第7章 測量用信號源

第七章測量用信號源1電子測量系統(tǒng)示意圖信號源電源被測電路數(shù)字萬用表電子計數(shù)器示波器頻譜儀2內(nèi)容提要：

介紹測試用低頻信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器、合成信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器的電路組成及工作原理，并介紹各類測試信號源的特點及使用方法。3重點：

掌握各類測試信號源的特點、工作原理和使用方法。難點：各類測試信號源的工作原理與電路構(gòu)成。47.1概述測量用信號源是指測量用信號發(fā)生器。它可以產(chǎn)生已知波形、已知頻率、已知幅度大小的輸出信號。信號源是最基本、應(yīng)用最廣泛的電子測量儀器之一。從某種意義來講，測量是通過信號的產(chǎn)生、采集、傳輸和處理，以及度量、分析、綜合和表達等方式來反應(yīng)電路的工作狀態(tài)和工作能力的。從根本上講，電路是通過對有用信號的利用，對無用信號的抑制來實現(xiàn)一定的功能的。57.1.1測量用信號源的作用與分類1．測量用信號源的作用

產(chǎn)生不同頻率、不同波形、不同輸出電壓的電信號裝置，在被測電路、被測設(shè)備中做信號激勵。

主要有以下幾個作用:（1）測元件參數(shù)。（2）測電路的幅頻特性、相頻特性、周期等。6（3）測試接收機的性能。（4）測量電路的瞬態(tài)響應(yīng)。（5）校準(zhǔn)儀表。輸出頻率、幅度準(zhǔn)確的信號，校準(zhǔn)儀表的衰減器、增益及刻度。72．信號源的分類專用信號發(fā)生器專門為某種特殊的測量而研制。如電視信號發(fā)生器、編碼脈沖信號發(fā)生器等。這類信號發(fā)生器的特性與測量對象緊密相關(guān)。通用信號發(fā)生器按輸出波形可分為正弦信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、噪聲發(fā)生器等。其中正弦信號發(fā)生器,使用最為廣泛。83．正弦信號發(fā)生器的分類（1）超低頻信號發(fā)生器頻率在0.0001Hz-1KHz范圍內(nèi)。（2)低頻信號發(fā)生器頻率在1Hz-20KHz或1MHz范圍內(nèi)。（3）視頻信號發(fā)生器頻率在20Hz-10MHz范圍內(nèi)。9（4）高頻信號發(fā)生器頻率在200KHz-30MHz范圍內(nèi)。（5）甚高頻信號發(fā)生器頻率在30MHz-300MHz范圍內(nèi)。（6）超高頻信號發(fā)生器頻率一般在300MHz以上。工作在厘米波及更短波長的信號發(fā)生器常被稱為微波信號發(fā)生器。10其中：波速（m/s）波長（m）頻率（Hz，1/s）波長與頻率的關(guān)系:問題：波長為1m的電磁波，它的頻率為多少？117．1．2正弦信號發(fā)生器的組成

基本構(gòu)成如圖7.1所示，一般包括振蕩器、變換器、指示器、電源及輸出電路等部分。

振蕩器變換器輸出電路電源指示器圖7.1正弦信號發(fā)生器的基本組成框圖輸出正弦波振蕩器：主要產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號。變換器：用于完成對振蕩器信號進行放大、整形及調(diào)制等工作。輸出級：調(diào)節(jié)輸出信號的電平和輸出阻抗，以提高帶負載的能力。指示器：用來監(jiān)視輸出信號的幅度、頻率和調(diào)制度等。電源：為信號發(fā)生器各部分提供所需的直流電源。127．1．3正弦信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)歸納為頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性等三大指標(biāo)。 1．頻率特性頻率特性包括可調(diào)的頻率范圍、頻率的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)。（1）頻率范圍正弦信號發(fā)生器的頻率范圍是指各項指標(biāo)都能得到保證時的輸出頻率范圍。13

（2）頻率的準(zhǔn)確度是指信號發(fā)生器度盤（或顯示）數(shù)值與實際輸出信號頻率間的偏差，一般用相對誤差來表示。

（7-1）式中——為儀器度盤或數(shù)字顯示的輸出信號頻率；

——實際輸出頻率。

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(3)頻率穩(wěn)定度

是指其它外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內(nèi)，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小（維持其工作與恒定頻率的能力）。頻率的穩(wěn)定度又分為頻率短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度。15頻率短期穩(wěn)定度

定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定時間預(yù)熱后輸出信號的頻率,在任意15分鐘的時間內(nèi)所產(chǎn)生的最大變化。即（7-2）

——為任意15分鐘時間內(nèi)信號輸出頻率的最大值；

——為任意15分鐘時間內(nèi)信號輸出頻率的最小值。16頻率長期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，輸出信號的頻率在任意15小時的時間內(nèi)所發(fā)生的最大變化。172．輸出特性

正弦信號源的輸出特性一般包括輸出電平范圍、輸出電平的頻響、輸出電平的準(zhǔn)確度、輸出阻抗以及輸出信號的頻譜純度等指標(biāo)。

（1）輸出電平范圍指輸出信號幅度的有效范圍，也就是信號發(fā)生器的最大和最小輸出電平的可調(diào)范圍。輸出幅度可用電壓(mV、V)和分貝(dB)兩種方式表示。18

（2）輸出電平的頻率響應(yīng)是指在有效頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率時，輸出電平的變化情況，也就是輸出電平的平坦度。（3）輸出電平準(zhǔn)確度輸出電平準(zhǔn)確度一般由電壓表刻度誤差、輸出衰減器換檔誤差、0dB準(zhǔn)確度和輸出電平平坦度等幾項指標(biāo)綜合組成。19

（４）輸出阻抗信號發(fā)生器的輸出阻抗視其類型不同而異。低頻信號發(fā)生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600Ω（或1KΩ）；功率輸出端根據(jù)輸出匹配變壓器的設(shè)計而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5KΩ等；高頻信號發(fā)生器一般有50Ω和75Ω兩種不平衡輸出。20（５）輸出信號的頻譜純度輸出信號的頻譜純度反映輸出信號波形接近理想正弦波的程度。常用非線性失真系數(shù)表示。

式中u1——輸出信號基波的有效值（或幅值）；u2、u3……un——各次諧波分量的有效值（或幅值）。21

3．調(diào)制特性

描述高頻信號發(fā)生器輸出正弦波的同時，輸出調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相或脈沖調(diào)制信號的能力。227.2低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器是以輸出正弦信號為主，輸出信號頻率范圍通常為20Hz-20KHz，也稱為音頻信號發(fā)生器。低頻信號發(fā)生器可用于測試調(diào)整低頻放大器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和廣播、音響等電聲設(shè)備，還可以用于調(diào)制高頻信號發(fā)生器或標(biāo)準(zhǔn)電子電壓表等。23（1）頻率范圍：1Hz～20KHz或延伸到1MHz（2）頻率穩(wěn)定度：（0.1～0.4）%/小時（3）頻率的準(zhǔn)確度：±(1～2)%（4）輸出電壓：0～10V連續(xù)可調(diào)（5）輸出功率：0.5～5w連續(xù)可調(diào)（6）輸出阻抗：50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5KΩ（7）非線性失真系數(shù)：(0.1～1)%7.2.1低頻信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)24

如圖7.2所示，包括振蕩器、放大器、穩(wěn)壓電源、電壓表及輸出級等部分。

振蕩器放大器輸出衰減穩(wěn)壓電源電壓表信號輸出圖7.2低頻信號發(fā)生器框圖7.2.2低頻信號發(fā)生器的基本組成與工作原理輸出級25上節(jié)回顧1、測量用信號源的作用產(chǎn)生特定的信號：2、信號源按用途分類專用信號源、通用信號源3、正弦信號是使用最為廣泛的激勵信號4、正弦信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)已知波形、已知頻率、已知幅度頻率特性頻率范圍頻率的準(zhǔn)確度頻率的穩(wěn)定度頻率短期穩(wěn)定度頻率長期穩(wěn)定度26上節(jié)回顧4、正弦信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)頻率特性頻率范圍頻率的準(zhǔn)確度頻率的穩(wěn)定度頻率的短期穩(wěn)定度頻率的長期穩(wěn)定度輸出特性輸出電平范圍輸出電平的頻率響應(yīng)輸出電平準(zhǔn)確度輸出阻抗輸出電平準(zhǔn)確度調(diào)制特性：高頻信號發(fā)生器輸出正弦波的同時，輸出調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相或脈沖調(diào)制信號的能力。27上節(jié)回顧5、低頻信號發(fā)生器輸出正弦信號為主，輸出頻率范圍通常為20Hz-20KHz，也稱為音頻信號發(fā)生器?，F(xiàn)在的低頻信號發(fā)生器的頻率已延伸到1Hz-1MHz。低頻信號發(fā)生器的基本組成框圖振蕩器放大器輸出衰減穩(wěn)壓電源電壓表信號輸出圖7.2低頻信號發(fā)生器框圖輸出級281．振蕩器

振蕩器是低頻信號發(fā)生器的核心部分，產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號。一般由RC振蕩電路或差頻式振蕩電路組成。振蕩器決定輸出信號的頻率范圍和穩(wěn)定度。29（1）通用RC振蕩電路

低頻信號發(fā)生器中的主振蕩器大多都采用文氏橋式振蕩器，其特點是頻率穩(wěn)定，易于調(diào)節(jié)，并且波形失真小和易于穩(wěn)幅。圖7.3為文氏電橋振蕩器的原理圖。R1、C1、R2、C2組成RC選頻網(wǎng)絡(luò)，可改變振蕩器的頻率；R3、R4組成負反饋臂。

30如圖7.4所示。該網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)（反饋系數(shù)）為式中——輸入信號的頻率；

——等于選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性，如圖7.5所示。RCCCRViV0①RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性31當(dāng)時，輸出信號與輸入信號同相，且幅值達到輸出電壓最大值的1/3；離f0越遠，幅值下降越大，即選頻網(wǎng)絡(luò)對頻率為f0的信號具有選通性，對其他頻率的信號具有抑制性。132

②文氏電橋振蕩器的振蕩條件

只要后接的放大器的電壓放大倍數(shù)為Av=3，就滿足了振蕩器起振的幅值條件AVF≥1，可以維持頻率時的等幅正弦振蕩。33（2）差頻式振蕩電路

差頻電路產(chǎn)生低頻正弦信號的原理方框圖如圖7.7所示。主要包括固定高頻振蕩器、可變高頻振蕩器、混頻器、低通濾波器和放大、衰減器等。

固定高頻振蕩器混頻器可變高頻振蕩器低通濾波電路放大電路

衰減電路輸出圖7.7差頻式振蕩電路框圖f0f1（fmin~

fmax）f=f0~

f134差頻式振蕩電路的特點

優(yōu)點：頻率覆蓋范圍寬。缺點：電路復(fù)雜，頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度差，波形失真較大。352．放大器

低頻信號發(fā)生器的放大器一般包括電壓放大器和功率放大器兩級，以達到電壓輸出幅度和功率的要求。3．輸出級輸出級一般包括輸出衰減器電路、阻抗變換器和電壓表幾部分。367.2.3低頻信號發(fā)生器的應(yīng)用低頻信號發(fā)生器的信號很多,但它們的基本使用方法是類似的。（1）了解面板

波形選擇開關(guān)頻率調(diào)節(jié)部分：頻段、粗調(diào)、微調(diào)幅度調(diào)節(jié)部分：粗調(diào)、微調(diào)、衰減指示器：頻率指示、幅度指示377.2.3低頻信號發(fā)生器的應(yīng)用(2)．使用方法

（1）接通電源，頻率應(yīng)有顯示。按規(guī)定時間預(yù)熱后方可使用。（2）根據(jù)測試所要求信號的頻率選擇合適的波段，再通過頻率開關(guān)得到所需的頻率。（3）通過衰減器和細調(diào)電位器調(diào)節(jié)輸出信號的幅度，并由電壓表監(jiān)測。（4）低頻信號發(fā)生器的輸出阻抗一般為600Ω，應(yīng)注意與被測對象的匹配。38397.3函數(shù)信號發(fā)生器

函數(shù)信號發(fā)生器是一種多波形信號源，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。40TTUm0-Um00E-E0(Q)(Q非)(D)(F)(a)(Q)(Q非)(D)(b)函數(shù)發(fā)生器波形圖41方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方案

7.3.1函數(shù)信號發(fā)生器的基本組成與原理

構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器的方案很多，通常有三種三角波-方波-正弦波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方案

正弦波-方波-三角波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方案

421．方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方案

由外觸發(fā)脈沖或內(nèi)觸發(fā)脈沖觸發(fā)，觸發(fā)施密特電路產(chǎn)生方波，輸出信號的頻率由觸發(fā)脈沖決定，然后經(jīng)積分輸出線性變化的三角波或斜波，調(diào)節(jié)積分時間常數(shù)RC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。

內(nèi)觸發(fā)脈沖發(fā)生器施密特觸發(fā)器積分器正弦波形成電路緩沖放大器外觸發(fā)脈沖輸入oooo432．三角波-方波-正弦波函數(shù)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)過緩沖放大器輸出所需信號。三角波發(fā)生器正弦波形成電路緩沖放大器方波變換電路緩沖放大器圖7.10三角波-方波-正弦波函數(shù)發(fā)生器的原理框圖輸出正弦波輸出方波443．正弦波-方波-三角波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方案

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)三角波形成電路產(chǎn)生三角波，最后經(jīng)過緩沖放大器輸出所需信號。正弦波發(fā)生器微分電路三角波形成電路方波形成電路緩沖放大器緩沖放大器圖7.11正弦波-方波-三角波函數(shù)發(fā)生器的原理框圖輸出三角波輸出方波45正弦波形成電路將對稱三角波轉(zhuǎn)換為正弦波的原理如圖所示。0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t14tu0ufE1E2E3ui46二極管整形網(wǎng)絡(luò)(正弦波形成電路）+E-ER1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6BR0477.3.3函數(shù)信號發(fā)生器的性能指標(biāo)（1）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、單次脈沖輸出等。（2）頻率范圍。頻率范圍一般分為若干頻段，如1Hz～10Hz、10Hz～100Hz、100Hz～1kHz、1kHz～10kHz、10kHz～100kHz、100kHz～1MHz等六個波段。（3）輸出電壓。一般指輸出電壓的峰-峰值。487.3.3函數(shù)信號發(fā)生器的性能指標(biāo)（4）波形特性。不同波形有不同的表示法。正弦波的特性用非線性失真系數(shù)表示，一般要求≤3%；三角波的特性用非線性系數(shù)表示，一般要求≤2%；方波的特性參數(shù)是上升時間，一般要求≤100ns。（5）輸出阻抗。函數(shù)輸出50Ω；TTL同步輸出600Ω。497.3.4函數(shù)信號發(fā)生器的應(yīng)用函數(shù)發(fā)生器可用于音頻放大器、濾波器、自動測試系統(tǒng)等的測試。如用于測量低頻放大器的幅頻特性。測試過程如下:507.3.4函數(shù)信號發(fā)生器的應(yīng)用

（1）按圖7.16所示連線。（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，并將其送到被測放大器輸入端。（3）在被測放大器輸出端接上負載電阻RL后，再將輸出接到毫伏表或示波器的Y輸入端，測出放大器在1kHz時的輸出電壓值。（4）按被測電路的技術(shù)指標(biāo)，在保持函數(shù)發(fā)生器輸出幅度不變的情況下，逐點改變信號發(fā)生器的頻率，逐點記錄被測放大器的輸出電壓值，然后，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，畫出被測放大器的頻率特性曲線。517.4高頻信號發(fā)生器

高頻信號發(fā)生器也稱射頻信號發(fā)生器，通常產(chǎn)生30kHz-1GHz的正弦波或調(diào)制波信號，在高頻電子線路工作特性（如各類高頻接收機的靈敏度、選擇性等）的調(diào)整測試中應(yīng)用廣泛。527.4高頻信號發(fā)生器7.4.1高頻信號發(fā)生器的基本組成與原理

圖7.17高頻信號發(fā)生器的組成框圖輸出級可變電抗器主振器緩沖級調(diào)制級電源內(nèi)調(diào)制振蕩器內(nèi)外FMAM監(jiān)測級外調(diào)制信號輸入輸出級

高頻信號發(fā)生器主要包括主振級、緩沖級、調(diào)制級、輸出級、監(jiān)測電路和電源等電路。組成的基本框圖如圖7.17所示。高頻信號發(fā)生器主要包括主振級、緩沖級、調(diào)制級、輸出級、監(jiān)測電路和電源等電路。53圖7.17高頻信號發(fā)生器的組成框圖輸出級可變電抗器主振器緩沖級調(diào)制級電源內(nèi)調(diào)制振蕩器內(nèi)外FMAM監(jiān)測級外調(diào)制信號輸入輸出級可變電抗器與主振級的諧振回路相耦合，在調(diào)制信號作用下，控制諧振回路電抗的變化而實現(xiàn)調(diào)頻功能。產(chǎn)生頻率可調(diào)的高頻正弦信號，一般采用LC振蕩電路，信號發(fā)生器的頻率特性主要有主振級決定。

在調(diào)制信號作用下,對主振信號調(diào)幅，輸出調(diào)幅信號

放大主振級輸出的高頻信號；隔離主振級與后續(xù)電路，提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。放大、衰減調(diào)制級的輸出信號，使信號發(fā)生器有足夠的電平調(diào)節(jié)范圍；濾除不需要的頻率分量；保證輸出端有固定的輸出阻抗。輸出內(nèi)調(diào)制信號，頻率一般為400HZ或1000HZ。547.4.2高頻信號發(fā)生器的分類

高頻信號發(fā)生器的主振級決定了它的主要工作特性。按產(chǎn)生主振信號的方法不同，高頻信號發(fā)生器可分為調(diào)諧信號發(fā)生器、鎖相信號發(fā)生器和合成信號發(fā)生器三大類。557.4.3調(diào)諧信號發(fā)生器

由調(diào)諧振蕩器構(gòu)成的信號發(fā)生器稱為調(diào)諧信號發(fā)生器。它們的工作頻率為

常用的調(diào)諧振蕩器是晶體管LC振蕩器。56LC振蕩器的特點結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉性能指標(biāo)不是很好在要求不高的場合應(yīng)用廣泛。57

由RC振蕩器或LC振蕩電路為主振蕩器的信號發(fā)生器頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度不是很理想,已不能適應(yīng)電子測試水平的發(fā)展。合成信號發(fā)生器是用頻率合成發(fā)生器代替信號發(fā)生器中主振蕩器，它既有信號發(fā)生器良好的輸出特性和調(diào)制特性，又有頻率合成器的高穩(wěn)定度高分辨率的優(yōu)點，同時，輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制深度均可程控。7．5合成信號發(fā)生器58比較特點：頻率可調(diào)，準(zhǔn)確度低。普通信號源：RCfp21=LCRC高準(zhǔn)確度的信號源(如晶體振蕩器)：頻率f=C特點：準(zhǔn)確度高，頻率不可調(diào)。合成式信號發(fā)生器：取長補短。特點：頻率可調(diào)，準(zhǔn)確度高597．5．1頻率合成的定義

所謂頻率合成，是對一個或多個基準(zhǔn)頻率進行頻率的加、減（混頻）、乘（倍頻）、除（分頻）四則運算，從而得到所需的頻率。頻率合成的方法很多，但基本上分為兩類，一類是直接合成法，一類是間接合成法。7．5合成信號發(fā)生器60

直接合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、倍頻和分頻進行頻率的算術(shù)運算，最終得到所需的頻率；

數(shù)字直接合成法則利用RAM和DAC結(jié)合，通過控制電路，從RAM單元中讀出數(shù)據(jù)，再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到一定頻率的輸出波形。

間接合成法則是通過鎖相技術(shù)進行頻率的算術(shù)運算，最后得到所需的頻率。617.5.2

直接合成法1．固定頻率合成法

石英晶體振蕩器提供基準(zhǔn)