電子測量儀器教案第3章

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課題 第三章信號源 3.1概述3.2正弦信號源（一）教學目標知識與能力：1掌握信號源的定義、種類。2掌握正弦信號發(fā)生器的主要技術特性：頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性。過程與方法： 通過觀察和講解，掌握信號源的特性情感、態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)學生的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度教學重點正弦信號發(fā)生器的主要技術特性教學難點新授課3.1概述信號源種類：（1）按性能指標分類普通信號發(fā)生器：用于對輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的場合。標準信號發(fā)生器：要求輸出信號的頻率、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。（2）按輸出波形分類正弦信號發(fā)生器

2、和非正弦信號發(fā)生器。非正弦發(fā)生器又包括：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)字序列信號發(fā)生器、圖形信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等。3.2正弦信號源3.2.1正弦信號發(fā)生器的主要技術特性1頻率特性（1）有效頻率范圍定義：各項指標都能得到保證的輸出信號的頻率范圍。在有效頻率范圍內(nèi)，頻率調(diào)節(jié)可以是連續(xù)的，也可以是離散的。當頻率范圍很寬時，常劃分為若干頻段。（2）頻率準確度定義：輸出頻率的實際值與顯示器或頻率刻度盤的示值之間的相對誤差。要求：用刻度盤讀數(shù)的信號發(fā)生器，其頻率準確度在 ±（1% 10%）的范圍內(nèi)；標準信號發(fā)生器優(yōu)于± 1%；合成信號發(fā)生器優(yōu)于±

3、10-6。（3）頻率穩(wěn)定度定義：在一定時間內(nèi)維持其輸出信號頻率不變得能力。表示：用一定的時間內(nèi)的相對頻率偏移。要求：比頻率準確度高12個數(shù)量級。2輸出特性（1）輸出電平定義：輸出信號幅度的有效值范圍（有很寬的調(diào)節(jié)范圍）。表示：可用絕對電平（，mV，mV）或相對電平（dB）。（2）輸出電平的準確度輸出電平的實際值與顯示器的顯示值之間的相對誤差，一般在 ±（3% 10%）范圍內(nèi)。（3）輸出阻抗輸出阻抗視信號發(fā)生器的類型不同而異。低頻信號發(fā)生器：電壓輸出端的輸出阻抗一般為600 W（或1k），功率輸出端依輸出匹配變壓器的設計而定，通常有50 W、75 W、150 W、600 W和5 kW等

4、檔。高頻信號發(fā)生器：一般僅有50 W或75 W檔。3調(diào)制特性（1）調(diào)制信號調(diào)制信號可以由內(nèi)調(diào)制振蕩器產(chǎn)生，也可以由外部輸入。調(diào)制信號的頻率可以是固定的，也可以是連續(xù)調(diào)節(jié)的。（2）調(diào)制系數(shù)的有效范圍定義：各項指標都能得到保證的調(diào)制系數(shù)的范圍。調(diào)幅時：調(diào)制系數(shù)一般為（0 80%）；調(diào)頻時：頻偏不小于75 kHz。練習習題小結1信號源的定義：是為電子測量提供符合一定技術要求的電信號的設備，是電子測量中最基本、使用最廣泛的電子儀器之一。2信號源種類：（1）按性能指標分類：普通信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器。（2）按輸出波形分類：正弦信號發(fā)生器和非正弦信號發(fā)生器。非正弦發(fā)生器又包括：脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號

5、發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、數(shù)字序列信號發(fā)生器、圖形信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等。3正弦信號發(fā)生器的主要技術特性包括頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性。布置作業(yè)習題課題 3.2正弦信號源（二）教學目標知識與能力：掌握低頻信號發(fā)生器主要技術指標、基本組成原理。過程與方法：通過觀察和講解，掌握低頻信號發(fā)生器主要技術指標、基本組成原理。情感、態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)學生的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度教學重點低頻信號發(fā)生器主要技術指標、基本組成原理。教學難點低頻信號發(fā)生器主要技術指標、基本組成原理。新授課3.2.2低頻信號發(fā)生器定義：用來產(chǎn)生1 Hz 1 MHz的低頻正弦信號。用途：模擬電子線路與系統(tǒng)的設計、測試和維修；高頻信號

6、發(fā)生器的外調(diào)信號源。1低頻信號發(fā)生器的主要指標頻率范圍：1 Hz 1 MHz 連續(xù)可調(diào)；頻率穩(wěn)定度：（0.1% 2%）；輸出電壓：0 10V連續(xù)可調(diào)；輸出功率：（0.5 5）W連續(xù)可調(diào)；非線性失真：（0.1% 1%）；輸出阻抗一般有50 W、75 W、150 W、600 W和5 kW等檔。2低頻信號發(fā)生器的基本組成原理組成框圖如下圖所示。（1）主振器（主要部件）作用：產(chǎn)生低頻的正弦波信號，并實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)功能。組成：文氏電橋振蕩器，如下圖是文氏電橋振蕩器的原理電路。圖中R1、C1、R2、C2組成正反饋網(wǎng)絡，負溫度系數(shù)熱敏電阻Rt和電阻Rf組成負反饋支路，二者共同組成構成文氏電橋。文氏電橋和放大器

7、組成的反饋環(huán)路稱為文氏電橋振蕩。一般取R1= R2 = R，C1= C2= C。當滿足振幅平衡條件和相位平衡條件時，振蕩器的輸出頻率為熱敏電阻Rt具有穩(wěn)幅作用。電路中頻率粗調(diào)（頻段轉換）和細調(diào)分別通過改變雙連電位器和雙連電容器實現(xiàn)。（2）電壓放大器和功率放大器電壓放大器作用：放大主振級產(chǎn)生的振蕩信號，滿足信號發(fā)生器對輸出信號幅度的要求，并將振蕩器與功率輸出器隔離，防止因輸出負載變化而影響振蕩頻率的穩(wěn)定。功率放大器作用：提供足夠的輸出功率。要求放大器的頻率特性好，非線性失真小。（3）衰減器和匹配器衰減器的作用：調(diào)節(jié)輸出電壓使之達到所需要的值。采用連續(xù)衰減器和步級衰減器配合進行衰減。下圖所示電路就

8、是一個步級衰減器電路，其衰減倍數(shù)為1（0dB）、10（20dB）、100（40dB）、1 000（60dB）和10 000（80dB）五種。匹配器（變壓器）作用：使輸出端連接不同的負載時都得到最大的輸出功率。注意：在低頻段（20 Hz 2 kHz）和高頻段（2 20 kHz）采用不同的匹配變壓器。 （4）檢測電壓表作用：監(jiān)測振蕩器輸出電壓的大小，監(jiān)測輸出功率。3XD1型低頻信號發(fā)生器XD1型低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生從1 Hz 1 MHz非線性失真很小的正弦波信號，有電壓輸出和功率輸出兩檔。（1）主要技術性能（2）使用方法XD1型低頻信號發(fā)生器面板裝置如圖。 頻率選擇根據(jù)所需頻段按下“頻率范圍”按鍵，

9、然后再用按鍵開關上面的“頻率調(diào)節(jié)”1，2，3旋鈕按照十進制進行細調(diào)。 電壓輸出用電纜直接從“電壓輸出”插口引出。通過調(diào)節(jié)輸出衰減開關和輸出細調(diào)旋鈕，可以得到非線性失真?。?.1%）、信噪比較高的小電壓輸出（200 mV）。最大輸出電壓5 V。將板右側“內(nèi)負載”鍵按下，接通內(nèi)負載。 功率輸出將功率開關按下，用電纜直接從功率輸出插口引出。為了獲得大功率輸出，應考慮阻抗匹配。當負載為高阻抗，且輸出頻率接近10 Hz或幾百千赫時，應將面板右側“內(nèi)負載”鍵按下，接通內(nèi)負載。 過載保護剛開機時，過載保護指示燈亮，約5 6 s后熄滅，表示進入工作狀態(tài)。若負載阻抗小，過載指示燈會再次閃亮，此時應加大負載阻抗值

10、（即減輕負載），使燈熄滅。 交流電壓表該電壓表可進行“內(nèi)測”與“外測”。撥向“外測”時，它作為一般交流電壓表測量外部電壓；當撥向“內(nèi)測”時，它作為信號發(fā)生器輸出指示。練習習題小結1低頻信號發(fā)生器：用來產(chǎn)生1 Hz 1 MHz的低頻正弦信號。這種信號在模擬電子線路與系統(tǒng)的設計、測試和維修中得到廣泛的應用，也可用作高頻信號發(fā)生器的外調(diào)信號源。2低頻信號發(fā)生器的基本組成主要包括主振器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器（功率放大器）、阻抗變換器（輸出變壓器）和檢測電壓表。布置作業(yè)習題課題 3.2正弦信號源（三）教學目標知識與能力：1掌握高頻信號發(fā)生器主要技術指標、基本組成原理。2了解XD

11、1型低頻信號發(fā)生器和XFG - 7主要技術特性和使用方法過程與方法： 通過觀察和講解，掌握高頻信號發(fā)生器主要技術指標、基本組成原理情感、態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)學生的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度教學重點高頻信號發(fā)生器主要技術指標、基本組成原理。教學難點高頻信號發(fā)生器主要技術指標、基本組成原理。新授課3.2.3高頻信號發(fā)生器用途：向各種高頻電子設備和電路提供高頻信號能量或高頻標準信號。1主要性能指標2基本組成原理早期的原理框圖如下圖所示。缺點：沒有調(diào)頻功能；調(diào)制級的輸入阻抗低，易造成主振級頻率不穩(wěn)和產(chǎn)生寄生調(diào)頻。現(xiàn)代的高頻信號發(fā)生器組成框圖如下圖。（1）主振級作用：產(chǎn)生具有一定頻率調(diào)節(jié)范圍的高頻正弦波信號。發(fā)生器

12、的頻率特性由主振級決定。電路構成：電感反饋或變壓器反饋的單管振蕩電路或雙管推挽振蕩電路（保證較高的頻率穩(wěn)定度）。（2）放大及調(diào)制器作用：放大主振級輸出的高頻信號，在輸出級間起隔離作用（因此也叫緩沖放大器）以提高振蕩頻率的穩(wěn)定性；調(diào)幅信號的調(diào)幅器，使高頻信號發(fā)生器能輸出調(diào)頻信號。（3）調(diào)制信號發(fā)生器內(nèi)調(diào)制信號：由簡單的LC振蕩器或RC振蕩器產(chǎn)生，頻率一般為400 Hz和1 000Hz兩種。外調(diào)制信號：通過面板接線柱輸入。（4）輸出級電路作用：放大、衰減及調(diào)制輸出信號，使輸出電平有足夠的調(diào)節(jié)范圍；濾出不需要的頻率分量；保證輸出端有固定的輸出阻抗（50 W）。組成：放大器、濾波器和粗、細衰減器等。要

13、求：輸出電平既能步級衰減，又能連續(xù)調(diào)節(jié)。（5）可變電抗器可變電抗器與主振級的諧振電路耦合，使主振級產(chǎn)生調(diào)頻信號。采用變?nèi)荻O管調(diào)頻電路。3XFG - 7型高頻信號發(fā)生器XFG - 7（舊型號×C-2）型是一種應用比較廣的高頻信號發(fā)生器，一般作為接受調(diào)整與測試及高頻信號源使用。主要技術指標（見書）。4QF1050型標準信號發(fā)生器QF1050型主要技術性能（見書）。練習習題小結1高頻信號發(fā)生器：主要用來向各種高頻電子設備和電路提供高頻信號能量或高頻標準信號，以便測試其電器性能。2高頻信號發(fā)生器組成：主振級、調(diào)制級、內(nèi)調(diào)制振蕩器、輸出級、調(diào)制度指標、輸出載波電壓指示等組成。布置作業(yè)習題課題

14、 3.2正弦信號源（四）教學目標知識與能力：1掌握合成信號發(fā)生器定義、優(yōu)點、核心、合成方法。2掌握鎖相環(huán)的組成及電路形式。過程與方法： 通過觀察和講解，掌握合成信號發(fā)生器情感、態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)學生的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度教學重點合成信號發(fā)生器定義、優(yōu)點、核心、合成方法教學難點鎖相環(huán)的組成及電路形式新授課3.2正弦信號源3.2.4合成信號發(fā)生器定義：用頻率合成器代替信號發(fā)生器的主振器。優(yōu)點：有良好的輸出特性和調(diào)制特性；具有頻率合成器的高穩(wěn)定度、高分辨力，同時輸出信號的頻率、電平、調(diào)制深度等均可程控。核心：頻率合成器：把一個（或少數(shù)幾個）高穩(wěn)定度頻率源fs經(jīng)過加、減、乘、除及組合運算，產(chǎn)生在一定頻率范

15、圍內(nèi)具有一定頻率間隔的一系列離散頻率。頻率合成方法：直接合成法和間接合成法直接合成法：轉換速度快，頻譜純度高，但需要眾多的混頻器、分頻器和濾波器，因而顯得笨重。間接合成法（又稱鎖相合成法）：通過鎖相環(huán)來完成頻率加、減、乘、除及其組合運算，產(chǎn)生在一定頻率范圍內(nèi)具有濾波作用，其通帶可以做得很窄，并且中心頻率易調(diào)，又能自動跟蹤輸入頻率，有利于簡化結構、降低成本，便于集成。鎖相：自動實現(xiàn)相位同步。鎖相環(huán)：能完成兩個電信號相位同步的自動控制系統(tǒng)。基本鎖相環(huán)組成：由鑒相器（PD）、低通濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）。如圖所示。鑒相器：相位比較裝置，它將輸入信號ui( t )和輸出信號uo( t )

16、的相位進行比較，其輸出是與兩信號的相位差成正比例的誤差電壓uj( t )。低通濾波器：濾出誤差電壓uj( t )中的高頻分量和噪聲。壓控振蕩器：接受濾波器輸出電壓uf( t )的控制，使其振蕩器頻率向輸入信號頻率靠近，直至鎖定。環(huán)路鎖定后，VCO的振蕩頻率等于輸入信號頻率，VCO的相位與輸入信號相位相同或相差某一個常數(shù)。因此，當環(huán)路鎖定時，鑒相器PD的輸出電壓是一個直流電壓。頻率合成器種類：倍頻器鎖相環(huán)、分頻式鎖相環(huán)、混頻式鎖相環(huán)和組合式鎖相環(huán)，分別如圖所示。圖（d）能在71 100.9 MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生300個輸出頻率，最小間隔為100 kHz。練習習題小結1合成信號發(fā)生器定義：用頻率

17、合成器代替信號發(fā)生器的主振器。優(yōu)點：有良好的輸出特性和調(diào)制特性；具有頻率合成的高穩(wěn)定度、高分辨力，同時輸出信號的頻率、電平、調(diào)制深度等均可程控。核心：頻率合成器：把一個（或少數(shù)幾個）高穩(wěn)定度頻率源fs經(jīng)過加、減、乘、除及組合運算，產(chǎn)生在一定頻率范圍內(nèi)具有一定頻率間隔的一系列離散頻率。頻率合成方法：直接合成法和間接合成法2頻率合成器種類：倍頻器鎖相環(huán)、分頻式鎖相環(huán)、混頻式鎖相環(huán)和組合式鎖相環(huán)。布置作業(yè)習題課題 3.2正弦信號源（五）教學目標知識與能力：了解PQ12型頻率合成器的組成原理過程與方法： 通過觀察和講解，了解PQ12型頻率合成器的組成原理情感、態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)學生的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度教

18、學重點PQ12型頻率合成器的組成原理教學難點PQ12型頻率合成器的組成原理新授課下面介紹PQ12型頻率合成器。（1）主要技術指標（見書）（2）組成原理PO12型頻率合成器的組成原理如圖所示。由圖可以看出，它是由基準頻率發(fā)生器、內(nèi)插振蕩器（頻率20 21 MHz）、七級十進鎖相合成單元（末一級十進合成單元少一個固定的十進分頻電路）、倍頻器、輸出混頻器、輸出放大器和輸出衰減器等組成。單元：由石英晶體振蕩器產(chǎn)生5 MHz頻率信號，經(jīng)倍頻或分頻后分別輸出100 kHz、2 MHz、15 MHz、100 MHz的基準頻率。單元：由六個相同的合成單元相串聯(lián)，完成“×10 Hz”、“×1

19、00 Hz”、“×1 kHz”、“×10 kHz”、“×100 kHz”、“×1 MHz”位的頻率合成。每一個合成單元的組成都相同。單元：完成“×10 MHz”位的頻率合成。單元：一個10倍頻鎖相環(huán)。將前一單元送來的20 21 MHz頻率倍乘到200 210 MHz。單元：一個10倍頻電路。將前一單元送來的200 210 MHz頻率信號倍增至2.0 2.1GHz信號。單元：將單元送來的100 MHz基準頻率信號通過倍頻器倍頻后在由帶通濾波器選取1.6、1.7、1.8、1.9、2.0 GHz的五個頻率的信號。單元：該單元內(nèi)部由微波混頻、寬帶放大和

20、衰減器三部分組成。來自單元的2.0 2.1GHz信號分別與單元的1.6、1.7、1.8、1.9、2.0 GHz的信號在混頻器中混頻，取其差頻分量，經(jīng)低通濾波器輸出500 MHz以下的合成頻率信號。此信號經(jīng)寬帶放大器和自動增益電路，保證獲得平坦的輸出頻率響應。衰減器可在70 dB范圍內(nèi)改變輸出電平。單元：一個可連續(xù)變化的內(nèi)插振蕩器。既可連續(xù)改變頻率，又可作掃頻之用。它可在100 MHz位以下任意插入。練習習題小結基本鎖相環(huán)的組成：鑒相器（PD）、低通濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）組成。布置作業(yè)習題課題 3.3函數(shù)發(fā)生器（一）教學目標知識與能力：理解函數(shù)發(fā)生器定義，組成方案。過程與方法：

21、通過觀察和講解，理解函數(shù)發(fā)生器定義，組成方案。情感、態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)學生的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度教學重點理解函數(shù)發(fā)生器定義，組成方案。教學難點理解函數(shù)發(fā)生器定義，組成方案。新授課3.3函數(shù)發(fā)生器3.3.1概述函數(shù)發(fā)生器：輸出正弦波、方波、三角波、鋸齒波等多種波形的信號源。有的具有調(diào)制功能，進行調(diào)幅、調(diào)相、脈沖調(diào)制和VCO控制。寬的頻率范圍（從幾赫到幾十兆赫）。3.3.2函數(shù)發(fā)生器的組成方案產(chǎn)生信號的方法：（1）（施密特電路）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由方波產(chǎn)生三角波、正弦波的方案下圖所示為函數(shù)發(fā)生器組成

22、方案之一。工作過程：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生方波信號；用積分器將方波信號變?yōu)槿遣ㄐ盘枺挥煤瘮?shù)變換網(wǎng)絡（如二極管整形網(wǎng)絡）將三角波信號變換成正弦波信號；各種信號通過各自獨立的輸出電路同時輸出，或通過同一的輸出電路，用開關轉換。（1）方波三角波變換原理函數(shù)發(fā)生器中常用的方波三角波變換原理如圖所示（由積分器和比較器實現(xiàn)）。工作原理：u1 > 0 ® u2線性下降 ®下降到等于參考電平Er2，電壓比較器使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉，u1 < 0，® u2將線性上升 ® 上升到等于參考電平Er1，電壓比較器1使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又返回原來狀態(tài)，完成一個循環(huán)周期。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

23、輸出端：方波信號；積分器輸出端：三角波信號。其振蕩波形如圖（b）。練習習題小結1函數(shù)發(fā)生器：一種能夠輸出正弦波、方波、三角波、鋸齒波等多種波形的信號源。有的函數(shù)發(fā)生器還具有調(diào)制功能，可以進行調(diào)幅、調(diào)相、脈沖調(diào)制和VCO控制。2產(chǎn)生信號的方法：（1）用施密特電路產(chǎn)生方波，然后經(jīng)變換得到三角波和正弦波。（2）先產(chǎn)生正弦波再得到方波和三角波。（3）先產(chǎn)生三角波再轉換為方波和正弦波。布置作業(yè)習題課題 3.3函數(shù)發(fā)生器（二）教學目標知識與能力：掌握函數(shù)方生器組成方案，波形轉換原理過程與方法： 通過觀察和講解，函數(shù)方生器組成方案，波形轉換原理情感、態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)學生的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度教學重點函數(shù)方生器組成方案，波形轉換原理教學難點函數(shù)方生器組成方案，波形轉換原理新授課（2）三角波正弦波變換原理實現(xiàn)：函數(shù)變換網(wǎng)絡（利用分段逼近法實現(xiàn)波形變換），如下圖所示。其中（a）是輸入 輸出特性曲線；（b）輸入信號；（c）輸出信號。折線的段數(shù)越多，電路的輸出波形越接近正弦波。下圖為實際的正弦波形成網(wǎng)絡。電路中用二極管的通斷完成轉折，直流穩(wěn)壓電壓和電阻提供適當?shù)钠珘河靡钥刂妻D折點的位置。一對二極管可獲得6段折線，由這種正弦波形成網(wǎng)絡所獲得的正弦信號失真小，用5對二極管時可小于1%，用6對時，可小于0.25