2022年电子测量仪器教案第3章.pdf

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1、课题第三章信号源3.1概述3.2正弦信号源（一）教学目标知识与能力：1掌握信号源的定义、种类。2掌握正弦信号发生器的主要技术特性：频率特性、输出特性和调制特性。过程与方法：通过观察和讲解，掌握信号源的特性情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点正弦信号发生器的主要技术特性教学难点新授课3.1概述信号源种类：（1）按性能指标分类普通信号发生器：用于对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的场合。标准信号发生器：要求输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定，屏蔽良好。（2）按输出波形分类正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦发生器又

2、包括：脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列信号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。3.2正弦信号源3.2.1正弦信号发生器的主要技术特性1频率特性（1）有效频率范围定义：各项指标都能得到保证的输出信号的频率范围。在有效频率范围内，频率调节可以是连续的，也可以是离散的。当频率范围很宽时，常划分为若干频段。（2）频率准确度定义：输出频率的实际值与显示器或频率刻度盘的示值之间的相对误差。要求：用刻度盘读数的信号发生器，其频率准确度在（1 10%）的范围内；标准精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - -

3、- - - - -第 1 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 信号发生器优于 1；合成信号发生器优于 10-6。（3）频率稳定度定义：在一定时间内维持其输出信号频率不变得能力。表示：用一定的时间内的相对频率偏移。要求：比频率准确度高12 个数量级。2输出特性（1）输出电平定义：输出信号幅度的有效值范围（有很宽的调节范围）。表示：可用绝对电平（，mV ，V）或相对电平（dB） 。（2）输出电平的准确度输出电平的实际值与显示器的显示值之间的相对误差，一般在（3% 10%）范围内。（3）输出阻抗输出阻抗视信号发生器的类型不同而异。低频信号发生器：电压输出端的输出阻抗一般为600

4、 （或 1k） ，功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50 、75 、150 、 600 和 5 k等档。高频信号发生器：一般仅有50 或 75 档。3调制特性（1）调制信号调制信号可以由内调制振荡器产生，也可以由外部输入。 调制信号的频率可以是固定的，也可以是连续调节的。（2）调制系数的有效范围定义：各项指标都能得到保证的调制系数的范围。调幅时：调制系数一般为（0 80） ；调频时：频偏不小于75 kHz。练习习题小结1信号源的定义：是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号的设备，是电子测量中最基本、使用最广泛的电子仪器之一。2信号源种类：（1）按性能指标分类：普通信号发生器和标准信

5、号发生器。（2）按输出波形分类：正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦发生器又包括：脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列信号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。3正弦信号发生器的主要技术特性包括频率特性、输出特性和调制特性。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题3.2正弦信号源（二）教学目标知识与能力：掌握低频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。过程与方法：通过观察和讲解，掌握低频信号发生

6、器主要技术指标、基本组成原理。情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点低频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。教学难点低频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。新授课3.2.2 低频信号发生器定义：用来产生1 Hz 1 MHz 的低频正弦信号。用途：模拟电子线路与系统的设计、测试和维修；高频信号发生器的外调信号源。1低频信号发生器的主要指标频率范围： 1 Hz 1 MHz 连续可调；频率稳定度：（0.1 2） ；输出电压： 0 10V 连续可调；输出功率：（0.5 5）W 连续可调；非线性失真：（0.1 1） ；输出阻抗一般有50 、75 、150 、600 和 5 k等档。2低

7、频信号发生器的基本组成原理组成框图如下图所示。（1）主振器（主要部件）作用：产生低频的正弦波信号，并实现频率调节功能。组成：文氏电桥振荡器，如下图是文氏电桥振荡器的原理电路。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 图中 R1、C1、R2、C2组成正反馈网络，负温度系数热敏电阻Rt和电阻 Rf组成负反馈支路，二者共同组成构成文氏电桥。文氏电桥和放大器组成的反馈环路称为文氏电桥振荡。一般取 R1= R2 = R，C1= C2= C。当满足振

8、幅平衡条件和相位平衡条件时，振荡器的输出频率为RCf210热敏电阻Rt具有稳幅作用。电路中频率粗调（频段转换）和细调分别通过改变双连电位器和双连电容器实现。（2）电压放大器和功率放大器电压放大器作用： 放大主振级产生的振荡信号，满足信号发生器对输出信号幅度的要求，并将振荡器与功率输出器隔离，防止因输出负载变化而影响振荡频率的稳定。功率放大器作用：提供足够的输出功率。要求放大器的频率特性好，非线性失真小。（3）衰减器和匹配器衰减器的作用： 调节输出电压使之达到所需要的值。采用连续衰减器和步级衰减器配合进行衰减。下图所示电路就是一个步级衰减器电路，其衰减倍数为1 （0dB） 、 10 （20dB）

9、 、 100 （40dB） 、1 000（60dB）和 10 000（80dB）五种。匹配器（变压器）作用：使输出端连接不同的负载时都得到最大的输出功率。注意：在低频段（20 Hz 2 kHz ）和高频段（ 2 20 kHz ）采用不同的匹配变压器。（4）检测电压表作用：监测振荡器输出电压的大小，监测输出功率。3XD1 型低频信号发生器XD1 型低频信号发生器产生从1 Hz 1 MHz 非线性失真很小的正弦波信号，有电压输出和功率输出两档。（1）主要技术性能（2）使用方法XD1 型低频信号发生器面板装置如图。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载

10、名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 频率选择根据所需频段按下“频率范围”按键，然后再用按键开关上面的“频率调节” 1，2，3 旋钮按照十进制进行细调。 电压输出用电缆直接从“电压输出”插口引出。通过调节输出衰减开关和输出细调旋钮，可以得到非线性失真小（0.1） 、信噪比较高的小电压输出（200 V） 。最大输出电压 5 V。将板右侧“内负载”键按下，接通内负载。 功率输出将功率开关按下，用电缆直接从功率输出插口引出。为了获得大功率输出，应考虑阻抗匹配。当负载为高阻抗，且输出频率接近10 Hz 或几百千赫时，应将面板右

11、侧“内负载”键按下，接通内负载。 过载保护刚开机时，过载保护指示灯亮，约5 6 s 后熄灭，表示进入工作状态。若负载阻抗小， 过载指示灯会再次闪亮，此时应加大负载阻抗值（即减轻负载），使灯熄灭。 交流电压表该电压表可进行“内测”与“外测”。拨向“外测”时，它作为一般交流电压表测量外部电压；当拨向“内测”时，它作为信号发生器输出指示。练习习题小结1低频信号发生器：用来产生1 Hz 1 MHz 的低频正弦信号。这种信号在模拟电子线路与系统的设计、测试和维修中得到广泛的应用，也可用作高频信号发生器的外调信号源。2低频信号发生器的基本组成主要包括主振器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（

12、功率放大器）、阻抗变换器（输出变压器）和检测电压表。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题3.2正弦信号源（三）教学目标知识与能力：1掌握高频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。2了解 XD1型低频信号发生器和XFG - 7 主要技术特性和使用方法过程与方法：通过观察和讲解，掌握高频信号发生器主要技术指标、基本组成原理情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点高频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。教学难

13、点高频信号发生器主要技术指标、基本组成原理。新授课3.2.3 高频信号发生器用途：向各种高频电子设备和电路提供高频信号能量或高频标准信号。1主要性能指标2基本组成原理早期的原理框图如下图所示。缺点： 没有调频功能； 调制级的输入阻抗低，易造成主振级频率不稳和产生寄生调频。现代的高频信号发生器组成框图如下图。（1）主振级作用：产生具有一定频率调节范围的高频正弦波信号。发生器的频率特性由主振级决定。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 电

14、路构成： 电感反馈或变压器反馈的单管振荡电路或双管推挽振荡电路（保证较高的频率稳定度）。（2）放大及调制器作用： 放大主振级输出的高频信号，在输出级间起隔离作用（因此也叫缓冲放大器）以提高振荡频率的稳定性；调幅信号的调幅器，使高频信号发生器能输出调频信号。（3）调制信号发生器内调制信号：由简单的LC 振荡器或RC 振荡器产生，频率一般为400 Hz 和 1 000Hz 两种。外调制信号：通过面板接线柱输入。（4）输出级电路作用：放大、衰减及调制输出信号，使输出电平有足够的调节范围；滤出不需要的频率分量；保证输出端有固定的输出阻抗（50 ） 。组成：放大器、滤波器和粗、细衰减器等。要求：输出电平

15、既能步级衰减，又能连续调节。（5）可变电抗器可变电抗器与主振级的谐振电路耦合，使主振级产生调频信号。采用变容二极管调频电路。3XFG - 7 型高频信号发生器XFG - 7（旧型号 C-2）型是一种应用比较广的高频信号发生器，一般作为接受调整与测试及高频信号源使用。主要技术指标（见书）。4QF1050 型标准信号发生器QF1050 型主要技术性能（见书）。练习习题小结1高频信号发生器：主要用来向各种高频电子设备和电路提供高频信号能量或高频标准信号，以便测试其电器性能。2高频信号发生器组成：主振级、调制级、内调制振荡器、输出级、调制度指标、输出载波电压指示等组成。布置作业习题精品资料 - - -

16、 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题3.2正弦信号源（四）教学目标知识与能力：1掌握合成信号发生器定义、优点、核心、合成方法。2掌握锁相环的组成及电路形式。过程与方法：通过观察和讲解，掌握合成信号发生器情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点合成信号发生器定义、优点、核心、合成方法教学难点锁相环的组成及电路形式新授课3.2正弦信号源3.2.4合成信号发生器定义：用频率合成器代替信号发生器的主振器。优点： 有良好的输出特性和调制特性；具有

17、频率合成器的高稳定度、高分辨力，同时输出信号的频率、电平、调制深度等均可程控。核心：频率合成器：把一个（或少数几个）高稳定度频率源fs经过加、减、乘、除及组合运算，产生在一定频率范围内具有一定频率间隔的一系列离散频率。频率合成方法：直接合成法和间接合成法直接合成法：转换速度快，频谱纯度高，但需要众多的混频器、分频器和滤波器，因而显得笨重。间接合成法（又称锁相合成法）：通过锁相环来完成频率加、减、乘、除及其组合运算，产生在一定频率范围内具有滤波作用，其通带可以做得很窄，并且中心频率易调，又能自动跟踪输入频率，有利于简化结构、降低成本，便于集成。锁相：自动实现相位同步。锁相环：能完成两个电信号相位

18、同步的自动控制系统。基本锁相环组成：由鉴相器（PD） 、低通滤波器（LPF） 、压控振荡器（VCO ） 。如图所示。鉴相器： 相位比较装置， 它将输入信号ui( t )和输出信号uo( t )的相位进行比较，其输出是与两信号的相位差成正比例的误差电压u( t )。低通滤波器：滤出误差电压u( t )中的高频分量和噪声。压控振荡器： 接受滤波器输出电压uf( t )的控制， 使其振荡器频率向输入信号频率靠近，直至锁定。环路锁定后， VCO 的振荡频率等于输入信号频率，VCO 的相位与输入信号相位相同或精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳

19、- - - - - - - - - -第 8 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 相差某一个常数。因此，当环路锁定时，鉴相器PD 的输出电压是一个直流电压。频率合成器种类：倍频器锁相环、分频式锁相环、混频式锁相环和组合式锁相环，分别如图所示。 图（d）能在 71 100.9 MHz 的频率范围内产生300 个输出频率， 最小间隔为100 kHz。练习习题小结1合成信号发生器定义：用频率合成器代替信号发生器的主振器。优点： 有良好的输出特性和调制特性；具有频率合成的高稳定度、高分辨力，同时输出信号的频率、电平、调制深度等均可程控。核心：频率合成器：把一个（或少数几个）高稳定

20、度频率源fs经过加、减、乘、除及组合运算，产生在一定频率范围内具有一定频率间隔的一系列离散频率。频率合成方法：直接合成法和间接合成法2频率合成器种类：倍频器锁相环、分频式锁相环、混频式锁相环和组合式锁相环。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题3.2正弦信号源（五）教学目标知识与能力：了解 PQ12型频率合成器的组成原理过程与方法：通过观察和讲解，了解PQ12型频率合成器的组成原理情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科

21、学态度教学重点PQ12 型频率合成器的组成原理教学难点PQ12 型频率合成器的组成原理新授课下面介绍 PQ12 型频率合成器。（1）主要技术指标（见书）（2）组成原理PO12 型频率合成器的组成原理如图所示。由图可以看出， 它是由基准频率发生器、内插振荡器（频率20 21 MHz ） 、七级十进锁相合成单元（末一级十进合成单元少一个固定的十进分频电路）、倍频器、 输出混频器、 输出放大器和输出衰减器等组成。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 16 页 - - - - - - -

22、- - - 单元：由石英晶体振荡器产生5 MHz 频率信号，经倍频或分频后分别输出100 kHz、2 MHz 、15 MHz 、100 MHz 的基准频率。单元： 由六个相同的合成单元相串联，完成“10 Hz” 、 “ 100 Hz” 、 “ 1 kHz” 、 “10 kHz ” 、 “ 100 kHz” 、 “ 1 MHz ”位的频率合成。每一个合成单元的组成都相同。单元：完成“10 MHz ”位的频率合成。单元：一个10 倍频锁相环。将前一单元送来的20 21 MHz频率倍乘到200 210 MHz 。单元：一个10 倍频电路。将前一单元送来的200 210 MHz频率信号倍增至2.0 2

23、.1GHz 信号。单元： 将单元送来的100 MHz 基准频率信号通过倍频器倍频后在由带通滤波器选取 1.6、1.7、1.8、 1.9、2.0 GHz 的五个频率的信号。单元：该单元内部由微波混频、宽带放大和衰减器三部分组成。来自单元的2.0 2.1GHz 信号分别与单元的1.6、1.7、1.8、1.9、2.0 GHz 的信号在混频器中混频，取其差频分量，经低通滤波器输出500 MHz 以下的合成频率信号。此信号经宽带放大器和自动增益电路，保证获得平坦的输出频率响应。衰减器可在70 dB 范围内改变输出电平。单元：一个可连续变化的内插振荡器。既可连续改变频率，又可作扫频之用。它可在100 MH

24、z 位以下任意插入。练习习题小结基本锁相环的组成：鉴相器（PD） 、低通滤波器（LPF） 、压控振荡器（VCO ）组成。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题3.3 函数发生器（一）教学目标知识与能力：理解函数发生器定义，组成方案。过程与方法：通过观察和讲解，理解函数发生器定义，组成方案。情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点理解函数发生器定义，组成方案。教学难点理解函数发生器定义，组成方案。新授课3.

25、3函数发生器3.3.1概述函数发生器：输出正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号源。有的具有调制功能，进行调幅、调相、脉冲调制和VCO 控制。宽的频率范围（从几赫到几十兆赫）。3.3.2 函数发生器的组成方案产生信号的方法：（1） （施密特电路）方波三角波和正弦波。（2）正弦波方波和三角波。（3）三角波方波和正弦波。1由方波产生三角波、正弦波的方案下图所示为函数发生器组成方案之一。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 工作过程

26、： 双稳态触发器产生方波信号；用积分器将方波信号变为三角波信号；用函数变换网络 （如二极管整形网络）将三角波信号变换成正弦波信号；各种信号通过各自独立的输出电路同时输出，或通过同一的输出电路，用开关转换。（1）方波三角波变换原理函数发生器中常用的方波三角波变换原理如图所示（由积分器和比较器实现）。工作原理：u1 0 u2线性下降下降到等于参考电平Er2，电压比较器使双稳态触发器翻转，u1 0， u2将线性上升上升到等于参考电平Er1，电压比较器1 使双稳态触发器又返回原来状态，完成一个循环周期。双稳态触发器输出端：方波信号；积分器输出端：三角波信号。其振荡波形如图（b） 。练习习题小结1函数发

27、生器：一种能够输出正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号源。有的函数发生器还具有调制功能，可以进行调幅、调相、脉冲调制和VCO 控制。2产生信号的方法： （1）用施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波。（2）先产生正弦波再得到方波和三角波。（3）先产生三角波再转换为方波和正弦波。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 13 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 课题3.3 函数发生器（二）教学目标知识与能力：掌握函数方生器组成方案，波形转换原理过程与

28、方法：通过观察和讲解，函数方生器组成方案，波形转换原理情感、态度与价值观：培养学生的严谨的科学态度教学重点函数方生器组成方案，波形转换原理教学难点函数方生器组成方案，波形转换原理新授课（2）三角波正弦波变换原理实现：函数变换网络（利用分段逼近法实现波形变换），如下图所示。其中（ a）是输入 输出特性曲线； （b）输入信号；（c）输出信号。折线的段数越多，电路的输出波形越接近正弦波。下图为实际的正弦波形成网络。电路中用二极管的通断完成转折，直流稳压电压和电阻提供适当的偏压用以控制转折点的位置。 一对二极管可获得6 段折线， 由这种正弦波形成网络所获得的正弦信号失真小，用5 对二极管时可小于1，用

29、 6 对时，可小于0.25。2由正弦波产生方波和三角波的方案，其原理方框图如图所示。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 14 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 正弦波：由文氏桥振荡器产生。矩形波：由正弦波经整形，微分，单稳态调宽放大得到正负矩形脉冲。锯齿波（三角波） ：负矩形脉冲经锯齿波产生电路得到。正负尖脉冲：负矩形脉冲经微分放大得到。3由三角波产生方波、正弦波方案采用正负电流对电容积分，先产生三角波，再转化为方波和正弦波。其原理方框图如图所示。三角波： 由正负电流源

30、时积分电容充放电产生，三角波的频率由正负电流源的激励电压控制。方波：三角波经电平检测器得到。正弦波：三角波经电平检测器得到。三角波、方波和正弦波信号经选择开关送往输出放大器放大后输出。输出端接有衰减器，调整输出电压的大小。3.3.3函数发生器产品介绍XJ1630 型函数发生器是由集成电路与晶体管构成的便携式通用函数发生器，能产生正弦波、方波、三角波、脉冲和锯齿波五种不同波形，各种信号均可加 10 V 的直流偏置电压。另外还有压控输入、TTL电平的同步信号、输出脉冲信号反相及输出信号幅度衰减等多种功能。该仪器具有功能丰富、性能稳定、结构新颖、价格便宜、操作简单等特点。1主要技术指标（见书）2使用

31、方法（1）电源检查。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 15 页，共 16 页 - - - - - - - - - - （2）波形选择。（3）频率选择。（4）幅度调节。（5）置直流偏置控制器（DC OFFSET ）于所需要的直流电平。（6）若需要TTL 电平的兼容信号，则可使用同步输出端（SYNCOUTPUT ）得到于输出信号频率相同的同步输出信号。（7）揿下反相（ INVERT ）按键，可得到相移位180 的反向脉冲。（8）在压控振荡器输入（VCFIN ）一个 0 5 V 外加的固定直流电压时，对应得信号频率变化大于 100 1。练习习题小结函数发生器的组成方案。 （1）由方波产生三角波、三角波的方案。（2）由正弦波产生方波和三角波的方案。 （3）由三角波产生方波、正弦波方案。布置作业习题精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 16 页，共 16 页 - - - - - - - - - -