电子测量Chapter测量用信号源

1、Chapter 5测量用信号源5.1 信号源概述5.2 常用信号源5.3 合成信号源5.4 信号源的使用15.1 信号发生器概述一、信号发生器的用途 在研制、生产、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，常需要一种信号协助其他测量仪器观察、测量被测对象，以分析确定它们的性能参数，如下图所示。这种提供测试电信号的装置，统称为信号发生器。 信号发生器可提供不同频率；不同幅度、及不同波形信号。 信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。除了在电子技术尤其是电子测量方面的应用外，信号发生器在其他领域也有广泛应用，例如机械部门的超声波探伤，医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪 等。信

2、 号发生器被 测设 备测 试仪 器2二、信号发生器的基本构成振荡器变换器输出级指示器电 源3三、信号发生器分类 (1) 按频率范围分类分类名称频率范围应用领域 超低频信号发生器 30kHz以下 电声学、声纳 低频信号发生器 30kHz 300kHz 电报通讯 视频信号发生器 300kHz 6MHz 无线电广播 高频信号发生器 6MHz 30MHz 广播、电报 甚高频传号发生器 30MHz 300MHz电视、调频广播、导航 超高频倍号发生器 300MHz 3GHz通讯、雷达、气象等 (2)按信号发生器的性能分类 按信号发生器的性能指标，可分为一般信号发生器 和 标准信号发生器。前者指对其输出信号

3、的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器：后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。 (3) 按输出波形分类 根据使用要求，信号发生器可以输出不同波形的信号。 按照信号发生器输出信号的波形特性，可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦信号发生器又可包括 ：脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列传号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。4 四、信号发生器的主要性能指标 对于通用的测量信号发生器最基本的要求是： 产生一个具有指定波形的振荡信号，波形的参数已知；波形失真应足够

4、小。 信号的频率应在其有效范围内可调(步进或连续可调)， 信号的振幅应在其有效范围内可调(步进或连续可调)。 有合适的输出阻抗，高频信号发生器通常为50，低频信号发生器一般为600 。信号发生器的技术指标主要包括 频率特性、输出特性 和调制特性 等。下面结合正弦信号发生器，介绍它的主要技术指标。 1.频率特性 频率范围：信号发生器产生的信号频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖。 频率准确度：信号发生器显示数值与实际输出信号频率间之差，常用相对误差表示。 频率稳定度：指其他外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发地器输出频率相对于预调值变化的大小。按照国家标准，频率

5、稳定度又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。 频率短期稳定度为信号发生器经规定预热时间后，信号频率在任意15分钟内所发生的最大变化。 频率长期稳定度为信号发生器经规定须热时间后信号频率在任意3小时内所发生的最大变化。 稳定性指标分为稳定度和影响量。在规定的时间间隔内的频率漂移即稳定度；由温度电源、负载变化等外界因素造成的频率漂移(或变动)即为影响量。 (1)温度引起的变动量 (2)电源变化引起的频率变动量 (3)负载变化引起的频率变动量 使用者通常主要关心输出幅度随频率变化的情况。像用静态“点频法”测量放大器的幅频特性时就如此。5 2.输出特性 -信号发生器的输出特性包括它的输出阻抗、输出电平

6、、波形 等。 (1) 输出阻抗：会因类型不同而异。低频信号源的电压输出端输出阻抗一般为600 (或lk)，功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50/75/150/600/5k等档。高频信号发生器输出阻抗一般仅有50或75挡。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。 (2)电平特性：指输出幅度的有效范围、准确度、稳定度及平坦度。 输出电平：输出信号幅度有效范围。即产品规定的最大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。 幅度稳定度：指信号源经预热后，在规定时间内输出信号幅度对预调幅度值的相对变化量。 平坦度：分别指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。 (3)

7、波形持性：指输出波形的种类及其参数。 信号源一般可输出正弦、脉冲、方波、三角波、锯齿波、阶梯波，甚至任意波形。 正弦信号发生器应输出单一频率正弦信号，但由于非线性失真、噪声等原因，其输出信号中都含有谐波等其他成分，即信号的频谱不纯。要求信号发生器具有一定的频谱纯度，常用失真度来表示信号的频谱纯度。一般信号源的失真度应1。例：XD-2型低频信号发生器输出电压的失真度0.1。 3. 调制特性 -高频信号发生器一般还具有输出一种或多种调制信号的能力，通常为调幅和调频。调制持性包括调制的种类、频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。 例如，高频信号发生器中振幅调制的调制信号频率一般固定为400Hz或1

8、000Hz。而现代信号发生器往往同时具有调频、调幅、调相、脉冲调制等多种调制功能。 对于更高要求的测量，例如，标准信号发生器，除了上述基本要求外，还要在频率的范围、幅度的大小、稳定性、读出精度、以及调制性能、波形失真相输出泄漏等方面提出更高的要求。65.2 常用信号发生器一、低频信号发生器电 压放大器输 出衰减器功 率放大器指 示电压表可变频振荡器 1. 组成原理 主振器产生的低频正弦信号，经连续衰减器Rp调节后，可以由电压放大器放大及输出衰减器衰减后输出。但这个输出信号的负载能力很弱，只能供给电压，故称为电压输出。该信号经功率放大后，能够输出较大的功率，故称之为功率输出。在电路上可对输出功率

9、进行步进调节。阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗以获得最大的功率输出。7 2.主要工作性能指标 频率范围：一般20Hz-1MHz(实际的可由1Hz到远远高于1MHz以上)，且均匀连续可调频率准确度 ：频率稳定度 ：输出电压 0-10V连续可调。输出功率 0.5-5W连续可调。非线性失真(0.11)。输出阻抗 50、75 、600 、5k。输出形式 平衡输出与不平衡输出 XD系列低频信号发生器是国内常用的电子测量仪器，其主要型号和性能如下表所示：8 3. 在使用中的问题 低频信导发生器型号很多，但是它们的基本使用方法是类似。(1)了解面板 信号发生器面板一般包括：波形选择开关，输出频率调节 (频段

10、、粗调、微调等)、幅度调节旋钮、指示电压表及其量程选择等。 面板上的旋钮、开关等通常是按功能分区布置的，这样有利于我们熟悉仪器面板上的各旋纽的作用。 (2)注意正确的操作步骤 低频信号发生器的使用包括如下步骤： 准备：输出幅度调至最小(一般为逆时针到底)、预热，待仪器稳定工作后才可投入使用。 调节输出频率和幅度：先将频率范围置于相应的档位，按所需的频率调节频率度盘于相应频率点上。通常情况下，频率微调旋纽置于零位。(3)输出阻抗的配接 仪器输出阻抗与负载阻抗失配过大时，将会引起输出信号失真。 根据信号发生器外接负载电路的阻抗值，调节阻抗选择开关，使输出信号的输出失真小、功率大，以获得最佳负载输出

11、。(4)输出电路选择： 根据外接电路的输入方式，选择相应平衡或不平衡输出。(5)输出电压的调节和测读： 调节输出电压旋钮，可以连续改变输出电压的大小。9二、高频信号发生器 1. 组成原理 主振级：LC 三点式振荡电路产生具有一定工作频率范围的正弦信号，信号发生器频率的准确度、稳定度、频谱纯度主要由它确定。此外，输出电平及其稳定度和调频工作性能，主要也由主振级决定。要求主振级频率范围宽, 有较高的准确度(优于10-3)和稳定度(优于10-6)。主振级电路结构简单, 输出功率不大,一般在几mW-几十mW的范围 缓冲级：用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作的稳定。在某些频率较高

12、的信号发生器中,还可用倍频器/分频器或混频器使主振级输出频率范围更宽广。 调制级：完成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。 内调制振荡器：输出符合调制级要求的音频正弦调制信号。 可变电抗器：在内调制信号控制下改变主振级的谐振回路电抗，产生调频信号。 输出级：控制输出电压的幅度。对输出级的主要要求有: 输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性在输出端有准确且固定的电阻。 输出级由放大器、滤波器、输出微调(连续衰减电路)、输出倍乘(步进衰减电路)等组成。 监测器：用来监测输出信号的载波电平和调制系数。 电源：供给各部分所需的直流电压。10 2.主要工作性能指

13、标 (以XFG-7型高频信号发生器为例) 频率范围：100kHZ 30MHZ 共分11个频段； 频率刻度误差：1% 2. 输出阻抗与输出电压： 在“00.1V”插件中，接有分压电阻的电缆，终端输出电压“0.1 V10000V，分五档连续可调输出电阻为“8”， 在“01V“插件中，输出电压1V100000V连续可调，输出电阻为40。3.内部调制频率有400HZ和1000HZ两档，调幅度 0 100 %连续可调。4. 外部调制信号可用XD2低频信号发生器供给，调制频率50Hz和8000kHz，调幅度 0 100 %连续可调。11 3. 在应用中的问题 (1)应用于接收机的测试时，如选择性、灵敏度等

14、指标。为了使接收机符合实际的工作情况，必须在接收机与仪器间接一个等效天线。等效天线接在电缆分压器的分压接线柱(有电位的一端)与接收机的天线接线柱之间。一般可采用如图所示的接法。(2)阻抗匹配： 信号发生器只有在匹配情况下才能正常工作。如果负载阻抗不等于信号发生器的源阻抗(即仪器内衰减器的持性阻抗)，除会引起衰减外，还可能影响前级电路的工作，降低信号发生器的功率，在输出电路中出现驻波。 在失配时，应在信号发生器的输出端与负载之间加一个阻抗变换器。12三、脉冲信号发生器 1. 矩形脉冲的参数 脉冲信号发生器通常是指矩形窄脉冲发生器，它广泛用于测试和校准脉冲设备和宽带设备。例如测试视频放大器以及其他

15、宽带电路的振幅特性、过渡特性；逻辑元件的开关速度等。脉冲信号发生器是时域测量的重要仪器。13二、高频信号发生器 2. 脉冲信号发生器的组成原理主振级：可采用在自激多谐振荡器、晶体振荡器或锁相振荡器产生矩形波，也可将正弦振荡信号以放大、限幅后输出，作为下级的触发信号。希望它具有较好的调节性能和稳定的频率，对主振级输出波形的前、后沿等参量要求不很高，但要求波形的一致性好，并具有足够的幅度。 延迟级：延迟级电路通常由单稳电路 和微分电路 组成。对延迟级的要求是在全波段内获得一定的延时量以满足触发下一级电路所需的输出。形成级：通常由单稳态触发器等脉冲电路组成。它是脉冲信号发生器的中心环节，产生宽度准确

16、、波形良好的矩形脉冲，而且要求脉冲的宽度可独立调节，并具有较高的稳定性。整形级与输出级：一般由放大、限幅电路组成，整形级具有电流放大作用，输出级具有功率放大作用。14四、函数信号发生器 函数信号发生器，它是一种宽带频率可调的多波形发生器。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。现代函数信号发生器一般具有调制的功能和VCO。是一种不可缺少的通用信号源，可以用于生产测试、仪器维修和实验室。应用领域十分广泛。 函数信号发生器的构成方式很多，根据主振器的性质和特点，我们将函数信号发生器的构成方式分为三种类型：正弦式、脉冲式和合成式。下面简要介绍前二种的基本原理。正弦式函数信号发生器组成脉

17、冲式函数信号发生器组成155.3 合成信号发生器 科学技术的发展，现代电子测量对信号源频率准确度和稳定度的要求越来越高。可调的LC或RC振荡器作为主振级的信号源，其频率稳定度只能做到10-4量级左右，输出频率的准确度大约为10-5 - 10-6量级，再提高将受到限制。 合成信号发生器是利用频率合成技术制成的信号发生器。对一个或几个基准频率进行一系列的加、减、乘、除等算术运算，合成所需要的频率的过程，称为频率合成。特点： 采用频率合成技术，可以把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平； 可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。频率合成的方法： 可分为直接合成法、间接合成法 和

18、 直接数字频率合成法(DDS)。一、直接合成方法 利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法。 常见的有谐波法、连续混频-分频法。 由于直接合成法需要大量的混频器、分频器和滤波器，因而体积大，难于集成，价格昂贵。但是，直接频率合成法具有切换频率的速度快，输出频率的稳定度、准确度与基准频率相等的优点。 16二、间接合成方法 -利用锁相环(PLL)的频率合成方法。 *基本锁相环路是由相位比较器(PD)，压控振荡器(VCO)和环路滤波器(LPF)组成的闭合环路。是完成两个电信号相位同步的自动控制系统。udfif0PDLPFVCO间接合成的几

19、种基本形式：udfif0PDLPFVCONf0 =N fi udfif0PDLPFVCONf0 = fi /Nudfif0PDLPFVCO混频器f0 = fi2 fi1fi晶振N1udfif0PDLPFVCON2f0 = N1 fi /N2锁相环基本工作原理17三、数字直接合成方法 1.数字直接频率合成原理DDS电路 P相位控制字相位累加器D/A转换器相幅转换函数表时 钟 fc低通滤波器数字信号设：相位累加器有N位，步进值为 x，作累加1时，x = 2N，即要步进2N次；作2累加时，x = 2N/2，作n累加时，x = 2N/n。最低输出频率： 最高输出频率： 输出频率分辨率： 数字直接频率合成基本原理：18 调幅波的数字直接合成：DDS电路Phase控制字M相位累加器D/A转换器相幅转换函数表时 钟fc低 通滤波器基 带信 号19 调频波的数字直接合成：DDS电路P1相位累加器D/A转换器相幅转换函数表时 钟低 通滤波器基 带信 号P2当P 为常数时，将输出扫频信号。20 2.数字直接频率合成的实现方法： 数字直接频率合成的方法多样，可采用FPGA、DSP及其他智能芯片编程实现DDS，再经D/A转换与低通滤波完成输出；也可采用专用芯片。A