電子測(cè)量Chapter 5 測(cè)量用信號(hào)源-081102課件

Chapter5測(cè)量用信號(hào)源§5.1信號(hào)源概述§5.2常用信號(hào)源§5.3合成信號(hào)源§5.4信號(hào)源的使用§5.1信號(hào)發(fā)生器概述一、信號(hào)發(fā)生器的用途在研制、生產(chǎn)、測(cè)試和維修各種電子元器件、部件以及整機(jī)設(shè)備時(shí)，常需要一種信號(hào)協(xié)助其他測(cè)量?jī)x器觀察、測(cè)量被測(cè)對(duì)象，以分析確定它們的性能參數(shù)，如下圖所示。這種提供測(cè)試電信號(hào)的裝置，統(tǒng)稱為信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器可提供不同頻率；不同幅度、及不同波形信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器是電子測(cè)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(cè)量方面的應(yīng)用外，信號(hào)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(hào)發(fā)生器被測(cè)設(shè)備測(cè)試儀器二、信號(hào)發(fā)生器的基本構(gòu)成振蕩器變換器輸出級(jí)指示器電源四、信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)對(duì)于通用的測(cè)量信號(hào)發(fā)生器最基本的要求是：

①產(chǎn)生一個(gè)具有指定波形的振蕩信號(hào)，波形的參數(shù)已知；波形失真應(yīng)足夠小。②信號(hào)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))，③信號(hào)的振幅應(yīng)在其有效范圍內(nèi)可調(diào)(步進(jìn)或連續(xù)可調(diào))。④有合適的輸出阻抗，高頻信號(hào)發(fā)生器通常為50Ω，低頻信號(hào)發(fā)生器一般為600Ω。信號(hào)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(hào)發(fā)生器，介紹它的主要技術(shù)指標(biāo)。1.頻率特性

頻率范圍：信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)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：信號(hào)發(fā)生器顯示數(shù)值與實(shí)際輸出信號(hào)頻率間之差，常用相對(duì)誤差表示。

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(shí)間內(nèi)，信號(hào)發(fā)地器輸出頻率相對(duì)于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，頻率穩(wěn)定度又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

頻率短期穩(wěn)定度為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定預(yù)熱時(shí)間后，信號(hào)頻率在任意15分鐘內(nèi)所發(fā)生的最大變化。

頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定須熱時(shí)間后．信號(hào)頻率在任意3小時(shí)內(nèi)所發(fā)生的最大變化。穩(wěn)定性指標(biāo)分為穩(wěn)定度和影響量。在規(guī)定的時(shí)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(dòng))即為影響量。(1)溫度引起的變動(dòng)量(2)電源變化引起的頻率變動(dòng)量(3)負(fù)載變化引起的頻率變動(dòng)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(cè)量放大器的幅頻特性時(shí)就如此。2.輸出特性------信號(hào)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：會(huì)因類型不同而異。低頻信號(hào)源的電壓輸出端輸出阻抗一般為600Ω(或lkΩ)，功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計(jì)而定，通常有50Ω/75Ω/150Ω/600Ω/5kΩ等檔。高頻信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗一般僅有50Ω或75Ω擋。當(dāng)使用高頻信號(hào)發(fā)生器時(shí)，要特別注意阻抗的匹配。

(2)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：輸出信號(hào)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：指信號(hào)源經(jīng)預(yù)熱后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出信號(hào)幅度對(duì)預(yù)調(diào)幅度值的相對(duì)變化量。

平坦度：分別指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動(dòng)量。

(3)波形持性：指輸出波形的種類及其參數(shù)。信號(hào)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(hào)發(fā)生器應(yīng)輸出單一頻率正弦信號(hào)，但由于非線性失真、噪聲等原因，其輸出信號(hào)中都含有諧波等其他成分，即信號(hào)的頻譜不純?！嘁笮盘?hào)發(fā)生器具有一定的頻譜純度，常用失真度來(lái)表示信號(hào)的頻譜純度。一般信號(hào)源的失真度應(yīng)<1％。例：XD-2型低頻信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的失真度＜0.1％。3.調(diào)制特性-----高頻信號(hào)發(fā)生器一般還具有輸出一種或多種調(diào)制信號(hào)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(hào)發(fā)生器中振幅調(diào)制的調(diào)制信號(hào)頻率一般固定為400Hz或1000Hz。而現(xiàn)代信號(hào)發(fā)生器往往同時(shí)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(duì)于更高要求的測(cè)量，例如，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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?！?.2常用信號(hào)發(fā)生器一、低頻信號(hào)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1.組成原理主振器產(chǎn)生的低頻正弦信號(hào)，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(gè)輸出信號(hào)的負(fù)載能力很弱，只能供給電壓，故稱為電壓輸出。該信號(hào)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(duì)輸出功率進(jìn)行步進(jìn)調(diào)節(jié)。阻抗變換器用來(lái)匹配不同的負(fù)載阻抗以獲得最大的功率輸出。3.在使用中的問題低頻信導(dǎo)發(fā)生器型號(hào)很多，但是它們的基本使用方法是類似。(1)了解面板信號(hào)發(fā)生器面板一般包括：波形選擇開關(guān)，輸出頻率調(diào)節(jié)(頻段、粗調(diào)、微調(diào)等)、幅度調(diào)節(jié)旋鈕、指示電壓表及其量程選擇等。面板上的旋鈕、開關(guān)等通常是按功能分區(qū)布置的，這樣有利于我們熟悉儀器面板上的各旋紐的作用。(2)注意正確的操作步驟低頻信號(hào)發(fā)生器的使用包括如下步驟：①準(zhǔn)備：輸出幅度調(diào)至最小(一般為逆時(shí)針到底)、預(yù)熱，待儀器穩(wěn)定工作后才可投入使用。②調(diào)節(jié)輸出頻率和幅度：先將頻率范圍置于相應(yīng)的檔位，按所需的頻率調(diào)節(jié)頻率度盤于相應(yīng)頻率點(diǎn)上。通常情況下，頻率微調(diào)旋紐置于零位。(3)輸出阻抗的配接

儀器輸出阻抗與負(fù)載阻抗失配過(guò)大時(shí)，將會(huì)引起輸出信號(hào)失真。根據(jù)信號(hào)發(fā)生器外接負(fù)載電路的阻抗值，調(diào)節(jié)阻抗選擇開關(guān)，使輸出信號(hào)的輸出失真小、功率大，以獲得最佳負(fù)載輸出。(4)輸出電路選擇：

根據(jù)外接電路的輸入方式，選擇相應(yīng)平衡或不平衡輸出。(5)輸出電壓的調(diào)節(jié)和測(cè)讀：

調(diào)節(jié)輸出電壓旋鈕，可以連續(xù)改變輸出電壓的大小。二、高頻信號(hào)發(fā)生器1.組成原理主振級(jí)：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(hào)，信號(hào)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(jí)決定?！嘁笾髡窦?jí)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)?！嘀髡窦?jí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,輸出功率不大,一般在幾mW---幾十mW的范圍緩沖級(jí)：用來(lái)隔離調(diào)制級(jí)對(duì)主振級(jí)可能產(chǎn)生的不良影響，以保證主振級(jí)工作的穩(wěn)定。在某些頻率較高的信號(hào)發(fā)生器中,還可用倍頻器/分頻器或混頻器使主振級(jí)輸出頻率范圍更寬廣。調(diào)制級(jí)：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：輸出符合調(diào)制級(jí)要求的音頻正弦調(diào)制信號(hào)?？勺冸娍蛊鳎涸趦?nèi)調(diào)制信號(hào)控制下改變主振級(jí)的諧振回路電抗，產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)。輸出級(jí)：控制輸出電壓的幅度。對(duì)輸出級(jí)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(jí)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(cè)器：用來(lái)監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)的載波電平和調(diào)制系數(shù)。電源：供給各部分所需的直流電壓。2.主要工作性能指標(biāo)

(以XFG-7型高頻信號(hào)發(fā)生器為例)⒈頻率范圍：100kHZ—30MHZ共分11個(gè)頻段；頻率刻度誤差：±1%

2.輸出阻抗與輸出電壓：

⑴在“0—0.1V”插件中，接有分壓電阻的電纜，終端輸出電壓“0.1μV～10000μV，分五檔連續(xù)可調(diào)輸出電阻為“8Ω”，

⑵在“0～1V“插件中，輸出電壓1μV～100000μV連續(xù)可調(diào)，輸出電阻為40Ω。

3.內(nèi)部調(diào)制頻率有400HZ和1000HZ兩檔，調(diào)幅度0～100%連續(xù)可調(diào)。4.外部調(diào)制信號(hào)可用XD2低頻信號(hào)發(fā)生器供給，調(diào)制頻率50Hz和8000kHz，調(diào)幅度0～100%連續(xù)可調(diào)。三、脈沖信號(hào)發(fā)生器1.矩形脈沖的參數(shù)脈沖信號(hào)發(fā)生器通常是指矩形窄脈沖發(fā)生器，它廣泛用于測(cè)試和校準(zhǔn)脈沖設(shè)備和寬帶設(shè)備。例如測(cè)試視頻放大器以及其他寬帶電路的振幅特性、過(guò)渡特性；邏輯元件的開關(guān)速度等。脈沖信號(hào)發(fā)生器是時(shí)域測(cè)量的重要儀器。二、高頻信號(hào)發(fā)生器2.脈沖信號(hào)發(fā)生器的組成原理①主振級(jí)：可采用在自激多諧振蕩器、晶體振蕩器或鎖相振蕩器產(chǎn)生矩形波，也可將正弦振蕩信號(hào)以放大、限幅后輸出，作為下級(jí)的觸發(fā)信號(hào)?！嘞Ｍ哂休^好的調(diào)節(jié)性能和穩(wěn)定的頻率，對(duì)主振級(jí)輸出波形的前、后沿等參量要求不很高，但要求波形的一致性好，并具有足夠的幅度。②延遲級(jí)：延遲級(jí)電路通常由單穩(wěn)電路和微分電路組成。對(duì)延遲級(jí)的要求是在全波段內(nèi)獲得一定的延時(shí)量以滿足觸發(fā)下一級(jí)電路所需的輸出。②形成級(jí)：通常由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等脈沖電路組成。它是脈沖信號(hào)發(fā)生器的中心環(huán)節(jié)，產(chǎn)生寬度準(zhǔn)確、波形良好的矩形脈沖，而且要求脈沖的寬度可獨(dú)立調(diào)節(jié)，并具有較高的穩(wěn)定性。④整形級(jí)與輸出級(jí)：一般由放大、限幅電路組成，整形級(jí)具有電流放大作用，輸出級(jí)具有功率放大作用。四、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器函數(shù)信號(hào)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(hào)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(hào)源，可以用于生產(chǎn)測(cè)試、儀器維修和實(shí)驗(yàn)室。應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。函數(shù)信號(hào)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(hào)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(jiǎn)要介紹前二種的基本原理。①正弦式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器組成②脈沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器組成二、間接合成方法

--------利用鎖相環(huán)(PLL)的頻率合成方法。*基本鎖相環(huán)路是由相位比較器(PD)，壓控振蕩器(VCO)和環(huán)路濾波器(LPF)組成的閉合環(huán)路。是完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng)。udfif0PDLPFVCO間接合成的幾種基本形式：udfif0PDLPFVCO÷Nf0=N

fiudfif0PDLPFVCO×Nf0=fi/Nudfi１f0PDLPFVCO混頻器f0=fi2±fi1fi晶振×N1udfif0PDLPFVCO÷N2f0=N1

fi/N2鎖相環(huán)基本工作原理三、數(shù)字直接合成方法

1.數(shù)字直接頻率合成原理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(shí)鐘fc低通濾波器數(shù)字信號(hào)設(shè)：相位累加器有N位，步進(jìn)值為x，作累加1時(shí)，x=2N，即要步進(jìn)2N次；作2累加時(shí)，x=2N/2，……作n累加時(shí)，x=2N/n?！嘧畹洼敵鲱l率：最高輸出頻率：輸出頻率分辨率：①數(shù)字直接頻率合成基本原理：②調(diào)幅波的數(shù)字直接合成：DDS電路△Phase控制字M相位累加器D/A轉(zhuǎn)換器相幅轉(zhuǎn)換函數(shù)表時(shí)鐘fc低通濾波器基帶信號(hào)

2.數(shù)字直接頻率合成的實(shí)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(shí)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。AD9850原理框圖AD9852原理框圖DIFF/SINGLESELECT參考時(shí)鐘緩沖器參考時(shí)鐘倍頻器（4~20）倍(1)頻率累加器(2)相位累加器相幅轉(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(shí)鐘÷2I/O口緩沖器12位DAC12位DAC幅度/速率可編程控制器差頻/速率計(jì)數(shù)器DDS核數(shù)字乘法器系統(tǒng)時(shí)鐘程序存儲(chǔ)器系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘比較器++SINC濾波器×系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)