电子测量技术基础第三章II.ppt

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1、E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础电子测量技术基础电子测量技术基础第三章第三章1E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础上节回顾上节回顾信号发生器概述信号发生器的用途、分类、基本构成和发展趋势。正弦信号发生器的基本性能指标频率范围，频率准确度，频率稳定度，由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量，失真度，输出阻抗，输出电平，调制特性。低频信号发生器低频信号发生器：主要性能指标，组成框图，通用RC振荡器，其它低频振荡器(LC振荡器、差频式振荡器)；2E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础第第3章章 信号发生器信号发生器3E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础第第3章章

2、信号发生器信号发生器4E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3.5 射频信号发生器射频信号发生器 射频信号发生器是指能产生正弦信号，频率范围部分或全部复盖300kHz1GHz(允许向外延伸)，并且具有一种或一种以上调制或组合调制(正弦调幅、正弦调频、断续脉冲调制)的信号发生器，也称为高频信号发生器。射频信号发生器分为调谐信号发生器、锁相信号发生器、合成信号发生器三类。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础图1 高频信号发生器框图 和低频信号发生器相比，高频信号发生器的输出幅度调节范围较大。为了适应对接收机等设备的测试需要，要求高频信号发生器能有可调节的微弱信号的输出(可小于1uV)

3、，同时就要求该类信号发生器有良好的屏蔽，以免信号泄漏而影响测量准确性。也是出于对各类接收设备性能测试的需要.高频信号发生器应有调制功能，以输出所需的已调高频信号。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 一、调谐信号发生器一、调谐信号发生器(略略)根据反馈方式，LC振荡器分为v变压器反馈式;v电感反馈式(也称电感三点式或哈特莱式);v电容反馈式(也称电容三点式或考毕兹式)E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 二、锁相信号发生器二、锁相信号发生器 随着通信及电子测量水平的发展与提高，需要信号发生器能有足够宽的频率复盖，足够高的频率准确度和稳定度。上述由LC振荡电路或RC振荡器为主振器

4、的信号发生器已不能适应更高的要求。锁相信号发生器是在高性能的调谐式信号发生器中增加频率计数器，并将信号源的振荡频率利用锁相原理锁定在频率计数器的时基上，而频率计数器又是以高稳定度的石英晶体振荡器为基准的，从而使锁相信号发生器的输出频率的稳定度和准确度大大提高，信号 频谱纯度等性能特性也有很大改善。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 压控振荡器，简称VCO(voltage-controlled oscillator)，其振荡频率可由偏置电压改变。比如改变变容二极管两端的直流电压，就可改变其等效电容，从而改变由它构成的振荡器的频率。LPFE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 压控

5、振荡器：指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路。其特性用输出角频率0与输入控制电压uc之间的关系曲线(图1)来表示。图中,uc为零时的角频率0称为自由振荡角频率；曲线在0处的斜率K0称为控制灵敏度。使振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶

6、体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄，RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础晶体压控振荡器：在用石英晶体稳频的振荡器中，把变容二极管和石英晶体相串接，就可形成晶体压控振荡器。为了扩大调频范围，石英晶体可用AT切割和取用其基频率的石英晶体，在电路上还可采用展宽调频范围的变换网络。在微波频段，用反射极电压控制频率的反射速调管振荡器和用阳极电压控制频率的磁控管振荡器等也都属于压控振荡器的性质。压控振荡

7、器的应用范围很广。集成化是重要的发展方向。石英晶体压控振荡器中频率稳定度和调频范围之间的矛盾也有待于解决。随着深空通信的发展，将需要内部噪声电平极低的压控振荡器。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础变变容容二二极极管管：又称“可可变变电电抗抗二二极极管管”。是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。主要参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等，对于不同用途

8、，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压，使其PN结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压VR变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头

9、的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础14图 变容二极管bb910E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 鉴相器：简称PD(phase detector)，其输出端直流电压随其两个输入信号的相位差改变。LPFE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种。二极管平衡鉴相器是一种模拟鉴相器。两个输入的正弦信号的和与差分别加于检波二极管，检波后的电位差即为鉴相器的输出电压。其鉴相特性通常为余弦型的。鉴频鉴相器是一种数字鉴相器。两个输入信号是脉冲序列，其前沿（或后沿）分

10、别代表各自的相位。比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。这种鉴相器的鉴相特性为锯齿形。因它兼具鉴频作用，故称鉴频鉴相器。LPFE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 低通滤波器，简称PLF(low-passfilter)，在这里的作用是滤除高频成分，留下相位差变化的直流电压。LPFE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 低通滤波器容许低频信号通过,但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器,或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频

11、设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等。LPFE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振

12、荡（SPXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。LPFE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 当压控振荡器频率f2由于某种原因变化时，相应相位也产生变化，该相位变化在鉴相器中与基准晶振频率f1的稳定相位相比较，使鉴相器输出一个与相位差成比例的电压ud(t)，经过低通滤波器，检出其直流分量uc(t)，用uc(t)控制压控振荡器中压控元件数值(如变容二极管电容)，从而调整VCO的输出频率f2，使其不但频率和基准晶振一致，相位也同步，这时称为相位锁定，因此最终VCO的频率输出稳定度就由晶振频率f1所决定。LPFE-mail: 西

13、南科技大学电子测量技术基础 三、合成信号发生器三、合成信号发生器 合成信号发生器是用频率合成器代替信号发生器中主振荡器。它既有信号发生器良好的输出特性和调制特性，又有频率合成器的高稳定度、高分辨力的优点，同时输出信号的频率、电平、调制深度等均可程控，是一种先进高档次的信号发生器。频率合成器是把一个(或少数几个)高稳定度频率源fs经过加、减、乘、除及其组合运算，以产生在定频率范围内，按一定的频率间隔(或称频率跳步)的一系列离散频率的信号发生器。频率合成的方法分为直接合成法和间接合成法两类。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 直接合成法是将基准晶体振荡器产生的标准频率信号，利用倍频器、分

14、频器、混频器及滤波器等进行一系列四则运算以获得所需要的频率输出。合成法中分为非相干式直接合成器和相干式直接合成器。v若用多个石英晶体产生基准频率，产生混频的两个基准频率之间相互独立，就叫做非相干式直接合成器。v如果只用一个石英晶体产生基准频率，然后通过分频、倍频等，使加入混频器的频率之间是相关的，就称为相干式频率合成器。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 相干式直接频率合成相干式直接频率合成 通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。优点：频率切换迅速，相位噪声很低。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。E-mail:

15、 西南科技大学电子测量技术基础 锁相式频率合成锁相式频率合成 它利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低等优点。缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。图3.4-9 间接式频率合成器原理框图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础(3.4-1)压控振荡器输出频率经分 频后得到 频率的信号送往鉴相器，与采自晶振输出经n2次分频的频率f0/n2的信号进行相位比较，由前面的锁相环路的介绍可知，当 即 相位锁定，输出信号按式(3.4-1)的频率输出，

16、且具有与f0。即晶振信号同样的稳定度。为了有效地锁相，需要鉴相器两输入信号频率足够接近。如果两信号频率相差较大，可先进行鉴频，用鉴频器输出控制VCO实现频率粗调，而后利用鉴相器输出控制VCO实现频率细调。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础第第3章章 信号发生器信号发生器26E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3.6 扫频信号发生器扫频信号发生器 扫频信号发生器是一种输出信号的频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发生器，它是频率特性测试仪(扫频仪)的核心，主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础(3.5-1)式中 (或写成 )与

17、(或写成 )分别称为电路(系统)的幅频特性和相频特性.一、线性电路幅频特性的测量一、线性电路幅频特性的测量正弦稳定下的系统函数或传输函数E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 工作原理工作原理 频率特性测试的方法：点频法和扫频法点频法：逐点调整信号发生器的输出频率，并用电压表等设备记录被测系统的响应。特点：准确度高，但繁琐费时，频率间隔较大。扫频法：是利用扫频信号发生器输出自动连续变化的频率信号，对被测系统进行动态式的扫频测试。特点：简单快捷，可以方便地测量系统的频率特性及动态特性。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1点频法测量频率特性图3.5-1 点频法测量系统的幅频特性E

18、-mail: 西南科技大学电子测量技术基础图3.5-2 扫频法测量网络频率特性原理 2 2扫频法测量频率特性扫频法测量频率特性E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础图3.5-2 扫频法测量网络频率特性原理 2 2扫频法测量频率特性扫频法测量频率特性频率可控的正弦频率可控的正弦振荡器振荡器(比如压控比如压控振荡器振荡器VCO)VCO)E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础图3.5-2 扫频法测量网络频率特性原理 2 2扫频法测量频率特性扫频法测量频率特性扫描电压为锯齿波或三角波E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础图3.5-2 扫频法测量网络频率特性原理 2 2扫频法测量频率特

19、性扫频法测量频率特性 若扫描电压为三角波，则扫频信号发生器瞬时频率在扫描正程将随扫描电压的线性增加，由fmin线性地变到fmax，在回扫期间，又由fmax线性地变到fmin，如此周期性反复，而扫描信号的幅度则始终保持不变。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础图3.5-2 扫频法测量网络频率特性原理 2 2扫频法测量频率特性扫频法测量频率特性 振幅不变而频率在一定范围内连续变化的正弦信号加到被测电路(例如调谐放大器)的输入端，由于调谐放大器的增益随频率而变，故其输出信号uo的振幅也将随频率而改变，uo的包络就反映了该放大器的幅频特性，经峰值检波器检出输出信号的包络uoE-mail: 西南

20、科技大学电子测量技术基础图3.5-2 扫频法测量网络频率特性原理 2 2扫频法测量频率特性扫频法测量频率特性经峰值检波器检出输出信号的包络uo，将它送至示波管的垂直偏转系统，同时扫描信号us 加到示波管的水平系统作为扫描时基信号，由于扫频信号ui的瞬时频率和水平扫描电压us的瞬时值一一对应，使得示波管的水平轴成为线性的频率座标轴。这样在us和uo的共同作用下，示波管荧光屏上就直接显示出该调谐放大器的幅频特性。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 和点频法相比，扫频法具有以下优点：和点频法相比，扫频法具有以下优点：可实现网络的频率特性的自动或半自动测量，特别是在进行电路调试时，人们可以一

21、面调节电路中有关元件，一面观察荧光屏上频率特性曲线的变化，从而迅速地将电路性能调整到预定的要求.由于扫频信号的频率是连续变化的，因此所得到的被测网络的频率特性曲线也是连续的，不会出现由于点频法中的频率点离散而遗漏掉细节的问题.点频法中是人工逐点改变输入信号的频率，速度慢，得到的是被测电路稳态情况下的频率特性曲线。扫频测量法是在一定扫描速度下获得被测电路的动态频率特性，而后者更符合被测电路的应用实际。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 二、扫频仪的基本构成二、扫频仪的基本构成 时基系统时基系统时基系统时基系统产生一个扫描信号，由该信号控制一个可调谐的连续振荡源以产生频率随时间变化的正弦

22、信号，频率变化的规律就取决于扫描信号，若扫描信号是锯齿波或三角波，则扫频规律就呈线性，或者说扫频振荡器输出正弦信号的瞬时频率随时间线性增加或降低。有些场合也使用对数型扫描信号，则扫频规律就呈现对数性。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 二、扫频仪的基本构成二、扫频仪的基本构成 扫频振荡器扫频振荡器扫频振荡器扫频振荡器在时基系统产生的扫描信号作用下，产生频率随时间按一定规律变化的扫频振荡，并利用电平限制电路及自动幅度控制电路以确保输出振幅平稳的扫频信号E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 二、扫频仪的基本构成二、扫频仪的基本构成 时标系统时标系统时标系统时标系统用来产生频标信号

23、，以便在示波管荧光屏上确定扫频信号发生器的瞬时频率和扫频宽度。扫频信号施加于被测网络输入端，输出响应经检波，包络上加上频标信号，就可在示波管荧光屏上的频率特性曲线上找到对应的频率.E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础三、扫频振荡器的工作原理三、扫频振荡器的工作原理(1)磁调电感法磁调电感法 磁调电感法原理图如图，图(a)中L2、C谐振回路的谐振频率f0为(3.5-2)图3.54 磁调电感式扫频法原理E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 式中L2为绕在高频磁芯MH上线圈的电感量，若能用时基系统产生的扫描信号改变L2，也就改变了谐振频率。由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的

24、导磁系数 成正比(3.5-3)式中L为空芯线圈的电感量。由于高频磁芯MH接在低频磁芯ML的磁路中，而绕在ML上的线圈中的电流是交流和直流两部分的扫描电流，如图(b)所示。当扫描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数 也随着改变，再由式(3.5-2)、(3.5-3)可知，扫描电流的变化就导致了L2及谐振频率f0的变化实现了“扫频”。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 三、三、BT3型扫频仪型扫频仪 l.扫频仪的主要性能要求扫频仪的主要性能要求 扫频振荡器除应具有一般正弦振荡器所具有的工作特性外，还有下面几个主要的性能要求.(1)中心频率范围大且可连续调节。(2)扫频宽度(频宽)要宽且

25、可任意调节。(3)寄生调幅要小。(4)扫描线性度好。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 BT3型扫频仪的主要技术性能：型扫频仪的主要技术性能：中心频率：在1300MHz内可任意调节，分175MHz，75150MHz，150300MHz三个波段；扫频频偏：最大频偏；扫频信号输出：输出电压0.1V(有效值)，输出阻抗75；寄生调幅系数：最大频偏时；调频非线性系数：最大频偏时20；频标信号：1MHz、10MHz和外接频标三种。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础45E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础46E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础第第3章章 信号发生器信号

26、发生器47E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3.7 脉冲信号发生器脉冲信号发生器一、脉冲信号一、脉冲信号(略略)脉冲具有脉动和冲击的含意，脉冲信号通常指持续时间较短有特定变化规律的电压或电流信号。常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形、数字编码序列等，其中最基本的脉冲信号是矩形脉冲信号，如图3.61所示。下面就以矩形脉冲为例，介绍表征脉冲信号的主要参数：E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础图3.6-1 矩形脉冲信号脉冲幅度Um：定义为脉冲波从底部到顶部之间的数值。脉冲上升时间tr：定义为脉冲波从Um 上升到0.9Um所经历的时间，也叫脉冲前沿。脉冲下降时间tf：定义为脉冲

27、波从Um下降到Um所经历的时间，也叫脉冲后沿。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础图3.6-1 矩形脉冲信号脉冲宽度：即脉冲的持续时间，一般指脉冲前、后沿分别等于0.5 Um时相应的时间间隔。平顶降落 ：表征脉冲顶部不能保持平直而呈现倾斜降落的数值，也常用其对脉冲幅度的百分比值来表示。脉冲过冲：脉冲过冲包括上冲和下冲。上冲指上升边超过顶值Um以上所呈现的突出部分，如图中b下冲是指下降边超过底值以下所呈现的向下突出部分，如图中f。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础图3.6-1 矩形脉冲信号脉冲周期和重复频率：周期性脉冲相邻两脉冲之间的时间间隔称为脉冲周期，用T 表示，脉冲周期的

28、倒数称为重复频率，用f表示，如图3.61(b)中所示.脉冲的占空系数 ：脉冲宽度 与脉冲周期T的比值称为占空系数或空度比E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础二、脉冲信号发生器分类二、脉冲信号发生器分类 脉冲信号发生器是专门用来产生脉冲波形的信号源，是电子测量仪器中的一个重要门类。脉冲信号发生器广泛应用于电子测量系统以及数字通信、雷达、激光、航天、计算机技术、自动控制等领域。它可用于测试视频放大器、宽带电路的振幅特性、过渡特性，逻辑元件的开关速度、数字电路研究以及示波器的检定与测试等。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 脉冲信号发生器可分为通用脉冲发生器、快沿脉冲发生器、函数发

29、生器、数字可编程脉冲信号发生器及特种脉冲发生器等。通用脉冲发生器是最常用的脉冲发生器，其输出脉冲频率、延迟时间、脉冲持续时间、脉冲幅度均可在一定范围内连续调节，一般输出脉冲都有“+”“一”两种极性，有些产品还具有前、后沿可调、双脉冲、群脉冲、闸门、外触发及单次触发等功能。像国外的HP8080A，频率达1000MHz，前、后沿小于300ps，国内也已生产出频率达500MHz，前后沿小于100ps的通用脉冲发生器。二、脉冲信号发生器分类二、脉冲信号发生器分类E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 快沿脉冲发生器以快速前沿为其特征，主要用于各类电路瞬态特性测试，特别是测试示波器的瞬态口向应。国

30、内小幅度(5V)快沿脉冲发生器前沿可小于60ps，大幅度(50V)快沿脉冲发生器的前沿可小于1ns。函数信号发生器在前面已有过介绍，由于它一般可输出多种波形信号，因而已成为通用性极强的一类信号发生器。但作为脉冲信号源，当前主要的问题是上限频率不够高(50MHz左右)，前、后沿也难提高，不能完全取代通用脉冲信号发生器。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 数字可编程脉冲信号发生器是随着集成电路技术、微处理器技术发展而产生的一代新型脉冲发生器，一般带有GPIB接口，可编程控制，使之进入自动测试系统。特种脉冲信号发生器是指那些具有特殊用途，对某些性能指标有特定要求的脉冲信号 源，如稳幅、高压

31、、精密延迟等脉冲发生器以及功率脉冲发生器和数字序列发生器等。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 三、脉冲信号发生器的结构三、脉冲信号发生器的结构(略略)1基本脉冲信号发生器基本脉冲信号发生器 图3.62 基本脉冲信号发生器框图 主振级：该单元是脉冲信号源的核心一振荡源，一般采用恒流源射级耦合自激多谐 振荡器产生矩形波，调节振荡器中电容和钳位电压可进行振荡频率粗调(频段)和细调。也可采用正弦振荡、限幅放大和积分电路等构成主振级。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 三、脉冲信号发生器的结构三、脉冲信号发生器的结构(略略)1基本脉冲信号发生器基本脉冲信号发生器 图3.62 基本脉

32、冲信号发生器框图 脉冲形成级：脉冲形成级主要由延时单元和脉冲形成单元构成。延时单元将主振级送出的信号转换成形成单元所需的延时脉冲。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 三、脉冲信号发生器的结构三、脉冲信号发生器的结构(略略)1基本脉冲信号发生器基本脉冲信号发生器 图3.62 基本脉冲信号发生器框图 输出级：通常包括有脉冲放大器、倒相器等，输出信号的幅度、极性在输出级进行调节。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 四、脉冲信号源的应用四、脉冲信号源的应用 频域测量实质上就是系统正弦稳态特性的测量，包括系统的幅频特性、相频特性。在正弦测量中，最重要的信号源就是正弦信号发生器，最常用

33、的测量仪器是电子电压表(点频法测量时)或扫频仪(扫频法测量时)。用示波器观测系统的输出波形(为便于分析比较，通常使用双踪示波器以便同时显示输入和输出波形)，即可非常直观地获得被测系统的瞬态响应特性，而且可边调试电路边进行观测，这是正弦点频法所不及的。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 阻容分压器的瞬态响应特性 最常用的方法是由脉冲信号发生器输出方波脉冲施加于分压器，理想情况下的输出波形u2应与输入波形u1完全相同，可以证明此时 。一旦 ,u2 相对于u1就产生失真，如图(c)、(d)所示，分别呈现出高通和低通特性。此时我们可以一边调节输入补偿电容C1，一边用示波器观察输出波形，一直到

34、满足要求为止。图3.68 阻容分压器的瞬态响应E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础第第3章章 信号发生器信号发生器61E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3.8 噪声发生器噪声发生器(略略)噪声和信号是两个对立统一的概念。噪声通常指干扰有用信号的不期望的不可预测的 扰动，它使有用信号受到干扰而造成失真，降低了信号观察和测量的可靠性。许多情况下，人们希望克服或降低噪声，而有些情况下，噪声又可被人们所利用，因而噪声测量技术就成为电子测量领域的一个重要组成部分，并且已在国防、能源、水文、海洋、地理、气象及医疗等部门得到广泛应用。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 在电子测量

35、领域，噪声发生器用来测量接收机的极限灵敏度，测量放大器及各有源器件的噪声系数及电声转换器的频响及失真度等。噪声发生器的结构如图所示，主要由噪声源、变换器及输出衰减器等部分组成。图3.71 噪声发生器结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础一、噪声源 噪声源是噪声发生器的核心，提供在一定频率范围内有足够高电平和噪声统计特性的噪声信号。噪声可有不同的统计参数。其中应用最多的是频谱分布均匀的白噪声。可作为产生白噪声的噪声源通常有下面几种。1电阻器噪声源(热噪声)2饱和二极管(噪声二极管)噪声源(散弹效应)3.气体放电管噪声源(电磁辐射)4.固态噪声源(雪崩散弹噪声)图3.71 噪声发生器结构

36、E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 二、变换器 噪声源输出的噪声功率有限，频谱密度等也由噪声源类型等决定。为了使输出的噪声满足一定的要求，包括输出功率、谱密度特性等，需要在噪声源后级联变换器，包括宽带放大器、非线性电路(改变噪声特性如概率密度函数)、滤波器、频谱变换器等。图3.71 噪声发生器结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 三、输出衰减器 在噪声发生器中，常用已校准好刻度的衰减器作为输出级，其衰减量在系统工作频率范围内保持恒定。信号电平指示仪表接在衰减器之前，由电平指示仪表的示值和输出衰减倍乘即可得知输出噪声的均方根值或均方值。当需要的噪声电平较小时，也可直接由噪声

37、源输出噪声信号.图3.71 噪声发生器结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础总结总结3.1 信号发生器概述3.2 正弦信号发生器的性能指标3.3 低频信号发生器67E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1.主振荡主振荡用来产生低频正弦信号，其振荡频率范围即为信号发生器的有效频率范围。常见的电路形式有差频式和RC振荡两类68低频信号发生器的基本结构低频信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1.主振荡(1)差频式振荡器69低频信号发生器的基本结构低频信号发生器的基本结构图3.3.2 差频式信号发生器原理图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1.主振

38、荡(1)差频式振荡器 优点：频率覆盖面比较宽 缺点：频率稳定性差，特别是f1与f2接近时，极易产生干扰，这样也就很难获得较低的差频输出。电电路路复复杂杂，频频率率准准确确度、稳定度较差，波形失真较大；度、稳定度较差，波形失真较大；70低频信号发生器的基本结构低频信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1.主振荡(2)RC振荡器。为了克服差频式振荡器的缺点，现代低频信号发生器普遍采用RC振荡器。71低频信号发生器的基本结构低频信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1.主振荡(2)RC振荡器。包括：RC移相振荡器、RC双T振荡器和RC文氏电桥振荡器

39、RC移相振荡器、RC双T振荡器存在频率特性不理想或调节不方便等缺点。RC文氏电桥振荡器具有输出波形好、振幅稳定、频率范围宽以及频率调节方便等优点72低频信号发生器的基本结构低频信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础RC文氏电桥振荡器谐振频率为 当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率和谐振频率分别为：73E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础RC文氏电桥振荡器(续)幅频特性：相频特性：74 当f=f0时的反馈系数，且与频率f0的大小无关，此时的相角F=0。即调节谐振频率不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。E-mail: 西南

40、科技大学电子测量技术基础总结总结3.1 信号发生器概述3.2 正弦信号发生器的性能指标3.3 低频信号发生器3.4 3.4 函数信号发生器函数信号发生器75E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础函数发生器的基本工作原理先由积分电路和触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器(例如二极管整形网络)将三角波整形成正弦波。76函数信号发生器的基本结构函数信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1.方波、三角波产生电路这种电路由双稳态触发电路产生方法，经积分电路将方波变换成三角波。双稳态触发电路和积分电路都由正负电源供电，双稳态电路的输出为+E或-E。假定仪器开始工作时

41、，双稳态角落电路左边A点为高电位E，右边B点为低电位-E。此时积分电路输入电压为-E，输出端D点电压将随时间成正比地上升，上升速度(斜率)决定于输入电压-E，分压电阻值R1、R2和时间常数Rc。77函数信号发生器的基本结构函数信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1.方波、三角波产生电路当经过时间T1，UD上升到+Um时，电压比较器I输出一个触发脉冲，使双稳电路翻转，A点成为低电位-E，B点成为高电位E。此时积分电路输入电压为E，输出电压UD将以同样速度随时间成正比下降。当经过时间T2，UD下降到-Um时，电压比较器II有输出，使双稳电路翻转回去，完成一个循环周期。A

42、点成为高电位，B点成为低电位，又开始下一个循环。如此不断循环产生振荡，只要在正负电源(E)和正负比较电平(Um)绝对值各自相等，在A点和B点就将得到极性相反的对称方波信号，D点将得到对称的三角波信号。函数发生器的波形闯如图(a)所示。其振荡频率等于78函数信号发生器的基本结构函数信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1.方波、三角波产生电路函数发生器的波形闯如图(a)所示。其振荡频率等于可见，换接电容器C或者用电位器调节电阻器R可以调节输出信号频率。改变电阻R2值也可以调节振荡频率，因此，如果用由一个电压控制的可变电阻(例如场效应管等)代替电阻器R2，就可以用电压来控

43、制振荡频率(称压控振荡器)。79函数信号发生器的基本结构函数信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1.方波、三角波产生电路80函数信号发生器的基本结构函数信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础2.矩形脉冲和锯齿波产生电路函数信号发生器还可用以产生矩形脉冲和锯齿波，这时只要在电阻器R上并联一个二极管(见虚线)。当B点电压为正(+E)时，二极管导通，其正向电阻很小，积分电阻值(R+R)中的只R被它短路而变为R(R远小于R)，积分输出电压很快下降，当下降到-Um时，触发电路翻转，B点电压成为-E，此时二极管截止，积分电阻值又回到R+R，积分输出缓慢

44、上升，形成止向锯齿波，波形如图(b)所示。如果二极管接法相反，则产生反向锯齿波。这样在A点和B点就可以得到极性相反的矩形脉冲，在D点得到锯齿波信号。81函数信号发生器的基本结构函数信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3.正弦波转换电路将三角波转换为正弦波的电路种类很多。利用低通滤波器滤除三角波中的高次谐波，就能把三角波变换成正弦波。因此，低通滤波器也是一种线性函数变换网络。滤波法虽然简单，但不适用于宽的频率范围。函数信号发生器中常用二极管整形电路来讲三角波转换为正弦波。二极管整形电路下图所示。82函数信号发生器的基本结构函数信号发生器的基本结构E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3.正弦波转换电路二极管整形网络是用分段折线逼近的办法来实现三角波向正弦波的转换。我们知道，数学上任何一条曲线，都可以用不同斜率的若干直线段来近似模拟，正弦波也可以看成由许多斜率不同的直线段所组成，只要直线段尽量多，其近似程度就是足够好的。正弦波的折线近似波形下图所示。波形中的每一 直线段可由三角波经不同分压系数的电阻分压而得。二极管整形网络实际上就是一个由输入三角波电压控制的可变分压器，输入的三角波ui通过分压网络，使在输出电压不同时有不同的分压系数，使可输出近似的止弦波。83函数信号发生器的基本结构函数信号发生器的基本结构