《电子测量仪器》第2章:信号发生器课件2.ppt
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1、第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.1 概述概述2.1.1 信号发生器的用途信号发生器的用途 2.1.2 信号发生器的分类信号发生器的分类 2.1.3 信号发生器的主要技术指标信号发生器的主要技术指标 2.2 低频信号发生器低频信号发生器 2.2.1 低频信号发生器的组成低频信号发生器的组成2.2.2 低频信号发生器的主要性能指标低频信号发生器的主要性能指标2.2.3 低频信号发生器的使用低频信号发生器的使用 第第2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 2.3 高频信号发生器高频信号发生器2.3.1 高频信号发生器的组成高频信号发生器的组成 2.3.2 高频信号发生器的使用高频
2、信号发生器的使用 2.4 合成信号发生器合成信号发生器 2.4.1 合成信号发生器的基本原理合成信号发生器的基本原理 2.4.2 合成信号发生器的主要技术指标合成信号发生器的主要技术指标2.5 函数信号发生器函数信号发生器 2.5.1 函数信号发生器的工作原理函数信号发生器的工作原理 2.5.2 函数信号发生器的使用函数信号发生器的使用 本章重点本章重点 熟悉函数信号发生器的组成和原理熟悉函数信号发生器的组成和原理 掌握信号发生器的性能指标掌握信号发生器的性能指标 熟练掌握信号发生器的正确使用熟练掌握信号发生器的正确使用本章难点本章难点 各种信号发生器的原理分析各种信号发生器的原理分析 合成信
3、号发生器中倍频式锁相环、混频式锁相环、分频式合成信号发生器中倍频式锁相环、混频式锁相环、分频式锁相环电路的区别与理解锁相环电路的区别与理解第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.1 概 述 测量用信号发生器又称测量用信号源,它能够产生不同频率、不同幅度的正弦信号、AM/FM等调制信号以及方波、三角波、锯齿波、正负脉冲信号等,其输出信号的频率、幅度、调制度等参数均可按需要进行调节。信号发生器使用灵活,广泛应用在试验、测量、校准以及维修领域。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.1.1 信号发生器的用途信号发生器有如下3方
4、面的用途。1.激励源 激励源作为某些电气设备的激励信号。例如,激励扬声器发出声音。2.信号仿真 信号仿真是当要研究一个电气设备在某种实际环境下所受影响时,需要施加具有与实际环境相同特性的信号。例如,研究高频干扰信号,就需要对干扰信号进行仿真。3.校准源校准源用于对一般信号源进行校准(或比对),有时称为标准源。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.1.2 信号发生器的分类 信号发生器用途广泛,种类繁多,按用途可分为通用和专用两大类。专用信号源仅适用于某些特殊测量要求或者是为专用目的而设计制造的。本章只讨论通用信号发生器。通用信号发生器可以从不同的角度进行如下分类。1.按输出波形分类
5、 按输出信号波形的不同,主要有正弦信号发生器和非正弦波信号发生器。非正弦波信号发生器又包括函数(波形)信号发生器、脉冲信号发生器和噪声信号发生器等。实际应用中,正弦信号发生器应用最广泛。函数信号发生器也比较常用,因为它不仅可以输出多种波形,而且信号频率范围也较宽且可调。脉冲信号发生器主要用来测量脉冲数字电路的工作性能。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.按频率范围分类 按照输出信号的频率范围,信号发生器可按表2.1进行分类,表中类型的划分以及频率的范围不是绝对的。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器3.按调制类型分类 按调制方式不同,主要有调幅(AM)、调频(FM)
6、、调相及脉冲调制(PM)信号发生器。4.按信号产生的方法分类 有谐振法和合成法等信号发生器。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.1.3 信号发生器的主要技术指标 信号发生器的技术指标较多,针对信号发生器的用途不同,其技术指标也不相同。通常用以下几项技术指标来描述正弦信号发生器的主要技术指标。1.频率特性常用以下4项技术指标来描述信号发生器的频率特性。(1)有效频率范围:各项指标均能得到保证的输出频率范围。(2)频率准确度:是指输出信号频率的实际值f与其标称值f0的相对偏差。其表达式为 (3)频率稳定度:是指其他外界条件恒定不变的情况下,在规定时间内,信号发生器输出频率相对预设值
7、变化的大小。它表征信号发生器维持工作于恒定频率的能力。根据国家标准频率的稳定度分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。长期稳定度是指长时间内频率的变化,如变化时间为3小时、12小时。短期稳定度是指信号发生器经规定的预热时间后,频率在规定的时间间隔内的最大变化。短期稳定度的表达式为式中,fmax和fmin分别为任意15分钟间隔内的最大值和最小值。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器(4)非线性失真和频谱纯度:实际中,信号发生器不易产生理想的正弦波。通常,用非线性失真来表征低频信号发生器输出波形的好坏,约为0.1%1%;用频谱纯度表征高频信
8、号发生器输出波形的质量。频谱不纯的主要来源为高次谐波和非谐波。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.输出特性(1)输出电平调节范围:低频和高频信号发生器的输出电平通常用电压电平表示,微波信号发生器则用功率电平表示。电平表示的方法可用电压,也可用分贝表示。一般输出电平并不高,但调节范围较宽,可达107。例如,HP8640B输出电平范围为+19dB-145dB。(2)输出电平准确度:一般在3%10%的范围内。(3)输出电平稳定度和平坦度:输出电平稳定度是指输出电平随时间变化的情况,而平坦度是指调节频率时输出电平幅度的变化情况。例如HP8640B的平坦度为0.5dB。(4)输出阻抗:低
9、频信号发生器的输出阻抗有50、600、5000三种,而高频信号发生器则为50或75两种。使用高频信号发生器时,要特别注意阻抗的匹配。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器3.调制特性(1)调制类型:通常包含如下几种类型。调幅(AM)适用于整个射频频段,但主要用于高频段。调频(FM)主要用于甚高频或超高频段。脉冲调制(PM)主要用于微波波段。视频调制(VM)主要用于电视使用的频段,即30MHz1000MHz。(2)调制频率及其范围:调制频率可以是固定的或连续可调的,可以是内调制也可以是外调制(由外部向仪器提供调制信号)。调幅的调制频率通常为400Hz、1000Hz;而调频的调制频率在1
10、0Hz110kHz范围内。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器(3)调制系数的有效范围:调幅系数的范围为080%;调频的频偏通常不小于75kHz。(4)调制系数的准确度:一般优于10%。(5)调制线性度:一般在1%5%的范围内。(6)寄生调制:寄生调制是指不加调制时,信号载波的残余调幅、残余调频;或调幅时有感生的调频、调频时有感生的调幅。通常寄生调制应低于40dB。以上各项技术指标主要是对正弦信号发生器而言的,至于函数发生器、合成信号发生器、任意波形发生器等还有其他相应的技术指标,以后再予叙述。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.2 低频信号发生器由于被测对象的性质
11、不同就需要不同频段的信号发生器。几乎所有的电子实验、测量和维修都需要低频信号发生器。低频信号发生器用来产生频率范围为1Hz1MHz的低频正弦信号、方波信号、三角波信号和其他波形信号。低频信号发生器以其多功能、宽量程的特点广泛应用于模拟电路的设计、测试和维修中。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.2.1 低频信号发生器的组成 低频信号发生器由主振器、电压放大器、输出衰减器和电压表组成,如图2.1所示。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器1.主振器 主振器是低频信号发生器的核心,它产生频率可调的正弦信号,它决定了信号发生器的有效频率范围和频率稳定度。低频信号发生器中产生
12、振荡信号的方法很多,但现代低频信号发生器中主振器广泛采用RC文氏电桥振荡器,文氏电桥振荡器由两级RC网络和放大器组成。图中R1、C1、R2、C2组成R选频网络,它跨接于放大器的输入端和输出端之间,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。为两级放大器。Rf、Rs组成负反馈臂,起到稳定输出信号幅度和减小失真的作用。该电路的振荡频率f0为 由式(2-3)可见,调节R(R1和R2)的大小可以改变输出信号的频率,调节C(C1和C2)也可以改变频率。通常R用于细调频率,C用 于粗调频率范围。输出信号的幅度由输出衰减器控制。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.电压放大器
13、 电压放大器兼有隔离和电压放大的作用。隔离是为了不使后级电路影响主振器的工作;放大是把振动器产生的微弱振荡信号进行放大,使信号发生器的输出电压达到预定的技术指标,要求其具有输入阻抗高、输出阻抗低(有一定的带负载能力)、频率范围宽、非线性失真小等性能。一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器3.输出衰减器 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,也称细调;步进调节由电阻分压器实现,并以分贝值为刻度,也称粗调。4.指示电压表 输出电压表用来指示输出电压或输出功率的幅度,或对外部信号电压进行测量
14、,可以是指针式电压表、数码LED或LCD电压表。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.2.2 低频信号发生器的主要性能指标低频信号发生器的主要工作特性包括以下几项。(1)频率范围:一般为20Hz1MHz,且连续可调。(2)频率准确度:1%3%。(3)频率稳定度:一般0.4%/小时。(4)输出电压:010V连续可调。(5)输出功率:0.5W5W连续可调。(6)输出阻抗:50、75、150、600、5k等几种。(7)非线性失真范围:0.1%1%。(8)输出形式:平衡输出与不平衡输出。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.3 高频信号发生器 高频信号发生器也称为射频信号发
15、生器,信号的频率范围在300kHz300MHz之间,广泛应用在高频电路测试中。为了测试通信设备,这种仪器具有一种或一种以上的组合调制(包括正弦调幅、正弦调频以及脉冲调制)功能。其输出信号的频率、电平、调制度可在一定范围内调节并能准确读数。2.3.1 高频信号发生器的组成 高频信号发生器的组成如图2.3所示。主要包括主振级、缓冲级、调制级、内调制振荡器、输出级、监测器等部分。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器1.主振级 主振级是信号发生器的核心,用于产生高频振荡信号并可实现调频功能。它一般采用可调频率范围宽、频率准确度高、稳定度好的LC振荡器。调频是用调制信号控制高频振荡器回路中的
16、某个电抗元件,使振荡频率随调制信号的幅值变化。主振级电路结构简单,输出功率不大,一般在几毫瓦到几十毫瓦的范围内。2.缓冲级 缓冲级主要起隔离放大的作用,用来隔离调制级对主振级产生的不良影响,保证主振级工作稳定并将主振信号放大到一定的电平。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器3.调制级 调制级实现调制信号对载波的调制,它包括调频、调幅和脉冲调制等调制方式。调频主要用于30MHz1000MHz的信号发生器中,调幅多用于300kHz30MHz的高频信号发生器中,脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号发生器中。信号发生器的调制方式通过面板上的选择开关来进行选择。调制信号可来自内调制振荡器
17、,也可来自外部。4.内调制振荡器 内调制振荡器用于产生调制信号,供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。5.输出级 高频信号发生器的输出级通常要满足下列3方面的要求。(1)足够的输出功率,因此,输出级应该包含功率放大级。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器(2)输出信号的幅度大小可以任意调节,因此,输出级必须具备输出微调和步进衰减电路;常采用电位器和电压分压器进行调节。(3)必须工作在负载匹配的条件下,如果不是这样,不仅要引起衰减系数误差,而且还可能影响前级电路的正常工作,减少信号发生器的输出功率,在输出电缆中出现驻波。因此,必须在信号发生器输出端与负载之间加入阻抗变换器,进行阻抗匹
18、配。6.监测器 监测器一般由调制计和电子电压表组成,用于监测输出信号的载波幅度和调制系数。7.电源 用来供给各部分所需的电压和电流。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.3.2 高频信号发生器的使用 下面以AS1051S型高频信号发生器为例,介绍其主要性能和使用方法。1.主要用途 高频信号发生器是无线电调试和修理的重要仪器,特别是在收音机的生产调试中,它得到了广泛的应用,AS1051S型高频信号发生器采用高可靠集成电路组成高质量的音频信号发生器、调频立体声信号发生器和稳定电源。高频信号发生器采用稳幅的调频、调幅电路,性能稳定,波形好,是一种高可靠多用途的信号发生器。第第2 2章章
19、 测量用信号发生器测量用信号发生器2.主要技术特性(1)调频立体声信号发生器工作频率:88MHz108MHz1%。导频频率:19kHz1Hz。1kHz内调制方式:左(L)、右(R)和左+右(L+R)。外调输入:输入的信号发生器内阻小于600,输入幅度小于15mV。输入插孔:左声道输入和右声道输入。高频输出:不小于50mV有效值,分高、低挡输出连续调节。(2)调频、调幅高频信号发生器工作频率:范围为100kHz150MHz(450MHz),分六个频段。依次为0.1MHz0.33MHz、0.32MHz1.06MHz、第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器1MHz 3.5MHz、3.3MH
20、z11MHz、10MHz37MHz、34MHz150MHz.1kHz内调制方式:调幅、载频(等幅)和调频。高频输出:不小于50mV有效值,分高、低挡输出连续调节。(3)音频信号发生器工作频率:1kHz10%。失真度:小于1%。音频输出:最大2.5V有效值,分高、中、低3挡输出连续可调,最小可达微伏数量级。(4)正常工作条件电源电压:22022V;502.5Hz。电源功耗:4W。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器2.4 合成信号发生器 随着电子技术的发展,对信号频率的稳定度和准确度提出了愈来愈高的要求。同样,在电子测量领域中,如果信号发生器频率的稳定度和准确度不够高,就很难胜任对电
21、子设备进行准确的频率测量。因此,信号发生器的频率稳定度和准确度是尤为重要的技术指标。而一个信号发生器输出信号频率的准确度、稳定度在很大程度上建立在主振器的输出频率的稳定度基础上。前面讲的以RC、LC为主振级的信号发生器中,频率准确度达10-2量级,频率稳定度达10-310-4量级,这远远不能满足现代电子测量和无线电通信等方面的要求。第第2 2章章 测量用信号发生器测量用信号发生器 合成信号发生器是用频率合成技术代替信号发生器中的主振器,即将一个(或几个)基准频率通过合成产生一系列满足实际需要频率的信号发生器,其基准频率通常由石英晶体振荡器产生。以石英晶体组成的振荡器其稳定度优于10-8量级,但
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