电子测量技术基础第三章II课件

电子测量技术基础

第三章1上节回顾信号发生器概述信号发生器的用途、分类、基本构成和发展趋势。正弦信号发生器的基本性能指标频率范围，频率准确度，频率稳定度，由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量，失真度，输出阻抗，输出电平，调制特性。低频信号发生器低频信号发生器：主要性能指标，组成框图，通用RC振荡器，其它低频振荡器(LC振荡器、差频式振荡器)；2第3章信号发生器33.5射频信号发生器

射频信号发生器是指能产生正弦信号，频率范围部分或全部复盖300kHz～1GHz(允许向外延伸)，并且具有一种或一种以上调制或组合调制(正弦调幅、正弦调频、断续脉冲调制)的信号发生器，也称为高频信号发生器。射频信号发生器分为调谐信号发生器、锁相信号发生器、合成信号发生器三类。图3.4－1高频信号发生器框图

和低频信号发生器相比，高频信号发生器的输出幅度调节范围较大。为了适应对接收机等设备的测试需要，要求高频信号发生器能有可调节的微弱信号的输出(可小于1uV)，同时就要求该类信号发生器有良好的屏蔽，以免信号泄漏而影响测量准确性。也是出于对各类接收设备性能测试的需要.高频信号发生器应有调制功能，以输出所需的已调高频信号。

一、调谐信号发生器(略)

根据反馈方式，LC振荡器分为变压器反馈式;电感反馈式(也称·电感三点式或哈特莱式);电容反馈式(也称电容三点式或考毕兹式)压控振荡器，简称VCO(voltage-controlledoscillator)，其振荡频率可由偏置电压改变。比如改变变容二极管两端的直流电压，就可改变其等效电容，从而改变由它构成的振荡器的频率。LPF压控振荡器：指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路。其特性用输出角频率ω0与输入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表示。图中,uc为零时的角频率ω0称为自由振荡角频率；曲线在ω0处的斜率K0称为控制灵敏度。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄，RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。变容二极管：又称“可变电抗二极管”。是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。主要参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等，对于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压，使其PN结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压VR变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。14图变容二极管bb910

鉴相器：简称PD(phasedetector)，其输出端直流电压随其两个输入信号的相位差改变。LPF

低通滤波器，简称PLF(low-passfilter)，在这里的作用是滤除高频成分，留下相位差变化的直流电压。LPF低通滤波器容许低频信号通过,但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器,或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acousticbarriers）、图像模糊处理等等。LPF石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（SPXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。LPF

三、合成信号发生器

合成信号发生器是用频率合成器代替信号发生器中主振荡器。它既有信号发生器良好的输出特性和调制特性，又有频率合成器的高稳定度、高分辨力的优点，同时输出信号的频率、电平、调制深度等均可程控，是一种先进高档次的信号发生器。

频率合成器是把一个(或少数几个)高稳定度频率源fs经过加、减、乘、除及其组合运算，以产生在定频率范围内，按一定的频率间隔(或称频率跳步)的一系列离散频率的信号发生器。频率合成的方法分为直接合成法和间接合成法两类。

直接合成法是将基准晶体振荡器产生的标准频率信号，利用倍频器、分频器、混频器及滤波器等进行一系列四则运算以获得所需要的频率输出。合成法中分为非相干式直接合成器和相干式直接合成器。若用多个石英晶体产生基准频率，产生混频的两个基准频率之间相互独立，就叫做非相干式直接合成器。如果只用一个石英晶体产生基准频率，然后通过分频、倍频等，使加入混频器的频率之间是相关的，就称为相干式频率合成器。⑴相干式直接频率合成

通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。

优点：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。(3.4-1)

压控振荡器输出频率经分频后得到频率的信号送往鉴相器，与采自晶振输出经n2次分频的频率f0/n2的信号进行相位比较，由前面的锁相环路的介绍可知，当即相位锁定，输出信号按式(3.4-1)的频率输出，且具有与f0。即晶振信号同样的稳定度。为了有效地锁相，需要鉴相器两输入信号频率足够接近。如果两信号频率相差较大，可先进行鉴频，用鉴频器输出控制VCO实现频率粗调，而后利用鉴相器输出控制VCO实现频率细调。第3章信号发生器263.6扫频信号发生器

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生器，它是频率特性测试仪(扫频仪)的核心，主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。工作原理

频率特性测试的方法：点频法和扫频法点频法：逐点调整信号发生器的输出频率，并用电压表等设备记录被测系统的响应。特点：准确度高，但繁琐费时，频率间隔较大。

扫频法：是利用扫频信号发生器输出自动连续变化的频率信号，对被测系统进行动态式的扫频测试。特点：简单快捷，可以方便地测量系统的频率特性及动态特性。

1．点频法测量频率特性图3.5-1点频法测量系统的幅频特性图3.5-2扫频法测量网络频率特性原理2．扫频法测量频率特性图3.5-2扫频法测量网络频率特性原理2．扫频法测量频率特性频率可控的正弦振荡器(比如压控振荡器VCO)图3.5-2扫频法测量网络频率特性原理2．扫频法测量频率特性扫描电压为锯齿波或三角波图3.5-2扫频法测量网络频率特性原理2．扫频法测量频率特性若扫描电压为三角波，则扫频信号发生器瞬时频率在扫描正程将随扫描电压的线性增加，由fmin线性地变到fmax，在回扫期间，又由fmax线性地变到fmin，如此周期性反复，而扫描信号的幅度则始终保持不变。图3.5-2扫频法测量网络频率特性原理2．扫频法测量频率特性振幅不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号加到被测电路(例如调谐放大器)的输入端，由于调谐放大器的增益随频率而变，故其输出信号uo的振幅也将随频率而改变，uo的包络就反映了该放大器的幅频特性，经峰值检波器检出输出信号的包络uo‘图3.5-2扫频法测量网络频率特性原理2．扫频法测量频率特性经峰值检波器检出输出信号的包络uo‘，将它送至示波管的垂直偏转系统，同时扫描信号us

加到示波管的水平系统作为扫描时基信号，由于扫频信号ui的瞬时频率和水平扫描电压us的瞬时值一一对应，使得示波管的水平轴成为线性的频率座标轴。这样在us和uo‘的共同作用下，示波管荧光屏上就直接显示出该调谐放大器的幅频特性。和点频法相比，扫频法具有以下优点：①可实现网络的频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路调试时，人们可以一面调节电路中有关元件，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.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的频率点离散而遗漏掉细节的问题.③点频法中是人工逐点改变输入信号的频率，速度慢，得到的是被测电路稳态情况下的频率特性曲线。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，而后者更符合被测电路的应用实际。

二、扫频仪的基本构成

时基系统产生一个扫描信号，由该信号控制一个可调谐的连续振荡源以产生频率随时间变化的正弦信号，频率变化的规律就取决于扫描信号，若扫描信号是锯齿波或三角波，则扫频规律就呈线性，或者说扫频振荡器输出正弦信号的瞬时频率随时间线性增加或降低。有些场合也使用对数型扫描信号，则扫频规律就呈现对数性。

二、扫频仪的基本构成

扫频振荡器在时基系统产生的扫描信号作用下，产生频率随时间按一定规律变化的扫频振荡，并利用电平限制电路及自动幅度控制电路以确保输出振幅平稳的扫频信号

二、扫频仪的基本构成

时标系统用来产生频标信号，以便在示波管荧光屏上确定扫频信号发生器的瞬时频率和扫频宽度。扫频信号施加于被测网络输入端，输出响应经检波，包络上加上频标信号，就可在示波管荧光屏上的频率特性曲线上找到对应的频率.三、扫频振荡器的工作原理(1)磁调电感法

磁调电感法原理图如图3.5-4，图(a)中L2、C谐振回路的谐振频率f0为(3.5-2)图3.5—4磁调电感式扫频法原理

式中L2为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变L2，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成正比(3.5-3)

式中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接在低频磁芯ML的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流，如图(b)所示。当扫描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数也随着改变，再由式(3.5-2)、(3.5-3)可知，扫描电流的变化就导致了L2及谐振频率f0的变化实现了“扫频”。

三、BT—3型扫频仪

l.扫频仪的主要性能要求

扫频振荡器除应具有一般正弦振荡器所具有的工作特性外，还有下面几个主要的性能要求.(1)中心频率范围大且可连续调节。

(2)扫频宽度(频宽)要宽且可任意调节。

(3)寄生调幅要小。

(4)扫描线性度好。

BT—3型扫频仪的主要技术性能：

①中心频率：在1～300MHz内可任意调节，分1～75MHz，75～150MHz，150～300MHz三个波段；②扫频频偏：最大频偏±7.5MHz；③扫频信号输出：输出电压≥0.1V(有效值)，输出阻抗75Ω～；④寄生调幅系数：最大频偏时<±7.5％；⑤调频非线性系数：最大频偏时<20％；⑥频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。4546第3章信号发生器473.7脉冲信号发生器一、脉冲信号

(略)

脉冲具有脉动和冲击的含意，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。常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形、数字编码序列等，其中最基本的脉冲信号是矩形脉冲信号，如图3.6—1所示。下面就以矩形脉冲为例，介绍表征脉冲信号的主要参数：图3.6-1矩形脉冲信号①脉冲幅度Um：定义为脉冲波从底部到顶部之间的数值。②脉冲上升时间tr：定义为脉冲波从0.1Um

上升到0.9Um所经历的时间，也叫脉冲前沿。③脉冲下降时间tf：定义为脉冲波从0.9Um下降到0.1Um所经历的时间，也叫脉冲后沿。图3.6-1矩形脉冲信号④脉冲宽度：即脉冲的持续时间，一般指脉冲前、后沿分别等于0.5Um时相应的时间间隔。⑤平顶降落：表征脉冲顶部不能保持平直而呈现倾斜降落的数值，也常用其对脉冲幅度的百分比值来表示。⑥脉冲过冲：脉冲过冲包括上冲和下冲。上冲指上升边超过顶值Um以上所呈现的突出部分，如图中b下冲是指下降边超过底值以下所呈现的向下突出部分，如图中f。图3.6-1矩形脉冲信号⑦脉冲周期和重复频率：周期性脉冲相邻两脉冲之间的时间间隔称为脉冲周期，用T表示，脉冲周期的倒数称为重复频率，用f表示，如图3.6—1(b)中所示.⑧脉冲的占空系数：脉冲宽度与脉冲周期T的比值称为占空系数或空度比二、脉冲信号发生器分类

脉冲信号发生器是专门用来产生脉冲波形的信号源，是电子测量仪器中的一个重要门类。脉冲信号发生器广泛应用于电子测量系统以及数字通信、雷达、激光、航天、计算机技术、自动控制等领域。它可用于测试视频放大器、宽带电路的振幅特性、过渡特性，逻辑元件的开关速度、数字电路研究以及示波器的检定与测试等。

脉冲信号发生器可分为通用脉冲发生器、快沿脉冲发生器、函数发生器、数字可编程脉冲信号发生器及特种脉冲发生器等。

通用脉冲发生器是最常用的脉冲发生器，其输出脉冲频率、延迟时间、脉冲持续时间、脉冲幅度均可在一定范围内连续调节，一般输出脉冲都有“+”“一”两种极性，有些产品还具有前、后沿可调、双脉冲、群脉冲、闸门、外触发及单次触发等功能。像国外的HP8080A，频率达1000MHz，前、后沿小于300ps，国内也已生产出频率达500MHz，前后沿小于100ps的通用脉冲发生器。二、脉冲信号发生器分类

快沿脉冲发生器以快速前沿为其特征，主要用于各类电路瞬态特性测试，特别是测试示波器的瞬态口向应。国内小幅度(5V)快沿脉冲发生器前沿可小于60ps，大幅度(50V)快沿脉冲发生器的前沿可小于1ns。

函数信号发生器在前面已有过介绍，由于它一般可输出多种波形信号，因而已成为通用性极强的一类信号发生器。但作为脉冲信号源，当前主要的问题是上限频率不够高(50MHz左右)，前、后沿也难提高，不能完全取代通用脉冲信号发生器。

数字可编程脉冲信号发生器是随着集成电路技术、微处理器技术发展而产生的一代新型脉冲发生器，一般带有GPIB接口，可编程控制，使之进入自动测试系统。

特种脉冲信号发生器是指那些具有特殊用途，对某些性能指标有特定要求的脉冲信号源，如稳幅、高压、精密延迟等脉冲发生器以及功率脉冲发生器和数字序列发生器等。

三、脉冲信号发生器的结构(略)

1．基本脉冲信号发生器

图3.6—2基本脉冲信号发生器框图主振级：该单元是脉冲信号源的核心一振荡源，一般采用恒流源射级耦合自激多谐振荡器产生矩形波，调节振荡器中电容和钳位电压可进行振荡频率粗调(频段)和细调。也可采用正弦振荡、限幅放大和积分电路等构成主振级。

三、脉冲信号发生器的结构(略)

1．基本脉冲信号发生器

图3.6—2基本脉冲信号发生器框图脉冲形成级：脉冲形成级主要由延时单元和脉冲形成单元构成。延时单元将主振级送出的信号转换成形成单元所需的延时脉冲。

三、脉冲信号发生器的结构(略)

1．基本脉冲信号发生器

图3.6—2基本脉冲信号发生器框图输出级：通常包括有脉冲放大器、倒相器等，输出信号的幅度、极性在输出级进行调节。

四、脉冲信号源的应用

频域测量实质上就是系统正弦稳态特性的测量，包括系统的幅频特性、相频特性。在正弦测量中，最重要的信号源就是正弦信号发生器，最常用的测量仪器是电子电压表(点频法测量时)或扫频仪(扫频法测量时)。用示波器观测系统的输出波形(为便于分析比较，通常使用双踪示波器以便同时显示输入和输出波形)，即可非常直观地获得被测系统的瞬态响应特性，而且可边调试电路边进行观测，这是正弦点频法所不及的。

阻容分压器的瞬态响应特性

最常用的方法是由脉冲信号发生器输出方波脉冲施加于分压器，理想情况下的输出波形u2应与输入波形u1完全相同，可以证明此时。一旦,u2

相对于u1就产生失真，如图(c)、(d)所示，分别呈现出高通和低通特性。此时我们可以一边调节输入补偿电容C1，一边用示波器观察输出波形，一直到满足要求为止。图3.6—8阻容分压器的瞬态响应第3章信号发生器613.8噪声发生器(略)

噪声和信号是两个对立统一的概念。

噪声通常指干扰有用信号的不期望的不可预测的扰动，它使有用信号受到干扰而造成失真，降低了信号观察和测量的可靠性。许多情况下，人们希望克服或降低噪声，而有些情况下，噪声又可被人们所利用，因而噪声测量技术就成为电子测量领域的一个重要组成部分，并且已在国防、能源、水文、海洋、地理、气象及医疗等部门得到广泛应用。在电子测量领域，噪声发生器用来测量接收机的极限灵敏度，测量放大器及各有源器件的噪声系数及电声转换器的频响及失真度等。噪声发生器的结构如图3.7-1所示，主要由噪声源、变换器及输出衰减器等部分组成。图3.7—1噪声发生器结构一、噪声源噪声源是噪声发生器的核心，提供在一定频率范围内有足够高电平和噪声统计特性的噪声信号。噪声可有不同的统计参数。其中应用最多的是频谱分布均匀的白噪声。可作为产生白噪声的噪声源通常有下面几种。

1．电阻器噪声源(热噪声)2．饱和二极管(噪声二极管)噪声源(散弹效应)3.气体放电管噪声源(电磁辐射)4.固态噪声源(雪崩散弹噪声)图3.7—1噪声发生器结构二、变换器噪声源输出的噪声功率有限，频谱密度等也由噪声源类型等决定。为了使输出的噪声满足一定的要求，包括输出功率、谱密度特性等，需要在噪声源后级联变换器，包括宽带放大器、非线性电路(改变噪声特性如概率密度函数)、滤波器、频谱变换器等。图3.7—1噪声发生器结构三、输出衰减器在噪声发生器中，常用已校准好刻度的衰减器作为输出级，其衰减量在系统工作频率范围内保持恒定。信号电平指示仪表接在衰减器之前，由电平指示仪表的示值和输出衰减倍乘即可得知输出噪声的均方根值或均方值。当需要的噪声电平较小时，也可直接由噪声源输出噪声信号.图3.7—1噪声发生器结构总结3.1信号发生器概述3.2正弦信号发生器的性能指标3.3低频信号发生器671.主振荡主振荡用来产生低频正弦信号，其振荡频率范围即为信号发生器的有效频率范围。常见的电路形式有差频式和RC振荡两类68低频信号发生器的基本结构1.主振荡(1)差频式振荡器69低频信号发生器的基本结构图3.3.2差频式信号发生器原理图1.主振荡(1)差频式振荡器优点：频率覆盖面比较宽缺点：频率稳定性差，特别是f1与f2接近时，极易产生干扰，这样也就很难获得较低的差频输出。电路复杂，频率准确度、稳定度较差，波形失真较大；70低频信号发生器的基本结构1.主振荡(2)RC振荡器。为了克服差频式振荡器的缺点，现代低频信号发生器普遍采用RC振荡器。71低频信号发生器的基本结构1.主振荡(2)RC振荡器。包括：RC移相振荡器、RC双T振荡器和RC文氏电桥振荡器RC移相振荡器、RC双T振荡器存在频率特性不理想或调节不方便等缺点。RC文氏电桥振荡器具有输出波形好、振幅稳定、频率范围宽以及频率调节方便等优点72低频信号发生器的基本结构RC文氏电桥振荡器谐振频率为当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率和谐振频率分别为：73RC文氏电桥振荡器(续)幅频特性：相频特性：74

当f=f0时的反馈系数，且与频率f0的大小无关，此时的相角φF=0°。即调节谐振频率不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。总结3.1信号发生器概述3.2正弦信号发生器的性能指标3.3低频信号发生器3.4函数信号发生器75函数发生器的基本工作原理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(例如二极管整形网络)将三角波整形成正弦波。76函数信号发生器的基本结构1.方波、三角波产生电路这种电路由双稳态触发电路产生方法，经积分电路将方波变换成三角波。双稳态触发电路和积分电路都由正负电源供电，双稳态电路的输出为+E或-E。假定仪器开始工作时，双稳态角落电路左边A点为高电位E，右边B点为低电位-E。此时积分电路输入电压为-E，输出端D点电压将随时间成正比地上升，上升速度(斜率)决定于输入电压-E，分压电阻值R1、R2和时间常数Rc。77函数信号发生器的基本结构1.方波、三角波产生电路当经过时间T1，UD上升到+Um时，电压比较器I输出一个触发脉冲，使双稳电路翻转，A点成为低电位-E，B点成为高电位E。此时积分电路输入电压为