电子测量技术(第3版)第七章第2部分

1、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。n731函数信号发生器的基本组成与原理7.3 函数信号发生器1方波-三角波-正弦波函数信号发生器的构成方案 如图7.9所示，由外触发或内触发脉冲，触发施密特电路产生方波，输出信号的频率由触发脉冲决定，然后经积分器输出线性变化的三角波或斜波，调节积分时间常数RC的值，可改变积分速度，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路形成正弦波。图7.9 方波-三角波-正弦波函数发生器的原理框图2三角波-方波-正弦波函数信号发生器的构成方案 如图7.10所示，由三角波发生器先产生三

2、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波，最后经过缓冲放大器输出所需信号。虽然方波可由三角波通过方波变换电路变换而来，但在实际中，三角波和方波是难以分开的，方波形成电路通常是三角波发生器的组成部分。图7.10 三角波-方波-正弦波函数信号发生器的原理框图3正弦波-方波-三角波函数信号发生器的构成方案 如图7.11所示，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形成方波，经方波形成电路产生方波，最后经过缓冲放大器输出所需信号。图7.11 正弦波-方波-三角波函数信号发生器的原理框图1三角波形成电路 电路框图如图7.12所示，由恒流源控制电路、恒

3、流源、积分器（包括积分电容C和运算放大器A）和幅度控制电路构成。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（1）电压斜升过程。积分器输出电压为:1o1IutC 式中，uo1斜升输出电压的瞬时值； I1 正恒流源的电流值； C 积分电容的电容量。 由上式可以看出，改变恒流源的电流或积分电容值可改变输出电压的变化斜率，即改变三角波的频率，通常调节C实现粗调，调节I实现细调。 当电压上升到幅度控制电路的限值电平+E时，幅度控制电路将发出控制信号，使开关S断开“1”，三角波的斜升过程结束。如图7.13所示，三角波的斜升时间为112 E CTI式中，T1 输出电压的斜升时间； I

4、1 正恒流源的电流值； C 积分电容的电容量； E 幅度控制电路的限值电平。图7.13 三角波形成过程的波形图n （2）电压斜降过程。当开关S拨向“2”时，接通负恒流源，负恒流源I2向积分电容充电，且充电方向与开关S拨向“1”时相反，电容上的电荷减少，形成三角波的斜降过程。当电压下降到幅度控制电路的极限电平-E时，控制电路又使“2”断开，三角波的斜降过程结束。同理可得：2o2o1IuutC式中，uo2斜升输出电压的瞬时值； I2 负恒流源的电流值； C 积分电容的电容量。222 E CTI式中，T2为输出电压的斜降时间。如此重复进行，形成了连续的三角波。2正弦波形成电路正弦波形成电路用于将三角

5、波变换成正弦波。图7.14所示为典型的二极管网络变换电路。图7.14 正弦波形成电路原理图n（1）在三角波的正半周，当ui的瞬时值很小时， uo = ui 。n（2）当三角波的瞬时电压ui 上升到u1 ，n（3）当三角波的瞬时电压ui 上升到u2 时，输入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VD3a、VD4a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。 同理，当三角波自

6、正峰值逐渐减小时，二极管VD4a、VD3a、VD2a、VD1a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7.15所示。 图7.15 正弦波形成电路波形图733函数信号发生器的性能指标n（1）输出波形：输出波形有正弦波、方波、脉冲和三角波等波形，具有TTL同步输出及单次脉冲输出等。n（2）频率范围：频率范围一般分为若干频段。n（3）输出电压：一般指输出电压的峰-峰值。n（4）波形特性：不同波形有不同的表示法。 n（5）输出阻抗：函数输出50；TTL同步输出600。7.3.47.3.4函数信号发生器的应用n 函数发生器

7、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。测试过程如下。图7.16 放大器幅频特性测试连线图n（1）按图7.16所示连线。n（2）调节函数发生器，使其输出频率1kHz，幅度为10mV的正弦信号，并将其送到被测放大器输入端。n（3）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Y输入端，测出放大器在1kHz时的输出电压值。n（4）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，画出被测放大器的频率特性曲线。 7.4 高频信号发生器 n1高频信号发生器

8、的基本组成与原理n高频信号发生器组成的基本框图如图7.17所示，主要包括主振级、缓冲级、调制级、输出级、监测电路和电源等电路。图7.17 高频信号发生器框图n 主振级产生高频振荡信号，该信号经缓冲级缓冲后，被送到调制级进行幅度调制和放大，调制后的信号再送给输出级输出，以保证具有一定的输出电平调节范围。监测电路监测输出信号的载波电平和调制系数，电源用于提供各部分所需的直流电压。n2高频信号发生器的分类n 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。n3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

9、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。 工作频率f0为： 012fLC4锁相信号发生器 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。图7.19所示为锁相环路的基本框图。 图7.19 锁相环的基本框图7.5 合成信号发生器n7.5.1 7.5.1 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）运算，从而得到所需的频率。频率合成的方法分为两类，一类是直接合成法，一类是间接合成法。n（1）直接合

10、成法包括模拟直接合成法和数字直接合成法。模拟直接合成法采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率；数字直接合成法则是利用RAM和DAC结合，通过控制电路，从RAM单元中读出数据，再进行数/模转换，得到一定频率的输出波形。n（2）间接合成法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。7.5.27.5.2 直接合成法1固定频率合成法 固定频率合成法的原理框图如图7.20所示。输出频率为orNffD式中，D分频器的分频系数； N倍频器的倍频系数； fo输出频率； fr基准频率。图7.20 固定频率合成法原理框图n2可变频率

11、合成法n可变频率合成法可以根据需要选择各种输出频率。如图7.21所示为可变频率合成器的原理框图，可输出频率为5.937MHz的信号。图7.21 可变频率合成器的原理框图3数字直接合成法 如图7.22所示，电路由顺序地址发生器、ROM、锁存器和DAC变换器等电路构成。图7.22 数字直接合成法原理框图n 间接合成法也称锁相合成法。所谓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、分频式锁相环、组合式锁相环、多环式锁相环等。7.5.3 7.5.3 间接合成法1基本锁相环如图7.23所示，基本锁相环是由基准频率源、鉴相器（

12、PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成的一个闭环反馈系统。图7.23 基本锁相环框图n（1）鉴相器（PD）。鉴相器是相位比较装置，它将两个输入信号Ui和Uo之间的相位进行比较，取出这两个信号的相位差，以电压Ud的形式输出给低通滤波器（LPF）。当环路锁定后，鉴相器的输出电压是一个直流量。n（2）环路滤波器（LPF）。环路低通滤波器用于滤除误差电压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。n（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。n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入

13、混频器和带通滤波器组成的。如果混频器是和混频，则输出频率 ；如果混频器是差混频，则输出频率 。21iiofff21iiofff2.混频式锁相环图7.24 混频式锁相环框图3倍频式锁相环 倍频式锁相环就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。有脉冲控制环和数字环两种，如图7.25（a）、（b）所示。图7.25 倍频式锁相环框图4分频式锁相环 分频式锁相环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。与倍频环相同，分频式锁相环也有脉冲控制环和数字环两种，如图7.26（a）、（b）所示。 图7.26 分频式锁相环框图5组合式锁相环 如图7.27所示为混频环和倍频环构成的组合

14、环，锁定时可产生2MHz的频率信号。图7.27 组合式锁相环的构成框图7.6 扫频信号发生器n7.6.17.6.1 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用于分析电路频率特性的电子测量仪器。n1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（2）输出信号的频率受控制参量控制。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。n2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

15、任意调节。n（）寄生调幅要小。n（）扫描线性度好。n3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，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）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，符合被测电路的应用实际。 7.6.27.6.2 扫频振荡器的工作原理1变容二极管扫频 一般频率可调的LC振荡器用波段开关切换不同容量的电容，达到改

16、变频率的目的；而变容管扫频振荡器用一个或多个变容管和回路电容并连，当变容管容量改变时，同样达到改变频率的目的。图7.30 变容二极管扫频振荡电路 n 这是一个改进型电容三点式振荡电路，振荡频率由L、C4、C5和两个变容二极管VD1、VD2的电容Cj联合决定，锯齿波电压通过R6加到两个变容二级管两端，以控制结电容Cj，从而使振荡器的振荡频率随锯齿波电压的变化而变化，改变锯齿波电压的变化速率（扫描速度），就可改变扫频速度；改变锯齿波电压的幅度则可改变扫频宽度。n磁调电感扫频n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。n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

17、着线性关系。 n式中 L空心线圈的电感量；n 磁芯的增量导磁系数；n 有效导磁系数；n 磁芯的利用率。LLLOCO 磁调电感法扫频就是根据式（7.18）工作的。当电流发生变化时，电感量发生变化，由它构成的振荡电路的频率也发生变化。 图7.31 磁调电感法扫频的原理图n磁调电感振荡器的振荡频率为n (7.20) n式中 n L空心线圈的电感量；n 磁心的增量导磁系数；n 磁心的利用率；n C谐振回路的电容。LCLCCLc01117.6.3 7.6.3 扫频法测试的基本原理图7.32 扫频法测量电路幅频特性原理框图7.7 脉冲信号发生器 脉冲信号发生器有射频脉冲信号发生器和视频脉冲信号发生器两种，前者一般由高频或超高频信号发生器处于通断脉冲调制状态而获得，而通用脉冲信号发生器都是以产生矩形脉冲为主的视频脉冲信号发生器。通用脉冲