電子測量章第部分

1、6.3 函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器l 函數(shù)信號發(fā)生器實際上是一種多函數(shù)信號發(fā)生器實際上是一種多波形信號源，可以輸出正弦波、方波、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)波三角波、斜波、半波正弦波及指數(shù)波等。等。l6 63 31 1函數(shù)信號發(fā)生器的基本組成與函數(shù)信號發(fā)生器的基本組成與原理原理l 構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器的方案很多，通構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器的方案很多，通常有三種。常有三種。1 1方波方波- -三角波三角波- -正弦波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方案正弦波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方案 l由外觸發(fā)脈沖或內(nèi)觸發(fā)脈沖觸發(fā)，觸由外觸發(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，輸出信號的發(fā)施密特電路產(chǎn)

2、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)積出線性變化的三角波或斜波，調(diào)節(jié)積分時間常數(shù)分時間常數(shù)RCRC值，可改變積分速度，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)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三角波的幅度，最后由正弦波形成電路形成正弦波。路形成正弦波。 l如圖如圖6.96.9所示。所示。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)脈沖輸入圖6.9 方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器的原理框圖ooool2 2三角波三角波- -方波方波- -正弦波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方

3、案正弦波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方案l如圖如圖6.106.10所示。由三角波發(fā)生器先產(chǎn)生三角波，然后經(jīng)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。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6.10三角波-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l3正弦波-方波-三角波函數(shù)發(fā)生器的構(gòu)成方案l由正弦波發(fā)生器先產(chǎn)生正弦波，然后經(jīng)微由正弦波發(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)電路分電路產(chǎn)生尖脈沖，

4、用脈沖觸發(fā)單穩(wěn)電路形成方波，經(jīng)正弦波形成電路產(chǎn)生正弦波，形成方波，經(jīng)正弦波形成電路產(chǎn)生正弦波，最后經(jīng)過緩沖放大器輸出所需信號。最后經(jīng)過緩沖放大器輸出所需信號。正弦波發(fā)生器微分電路正弦波形成電路方波形成電路緩沖放大器緩沖放大器圖6.11 正弦波-方波-三角波函數(shù)發(fā)生器的原理框圖輸出正弦波輸出方波l632函數(shù)信號發(fā)生器的典型電路l1三角波形成電路l電路框圖如圖電路框圖如圖6.12所示，由恒流源控所示，由恒流源控制電路、恒流源、積分器（包括積分制電路、恒流源、積分器（包括積分電容電容C和運算放大器和運算放大器A）和幅度控制）和幅度控制電路構(gòu)成。電路構(gòu)成。l（1）電壓斜升過程）電壓斜升過程l輸出電壓可

5、表示為輸出電壓可表示為 （6-10）l式中式中 UO1斜升輸出電壓的瞬時值；斜升輸出電壓的瞬時值；l I1 正恒流源的的電流值；正恒流源的的電流值；l C 積分電容的電容量。積分電容的電容量。l（2）電壓斜降過程）電壓斜降過程l輸出電壓可表示為輸出電壓可表示為 （6-13）l式中式中 U UO2O2斜升輸出電壓的瞬時值；斜升輸出電壓的瞬時值； I I2 2 負恒流源的的電流值；負恒流源的的電流值； C C 積分電容的電容量。積分電容的電容量。l tCIUo11tCIUUoo212l當正負恒流源的當正負恒流源的恒流值相等時，恒流值相等時，即即I I1 1=I=I2 2時，可得時，可得到左右對稱的

6、三到左右對稱的三角波，三角波的角波，三角波的幅度取決于幅度幅度取決于幅度控制的極限電平?？刂频臉O限電平。l若若 ，l可得到正、負幅可得到正、負幅度對稱的波形。度對稱的波形。EE2正弦波形成電路l圖圖6.146.14所示為典型的二極管網(wǎng)絡(luò)變換電路，所示為典型的二極管網(wǎng)絡(luò)變換電路，將三角波變換成正弦波。將三角波變換成正弦波。l（1 1）在三角波的正半周，當）在三角波的正半周，當u ui i的瞬時值很的瞬時值很小時，小時， u uo o = u = ui i 。l（2 2）當三角波的瞬時電壓）當三角波的瞬時電壓u ui i 上升到上升到u u1 1 ，l（3）當三角波的瞬時電壓）當三角波的瞬時電壓u

7、 ui i 上升到上升到u u2 2 時，輸入時，輸入電壓和輸出電壓分別為電壓和輸出電壓分別為 ERRRRRRUUaaaaaai5432111iaaOURRRRRU1111ERRRRRRRUUaaaaaaai54321212iaaaaOURRRRRRRU212212 隨著輸入三角波的不斷增大，二極管V3a、V4a依次導通，使得分壓器的分壓比逐漸減小，輸出電壓衰減幅度更大，使三角波趨近于正弦波。v 同理，當三角波自正峰值逐漸減小時，二極管V4a、V3a、V2a、V1a依次截止，分壓器的分壓比又逐漸增大，輸出電壓衰減幅度依次變小，三角波也趨近于正弦波，如此循環(huán)，三角波變換成正弦波。波形如圖6.15

8、所示。 633函數(shù)信號發(fā)生器的性能指標l（1）輸出波形。有正弦波、方波、脈）輸出波形。有正弦波、方波、脈沖和三角波等波形，具有沖和三角波等波形，具有TTL同步輸出、同步輸出、單次脈沖輸出等。單次脈沖輸出等。l（2 2）頻率范圍。頻率范圍一般分為若）頻率范圍。頻率范圍一般分為若干頻段，如干頻段，如1Hz1Hz10Hz 10Hz 、10 Hz10 Hz100Hz 100Hz 、100Hz100Hz1kHz 1kHz 、1kHz 10kHz、10kHz100kHz、100kHz 100kHz 1MHz1MHz等六個波段。等六個波段。l（3 3）輸出電壓。一般指輸出電壓的峰）輸出電壓。一般指輸出電壓的

9、峰- -峰值。峰值。l（4 4）波形特性。不同波形有不同的表）波形特性。不同波形有不同的表示法。一般地示法。一般地l正弦波的特性用非線性失真系數(shù)表示，正弦波的特性用非線性失真系數(shù)表示，一般要求一般要求3%3%；l三角波的特性用非線性系數(shù)表示，一三角波的特性用非線性系數(shù)表示，一般要求般要求2%2%；l方波的特性參數(shù)是上升時間，一般要方波的特性參數(shù)是上升時間，一般要求求100ns100ns。l（5 5）輸出阻抗。函數(shù)輸出）輸出阻抗。函數(shù)輸出5050；TTLTTL同步輸出同步輸出600600。l634函數(shù)信號發(fā)生器的應用l函數(shù)發(fā)生器可用于音頻放大器、濾波器、函數(shù)發(fā)生器可用于音頻放大器、濾波器、自動測

10、試系統(tǒng)等的測試。如用于測量低自動測試系統(tǒng)等的測試。如用于測量低頻放大器的幅頻特性。測試過程如下頻放大器的幅頻特性。測試過程如下。l（1）按圖）按圖6.16所示連線。所示連線。l（2）調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器，使其輸出頻率）調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器，使其輸出頻率1kHz，幅度為，幅度為10mV的正弦信號，并將其的正弦信號，并將其送到被測放大器輸入端。送到被測放大器輸入端。l（3）在被測放大器輸出端接上負載電阻）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，測出放大器在輸入端，測出放大器在1kHz時的輸出電時的輸出電壓值。壓值。l（4）按被測電路的技術(shù)指標

11、，在保持函）按被測電路的技術(shù)指標，在保持函數(shù)發(fā)生器輸出幅度不變的情況下，逐點改數(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)，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。畫出被測放大器的頻率特性曲線。 6.4 高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器6.4.1高頻信號發(fā)生器的組成與原理高頻信號發(fā)生器的組成與原理 高頻信號發(fā)生器主要包括主振級、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)測電路緩沖級、調(diào)制級、輸出級、監(jiān)測電路和電源等電路。和電源等電路。 組成的基本框圖如圖組成的基

12、本框圖如圖6.16所示。所示。可變電抗器振蕩器緩沖級調(diào)制級調(diào)制度計輸出級電壓表內(nèi)調(diào)制振蕩器圖6.16 高頻信號發(fā)生器框圖外調(diào)制輸入電源O外內(nèi)OO OFMAM 輸出S Ol高頻信號發(fā)生器的其它單元電路高頻信號發(fā)生器的其它單元電路1 1可變電抗器可變電抗器2 2緩沖級緩沖級3 3調(diào)制級調(diào)制級4 4輸出級輸出級l642高頻信號發(fā)生器的分類高頻信號發(fā)生器的分類 l 按產(chǎn)生主振信號的方法不同，高按產(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、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)生器三鎖相信號發(fā)生器和合成信號發(fā)生器三大類。大類。l643 調(diào)諧信號發(fā)生器調(diào)諧信號發(fā)生器l

13、 由調(diào)諧振蕩器構(gòu)成的信號發(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。它們的工作頻稱為調(diào)諧信號發(fā)生器。它們的工作頻率率 為為 LCf2100f6.4.4 6.4.4 鎖相信號發(fā)生器鎖相信號發(fā)生器l鎖相環(huán)路是由基準頻率源、鑒相器鎖相環(huán)路是由基準頻率源、鑒相器（PDPD）、環(huán)路濾波器（）、環(huán)路濾波器（LPFLPF）和壓控振）和壓控振蕩器（蕩器（VCOVCO）組成的一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。）組成的一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)?；鶞暑l率源鑒相器壓控振蕩器低通濾波器圖6.19 鎖相環(huán)的基本框圖foUof0frUiUd651 頻率合成的定義l 所謂頻率合成，是對一個或多個所謂頻率合成，是對一個或多個基準頻率進行頻率

14、的加、減（混頻）、基準頻率進行頻率的加、減（混頻）、乘（倍頻）、除（分頻）四則運算，乘（倍頻）、除（分頻）四則運算，從而得到所需的頻率。從而得到所需的頻率。l 頻率合成的方法很多，但基本上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，一類分為兩類，一類是直接合成法，一類是間接合成法。是間接合成法。6 65 5 合成信號發(fā)生器合成信號發(fā)生器l直接合成法包括直接合成法包括模擬直接合成法模擬直接合成法和和數(shù)數(shù)字直接合成法。字直接合成法。l模擬直接合成法模擬直接合成法采用基準頻率通過諧采用基準頻率通過諧波發(fā)生器，產(chǎn)生一系列諧波頻率，然波發(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

15、頻率的后利用混頻、倍頻和分頻進行頻率的算術(shù)運算，最終得到所需的頻率；算術(shù)運算，最終得到所需的頻率；l數(shù)字直接合成法數(shù)字直接合成法則利用則利用RAM和和DAC結(jié)合，通過控制電路，從結(jié)合，通過控制電路，從RAM單元單元中讀出數(shù)據(jù)，再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到中讀出數(shù)據(jù)，再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到一定頻率的輸出波形。一定頻率的輸出波形。l間接合成法間接合成法則是通過鎖相技術(shù)進行頻則是通過鎖相技術(shù)進行頻率的算術(shù)運算，最后得到所需的頻率。率的算術(shù)運算，最后得到所需的頻率。652 直接合成法直接合成法l1固定頻率合成法l石英晶體振蕩器提供基準頻率，基準頻率經(jīng)分頻石英晶體振蕩器提供基準頻率，基準頻率經(jīng)分頻器、倍頻器后輸出

16、。輸出頻率為器、倍頻器后輸出。輸出頻率為 （6-16）l式中式中 D分頻器的分頻系數(shù)；分頻器的分頻系數(shù)；N倍頻器的倍頻器的倍頻系數(shù)；倍頻系數(shù)； f0輸出頻率；輸出頻率；fr基準頻率。基準頻率。l D、N均為給定的正整數(shù)，所以輸出頻率為一固均為給定的正整數(shù)，所以輸出頻率為一固定值，稱為固定頻率合成法。定值，稱為固定頻率合成法?；鶞暑l率計D分頻器N倍頻器frf0圖6.20 固定頻率合成法原理圖rfDNf0l2可變頻率合成法l l3數(shù)字直接合成法l電路由程控時鐘發(fā)生器、順序地址電路由程控時鐘發(fā)生器、順序地址發(fā)生器、發(fā)生器、ROMROM、鎖存器和、鎖存器和DACDAC變換器變換器構(gòu)成。構(gòu)成。653 間

17、接合成法間接合成法l間接合成法通過鎖相環(huán)來完成頻率的間接合成法通過鎖相環(huán)來完成頻率的加、減、乘、除，最后獲得需要的頻加、減、乘、除，最后獲得需要的頻率。率。l1.基本鎖相環(huán)基本鎖相環(huán)l基本鎖相環(huán)是由基準頻率源、鑒相器基本鎖相環(huán)是由基準頻率源、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控）和壓控振蕩器（振蕩器（VCO）組成的一個閉環(huán)反饋）組成的一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)。2.混頻式鎖相環(huán)混頻式鎖相環(huán)l是能對輸入頻率進行加、減運算的鎖相是能對輸入頻率進行加、減運算的鎖相環(huán)。它是在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加環(huán)。它是在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加入混頻器和帶通濾波器組成的。如果混入混頻器和帶通濾波

18、器組成的。如果混頻器是和混頻，則輸出頻率頻器是和混頻，則輸出頻率 ；如果混頻器是差混頻，則輸出頻如果混頻器是差混頻，則輸出頻率率 。21iiofff21iiofff3.倍頻式鎖相環(huán)倍頻式鎖相環(huán)l是利用鎖相環(huán)對基準頻率進行乘法運是利用鎖相環(huán)對基準頻率進行乘法運算的鎖相環(huán)，簡稱倍頻環(huán)。算的鎖相環(huán)，簡稱倍頻環(huán)。基準頻率源鑒相器低通濾波器壓控振蕩器分頻器（/N） 數(shù)字控制式倍頻器fi圖6.25 倍頻式所相環(huán)框圖Udf0分頻式鎖相環(huán)分頻式鎖相環(huán)l是利用鎖相環(huán)對基準頻率進行除法運是利用鎖相環(huán)對基準頻率進行除法運算的鎖相環(huán)，簡稱分頻環(huán)。算的鎖相環(huán)，簡稱分頻環(huán)。l在鎖相環(huán)鎖定條件時，在鎖相環(huán)鎖定條件時， 滿足

19、，所以，實滿足，所以，實現(xiàn)了分頻。如圖現(xiàn)了分頻。如圖6.26（a）、（）、（b）所）所示。示。 oifNfNffiol組合式鎖相環(huán)組合式鎖相環(huán)l圖圖6.26所示，為混頻環(huán)和倍頻環(huán)構(gòu)成所示，為混頻環(huán)和倍頻環(huán)構(gòu)成的組合環(huán)，鎖定時可產(chǎn)生的組合環(huán)，鎖定時可產(chǎn)生2MHz頻率頻率的信號。的信號。頻率源鑒相器低通濾波器壓控振蕩器分頻 器10帶通濾波器混頻器頻率源1MhzUdf0圖6.26 組合式鎖相環(huán)構(gòu)成8MHZ654 頻率合成器應用舉例頻率合成器應用舉例6.6 掃頻信號發(fā)生器l661 概述l輸出信號的頻率隨時間按一定輸出信號的頻率隨時間按一定規(guī)律、在一定范圍內(nèi)重復連續(xù)變化規(guī)律、在一定范圍內(nèi)重復連續(xù)變化的信

20、號源，稱為掃頻信號發(fā)生器。的信號源，稱為掃頻信號發(fā)生器。l1掃頻信號的特性l（1）輸出信號的頻率隨時間按一定的規(guī)）輸出信號的頻率隨時間按一定的規(guī)律變化。律變化。l（2）輸出信號的頻率受控制參量控制。）輸出信號的頻率受控制參量控制。l（3）掃頻信號源的輸出振幅在整個掃頻）掃頻信號源的輸出振幅在整個掃頻范圍內(nèi)應保持平穩(wěn)。范圍內(nèi)應保持平穩(wěn)。l（4）掃頻信號源應能產(chǎn)生同步的掃描信）掃頻信號源應能產(chǎn)生同步的掃描信號和頻率標志。號和頻率標志。l2對掃頻信號發(fā)生器的基本要求l（）中心頻率范圍大且可連續(xù)調(diào)節(jié)。（）中心頻率范圍大且可連續(xù)調(diào)節(jié)。l（）掃頻寬度要寬且可任意調(diào)節(jié)。（）掃頻寬度要寬且可任意調(diào)節(jié)。l（）寄

21、生調(diào)幅要小。（）寄生調(diào)幅要小。l（）掃描線性度好。（）掃描線性度好。l3掃頻信號發(fā)生器的優(yōu)點l（1）可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的自動或半自）可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的自動或半自動測量，特別是在進行電路測試時，人們動測量，特別是在進行電路測試時，人們可以一面調(diào)節(jié)電路中的有關(guān)元件，一面觀可以一面調(diào)節(jié)電路中的有關(guān)元件，一面觀察熒光屏上頻率特性曲線的變化，從而迅察熒光屏上頻率特性曲線的變化，從而迅速地將電路性能調(diào)整到預定的要求。速地將電路性能調(diào)整到預定的要求。l（2）由于掃頻信號的頻率是連續(xù)變化的，）由于掃頻信號的頻率是連續(xù)變化的，因此，所得到的被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線因此，所得到的被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線也是連續(xù)的，

22、不會出現(xiàn)由于點頻法中頻率也是連續(xù)的，不會出現(xiàn)由于點頻法中頻率點離散而遺漏掉細節(jié)的問題。點離散而遺漏掉細節(jié)的問題。l（3）掃頻測量法是在一定掃描速度下獲）掃頻測量法是在一定掃描速度下獲得被測電路的動態(tài)頻率特性，符合被測電得被測電路的動態(tài)頻率特性，符合被測電路的應用實際。路的應用實際。 l662 掃頻振蕩器的工作原理l1變?nèi)荻O管掃頻l變?nèi)莨軖哳l振蕩器利用變?nèi)莨苋葑內(nèi)莨軖哳l振蕩器利用變?nèi)莨苋萘扛淖冞_到改變頻率的目的。量改變達到改變頻率的目的。l變?nèi)荻O管是一種電壓控制的可變電變?nèi)荻O管是一種電壓控制的可變電抗器?？梢宰C明，變?nèi)荻O管的電容抗器?？梢宰C明，變?nèi)荻O管的電容特性為特性為 （6-16）

23、njjUUcc/1001l式中式中 l cj0 變?nèi)荻O管反向電壓為零時的結(jié)變?nèi)荻O管反向電壓為零時的結(jié)電容；電容；l U0 PN結(jié)勢壘電壓；結(jié)勢壘電壓；l n電容的變化系數(shù)；電容的變化系數(shù)；l U加到變?nèi)荻O管兩端的反向電壓。加到變?nèi)荻O管兩端的反向電壓。l若若n，則變?nèi)荻O管的電容為，則變?nèi)荻O管的電容為 (6-18）l變?nèi)荻O管特性曲線如圖變?nèi)荻O管特性曲線如圖6.29所示。所示。 001UUccjj BT4型低頻率型低頻率特性測試儀中特性測試儀中采用的是變?nèi)莶捎玫氖亲內(nèi)荻O管掃頻振二極管掃頻振蕩電路。如圖蕩電路。如圖6.30所示。所示。l磁調(diào)電感掃頻l磁調(diào)電感法掃頻通過磁場改變電磁調(diào)電感法掃頻通過磁場改變電感量，達到改變振蕩器的頻率的目的。感量，達到改變振蕩器的頻率的目的。l帶磁心的電感線圈，其電感量帶磁心的電感線圈，其電感量LC與該磁心的有效導磁系數(shù)之間存在著與該磁心的有效導磁系數(shù)之間存在著線性關(guān)系。線性關(guān)系。 l （6-19）l式中式中 L空心線圈的電感量；空心線圈的電感量；l 磁芯的增量導磁系數(shù)；磁芯的增量導磁系數(shù)；l 有效導磁系數(shù)；有效導磁系數(shù)；l 磁芯的利用率。磁芯的利用率。LLLOCOl原理如圖原理如