管反向电压为零时为变容二极管反向电压为零时为变容二极管反向电压为零时为变容二极管反向电压为零时的结电容，的结电容，的结电容，的结电容，r r为电容变化系数，为电容变化系数，为电容变化系数，为电容变化系数，U UD D为为为为PNPN结势结势结势结势垒电压，垒电压，垒电压，垒电压，U U为加到变容二极管两端的反向电压。为加到变容二极管两端的反向电压。为加到变容二极管两端的反向电压。为加到变容二极管两端的反向电压。比如如果使用突变结的变容二极管，则比如如果使用突变结的变容二极管，则比如如果使用突变结的变容二极管，则比如如果使用突变结的变容二极管，则r r1 12 2，此时电容为此时电容为此时电容为此时电容为（3.5-5）电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第70页函数、任意波形发生器函数、任意波形发生器
