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 器二二、信號發(fā)生器分類、信號發(fā)生器分類 (1) 按頻率范圍分類按頻率范圍分類

2、 (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，可分為 一般信號發(fā)生器 和 標準信號發(fā)生器。前者指對其輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩(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)等在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準確、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

3、聲信號發(fā)生器等。 三三、信號發(fā)生器的主要性能指標、信號發(fā)生器的主要性能指標 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)(步進或連續(xù)可調(diào))， 信號的振幅應(yīng)在其有效范圍內(nèi)可調(diào)(步進或連續(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。 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

4、。 頻率準確度：頻率準確度：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。按照國家標準，頻率穩(wěn)定度又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長期穩(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、負載變化等外界因素造成的頻率漂移(或變動

5、)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

6、范圍、準確度、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

7、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，標準信號發(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

8、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載能力很弱，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行步進調(diào)節(jié)。阻抗變換器用來匹配不同的負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)生器頻率的準確度、穩(wěn)定度、頻譜純度主要由它確定。此外，輸出電平

9、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，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

10、：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)能準確讀數(shù)，有良好的頻率特性在輸出端有準確且固定的電阻。 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(步進衰減電路)等組成。 監(jiān)測器：監(jiān)測器：用來監(jiān)測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)

11、生器的構(gòu)成方式很多，根據(jù)主振器的性質(zhì)和特點，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 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進節(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進次次數(shù)數(shù)nxPN222 設(shè)：相位累加器有N位，步進值為 x，

12、作累加1時，x = 2N，即要步進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MUXMUXMUXMUXMUXMUXD

13、EMUX+ -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/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AD

14、9852BUSFSK/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MASTERESET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

15、使用閱讀使用說明書使用 了解信號源的功能及指標 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、一、模擬模擬示波器顯示波形的原理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)，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

16、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)指標主要技術(shù)指標(1)最高取樣速率 fs (次數(shù)秒) 最高取樣速率由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

17、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數(shù)字存儲示波器的功能特點(1) 觸發(fā)點位置可任意設(shè)定(2) 可滾動方式觀察各點波形(3) 游標測量功能(4) 存儲波形的擴大及縮小(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、掃頻儀指標二

18、、掃頻儀指標(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)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

19、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

20、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敏度及掃頻速度，以保證有較好的分辨力