测量信号产生与仪器应用

第2章测量信号产生与仪器应用2.1案例分析2.2信号源用途、种类、性能指标2.3正弦信号发生器2.4函数信号发生器2.5脉冲信号发生器2.6任意波形发生器教学导航教知识重点1.信号源的分类和基本组成。2.低频信号发生器、高频信号发生器的基本组成、工作原理和功能。3.合成信号发生器主要技术指标及其分类与用途。4.模拟直接合成法工作原理，理解间接合成法、数字直接频率合成法的工作原理。5.函数信号发生器的组成框图及其工作原理与用途。知识难点1.信号发生器的基本组成、工作原理和功能。2.信号发生器基本操作使用。推荐教学方式1.从信号发生器的实际应用入手，通过对应用的分析，加深对信号发生器的感性认识。2.另举一实用的信号发生器使用进行案例分析，巩固理论知识，将理论与实际结合起来，同时拓展学生知识面。建议学时6学时学推荐学习方法1.本章注重对概念、信号发生器中各种仪器分类、组成及功能的理解。2.通过案例，掌握各种信号发生器的组成、工作原理和功能，并对它进行操作。3.查有关资料，加深理解，拓展知识面。必须掌握的理论知识1.信号源的分类和基本组成。2.各种信号发生器的基本组成、工作原理和功能。必须掌握的技能能够熟练掌握各种信号发生器的基本操作。案例1函数信号发生器在测量放大电路中的应用

信号发生器通常称为信号源，在科研、生产、使用、测试和维修各种电子元件、部件及整机设备时，都需要信号源提供激励信号。由信号发生器产生不同频率、不同波形的电压和电流信号加到被测器件、设备上，然后用其他仪器观测其输出响应。

信号发生器所提供符合一定电子技术要求的电信号，其波形、频率和幅度都是可以调节的，并可准确读出数值。在电子测量中，信号发生器是最基本、应用最广泛的测量仪器。其功能主要有：作为电器设备的激励信号源。作为仿真信号，用于在设备测量中产生模拟实际环境特性的信号，如对于干扰信号进行仿真。作为校准信号源，产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准或对比。

实验中要对各种电子仪器进行综合使用，可按照信号流向，以连线简捷、调节顺手，观察和读书方便等原则进行合理布局，各仪器与被测实验装置之间的布局与连接如图2-1所示2.1信号源用途、种类、性能指标信号源有如下三方面的用途：1）激励源2）信号仿真3）校准源1、信号源用途1）按照输出信号波形分类：正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器；2）按照频率范围分类：超低频、低频、视频、高频、甚高频、超高频信号发生器；3）按照性能指标分类：一般信号发生器和标准信号发生器。2、信号源种类信号源性能指标主要包括以下几项：1）频率特性：频率范围、频率准确度和频率稳定度；2）输出特性：输出阻抗、输出电平及其平坦度、输出形式、输出波形和谐波失真度；3）调制特性：调制信号；调制类型；调制系数的有效范围。3、信号源性能指标4、信号发生器的一般组成主振器变换器输出级指示器电源输出图2-2信号发生器的一般组成。5、信号发生器的测量方法

在电子测量中，用到信号发生器的测量方法主要包括以下几种：5、信号发生器的测量方法

图2-3为谐振法测量集中参数元件的工作原理图，调谐信号发生器输出频率使之与LC谐振电路谐振频率相等时，电压表指示最大，LC谐振电路谐振，依据此时LC谐振电路谐振特性可以测量集中参数元件。1）、谐振法

5、信号发生器的测量方法图2-4为二次测量法测量放大器输出阻抗的原理图。2）、二次测量法5、信号发生器的测量方法

图2-5为比较法测量被测信号电压、电流等的原理图。变换开关S位置，调节标准信号发生器使前后两次指示器指示不变或保持一定关系，即可测出被测量来。3）、比较法5、信号发生器的测量方法

图2-6为替代法测量场强的原理图，变换开关S位置，调节标准信号发生器使前后两次指示器指示不变，则标准信号发生器产生信号的场强等于被测信号场强。4）、替代法2.2正弦信号发生器1、低频信号发生器

低频信号发生器又称为音频信号发生器，用来产生频率范围的低频正弦信号、方波信号及其他波形信号。它是一种多功能、宽量程的电子仪器，在低频电路测试中应用比较广泛，还可以为高频信号发生器提供外部调制信号。

1、低频信号发生器1）、低频信号发生器的组成：

①主振级主振级是低频信号发生器的核心部分，通常有差频式的频率形成电路和RC文氏电桥正弦振荡电路。A差频式低频信号形成电路的工作原理

图2-8差频式的频率形成电路

BRC振荡电路形成低频信号的工作原理图2-9RC文氏电桥振荡电路

热敏电阻R3(具有负温度特性)，自动稳定振荡幅度。调整频率是通过调节正反馈臂双联电容C（电阻R）来改变振荡输出频率。C.缓冲放大和功率放大作用：①放大②隔离。D.输出衰减图2-10衰减器原理图

相当于衰减器，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2-10所示电路是XD-22A型低频信号发生器中使用的输出衰减器。E.阻抗变换：匹配不同阻抗的负载。F.输出指示：指示输出信号的电压或功率的大小。2)、低频信号发生器的主要工作特性频率范围：一般为，且连续可调。②频率准确度：±（1～3）%。③频率稳定度：一般为（0.1～0.4）%/小时。④输出电压：0～10V连续可调。⑤输出功率：0.5～5W连续可调。⑥非线性失真范围：（0.1～1）%。⑦输出阻抗等几种。⑧输出形式：平衡输出与不平衡输出。3）、低频信号发生器的使用1）、了解面板结构2）、注意正确的操作步骤：信号发生器的使用步骤如下：①准备工作②选择频率③输出阻抗的配接④输出电路形式的选择⑤输出电压的调节和测读。2、高频信号发生器

高频信号发生器和甚高频信号发生器统称为高频信号发生器，它们在高频电路测试中应用比较广泛。1）、高频信号发生器的组成及原理

2、高频信号发生器2）、高频信号发生器原理：（1）主振级：主振级是信号发生器的核心，一般采用可调频率范围宽、频率准确度高、稳定度好的LC振荡器，它用于产生高频振荡信号。（2）缓冲级：缓冲级主要起阻抗变换的作用，用来隔离调制级对主振级产生的不良影响，以保证主振级稳定工作。（3）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。2、高频信号发生器2）、高频信号发生器原理：（4）可变电抗器：可变电抗器与主振级的谐振回路相耦合，在调制信号作用下，控制谐振回路电抗的变化而实现调频。（5）内调制振荡：内调制振荡器用于为调制级提供频率为的内调制正弦信号，该方式称为内调制。当调制信号由外部电路提供时，称为外调制。2、高频信号发生器2）、高频信号发生器原理：（6）输出级：输出级主要由放大器、滤波器、输出微调器、输出倍乘器等组成。（7）监测器：监测器用以监测输出信号的载波幅度和调制系数。（8）电源：电源用来供给各部分所需要的电压和电流。3、合成信号发生器合成信号发生器是用频率合成器代替主振级的正弦信号发生器。频率合成器是以一个或少量几个标准频率为基准，利用锁相环（PLL）等进行频率合成的频率振荡器，频率合成器产生的信号具有很高的频率稳定度和极纯的频谱。3、合成信号发生器1）工作原理：除振荡器外，合成信号发生器的其他部分与高频信号发生器相似。图2-12为QF1050型信号发生器原理框图，它由射频部分、锁相部分、调制部分和控制部分等组成。3、合成信号发生器2）主要性能指标：QF1050型信号发生器是采用锁相技术制成的标准信号发生器。它可提供载频、调频、调幅信号，并可接受立体声调制，主要用于调频、调幅接收机的检验和维修，也可用于移动通信和其他接收设备的调试与维修。其主要性能指标如下：（1）载频：（2）调频、调幅（3）输出电平（4）预置功能3、合成信号发生器3）面板结构：QF1050型信号发生器面板结构如图2-13所示2.3函数信号发生器1、函数信号器的分类1）函数信号发生器产生信号的方法有三种：第一种：由施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波形；第二种：先产生正弦波再得到方波和三角波；第三种：先产生三角波再变换为方波和正弦波。2、脉冲式函数信号器2、脉冲式函数信号器

脉冲式函数信号发生器的组成如图2-14(a)所示。它包括双稳态触发器、积分器和正弦波变换电路等部分，双稳态触发器通常采用施密特触发器，积分器则采用密勒积分器。密勒积分器即反向型负反馈积分器，因具有良好的线性而得到了广泛的应用。

2、脉冲式函数信号器

脉冲式函数信号发生器的工作过程如图2-14(b)所示，假设开关悬空，当双稳态触发器输出为时，积分器输出将开始线性下降，当下降到等于参考电平时，比较器使双稳态触发器翻转，由变为，同时，将开始以与线性下降相等的速率线性上升。当上升到等于参考电平时，双稳态触发器又翻转回去，于是完成一个循环周期。不断重复上述过程，即得到方波信号、三角波信号，以及由经过正弦波成形电路变换成的正弦波。三种波形再经过输出级放大后即可在输出端得到所需的波形。图2-14中A、B点波形极性相反。3、正弦式函数信号器图2-15为正弦式函数信号发生器基本原理框图。3、正弦式函数信号器图2-15为正弦式函数信号发生器基本原理框图。它包括正弦振荡器、缓冲级、方波形成器、积分器、放大器和输出级等部分。其工作过程是：正弦振荡器输出正弦波，经缓冲级隔离后，分为两路信号，一路送放大器输出正弦波，另一路作为方波形成器的触发信号。方波形成器通常是施密特触发器，它输出两路信号，一路送放大器，经放大后输出方波；另一路作为积分器的输入信号。积分器通常为密勒积分器，积分器将方波变换为三角波，经放大后输出。三个波形的输出由选择开关控制。2.4脉冲信号发生器1、矩形脉冲信号参数

脉冲信号通常指持续时间较短、有特定变化规律的电压或电流信号。常见的脉冲信号波形有矩形、锯齿形、钟形、阶梯形、数字编码序列等，下面对其主要参数进行简要介绍。其中，最基本的脉冲信号是矩形脉冲信号，如图2-18所示。1、矩形脉冲信号参数图2-18矩形脉冲参数1、矩形脉冲信号参数（1）脉冲幅度：脉冲顶量值和底量值之差。（2）脉冲周期和重复频率：周期性脉冲相邻两脉冲相同位置之间的时间间隔称为脉冲周期，用表示。脉冲周期的倒数称为重复频率。（3）脉冲宽度（或）脉冲前后沿50%处的时间间隔。1、矩形脉冲信号参数（4）脉冲的占空比：脉冲宽度与脉冲周期T的比值称为占空比或空度系数。即（5）上升时间：指由10%电平处上升到90%电平处所需的时间，也称脉冲前沿。（6）下降时间：由脉冲90%电平处下降到10%电平处所需的时间，也称脉冲后沿。2、脉冲信号发生器的分类按照脉冲用途和产生方法的不同，脉冲信号发生器可分为:1）通用脉冲信号发生器2）快沿脉冲发生器3）函数信号发生器4）数字可编程脉冲信号发生器5）特种脉冲发生器3、脉冲信号发生器组成及工作原理分析1）、通用脉冲信号源的组成框图如图2-19所示。

图2-19脉冲信号发生器原理框图

3、脉冲信号发生器组成及工作原理分析2)、各部分功能如下：1）主振级：该单元是脉冲信号源的核心，它决定着输出脉冲的重复频率。2）延时级：对主振级输出脉冲延时，使仪器输出的同步脉冲略超前于主脉冲。3）形成级:在延时脉冲作用下，产生宽度准确、波形良好的矩形脉冲。4）输出级:本级用于调节输出脉冲的幅度，选择输出脉冲的极性，进行阻抗变换等。5）同步输出级:输出供测试用的同步信号。2.5任意波形发生器1、任意波形发生器技术特性1）输出幅度:指在波形不失真时的输出峰-峰值。2）幅度分辨力:指信号发生器输出电压在幅度上的分辨能力，在很大程度上取决于D/A转换器的性能。3）相位分辨力:即输出波形的时间分辨力，通常指波形存储器存储样点的个数，也可定义为存储器的深度或容量。4）最高取样率:在任意波形发生器中最高取样率是指输出波形样点的速率，它表征任意波形发生器输出波形的最高频率分量。1、任意波形发生器技术特性5）输出通道数:任意波形发生器可单通道输出，也可双通道或多通道输出，还可以是模拟信号通道及数字信号通道输出。6)频谱纯度:指在输出正弦波情况下，谐波和噪声应比基波小得多。7）直流偏移:即给信号波形叠加直流电压。2、任意波形发生器工作原理分析

图2-20单机结构任意波形发生器组成框图2、任意波形发生器工作原理分析

1）任意波形发生器的组成

任意波形发生器是在微机控制下工作的，一般有两种结构形式。A单机结构由微处理器系统和信号产生部分组成独立仪器。B插卡结构任意波形发生器以板卡形式插入PC机插槽，或将PC机总线引出机外与插卡相连。图2-20是单机结构任意波形发生器的组成框图。微机系统将波形数据送至波形存储器RAM（高速）。当输出波形时，由高速时钟发生器和高速计数器产生RAM地址信号，并从RAM中读出数据，经转换器转换后得输出波形。2、任意波形发生器工作原理分析

1）任意波形的产生方法

A表格法B数学方程法C折线法D作图法E输入法2.6典型仪器—TFG2003型DDS函数信号发生器1、TFG2003型DDS函数信号发生器TFG2000系列DDS函数信号发生器采用直接数字合成技术（DDS）,具有快速完成测量工作所需的高性能指标和众多的功能特性。其简单而功能明晰的前面板及液晶汉字或荧光字符显示功能使您更便于操作和观察，选装的扩展功能模块，可使您获得增强的系统功能。1）操作特性：按键输入，菜单显示，手轮调节2）显示方式：液晶显示LCD，黄绿背光，中文菜单，廉价实用荧光显示VFD，兰绿字符，英文菜单，显示清晰，亮度高。3）电源条件：电压：AC220V（1±10％）频率：50Hz（1±5％）功耗：＜30VA1、TFG2003型DDS函数信号发生器1．A路主要技术指标1）波形特性波形种类：正弦波，方波，直流波形长度：4～16000点波形幅度分辨率：10bits采样速率：180MSa/s杂波谐波抑制度：≥50dBc（F<1MHz）≥40dBc(1MHz<F<20MHz)正弦波总失真度：≤0.5％（20Hz—200kHz）方波升降时间：≤20ns方波过冲：≤5％方波占空比范围：20％～80％(频率<1MHz)1、TFG2003型DDS函数信号发生器——主要性能指标

1．A路主要技术指标2）频率特性频率范围：40mHz～（3MHz,6MHz,15MHz,30MHz，50MHz,）频率分辩率：40mHz频率准确度：±(5×10-5+40mHz)频率稳定度:±5×10-6/3小时1、TFG2003型DDS函数信号发生器——主要性能指标

1．A路主要技术指标3）幅度特性幅度范围：2mVp-p～20Vp-p(高阻,频率<1MHz)分辩率：20mVp-p(A>2V),2mVp-p(0.2V<A<2V),0.2mVp-p(A<0.2V)幅度准确度：±(1％+2mV)（高阻，有效值，频率1kHz）幅度稳定度：±0.5％/3小时幅度平坦度：±5％(F<1MHz),±10％(1MHz<F<10MHz)输出阻抗：50Ω1、TFG2003型DDS函数信号发生器——主要性能指标

1．B路主要技术指标1）波形特性：波形种类：正弦波，方波，三角波，锯齿波，阶梯波等32种波形波形长度：256点波形幅度分辨率：8bits1、TFG2003型DDS函数信号发生器——主要性能指标

1．B路主要技术指标2）频率特性：频率范围：正弦波10mHz～1MHz其它波形：10mHz～50kHz分辩率：10mHz 频率准确度：±(1×10-4+10mHz)1、TFG2003型DDS函数信号发生器——主要性能指标

1．B路主要技术指标3）幅度特性：幅度范围：100mVp-p～20Vp-p(高阻)分辨率：80mVp-p输出阻抗：50Ω1、TFG2003型DDS函数信号发生器——主要性能指标

TFG2003型DDS函数信号发生器的组成如图2-21所示

2、TFG2003型DDS函数信号发生器——原理

1）直接数字合成工作原理（输出A、B、输出TTL）

要产生一个电压信号，传统的模拟信号源是采用电子元器件以各种不同的方式组成振荡器，其频率精度和稳定度都不高，而且工艺复杂，分辨率低，频率设置和实现计算机程控也不方便。直接数字合成技术（DDS）是最新发展起来的一种信号产生方法，它完全没有振荡器元件，而是用数字合成方法产生一连串数据流，再经过数模转换器产生出一个预先设定的模拟信号。TFG2003型DDS函数信号发生器的组成如图2-21所示

2、TFG2003型DDS函数信号发生器——原理

1）直接数字合成工作原理（输出A、B、输出TTL）

幅度控制器是一个数模转换器，根据操作者设定的幅度数值，产生出一个相应的模拟电压，然后与输出信号相乘，使输出信号的幅度等于操作者设定的幅度值。偏移控制器是一个数模转换器，根据操作者设定的偏移数值，产生出一个相应的模拟电压，然后与输出信号相加，使输出信号的偏移等于操作者设定的偏移值。经过幅度偏移控制器的合成信号再经过功率放大器进行功率放大，最后由输出端口A输出。TFG2003型DDS函数信号发生器的组成如图2-21所示

2、TFG2003型DDS函数信号发生器——原理

2）操作控制工作原理：微处理器通过接口电路控制键盘及显示部分，当有键按下的时侯，微处理器识别出被按键的编码，然后转去执行该键的命令程序。显示电路使用菜单字符将仪器的工作状态和各种参数显示出来。3、TFG2003型DDS函数信号发生器——

前后面板和用户界面3、TFG2003型DDS函数信号发生器——

前后面板和用户界面4、TFG2003型DDS函数信号发生器——基本操作开机后，仪器进行自检初始化，进入正常工作状态，自动选择“连续”功能，A路输出。1.A路功能设定（1）A路频率设定：设定频率值3.5kHz【频率】【3】【.】【5】【kHz】。A路频率调节：按【<】或【>】键使光标指向需要调节的数字位，左右转动手轮可使数字增大或减小，并能连续进位或借位，由此可任意粗调或细调频率。4、TFG2003型DDS函数信号发生器——基本操作1.A路功能设定（2）A路周期设定：设定周期值2.5ms【Shift】【周期】【2】【.】【5】【ms】。（3）A路幅度设定：设定幅度值为3.2V【幅度】【3】【.】【2】【V】。（4）A路幅度格式选择：有效值或峰峰值【Shift】【有效值】或【Shift】【峰峰值】。4、TFG2003型DDS函数信号发生器——基本操作1.A路功能设定（5）A路波形选择：在输出路径为A路时，选择正弦波或方波【Shift】【0】选择正弦，【Shift】【1】选择方波。（6）A路方波占空比设定：在A路选择为方波时，设定方波占空比为65％

【Shift】【占空比】【6】【5】【Hz】。（7）A路衰减选择：选择固定衰减0dB（开机或复位后选择自动衰减AUTO）【Shift】【衰减】【0】【Hz】。（8）A路偏移设定：在衰减选择0dB时，设定直流偏移值为-1V【选项】键，选中“A路偏移”，按【-】【1】【V】。4、TFG2003型DDS函数信号发生器——基本操作1.A路功能设定（9）A路频率步进：设定A路步进频率12.5Hz按【菜单】键选择，“步进频率”，按【1】【2】【.】【5】【Hz】，再按【A路】键选择“A路频率”，然后每按一次【Shift】【∧】键，A路频率增加12.5Hz，每按一次【Shift】【∨】键，A路频率减少12.5Hz，A路幅度步进与此类同。（10）恢复初始化状态：【Shift】【复位】。（11）存储参数调出：调出15号存储参数。

【Shift】【调出】【1】【5】【Hz】4、TFG2003型DDS函数信号发生器——基本操作2.B路功能设定：（1）B路波形选择：在输出路径为B路时，选择正弦波，方波，三角波，锯齿波【Shift】【0】,【Shift】【1】,【Sh