Chapter4-10數(shù)字化測量技術(shù)之常用儀器--140605

1、一、信號發(fā)生器的用途一、信號發(fā)生器的用途 在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元器件、部件以及整機(jī)設(shè)備時，常需要一種信號協(xié)助其他測量儀器觀察、測量被測對象，以分析確定它們的性能參數(shù)，如下圖所示。這種提供測試電信號的裝置，統(tǒng)稱為信號發(fā)生器。 信號發(fā)生器可提供不同頻率；不同幅度、及不同波形信號。 信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。除了在電子技術(shù)尤其是電子測量方面的應(yīng)用外，信號發(fā)生器在其他領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，例如機(jī)械部門的超聲波探傷，醫(yī)療部門的超聲波診斷、頻譜治療儀 等。信 號發(fā)生器被 測設(shè) 備測 試儀 器二、信號發(fā)生器分類二、信號發(fā)生器分類 (1) 按頻率范圍分類按頻率范圍分類

2、分類名稱頻率范圍應(yīng)用領(lǐng)域 超低頻信號發(fā)生器 30kHz以下 電聲學(xué)、聲納 低頻信號發(fā)生器 30kHz 300kHz 電報通訊 視頻信號發(fā)生器 300kHz 6MHz 無線電廣播 高頻信號發(fā)生器 6MHz 30MHz 廣播、電報 甚高頻傳號發(fā)生器 30MHz 300MHz電視、調(diào)頻廣播、導(dǎo)航 超高頻倍號發(fā)生器 300MHz 3GHz通訊、雷達(dá)、氣象等 (2)按信號發(fā)生器的性能分類按信號發(fā)生器的性能分類 按信號發(fā)生器的性能指標(biāo)，可分為 一般信號發(fā)生器 和 標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器。前者指對其輸出信號的頻率、幅度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的一類信號發(fā)生器：后者是指其輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等

3、在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號發(fā)生器。 (3) 按輸出波形分類按輸出波形分類 根據(jù)使用要求，信號發(fā)生器可以輸出不同波形的信號。 按照信號發(fā)生器輸出信號的波形特性，可分為正弦信號發(fā)生器和非正弦信號發(fā)生器。非正弦信號發(fā)生器又可包括 ：脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、數(shù)字序列傳號發(fā)生器、圖形信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等。 三三、信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)、信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo) 對于通用的測量信號發(fā)生器最基本的要求是： 產(chǎn)生一個具有指定波形的振蕩信號，波形的參數(shù)已知；波形失真應(yīng)足夠小。 信號的頻率應(yīng)在其有效范圍內(nèi)可調(diào)(步進(jìn)或連續(xù)可調(diào))， 信號的振幅應(yīng)

4、在其有效范圍內(nèi)可調(diào)(步進(jìn)或連續(xù)可調(diào))。 有合適的輸出阻抗，高頻信號發(fā)生器通常為50，低頻信號發(fā)生器一般為600 。信號發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)主要包括 頻率特性、輸出特性 和調(diào)制特性 等。下面結(jié)合正弦信號發(fā)生器，介紹它的主要技術(shù)指標(biāo)。 1.頻率特性頻率特性 頻率范圍：頻率范圍：信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號頻率范圍，該范圍內(nèi)既可連續(xù)又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋。 頻率準(zhǔn)確度：頻率準(zhǔn)確度：信號發(fā)生器顯示數(shù)值與實際輸出信號頻率間之差，常用相對誤差表示。 頻率穩(wěn)定度：頻率穩(wěn)定度：指其他外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內(nèi)，信號發(fā)地器輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，頻率穩(wěn)定度又分為頻率短期穩(wěn)定度和

5、頻率長期穩(wěn)定度。 頻率短期穩(wěn)定度頻率短期穩(wěn)定度為信號發(fā)生器經(jīng)規(guī)定預(yù)熱時間后，信號頻率在任意15分鐘內(nèi)所發(fā)生的最大變化。 頻率長期穩(wěn)定度頻率長期穩(wěn)定度為信號發(fā)生器經(jīng)規(guī)定須熱時間后信號頻率在任意3小時內(nèi)所發(fā)生的最大變化。 穩(wěn)定性指標(biāo)分為穩(wěn)定度穩(wěn)定度和影響量影響量。在規(guī)定的時間間隔內(nèi)的頻率漂移即穩(wěn)定度；由溫度電源、負(fù)載變化等外界因素造成的頻率漂移(或變動)即為影響量。 (1)溫度引起的變動量 (2)電源變化引起的頻率變動量 (3)負(fù)載變化引起的頻率變動量 使用者通常主要關(guān)心輸出幅度隨頻率變化的情況。像用靜態(tài)“點(diǎn)頻法”測量放大器的幅頻特性時就如此。 2.輸出特性輸出特性 -信號發(fā)生器的輸出特性包括它的

6、輸出阻抗、輸出電平、波形 等。 (1) 輸出阻抗：輸出阻抗：會因類型不同而異。低頻信號源的電壓輸出端輸出阻抗一般為600 (或lk)，功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計而定，通常有50/75/150/600/5k等檔。高頻信號發(fā)生器輸出阻抗一般僅有50或75擋。當(dāng)使用高頻信號發(fā)生器時，要特別注意阻抗的匹配。 (2)電平特性：電平特性：指輸出幅度的有效范圍、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度及平坦度。 輸出電平：輸出電平：輸出信號幅度有效范圍。即產(chǎn)品規(guī)定的最大輸出電壓和最大輸出功率及其衰減范圍內(nèi)所得到輸出幅度的有效范圍。 幅度穩(wěn)定度：幅度穩(wěn)定度：指信號源經(jīng)預(yù)熱后，在規(guī)定時間內(nèi)輸出信號幅度對預(yù)調(diào)幅度值的相對變化量。 平

7、坦度：平坦度：分別指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動量。 (3)波形持性：波形持性：指輸出波形的種類及其參數(shù)。 信號源一般可輸出正弦、脈沖、方波、三角波、鋸齒波、階梯波，甚至任意波形。 正弦信號發(fā)生器應(yīng)輸出單一頻率正弦信號，但由于非線性失真、噪聲等原因，其輸出信號中都含有諧波等其他成分，即信號的頻譜不純。要求信號發(fā)生器具有一定的頻譜純度，常用失真度失真度來表示信號的頻譜純度。一般信號源的失真度應(yīng)1。例：XD-2型低頻信號發(fā)生器輸出電壓的失真度0.1。 3. 調(diào)制特性調(diào)制特性 -高頻信號發(fā)生器一般還具有輸出一種或多種調(diào)制信號的能力，通常為調(diào)幅和調(diào)頻。調(diào)制持性包括調(diào)制的種類、頻率、調(diào)幅系數(shù)或最

8、大頻偏以及調(diào)制線性等。 例如，高頻信號發(fā)生器中振幅調(diào)制的調(diào)制信號頻率一般固定為400Hz或1000Hz。而現(xiàn)代信號發(fā)生器往往同時具有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相、脈沖調(diào)制等多種調(diào)制功能。 對于更高要求的測量，例如，標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，除了上述基本要求外，還要在頻率的范圍、幅度的大小、穩(wěn)定性、讀出精度、以及調(diào)制性能、波形失真相輸出泄漏等方面提出更高的要求。四四.信號發(fā)生器信號發(fā)生器工作原理工作原理A.低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器電 壓放大器輸 出衰減器功 率放大器指 示電壓表可變頻振蕩器 主振器產(chǎn)生的低頻正弦信號，經(jīng)連續(xù)衰減器Rp調(diào)節(jié)后，可以由電壓放大器放大及輸出衰減器衰減后輸出。但這個輸出信號的負(fù)載能力很弱，

9、只能供給電壓，故稱為電壓輸出。該信號經(jīng)功率放大后，能夠輸出較大的功率，故稱之為功率輸出。在電路上可對輸出功率進(jìn)行步進(jìn)調(diào)節(jié)。阻抗變換器用來匹配不同的負(fù)載阻抗以獲得最大的功率輸出。B 高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器 主振級：主振級：LC 三點(diǎn)式振蕩電路產(chǎn)生具有一定工作頻率范圍的正弦信號，信號發(fā)生器頻率的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、頻譜純度主要由它確定。此外，輸出電平及其穩(wěn)定度和調(diào)頻工作性能，主要也由主振級決定。要求主振級頻率范圍寬, 有較高的準(zhǔn)確度(優(yōu)于10-3)和穩(wěn)定度(優(yōu)于10-6)。主振級電路結(jié)構(gòu)簡單, 輸出功率不大,一般在幾mW-幾十mW的范圍 緩沖級：緩沖級：用來隔離調(diào)制級對主振級可能產(chǎn)生的不良影響，

10、以保證主振級工作的穩(wěn)定。在某些頻率較高的信號發(fā)生器中,還可用倍頻器/分頻器或混頻器使主振級輸出頻率范圍更寬廣。 調(diào)制級：調(diào)制級：完成幅度調(diào)制和放大后輸出,并保證一定的輸出電平調(diào)節(jié)和輸出阻抗。 內(nèi)調(diào)制振蕩器：內(nèi)調(diào)制振蕩器：輸出符合調(diào)制級要求的音頻正弦調(diào)制信號。 可變電抗器：可變電抗器：在內(nèi)調(diào)制信號控制下改變主振級的諧振回路電抗，產(chǎn)生調(diào)頻信號。 輸出級：輸出級：控制輸出電壓的幅度。對輸出級的主要要求有: 輸出電平的調(diào)節(jié)范圍寬，衰減量應(yīng)能準(zhǔn)確讀數(shù)，有良好的頻率特性在輸出端有準(zhǔn)確且固定的電阻。 輸出級由放大器、濾波器、輸出微調(diào)(連續(xù)衰減電路)、輸出倍乘(步進(jìn)衰減電路)等組成。 監(jiān)測器：監(jiān)測器：用來監(jiān)測

11、輸出信號的載波電平和調(diào)制系數(shù)。 電源：電源：供給各部分所需的直流電壓。C 函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器 函數(shù)信號發(fā)生器，它是一種寬帶頻率可調(diào)的多波形發(fā)生器。它可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，甚至任意波形?，F(xiàn)代函數(shù)信號發(fā)生器一般具有調(diào)制的功能和VCO。是一種不可缺少的通用信號源，可以用于生產(chǎn)測試、儀器維修和實驗室。應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。 函數(shù)信號發(fā)生器的構(gòu)成方式很多，根據(jù)主振器的性質(zhì)和特點(diǎn)，我們將函數(shù)信號發(fā)生器的構(gòu)成方式分為三種類型：正弦式、脈沖式和合成式。下面簡要介紹前二種的基本原理。正弦式函數(shù)信號發(fā)生器組成正弦式函數(shù)信號發(fā)生器組成脈沖式函數(shù)信號發(fā)生器組成脈沖式函數(shù)信號發(fā)生器組成DDS電路

12、P相位控制字相位累加器D/A轉(zhuǎn)換器相幅轉(zhuǎn)換函數(shù)表時 鐘 fc低通濾波器數(shù)字信號0fccxTTT 0,則則合合成成信信號號周周期期若若步步進(jìn)進(jìn)節(jié)節(jié)拍拍為為cNcfnxff20 cNcfxff21min0 ccfxff21max0 cNcfxff210 Px 2一一個個周周期期相相位位步步進(jìn)進(jìn)次次數(shù)數(shù)nxPN222 設(shè)：相位累加器有N位，步進(jìn)值為 x，作累加1時，x = 2N，即要步進(jìn)2N次；作2累加時，x = 2N/2，作n累加時，x = 2N/n。最低輸出頻率： 最高輸出頻率： 輸出頻率分辨率：數(shù)字直接頻率合成基本原理數(shù)字直接頻率合成基本原理D 數(shù)字直接數(shù)字直接合成信號合成信號源源 數(shù)字直接頻

13、率合成的實現(xiàn)方法數(shù)字直接頻率合成的實現(xiàn)方法 數(shù)字直接頻率合成的方法多樣，可采用FPGA、DSP及其他智能芯片編程實現(xiàn)DDS，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換與低通濾波完成輸出；也可采用專用芯片。DIFF/SINGLESELECT參考時鐘緩沖器參考時鐘倍頻器（420）倍(1)頻率累加器(2)相位累加器相位累加器相幅轉(zhuǎn)換器相幅轉(zhuǎn)換器MUXMUXMUXMUXMUXMUXDEMUX+ -差頻控制字頻率轉(zhuǎn)換控制字（1）頻率轉(zhuǎn)換控制字（2）14位相位/偏移控制字（1）模式選擇振幅調(diào)制12位DC控制14位相位/偏移控制字（2）CLKDQ內(nèi)部可編程更新時鐘2I/O口緩沖器12位位DAC12位位DAC幅度/速率可編程控制器差頻/

14、速率計數(shù)器DDS 核核數(shù)字乘法器數(shù)字乘法器系統(tǒng)系統(tǒng)時鐘時鐘程序存儲器程序存儲器系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)系統(tǒng)時鐘時鐘系統(tǒng)系統(tǒng)時鐘時鐘系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘比較器比較器+SINC濾波器濾波器系統(tǒng)系統(tǒng)時鐘時鐘系統(tǒng)系統(tǒng)時鐘時鐘INTEXT4848483 32 212124848481414171717171414141412121212參考時鐘參考時鐘輸輸 入入AD9852BUSFSK/BPSK/HOLDDATA INBIDIRECTIONALINTERNAL/EXTERNAI/OUPDATE CLOCKREADWRIT串串/并選擇并選擇6位地址位地址/串行程序線串行程序線8位地址位地址/并行裝載線并行裝載線M

15、ASTERESET模擬輸出模擬輸出模模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換幅度幅度 設(shè)置設(shè)置模擬輸出模擬輸出模擬輸入模擬輸入時鐘輸出時鐘輸出OSKGND+Vs1212FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM信號源使用注意事項信號源使用注意事項 信號電壓源不能短路，信號電流源不能開路 注意信號源阻抗匹配 注意信號源經(jīng)衰減器輸出微小信號時，外部信號隔離閱讀使用說明書使用閱讀使用說明書使用 了解信號源的功能及指標(biāo) 熟悉信號源的面板控件 了解信號源的使用及操作方法觸發(fā)電路一、模擬示波器顯示波形的原理一、模擬示波器顯示波形的原理 示波管結(jié)構(gòu)：示波管組成包括三部分：電子槍，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 和 熒光屏顯示。整個密封在玻璃殼內(nèi)，

16、成為大型的電真空器件。輝度調(diào)節(jié)G1KG2A1A2A3y2x2聚焦調(diào)節(jié)輔助聚焦鋸齒發(fā)生X 軸放大Z 軸控制被測信號輸入選擇幅度選擇延遲放大外觸發(fā)輸 入F F6.3V-示波器是檢測目標(biāo)對象幅度變化-時間特性的工具。模似雙蹤示波器電路基本結(jié)構(gòu)方框圖二、雙蹤示波器工作原理二、雙蹤示波器工作原理電子開關(guān)模似雙蹤示波器電路基本結(jié)構(gòu)方框圖雙蹤示波器工作原理雙蹤示波器工作原理y1輸入輸入y2輸入輸入內(nèi)觸發(fā)內(nèi)觸發(fā)2內(nèi)觸發(fā)內(nèi)觸發(fā)1y1輸入輸入y2輸入輸入內(nèi)觸發(fā)內(nèi)觸發(fā)2內(nèi)觸發(fā)內(nèi)觸發(fā)1電子開關(guān)二二 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器基本組成基本組成主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)(1)最高取樣速率 fs (次數(shù)秒) 最高取樣速率由

17、AD變換器的速率決定。采用不同類型的AD變換器，其最高取樣速率也不同。掃描時間 tdiv 與取樣速率關(guān)系如下：(2)存儲容量 又稱存儲長度，通常定義為獲取波形的取樣點(diǎn)的數(shù)目，用直接存放AD變換后獲取數(shù)據(jù)的存儲單元數(shù)來表示。(3)分辨力 在數(shù)字存儲示波器中，屏幕上的點(diǎn)不是連續(xù)的，面是量化的。分辨力是指量化的最小單元可用2n或百分比來表示。分辨力也可定義為示波器所能分辨的最小電壓增量。(4)數(shù)字存儲示波器的準(zhǔn)確度(5)掃描時間因數(shù)(6)存儲帶寬數(shù)字存儲示波器的功能特點(diǎn)數(shù)字存儲示波器的功能特點(diǎn)(1) 觸發(fā)點(diǎn)位置可任意設(shè)定(2) 可滾動方式觀察各點(diǎn)波形(3) 游標(biāo)測量功能(4) 存儲波形的擴(kuò)大及縮小(

18、5) 具有記錄輸出功能(6) 菜單功能(7) 通過各類接口，可將已存儲數(shù)據(jù)送出。(1) 測量放大電路的放大倍數(shù)測量放大電路的放大倍數(shù)(2) 觀測波形失真觀測波形失真(3)觀測放大器的輸出動態(tài)范圍觀測放大器的輸出動態(tài)范圍示波器使用示波器使用晶體管特性圖示儀晶體管特性圖示儀一、掃頻法的原理一、掃頻法的原理掃頻法的工作原理掃頻法的工作原理二、掃頻儀指標(biāo)二、掃頻儀指標(biāo)(1)掃頻時間掃頻時間 頻率從一個規(guī)定值變化到另一個規(guī)定值的時間間隔，這兩個規(guī)定值是掃頻寬度的兩個極限值。(2)掃頻寬度：掃頻寬度： 掃頻所覆蓋的頻率范圍內(nèi)的最高頻率與最低頻率之差。(3)中心頻率中心頻率 位于顯示頻譜寬度中心的頻率。(4

19、)掃頻模式掃頻模式 全掃頻：掃頻儀掃描一個規(guī)定的完整頻段。 窄掃頻：掃頻儀掃描一個規(guī)定的部分頻段。(5)頻偏頻偏(正弦波調(diào)制正弦波調(diào)制) 指在調(diào)頻波中的瞬時頻率與中心頻率之間的差值。(6)靈敏度靈敏度 指偏轉(zhuǎn)靈敏度。在有效顯示屏幕內(nèi)顯示信號大小的額定因數(shù)，以V/div 或V/cm 為單位。(7)調(diào)制非線性調(diào)制非線性 指在屏幕有效顯示平面內(nèi)產(chǎn)生的頻率線性誤差。描述掃描信號頻率分布不均勻程度。三、掃頻儀種類三、掃頻儀種類(1)按組成形式劃分按組成形式劃分 有顯示器的，如：BT一3C型掃頻儀；BT一32型自動跟蹤掃頻儀等。 無顯示器的，如：QHU50型可程控掃頻信號發(fā)生器；W130l型全固態(tài)功率信號

20、發(fā)生器等。(2)按用途劃分按用途劃分 通用掃頻儀；專用掃顛儀；寬帶掃頻儀；阻抗圖示儀；微波綜合測量儀。(3)按頻率劃分按頻率劃分 低頻掃頻儀；高頻掃頻儀：電視掃頻儀等。四、掃頻儀的應(yīng)用舉例四、掃頻儀的應(yīng)用舉例 電路幅頻特性的測量 增益的測量 帶寬的測量 電路Q值的測量一、頻譜分析儀的原理一、頻譜分析儀的原理(1)多通道濾波式(2)掃頻濾波式(3)掃頻外差式(5)快速傅里葉變換(FFT)式二、頻譜分析儀組成實例二、頻譜分析儀組成實例 (1)音頻頻譜儀VDC記錄儀x 軸驅(qū)動送記錄儀y軸驅(qū)動（2）多次變頻式頻普儀(1)掃頻寬度掃頻寬度(分析普寬分析普寬) 頻譜儀在一次分析過程中所顯示的頻率范圍稱為掃頻寬度掃頻寬度。為了觀察被測信號頻譜的全貌，要求掃頻寬度較寬。頻譜儀的掃頻寬度是可調(diào)的，每厘米對應(yīng)的掃頻寬度稱為頻寬因數(shù)頻寬因數(shù)。 完成一次頻譜分析所需的時間稱為分析時間分析時間，掃頻寬度與分析時間之比稱為掃頻速度掃頻速度。(2)頻率分辨力頻率分辨力 頻譜儀能區(qū)分的最小譜線間隔稱為頻率分辨力。它表征辨別兩個很接近的頻率分量的能力。(3)靈敏度靈敏度 靈敏度表征頻譜儀測量微小信號的能力。顯示幅度為滿度時的輸入信號的電平值，稱為儀器的靈敏度。在使用時要選擇合適的靈