電子測(cè)量技術(shù)(第3版)第七章第2部分

1、n 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)際上是一種多波形信號(hào)源，可以輸出正弦波、方波、三角波、斜波、半波正弦波及指數(shù)波等。n731函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的基本組成與原理7.3 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1方波-三角波-正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的構(gòu)成方案 如圖7.9所示，由外觸發(fā)或內(nèi)觸發(fā)脈沖，觸發(fā)施密特電路產(chǎn)生方波，輸出信號(hào)的頻率由觸發(fā)脈沖決定，然后經(jīng)積分器輸出線性變化的三角波或斜波，調(diào)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)RC的值，可改變積分速度，即改變輸出的三角波斜率，從而調(diào)節(jié)三角波的幅度，最后由正弦波形成電路形成正弦波。圖7.9 方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器的原理框圖2三角波-方波-正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的構(gòu)成方案 如圖7.10所示，由三角波發(fā)生器先產(chǎn)生三

2、角波，然后經(jīng)方波形成電路產(chǎn)生方波，或經(jīng)正弦波形成電路形成正弦波，最后經(jīng)過(guò)緩沖放大器輸出所需信號(hào)。雖然方波可由三角波通過(guò)方波變換電路變換而來(lái)，但在實(shí)際中，三角波和方波是難以分開的，方波形成電路通常是三角波發(fā)生器的組成部分。圖7.10 三角波-方波-正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理框圖3正弦波-方波-三角波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的構(gòu)成方案 如圖7.11所示，由正弦波發(fā)生器先產(chǎn)生正弦波，然后經(jīng)微分電路產(chǎn)生尖脈沖，用脈沖觸發(fā)單穩(wěn)電路形成方波，經(jīng)方波形成電路產(chǎn)生方波，最后經(jīng)過(guò)緩沖放大器輸出所需信號(hào)。圖7.11 正弦波-方波-三角波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理框圖1三角波形成電路 電路框圖如圖7.12所示，由恒流源控制電路、恒

3、流源、積分器（包括積分電容C和運(yùn)算放大器A）和幅度控制電路構(gòu)成。732函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的典型電路圖7.12 三角波形成電路的原理框圖（1）電壓斜升過(guò)程。積分器輸出電壓為:1o1IutC 式中，uo1斜升輸出電壓的瞬時(shí)值； I1 正恒流源的電流值； C 積分電容的電容量。 由上式可以看出，改變恒流源的電流或積分電容值可改變輸出電壓的變化斜率，即改變?nèi)遣ǖ念l率，通常調(diào)節(jié)C實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，調(diào)節(jié)I實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)。 當(dāng)電壓上升到幅度控制電路的限值電平+E時(shí)，幅度控制電路將發(fā)出控制信號(hào)，使開關(guān)S斷開“1”，三角波的斜升過(guò)程結(jié)束。如圖7.13所示，三角波的斜升時(shí)間為112 E CTI式中，T1 輸出電壓的斜升時(shí)間； I

4、1 正恒流源的電流值； C 積分電容的電容量； E 幅度控制電路的限值電平。圖7.13 三角波形成過(guò)程的波形圖n （2）電壓斜降過(guò)程。當(dāng)開關(guān)S撥向“2”時(shí)，接通負(fù)恒流源，負(fù)恒流源I2向積分電容充電，且充電方向與開關(guān)S撥向“1”時(shí)相反，電容上的電荷減少，形成三角波的斜降過(guò)程。當(dāng)電壓下降到幅度控制電路的極限電平-E時(shí)，控制電路又使“2”斷開，三角波的斜降過(guò)程結(jié)束。同理可得：2o2o1IuutC式中，uo2斜升輸出電壓的瞬時(shí)值； I2 負(fù)恒流源的電流值； C 積分電容的電容量。222 E CTI式中，T2為輸出電壓的斜降時(shí)間。如此重復(fù)進(jìn)行，形成了連續(xù)的三角波。2正弦波形成電路正弦波形成電路用于將三角

5、波變換成正弦波。圖7.14所示為典型的二極管網(wǎng)絡(luò)變換電路。圖7.14 正弦波形成電路原理圖n（1）在三角波的正半周，當(dāng)ui的瞬時(shí)值很小時(shí)， uo = ui 。n（2）當(dāng)三角波的瞬時(shí)電壓ui 上升到u1 ，n（3）當(dāng)三角波的瞬時(shí)電壓ui 上升到u2 時(shí)，輸入電壓和輸出電壓分別為 ERRRRRRUUaaaaaai5432111iaaOURRRRRU1111ERRRRRRRUUaaaaaaai54321212iaaaaOURRRRRRRU212212 隨著輸入三角波的不斷增大，二極管VD3a、VD4a依次導(dǎo)通，使得分壓器的分壓比逐漸減小，輸出電壓衰減幅度更大，使三角波趨近于正弦波。 同理，當(dāng)三角波自

6、正峰值逐漸減小時(shí)，二極管VD4a、VD3a、VD2a、VD1a依次截止，分壓器的分壓比又逐漸增大，輸出電壓衰減幅度依次變小，三角波也趨近于正弦波，如此循環(huán)，三角波變換成正弦波。波形如圖7.15所示。 圖7.15 正弦波形成電路波形圖733函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)n（1）輸出波形：輸出波形有正弦波、方波、脈沖和三角波等波形，具有TTL同步輸出及單次脈沖輸出等。n（2）頻率范圍：頻率范圍一般分為若干頻段。n（3）輸出電壓：一般指輸出電壓的峰-峰值。n（4）波形特性：不同波形有不同的表示法。 n（5）輸出阻抗：函數(shù)輸出50；TTL同步輸出600。7.3.47.3.4函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用n 函數(shù)發(fā)生器

7、可用于音頻放大器、濾波器、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等的測(cè)試。如用于測(cè)量低頻放大器的幅頻特性。測(cè)試過(guò)程如下。圖7.16 放大器幅頻特性測(cè)試連線圖n（1）按圖7.16所示連線。n（2）調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器，使其輸出頻率1kHz，幅度為10mV的正弦信號(hào)，并將其送到被測(cè)放大器輸入端。n（3）在被測(cè)放大器輸出端接上負(fù)載電阻RL后，再將輸出接到毫伏表或示波器的Y輸入端，測(cè)出放大器在1kHz時(shí)的輸出電壓值。n（4）按被測(cè)電路的技術(shù)指標(biāo)，在保持函數(shù)發(fā)生器輸出幅度不變的情況下，逐點(diǎn)改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，逐點(diǎn)記錄被測(cè)放大器的輸出電壓值，然后，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，畫出被測(cè)放大器的頻率特性曲線。 7.4 高頻信號(hào)發(fā)生器 n1高頻信號(hào)發(fā)生器

8、的基本組成與原理n高頻信號(hào)發(fā)生器組成的基本框圖如圖7.17所示，主要包括主振級(jí)、緩沖級(jí)、調(diào)制級(jí)、輸出級(jí)、監(jiān)測(cè)電路和電源等電路。圖7.17 高頻信號(hào)發(fā)生器框圖n 主振級(jí)產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)緩沖級(jí)緩沖后，被送到調(diào)制級(jí)進(jìn)行幅度調(diào)制和放大，調(diào)制后的信號(hào)再送給輸出級(jí)輸出，以保證具有一定的輸出電平調(diào)節(jié)范圍。監(jiān)測(cè)電路監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)的載波電平和調(diào)制系數(shù)，電源用于提供各部分所需的直流電壓。n2高頻信號(hào)發(fā)生器的分類n 高頻信號(hào)發(fā)生器可分為調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器、鎖相信號(hào)發(fā)生器和合成信號(hào)發(fā)生器三大類。n3調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器n 由調(diào)諧振蕩器構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器稱為調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器。常用的調(diào)諧振蕩器就是晶體管LC振蕩電路，LC振蕩電

9、路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)正反饋調(diào)諧放大器，主要包括放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。 工作頻率f0為： 012fLC4鎖相信號(hào)發(fā)生器 鎖相信號(hào)發(fā)生器是在高性能的調(diào)諧式信號(hào)發(fā)生器中增加頻率計(jì)數(shù)器，并將信號(hào)源的振蕩頻率利用鎖相原理鎖定在頻率計(jì)數(shù)器的時(shí)基上。圖7.19所示為鎖相環(huán)路的基本框圖。 圖7.19 鎖相環(huán)的基本框圖7.5 合成信號(hào)發(fā)生器n7.5.1 7.5.1 頻率合成的定義n 合成信號(hào)發(fā)生器是利用頻率合成技術(shù)構(gòu)建的信號(hào)發(fā)生器。所謂頻率合成，是對(duì)一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行頻率的加、減（混頻）、乘（倍頻）、除（分頻）運(yùn)算，從而得到所需的頻率。頻率合成的方法分為兩類，一類是直接合成法，一類是間接合成法。n（1）直接合

10、成法包括模擬直接合成法和數(shù)字直接合成法。模擬直接合成法采用基準(zhǔn)頻率通過(guò)諧波發(fā)生器，產(chǎn)生一系列諧波頻率，然后利用混頻、倍頻和分頻進(jìn)行頻率的算術(shù)運(yùn)算，最終得到所需的頻率；數(shù)字直接合成法則是利用RAM和DAC結(jié)合，通過(guò)控制電路，從RAM單元中讀出數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，得到一定頻率的輸出波形。n（2）間接合成法是通過(guò)鎖相技術(shù)進(jìn)行頻率的算術(shù)運(yùn)算，最后得到所需的頻率。7.5.27.5.2 直接合成法1固定頻率合成法 固定頻率合成法的原理框圖如圖7.20所示。輸出頻率為orNffD式中，D分頻器的分頻系數(shù)； N倍頻器的倍頻系數(shù)； fo輸出頻率； fr基準(zhǔn)頻率。圖7.20 固定頻率合成法原理框圖n2可變頻率

11、合成法n可變頻率合成法可以根據(jù)需要選擇各種輸出頻率。如圖7.21所示為可變頻率合成器的原理框圖，可輸出頻率為5.937MHz的信號(hào)。圖7.21 可變頻率合成器的原理框圖3數(shù)字直接合成法 如圖7.22所示，電路由順序地址發(fā)生器、ROM、鎖存器和DAC變換器等電路構(gòu)成。圖7.22 數(shù)字直接合成法原理框圖n 間接合成法也稱鎖相合成法。所謂鎖相就是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相位同步。能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)。經(jīng)常用到的鎖相環(huán)有混頻式鎖相環(huán)、倍頻式鎖相環(huán)、分頻式鎖相環(huán)、組合式鎖相環(huán)、多環(huán)式鎖相環(huán)等。7.5.3 7.5.3 間接合成法1基本鎖相環(huán)如圖7.23所示，基本鎖相環(huán)是由基準(zhǔn)頻率源、鑒相器（

12、PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成的一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。圖7.23 基本鎖相環(huán)框圖n（1）鑒相器（PD）。鑒相器是相位比較裝置，它將兩個(gè)輸入信號(hào)Ui和Uo之間的相位進(jìn)行比較，取出這兩個(gè)信號(hào)的相位差，以電壓Ud的形式輸出給低通濾波器（LPF）。當(dāng)環(huán)路鎖定后，鑒相器的輸出電壓是一個(gè)直流量。n（2）環(huán)路濾波器（LPF）。環(huán)路低通濾波器用于濾除誤差電壓中的高頻分量和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。n（3）壓控振蕩器（VCO）。壓控振蕩器是受電壓控制的振蕩器，它可根據(jù)輸入電壓的大小改變振蕩的頻率。n是能對(duì)輸入頻率進(jìn)行加、減運(yùn)算的鎖相環(huán)。它是在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加入

13、混頻器和帶通濾波器組成的。如果混頻器是和混頻，則輸出頻率 ；如果混頻器是差混頻，則輸出頻率 。21iiofff21iiofff2.混頻式鎖相環(huán)圖7.24 混頻式鎖相環(huán)框圖3倍頻式鎖相環(huán) 倍頻式鎖相環(huán)就是利用鎖相環(huán)對(duì)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行乘法運(yùn)算的鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱倍頻環(huán)。有脈沖控制環(huán)和數(shù)字環(huán)兩種，如圖7.25（a）、（b）所示。圖7.25 倍頻式鎖相環(huán)框圖4分頻式鎖相環(huán) 分頻式鎖相環(huán)是利用鎖相環(huán)對(duì)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行除法運(yùn)算的鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱分頻環(huán)。與倍頻環(huán)相同，分頻式鎖相環(huán)也有脈沖控制環(huán)和數(shù)字環(huán)兩種，如圖7.26（a）、（b）所示。 圖7.26 分頻式鎖相環(huán)框圖5組合式鎖相環(huán) 如圖7.27所示為混頻環(huán)和倍頻環(huán)構(gòu)成的組合

14、環(huán)，鎖定時(shí)可產(chǎn)生2MHz的頻率信號(hào)。圖7.27 組合式鎖相環(huán)的構(gòu)成框圖7.6 掃頻信號(hào)發(fā)生器n7.6.17.6.1 概述n輸出信號(hào)的頻率隨時(shí)間按一定規(guī)律、在一定范圍內(nèi)重復(fù)連續(xù)變化的信號(hào)源稱為掃頻信號(hào)發(fā)生器。頻域測(cè)試常用的儀器掃頻儀就是利用掃頻信號(hào)發(fā)生器作為主振級(jí)構(gòu)成的用于分析電路頻率特性的電子測(cè)量?jī)x器。n1掃頻信號(hào)的特性n（1）輸出信號(hào)的頻率隨時(shí)間按一定的規(guī)律變化。n（2）輸出信號(hào)的頻率受控制參量控制。n（3）掃頻信號(hào)源的輸出振幅在整個(gè)掃頻范圍內(nèi)應(yīng)保持平穩(wěn)。n（4）掃頻信號(hào)源應(yīng)能產(chǎn)生同步的掃描信號(hào)和頻率標(biāo)志。n2對(duì)掃頻信號(hào)發(fā)生器的基本要求n（）中心頻率范圍大且可連續(xù)調(diào)節(jié)。n（）掃頻寬度要寬且可

15、任意調(diào)節(jié)。n（）寄生調(diào)幅要小。n（）掃描線性度好。n3掃頻信號(hào)發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)n（1）可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的自動(dòng)或半自動(dòng)測(cè)量，特別是在進(jìn)行電路測(cè)試時(shí)，人們可以一面調(diào)節(jié)電路中的有關(guān)元件，一面觀察熒光屏上頻率特性曲線的變化，從而迅速地將電路性能調(diào)整到預(yù)定的要求。n（2）由于掃頻信號(hào)的頻率是連續(xù)變化的，因此，所得到的被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線也是連續(xù)的，不會(huì)出現(xiàn)由于點(diǎn)頻法中頻率點(diǎn)離散而遺漏掉細(xì)節(jié)的問(wèn)題。n（3）掃頻測(cè)量法是在一定掃描速度下獲得被測(cè)電路的動(dòng)態(tài)頻率特性，符合被測(cè)電路的應(yīng)用實(shí)際。 7.6.27.6.2 掃頻振蕩器的工作原理1變?nèi)荻O管掃頻 一般頻率可調(diào)的LC振蕩器用波段開關(guān)切換不同容量的電容，達(dá)到改

16、變頻率的目的；而變?nèi)莨軖哳l振蕩器用一個(gè)或多個(gè)變?nèi)莨芎突芈冯娙莶⑦B，當(dāng)變?nèi)莨苋萘扛淖儠r(shí)，同樣達(dá)到改變頻率的目的。圖7.30 變?nèi)荻O管掃頻振蕩電路 n 這是一個(gè)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，振蕩頻率由L、C4、C5和兩個(gè)變?nèi)荻O管VD1、VD2的電容Cj聯(lián)合決定，鋸齒波電壓通過(guò)R6加到兩個(gè)變?nèi)荻?jí)管兩端，以控制結(jié)電容Cj，從而使振蕩器的振蕩頻率隨鋸齒波電壓的變化而變化，改變鋸齒波電壓的變化速率（掃描速度），就可改變掃頻速度；改變鋸齒波電壓的幅度則可改變掃頻寬度。n磁調(diào)電感掃頻n磁調(diào)電感法掃頻通過(guò)磁場(chǎng)改變電感量，達(dá)到改變振蕩器的頻率的目的。n帶磁心的電感線圈，其電感量LC與該磁心的有效導(dǎo)磁系數(shù)之間存在

17、著線性關(guān)系。 n式中 L空心線圈的電感量；n 磁芯的增量導(dǎo)磁系數(shù)；n 有效導(dǎo)磁系數(shù)；n 磁芯的利用率。LLLOCO 磁調(diào)電感法掃頻就是根據(jù)式（7.18）工作的。當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，電感量發(fā)生變化，由它構(gòu)成的振蕩電路的頻率也發(fā)生變化。 圖7.31 磁調(diào)電感法掃頻的原理圖n磁調(diào)電感振蕩器的振蕩頻率為n (7.20) n式中 n L空心線圈的電感量；n 磁心的增量導(dǎo)磁系數(shù)；n 磁心的利用率；n C諧振回路的電容。LCLCCLc01117.6.3 7.6.3 掃頻法測(cè)試的基本原理圖7.32 掃頻法測(cè)量電路幅頻特性原理框圖7.7 脈沖信號(hào)發(fā)生器 脈沖信號(hào)發(fā)生器有射頻脈沖信號(hào)發(fā)生器和視頻脈沖信號(hào)發(fā)生器兩種，前者一般由高頻或超高頻信號(hào)發(fā)生器處于通斷脈沖調(diào)制狀態(tài)而獲得，而通用脈沖信號(hào)發(fā)生器都是以產(chǎn)生矩形脈沖為主的視頻脈沖信號(hào)發(fā)生器。通用脈沖