電子測(cè)量技術(shù) 第3版 第2章 信號(hào)發(fā)生器

第2章信號(hào)發(fā)生器2.1概述2.2低頻信號(hào)發(fā)生器2.3高頻信號(hào)發(fā)生器2.4函數(shù)信號(hào)發(fā)生器2.1概述

信號(hào)發(fā)生器是指測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器，它可以提供電子測(cè)量的各種不同頻率電信號(hào)（正弦信號(hào)、方波、三角波等），其幅值也可按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，是最基本和應(yīng)用最廣泛的電子測(cè)量?jī)x器之一。2.1.1信號(hào)發(fā)生器的分類

信號(hào)發(fā)生器可分為通用信號(hào)發(fā)生器和專用信號(hào)發(fā)生器兩大類。專用信號(hào)發(fā)生器是為某種特殊用途而設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的，能提供特殊的測(cè)量信號(hào)，如電視信號(hào)發(fā)生器、調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器等。

通用信號(hào)發(fā)生器具有廣泛而靈活的應(yīng)用性，可大致分類如下：1．按輸出波形分類可分為正弦信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器等。

2．按工作頻率分類可分為超低頻、低頻、視頻、高頻、甚高頻、超高頻幾大類。表2-1信號(hào)發(fā)生器按頻率分類類型

頻率范圍

超低頻信號(hào)發(fā)生器0.0001Hz～1kHz低頻信號(hào)發(fā)生器1Hz～1MHz視頻信號(hào)發(fā)生器20Hz～10MHz高頻信號(hào)發(fā)生器200kHz～30MH甚高頻信號(hào)發(fā)生器30MHz～300MHz超高頻信號(hào)發(fā)生器300MHz以上小提示：頻率范圍的劃分并不是絕對(duì)的，各類信號(hào)發(fā)生器頻率范圍也存在重疊的情況，這與它們的不同應(yīng)用范圍有關(guān)。

2.1.2信號(hào)發(fā)生器的一般組成主振器變換器輸出電路指示器電源輸出圖2-1信號(hào)源的一般組成框圖2.1.3信號(hào)發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo)1．頻率特性（1）有效頻率范圍（2）頻率準(zhǔn)確度表達(dá)式為：

（3）頻率穩(wěn)定度可分為短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度。2．輸出特性信號(hào)源+u2-+u1-圖2-2信號(hào)源的輸出形式

信號(hào)發(fā)生器的輸出形式包括如圖2-2所示的平衡輸出（即對(duì)稱輸出u2）和不平衡輸出（即不對(duì)稱輸出u1）兩種形式。3．調(diào)制特性對(duì)高頻信號(hào)發(fā)生器來說，一般還能輸出調(diào)幅波和調(diào)頻波，有的還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制等功能。當(dāng)調(diào)制信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)，稱為內(nèi)調(diào)制。當(dāng)調(diào)制信號(hào)由外部電路或低頻信號(hào)發(fā)發(fā)生器提供時(shí)，稱為外調(diào)制。

2.2低頻信號(hào)發(fā)生器

低頻信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率范圍通常為20Hz～20kHz，又稱為音頻信號(hào)發(fā)生器。但是，現(xiàn)在低頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍已延伸到1Hz～1MHz頻段，且可以產(chǎn)生低頻正弦信號(hào)、方波信號(hào)及其它的波形信號(hào)。2.2.1低頻信號(hào)發(fā)生器的組成與原理圖2-3

低頻信號(hào)發(fā)生器的組成框圖指示電壓表主振器放大器輸出衰減器功率放大器阻抗變換器電壓輸出S功率輸出電壓輸入主振輸出調(diào)節(jié)

圖2-3為低頻信號(hào)發(fā)生器組成框圖。它主要包括振蕩器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器和指示電壓表等。1．主振器振級(jí)是信號(hào)發(fā)生器的核心，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號(hào)。不同頻率、不同波形信號(hào)的振蕩電路原理、結(jié)構(gòu)是不一樣的。信號(hào)發(fā)生器的重要技術(shù)指標(biāo)（例如：工作頻率、頻率的穩(wěn)定度等）主要是由主振級(jí)的性能決定（1）RC文氏橋式振蕩器+_f0R1CRCRR2A圖2-5文氏橋式振蕩器的電路原理圖（2）差頻式振蕩器圖2-6差頻式低頻振蕩器混頻器低通濾波器低頻放大器f1固定頻率高頻振蕩器可變頻率高頻振蕩器f2輸出2．放大器低頻信號(hào)發(fā)生器的放大器一般包括電壓放大器和功率放大器，以實(shí)現(xiàn)輸出一定電壓幅度和功率的要求。3．輸出衰減器輸出衰減器用于改變信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓或功率，由連續(xù)調(diào)節(jié)器和步進(jìn)調(diào)節(jié)器組成。常用的輸出衰減器原理圖如圖2-6所示。4．輸出級(jí)輸出級(jí)包括功率放大器、阻抗變換器和指示電壓表幾部分。圖2-7衰減器原理圖+CR1+－UiUo+－R2R3R4R5R6R7R8SRP2.2.2低頻信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用1．放大電路的放大倍數(shù)的測(cè)量低頻信號(hào)發(fā)生器的主要應(yīng)用是為各類放大器提供所需要的激勵(lì)信號(hào)。放大倍數(shù)是放大電路的重要性能指標(biāo)之一，包括電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)、功率放大倍數(shù)等。dcbaS示波器毫伏表被測(cè)放大電路低頻信號(hào)發(fā)生器圖2-8放大電路放大倍數(shù)測(cè)量示意圖2．放大電路的頻率響應(yīng)的測(cè)量低頻信號(hào)發(fā)生器低頻放大器電子電壓表UiUo圖2-9低頻放大器頻率響應(yīng)測(cè)量原理框圖2.3高頻信號(hào)發(fā)生器

高頻信號(hào)發(fā)生器也稱射頻信號(hào)發(fā)生器，通常產(chǎn)生200kHz~30MHz的正弦波或調(diào)幅波信號(hào)，在高頻電子線路工作特性（如各類高頻接收機(jī)的靈敏度、選擇性等）的調(diào)整測(cè)試中應(yīng)用較廣。2.3.1高頻信號(hào)發(fā)生器的組成原理圖2-高頻信號(hào)發(fā)生器組成框圖

高頻信號(hào)發(fā)生器組成的基本框圖如圖2-8所示，主要包括主振器、緩沖級(jí)、調(diào)制級(jí)、輸出級(jí)、衰減器、內(nèi)調(diào)制振蕩器、監(jiān)測(cè)電路和電源等部分。2.3.2高頻信號(hào)發(fā)生器在調(diào)收音機(jī)中頻時(shí)的應(yīng)用示波器毫伏表調(diào)幅收音機(jī)高頻信號(hào)源圖2-11用高頻信號(hào)發(fā)生器調(diào)收音機(jī)中周2.4函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)際上是一種能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等多波形的信號(hào)發(fā)生器（頻率范圍約幾mHz~幾十MHz），由于其輸出波形均為數(shù)學(xué)函數(shù)，故稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。2.4.1模擬式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1．方波-三角波-正弦波方式（脈沖式）圖2-12脈沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的組成原理框圖u2(t)U1－U10tt0－UrUrUr–UrU1－U100u2(t)(a)(b)u1(t)u1(t)tt圖2-12脈沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的工作波形圖2．正弦波-方波-三角波方式（正弦式）方波形成器積分器正弦振蕩器緩沖級(jí)放大器輸出級(jí)圖2-13正弦式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的組成框圖2．主要技術(shù)指標(biāo)（1）輸出波形有正弦波、方波、三角波和脈沖等，具有TTL同步輸出及單次脈沖輸出等。（2）頻率范圍一般分為若干頻段，如1~10Hz、10~100Hz、100Hz~1kHz、1~10kHz、10~100kHz、100kHz~1MHz等六個(gè)波段。

（3）輸出電壓一般指輸出電壓的峰-峰值。（4）輸出阻抗函數(shù)波形輸出500Ω；TTL同步輸出模擬600Ω。（5）波形特性正弦波形特性一般用非線性失真系數(shù)表示，一般要求≤3%；三角波形特性用非線性系數(shù)表示，一般要求≤2%；方波的特性參數(shù)是上升時(shí)間，一般要求≤100ns2.4.2數(shù)字式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器圖2-14UTG8162D函數(shù)信號(hào)發(fā)生器組成框圖1．主要技術(shù)指標(biāo)（1）輸出波形輸出任意波形，包括正弦波、方波、諧波、噪聲、鋸齒波動(dòng)、脈沖波、脈沖串、掃頻及任意波形等。且方波、脈沖波形的上升、下降及占空比時(shí)間可調(diào)。支持頻率掃描和脈沖串輸出。（2）頻率范圍正弦波：1μHz～160MHz；方波：1μHz～50MHz；鋸齒波：1μHz～4MHz；任意波：1μHz~40MHz。全頻段1μHz的分辨率。（3）輸出電壓2mVpp～20Vpp之間連續(xù)可調(diào)。（4）輸出阻抗0Ω～1MΩ之間連續(xù)可調(diào)。（5）采樣與分辨率具有500MSa/s采樣速率；16bits垂直分辨率。（6）通道數(shù)雙通道具有獨(dú)立輸出。（7）顯示器8英寸TFT液晶顯示，可同時(shí)顯示兩路頻率、幅值等信息。（8）存儲(chǔ)容量8～32M點(diǎn)任意波存儲(chǔ)器，7GB非易失波形存儲(chǔ)。（9）數(shù)字協(xié)議編碼類型I2C、SPI、RS232（TTL電平）。具有功能強(qiáng)大的上位機(jī)軟件系統(tǒng)。（10）標(biāo)準(zhǔn)配置接口USBDevice、USHost(支持U盤存儲(chǔ)，系統(tǒng)升級(jí))、LAN接口、支持NeptuneLab實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)、10MHz時(shí)鐘輸入/輸出；內(nèi)置7位高精度、寬頻帶頻率計(jì)、頻率范圍：100mHz～800MHz。2.UTG8162D函數(shù)信號(hào)發(fā)生器面板圖2-16UTG8162D函數(shù)信號(hào)發(fā)生器前面板圖2.UTG8162D函數(shù)信號(hào)發(fā)生器面板圖2-17UTG8162D函數(shù)信號(hào)發(fā)生器后板圖2.UTG8162D函數(shù)信號(hào)發(fā)生器面板圖2-18UTG8162D函數(shù)信號(hào)發(fā)生器功能界面圖2.UTG8162D函數(shù)信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用（1）輸出正弦波信號(hào)圖2-19頻率值操作界面圖圖2-20設(shè)置頻率值操作界面圖 圖2-212.5KHz頻率值顯示界面圖（2）設(shè)置輸出幅度圖2-22設(shè)置信號(hào)幅度值操作界面圖圖2-23300mVpp幅度值設(shè)置界面圖（3）設(shè)置DC偏移電壓圖2-24設(shè)置直流偏移電壓值操作界面圖圖2-25-150mV直流偏移電壓值設(shè)置界面圖（4）輸出方波信號(hào)圖2-26占空比設(shè)值界面圖（5）頻率測(cè)量圖2-27頻率測(cè)量界面圖本章小結(jié)

信號(hào)發(fā)生器是電子測(cè)量中最基本的電子儀器，主要用來提供電參量測(cè)量時(shí)所需的各種激勵(lì)電信號(hào)，其輸出幅值和頻率按需要可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。本章小結(jié)1．正弦信號(hào)發(fā)生器廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)的測(cè)試中。按其產(chǎn)生的信號(hào)頻段，可分為超低頻、低頻、視頻、高頻、甚高頻和超高頻信號(hào)發(fā)生器。本章小結(jié)2．衡量信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)有：頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、輸出特性、輸出形式和非線性失真度等。本章小結(jié)3.低頻信號(hào)發(fā)生器的主振器為RC振蕩器，以產(chǎn)生1Hz～1MHz的正弦信號(hào)為主，也可輸出脈沖波形。它主要用于測(cè)試調(diào)整低頻放大器、傳輸網(wǎng)絡(luò)等，還可用于調(diào)制高頻信號(hào)發(fā)生器或標(biāo)準(zhǔn)電子電壓表等，是一種實(shí)際工程上應(yīng)用廣泛的多功能儀器。本章小結(jié)4．高頻信號(hào)發(fā)生器常以LC振蕩器為主振器，通常頻率范圍為200kHz～30MHz，可輸出調(diào)幅波、載波等多種波形。主要用于調(diào)試各類接收機(jī)的選擇性、靈敏度、調(diào)幅等特性，其輸出信號(hào)的頻率和電平在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)并能準(zhǔn)確讀數(shù)，特別是能輸出微伏級(jí)的小信號(hào)，以滿足接收機(jī)測(cè)試的需要。高頻信號(hào)發(fā)生器中可采用鎖相環(huán)技術(shù)以提高輸出信號(hào)頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。本章小結(jié)5．函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種低頻范圍內(nèi)的多波形發(fā)生器，可以輸出正弦波、方波、三角波等多種波形。除了作為正弦信號(hào)發(fā)生器使用外，還可以用于測(cè)試各種電路的瞬態(tài)相應(yīng)特性、數(shù)字電路的邏輯功能、摸/數(shù)轉(zhuǎn)換器及鎖相環(huán)的性能等。按其結(jié)構(gòu)可分為脈沖式、正弦式等，主要用于要求不高的場(chǎng)合。本章小結(jié)6.阻抗匹配是信號(hào)發(fā)生器使用時(shí)應(yīng)特別注意的問題，只有在輸出阻抗匹配的情況下，信號(hào)發(fā)生器才能正常工作。練習(xí)題1.根據(jù)不同的劃分方式，信號(hào)發(fā)生器可分為幾大類？2.信號(hào)發(fā)生器一般由幾部分組成？簡(jiǎn)述各部分的作用。3.信號(hào)發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？輸出頻率的準(zhǔn)確度由什么來保證？4.為什么說正弦信號(hào)發(fā)生器適用于線性系統(tǒng)的測(cè)試？5.低頻信號(hào)發(fā)生器在使用時(shí)應(yīng)注意哪些問題?它主要用于測(cè)試什么產(chǎn)品？6.高、低頻正弦信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗一般為多少？使用時(shí)，若阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生什么影響？怎樣避免產(chǎn)生不良影響？練習(xí)題練習(xí)題7.高頻信號(hào)發(fā)生器的主振級(jí)有什么特點(diǎn)?為什么高頻信號(hào)發(fā)生器在輸出與負(fù)載之間需采用阻抗匹配器？8.基本鎖相環(huán)由那些部分組成？其工作原理是什么?練習(xí)題9.圖2-19是常用的基本鎖相環(huán)路，圖中倍頻器系數(shù)或分頻器的分頻系數(shù)n，能