電子測(cè)量Chapter測(cè)量用信號(hào)源

1、Chapter 5測(cè)量用信號(hào)源5.1 信號(hào)源概述5.2 常用信號(hào)源5.3 合成信號(hào)源5.4 信號(hào)源的使用15.1 信號(hào)發(fā)生器概述一、信號(hào)發(fā)生器的用途 在研制、生產(chǎn)、測(cè)試和維修各種電子元器件、部件以及整機(jī)設(shè)備時(shí)，常需要一種信號(hào)協(xié)助其他測(cè)量?jī)x器觀察、測(cè)量被測(cè)對(duì)象，以分析確定它們的性能參數(shù)，如下圖所示。這種提供測(cè)試電信號(hào)的裝置，統(tǒng)稱為信號(hào)發(fā)生器。 信號(hào)發(fā)生器可提供不同頻率；不同幅度、及不同波形信號(hào)。 信號(hào)發(fā)生器是電子測(cè)量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。除了在電子技術(shù)尤其是電子測(cè)量方面的應(yīng)用外，信號(hào)發(fā)生器在其他領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，例如機(jī)械部門(mén)的超聲波探傷，醫(yī)療部門(mén)的超聲波診斷、頻譜治療儀 等。信

2、 號(hào)發(fā)生器被 測(cè)設(shè) 備測(cè) 試儀 器2二、信號(hào)發(fā)生器的基本構(gòu)成振蕩器變換器輸出級(jí)指示器電 源3三、信號(hào)發(fā)生器分類 (1) 按頻率范圍分類分類名稱頻率范圍應(yīng)用領(lǐng)域 超低頻信號(hào)發(fā)生器 30kHz以下 電聲學(xué)、聲納 低頻信號(hào)發(fā)生器 30kHz 300kHz 電報(bào)通訊 視頻信號(hào)發(fā)生器 300kHz 6MHz 無(wú)線電廣播 高頻信號(hào)發(fā)生器 6MHz 30MHz 廣播、電報(bào) 甚高頻傳號(hào)發(fā)生器 30MHz 300MHz電視、調(diào)頻廣播、導(dǎo)航 超高頻倍號(hào)發(fā)生器 300MHz 3GHz通訊、雷達(dá)、氣象等 (2)按信號(hào)發(fā)生器的性能分類 按信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)，可分為一般信號(hào)發(fā)生器 和 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。前者指對(duì)其輸出信號(hào)

3、的頻率、幅度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的一類信號(hào)發(fā)生器：后者是指其輸出信號(hào)的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號(hào)發(fā)生器。 (3) 按輸出波形分類 根據(jù)使用要求，信號(hào)發(fā)生器可以輸出不同波形的信號(hào)。 按照信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的波形特性，可分為正弦信號(hào)發(fā)生器和非正弦信號(hào)發(fā)生器。非正弦信號(hào)發(fā)生器又可包括 ：脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、掃頻信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字序列傳號(hào)發(fā)生器、圖形信號(hào)發(fā)生器、噪聲信號(hào)發(fā)生器等。4 四、信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo) 對(duì)于通用的測(cè)量信號(hào)發(fā)生器最基本的要求是： 產(chǎn)生一個(gè)具有指定波形的振蕩信號(hào)，波形的參數(shù)已知；波形失真應(yīng)足夠

4、小。 信號(hào)的頻率應(yīng)在其有效范圍內(nèi)可調(diào)(步進(jìn)或連續(xù)可調(diào))， 信號(hào)的振幅應(yīng)在其有效范圍內(nèi)可調(diào)(步進(jìn)或連續(xù)可調(diào))。 有合適的輸出阻抗，高頻信號(hào)發(fā)生器通常為50，低頻信號(hào)發(fā)生器一般為600 。信號(hào)發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)主要包括 頻率特性、輸出特性 和調(diào)制特性 等。下面結(jié)合正弦信號(hào)發(fā)生器，介紹它的主要技術(shù)指標(biāo)。 1.頻率特性 頻率范圍：信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)頻率范圍，該范圍內(nèi)既可連續(xù)又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋。 頻率準(zhǔn)確度：信號(hào)發(fā)生器顯示數(shù)值與實(shí)際輸出信號(hào)頻率間之差，常用相對(duì)誤差表示。 頻率穩(wěn)定度：指其他外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，信號(hào)發(fā)地器輸出頻率相對(duì)于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，頻率

5、穩(wěn)定度又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。 頻率短期穩(wěn)定度為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定預(yù)熱時(shí)間后，信號(hào)頻率在任意15分鐘內(nèi)所發(fā)生的最大變化。 頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定須熱時(shí)間后信號(hào)頻率在任意3小時(shí)內(nèi)所發(fā)生的最大變化。 穩(wěn)定性指標(biāo)分為穩(wěn)定度和影響量。在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)的頻率漂移即穩(wěn)定度；由溫度電源、負(fù)載變化等外界因素造成的頻率漂移(或變動(dòng))即為影響量。 (1)溫度引起的變動(dòng)量 (2)電源變化引起的頻率變動(dòng)量 (3)負(fù)載變化引起的頻率變動(dòng)量 使用者通常主要關(guān)心輸出幅度隨頻率變化的情況。像用靜態(tài)“點(diǎn)頻法”測(cè)量放大器的幅頻特性時(shí)就如此。5 2.輸出特性 -信號(hào)發(fā)生器的輸出特性包括它的輸出阻抗、輸出電平

6、、波形 等。 (1) 輸出阻抗：會(huì)因類型不同而異。低頻信號(hào)源的電壓輸出端輸出阻抗一般為600 (或lk)，功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計(jì)而定，通常有50/75/150/600/5k等檔。高頻信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗一般僅有50或75擋。當(dāng)使用高頻信號(hào)發(fā)生器時(shí)，要特別注意阻抗的匹配。 (2)電平特性：指輸出幅度的有效范圍、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度及平坦度。 輸出電平：輸出信號(hào)幅度有效范圍。即產(chǎn)品規(guī)定的最大輸出電壓和最大輸出功率及其衰減范圍內(nèi)所得到輸出幅度的有效范圍。 幅度穩(wěn)定度：指信號(hào)源經(jīng)預(yù)熱后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出信號(hào)幅度對(duì)預(yù)調(diào)幅度值的相對(duì)變化量。 平坦度：分別指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動(dòng)量。 (3)

7、波形持性：指輸出波形的種類及其參數(shù)。 信號(hào)源一般可輸出正弦、脈沖、方波、三角波、鋸齒波、階梯波，甚至任意波形。 正弦信號(hào)發(fā)生器應(yīng)輸出單一頻率正弦信號(hào)，但由于非線性失真、噪聲等原因，其輸出信號(hào)中都含有諧波等其他成分，即信號(hào)的頻譜不純。要求信號(hào)發(fā)生器具有一定的頻譜純度，常用失真度來(lái)表示信號(hào)的頻譜純度。一般信號(hào)源的失真度應(yīng)1。例：XD-2型低頻信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的失真度0.1。 3. 調(diào)制特性 -高頻信號(hào)發(fā)生器一般還具有輸出一種或多種調(diào)制信號(hào)的能力，通常為調(diào)幅和調(diào)頻。調(diào)制持性包括調(diào)制的種類、頻率、調(diào)幅系數(shù)或最大頻偏以及調(diào)制線性等。 例如，高頻信號(hào)發(fā)生器中振幅調(diào)制的調(diào)制信號(hào)頻率一般固定為400Hz或1

8、000Hz。而現(xiàn)代信號(hào)發(fā)生器往往同時(shí)具有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相、脈沖調(diào)制等多種調(diào)制功能。 對(duì)于更高要求的測(cè)量，例如，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，除了上述基本要求外，還要在頻率的范圍、幅度的大小、穩(wěn)定性、讀出精度、以及調(diào)制性能、波形失真相輸出泄漏等方面提出更高的要求。65.2 常用信號(hào)發(fā)生器一、低頻信號(hào)發(fā)生器電 壓放大器輸 出衰減器功 率放大器指 示電壓表可變頻振蕩器 1. 組成原理 主振器產(chǎn)生的低頻正弦信號(hào)，經(jīng)連續(xù)衰減器Rp調(diào)節(jié)后，可以由電壓放大器放大及輸出衰減器衰減后輸出。但這個(gè)輸出信號(hào)的負(fù)載能力很弱，只能供給電壓，故稱為電壓輸出。該信號(hào)經(jīng)功率放大后，能夠輸出較大的功率，故稱之為功率輸出。在電路上可對(duì)輸出功率

9、進(jìn)行步進(jìn)調(diào)節(jié)。阻抗變換器用來(lái)匹配不同的負(fù)載阻抗以獲得最大的功率輸出。7 2.主要工作性能指標(biāo) 頻率范圍：一般20Hz-1MHz(實(shí)際的可由1Hz到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1MHz以上)，且均勻連續(xù)可調(diào)頻率準(zhǔn)確度 ：頻率穩(wěn)定度 ：輸出電壓 0-10V連續(xù)可調(diào)。輸出功率 0.5-5W連續(xù)可調(diào)。非線性失真(0.11)。輸出阻抗 50、75 、600 、5k。輸出形式 平衡輸出與不平衡輸出 XD系列低頻信號(hào)發(fā)生器是國(guó)內(nèi)常用的電子測(cè)量?jī)x器，其主要型號(hào)和性能如下表所示：8 3. 在使用中的問(wèn)題 低頻信導(dǎo)發(fā)生器型號(hào)很多，但是它們的基本使用方法是類似。(1)了解面板 信號(hào)發(fā)生器面板一般包括：波形選擇開(kāi)關(guān)，輸出頻率調(diào)節(jié) (頻段

10、、粗調(diào)、微調(diào)等)、幅度調(diào)節(jié)旋鈕、指示電壓表及其量程選擇等。 面板上的旋鈕、開(kāi)關(guān)等通常是按功能分區(qū)布置的，這樣有利于我們熟悉儀器面板上的各旋紐的作用。 (2)注意正確的操作步驟 低頻信號(hào)發(fā)生器的使用包括如下步驟： 準(zhǔn)備：輸出幅度調(diào)至最小(一般為逆時(shí)針到底)、預(yù)熱，待儀器穩(wěn)定工作后才可投入使用。 調(diào)節(jié)輸出頻率和幅度：先將頻率范圍置于相應(yīng)的檔位，按所需的頻率調(diào)節(jié)頻率度盤(pán)于相應(yīng)頻率點(diǎn)上。通常情況下，頻率微調(diào)旋紐置于零位。(3)輸出阻抗的配接 儀器輸出阻抗與負(fù)載阻抗失配過(guò)大時(shí)，將會(huì)引起輸出信號(hào)失真。 根據(jù)信號(hào)發(fā)生器外接負(fù)載電路的阻抗值，調(diào)節(jié)阻抗選擇開(kāi)關(guān)，使輸出信號(hào)的輸出失真小、功率大，以獲得最佳負(fù)載輸出

11、。(4)輸出電路選擇： 根據(jù)外接電路的輸入方式，選擇相應(yīng)平衡或不平衡輸出。(5)輸出電壓的調(diào)節(jié)和測(cè)讀： 調(diào)節(jié)輸出電壓旋鈕，可以連續(xù)改變輸出電壓的大小。9二、高頻信號(hào)發(fā)生器 1. 組成原理 主振級(jí)：LC 三點(diǎn)式振蕩電路產(chǎn)生具有一定工作頻率范圍的正弦信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器頻率的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、頻譜純度主要由它確定。此外，輸出電平及其穩(wěn)定度和調(diào)頻工作性能，主要也由主振級(jí)決定。要求主振級(jí)頻率范圍寬, 有較高的準(zhǔn)確度(優(yōu)于10-3)和穩(wěn)定度(優(yōu)于10-6)。主振級(jí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 輸出功率不大,一般在幾mW-幾十mW的范圍 緩沖級(jí)：用來(lái)隔離調(diào)制級(jí)對(duì)主振級(jí)可能產(chǎn)生的不良影響，以保證主振級(jí)工作的穩(wěn)定。在某些頻率較高

12、的信號(hào)發(fā)生器中,還可用倍頻器/分頻器或混頻器使主振級(jí)輸出頻率范圍更寬廣。 調(diào)制級(jí)：完成幅度調(diào)制和放大后輸出,并保證一定的輸出電平調(diào)節(jié)和輸出阻抗。 內(nèi)調(diào)制振蕩器：輸出符合調(diào)制級(jí)要求的音頻正弦調(diào)制信號(hào)。 可變電抗器：在內(nèi)調(diào)制信號(hào)控制下改變主振級(jí)的諧振回路電抗，產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)。 輸出級(jí)：控制輸出電壓的幅度。對(duì)輸出級(jí)的主要要求有: 輸出電平的調(diào)節(jié)范圍寬，衰減量應(yīng)能準(zhǔn)確讀數(shù)，有良好的頻率特性在輸出端有準(zhǔn)確且固定的電阻。 輸出級(jí)由放大器、濾波器、輸出微調(diào)(連續(xù)衰減電路)、輸出倍乘(步進(jìn)衰減電路)等組成。 監(jiān)測(cè)器：用來(lái)監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)的載波電平和調(diào)制系數(shù)。 電源：供給各部分所需的直流電壓。10 2.主要工作性能指

13、標(biāo) (以XFG-7型高頻信號(hào)發(fā)生器為例) 頻率范圍：100kHZ 30MHZ 共分11個(gè)頻段； 頻率刻度誤差：1% 2. 輸出阻抗與輸出電壓： 在“00.1V”插件中，接有分壓電阻的電纜，終端輸出電壓“0.1 V10000V，分五檔連續(xù)可調(diào)輸出電阻為“8”， 在“01V“插件中，輸出電壓1V100000V連續(xù)可調(diào)，輸出電阻為40。3.內(nèi)部調(diào)制頻率有400HZ和1000HZ兩檔，調(diào)幅度 0 100 %連續(xù)可調(diào)。4. 外部調(diào)制信號(hào)可用XD2低頻信號(hào)發(fā)生器供給，調(diào)制頻率50Hz和8000kHz，調(diào)幅度 0 100 %連續(xù)可調(diào)。11 3. 在應(yīng)用中的問(wèn)題 (1)應(yīng)用于接收機(jī)的測(cè)試時(shí)，如選擇性、靈敏度等

14、指標(biāo)。為了使接收機(jī)符合實(shí)際的工作情況，必須在接收機(jī)與儀器間接一個(gè)等效天線。等效天線接在電纜分壓器的分壓接線柱(有電位的一端)與接收機(jī)的天線接線柱之間。一般可采用如圖所示的接法。(2)阻抗匹配： 信號(hào)發(fā)生器只有在匹配情況下才能正常工作。如果負(fù)載阻抗不等于信號(hào)發(fā)生器的源阻抗(即儀器內(nèi)衰減器的持性阻抗)，除會(huì)引起衰減外，還可能影響前級(jí)電路的工作，降低信號(hào)發(fā)生器的功率，在輸出電路中出現(xiàn)駐波。 在失配時(shí)，應(yīng)在信號(hào)發(fā)生器的輸出端與負(fù)載之間加一個(gè)阻抗變換器。12三、脈沖信號(hào)發(fā)生器 1. 矩形脈沖的參數(shù) 脈沖信號(hào)發(fā)生器通常是指矩形窄脈沖發(fā)生器，它廣泛用于測(cè)試和校準(zhǔn)脈沖設(shè)備和寬帶設(shè)備。例如測(cè)試視頻放大器以及其他

15、寬帶電路的振幅特性、過(guò)渡特性；邏輯元件的開(kāi)關(guān)速度等。脈沖信號(hào)發(fā)生器是時(shí)域測(cè)量的重要儀器。13二、高頻信號(hào)發(fā)生器 2. 脈沖信號(hào)發(fā)生器的組成原理主振級(jí)：可采用在自激多諧振蕩器、晶體振蕩器或鎖相振蕩器產(chǎn)生矩形波，也可將正弦振蕩信號(hào)以放大、限幅后輸出，作為下級(jí)的觸發(fā)信號(hào)。希望它具有較好的調(diào)節(jié)性能和穩(wěn)定的頻率，對(duì)主振級(jí)輸出波形的前、后沿等參量要求不很高，但要求波形的一致性好，并具有足夠的幅度。 延遲級(jí)：延遲級(jí)電路通常由單穩(wěn)電路 和微分電路 組成。對(duì)延遲級(jí)的要求是在全波段內(nèi)獲得一定的延時(shí)量以滿足觸發(fā)下一級(jí)電路所需的輸出。形成級(jí)：通常由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等脈沖電路組成。它是脈沖信號(hào)發(fā)生器的中心環(huán)節(jié)，產(chǎn)生寬度準(zhǔn)確

16、、波形良好的矩形脈沖，而且要求脈沖的寬度可獨(dú)立調(diào)節(jié)，并具有較高的穩(wěn)定性。整形級(jí)與輸出級(jí)：一般由放大、限幅電路組成，整形級(jí)具有電流放大作用，輸出級(jí)具有功率放大作用。14四、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，它是一種寬帶頻率可調(diào)的多波形發(fā)生器。它可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，甚至任意波形。現(xiàn)代函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一般具有調(diào)制的功能和VCO。是一種不可缺少的通用信號(hào)源，可以用于生產(chǎn)測(cè)試、儀器維修和實(shí)驗(yàn)室。應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的構(gòu)成方式很多，根據(jù)主振器的性質(zhì)和特點(diǎn)，我們將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的構(gòu)成方式分為三種類型：正弦式、脈沖式和合成式。下面簡(jiǎn)要介紹前二種的基本原理。正弦式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器組成脈

17、沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器組成155.3 合成信號(hào)發(fā)生器 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子測(cè)量對(duì)信號(hào)源頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的要求越來(lái)越高?？烧{(diào)的LC或RC振蕩器作為主振級(jí)的信號(hào)源，其頻率穩(wěn)定度只能做到10-4量級(jí)左右，輸出頻率的準(zhǔn)確度大約為10-5 - 10-6量級(jí)，再提高將受到限制。 合成信號(hào)發(fā)生器是利用頻率合成技術(shù)制成的信號(hào)發(fā)生器。對(duì)一個(gè)或幾個(gè)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行一系列的加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算，合成所需要的頻率的過(guò)程，稱為頻率合成。特點(diǎn)： 采用頻率合成技術(shù)，可以把信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度提高到與基準(zhǔn)頻率相同的水平； 可以在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)節(jié)。頻率合成的方法： 可分為直接合成法、間接合成法 和

18、 直接數(shù)字頻率合成法(DDS)。一、直接合成方法 利用倍頻、分頻和混頻以及濾波技術(shù)，對(duì)一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算來(lái)產(chǎn)生所需頻率的方法，稱為直接合成法。 常見(jiàn)的有諧波法、連續(xù)混頻-分頻法。 由于直接合成法需要大量的混頻器、分頻器和濾波器，因而體積大，難于集成，價(jià)格昂貴。但是，直接頻率合成法具有切換頻率的速度快，輸出頻率的穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度與基準(zhǔn)頻率相等的優(yōu)點(diǎn)。 16二、間接合成方法 -利用鎖相環(huán)(PLL)的頻率合成方法。 *基本鎖相環(huán)路是由相位比較器(PD)，壓控振蕩器(VCO)和環(huán)路濾波器(LPF)組成的閉合環(huán)路。是完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng)。udfif0PDLPFVCO間接合成的幾

19、種基本形式：udfif0PDLPFVCONf0 =N fi udfif0PDLPFVCONf0 = fi /Nudfif0PDLPFVCO混頻器f0 = fi2 fi1fi晶振N1udfif0PDLPFVCON2f0 = N1 fi /N2鎖相環(huán)基本工作原理17三、數(shù)字直接合成方法 1.數(shù)字直接頻率合成原理DDS電路 P相位控制字相位累加器D/A轉(zhuǎn)換器相幅轉(zhuǎn)換函數(shù)表時(shí) 鐘 fc低通濾波器數(shù)字信號(hào)設(shè)：相位累加器有N位，步進(jìn)值為 x，作累加1時(shí)，x = 2N，即要步進(jìn)2N次；作2累加時(shí)，x = 2N/2，作n累加時(shí)，x = 2N/n。最低輸出頻率： 最高輸出頻率： 輸出頻率分辨率： 數(shù)字直接頻率合成基本原理：18 調(diào)幅波的數(shù)字直接合成：DDS電路Phase控制字M相位累加器D/A轉(zhuǎn)換器相幅轉(zhuǎn)換函數(shù)表時(shí) 鐘fc低 通濾波器基 帶信 號(hào)19 調(diào)頻波的數(shù)字直接合成：DDS電路P1相位累加器D/A轉(zhuǎn)換器相幅轉(zhuǎn)換函數(shù)表時(shí) 鐘低 通濾波器基 帶信 號(hào)P2當(dāng)P 為常數(shù)時(shí)，將輸出掃頻信號(hào)。20 2.數(shù)字直接頻率合成的實(shí)現(xiàn)方法： 數(shù)字直接頻率合成的方法多樣，可采用FPGA、DSP及其他智能芯片編程實(shí)現(xiàn)DDS，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換與低通濾波完成輸出；也可采用專用芯片。A