《電子測(cè)量技術(shù)》課件-第5章

第5章測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器5.1信號(hào)發(fā)生器的種類、組成與技術(shù)指標(biāo)5.2低頻信號(hào)發(fā)生器5.3高頻信號(hào)發(fā)生器5.4函數(shù)信號(hào)發(fā)生器5.5脈沖信號(hào)發(fā)生器5.6專用(特殊)信號(hào)發(fā)生器5.7信號(hào)發(fā)生器的選擇

在測(cè)試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備,測(cè)量電路或系統(tǒng)的電參量時(shí)都需要有信號(hào)源。如圖5.1所示,圖5.1測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器

在電子測(cè)量過程中,信號(hào)發(fā)生器主要用于:

(1)測(cè)元件參數(shù)。

(2)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性、相頻特性等。

(3)測(cè)試接收機(jī)的性能。

(4)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)響應(yīng)。

(5)校準(zhǔn)儀表。

5.1信號(hào)發(fā)生器的種類、組成與技術(shù)指標(biāo)

5.1.1信號(hào)發(fā)生器的分類1.按頻率范圍分按照輸出信號(hào)的頻率范圍對(duì)無線電測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行分類是傳統(tǒng)的分類方法,如表5.1所示。表5.1中頻段的劃分以及頻率的范圍不是絕對(duì)的。

2.按用途分

根據(jù)用途的不同,信號(hào)發(fā)生器可以分為通用信號(hào)發(fā)生器和專用信號(hào)發(fā)生器兩類。

通用信號(hào)發(fā)生器有較大的適用范圍,一般是為測(cè)量各種基本的或常見的參量而設(shè)計(jì)的。低頻信號(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等都屬于通用信號(hào)發(fā)生器。

專用信號(hào)發(fā)生器是為某種特殊的測(cè)量而研制的,它只適用于某種特定的測(cè)量對(duì)象和測(cè)量條件,如FM立體聲信號(hào)發(fā)生器、電視信號(hào)發(fā)生器、醫(yī)用超聲波發(fā)生器等

3.按輸出波形分

根據(jù)所輸出信號(hào)波形的不同,信號(hào)發(fā)生器可分為正弦信號(hào)發(fā)生器、矩形信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器、三角波信號(hào)發(fā)生器、鐘形脈沖信號(hào)發(fā)生器和噪聲信號(hào)發(fā)生器等。

4.按調(diào)制方式分

按調(diào)制方式的不同,信號(hào)發(fā)生器可分為調(diào)頻、調(diào)幅、脈沖調(diào)制、I－Q矢量調(diào)制等類型。

5.按性能指標(biāo)分

按信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo),信號(hào)發(fā)生器可分為一般信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。

5.1.2信號(hào)發(fā)生器的基本組成

不同類型的信號(hào)發(fā)生器其性能、用途雖不相同,但基本構(gòu)成是類似的,如圖5.2所示,一般包括振蕩器、變換器、指示器、電源及輸出電路等五部分。圖5.2信號(hào)發(fā)生器的基本組成框圖

1.振蕩器

振蕩器是信號(hào)發(fā)生器的核心部分,由它產(chǎn)生各種不同頻率的信號(hào),通常是正弦波振蕩器或自激脈沖發(fā)生器。它決定了信號(hào)發(fā)生器的一些重要工作特性,如工作頻率范圍、頻率的穩(wěn)定度等。

2.變換器

變換器可以是電壓放大器、功率放大器或調(diào)制器、脈沖形成器等,它將振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大或變換,進(jìn)一步提高信號(hào)的電平并給出所要求的波形。

3.輸出電路

輸出電路為被測(cè)設(shè)備提供所要求的輸出信號(hào)電平或信號(hào)功率,包括調(diào)整信號(hào)輸出電平和輸出阻抗的裝置,如衰減器、匹配用阻抗變換器、射極跟隨器等電路。

信號(hào)源的等效電路如圖5.3所示。

圖5.3信號(hào)源的等效電路模型

4.指示器

指示器用來監(jiān)視輸出信號(hào)。不同功用的信號(hào)發(fā)生器,指示器的種類是不同的,它可能是電壓表、功率計(jì)、頻率計(jì)、調(diào)制度儀或以上幾種儀器的綜合。

5.電源

電源為測(cè)量信號(hào)源的各部分電路提供所需的各種直流電壓,通常是將50Hz的交流電(市電)經(jīng)過變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后而得到的。

5.1.3信號(hào)發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.頻率特性

頻率特性包括有效頻率范圍、頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度等。

1)有效頻率范圍

各項(xiàng)指標(biāo)均能得到保證時(shí)的輸出頻率范圍稱為信號(hào)發(fā)生器的有效頻率范圍。

2)頻率準(zhǔn)確度

頻率準(zhǔn)確度是指輸出信號(hào)頻率的實(shí)際值f與其標(biāo)稱值f0的相對(duì)偏差,其表達(dá)式為

3)頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是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)生器輸出頻率相對(duì)于預(yù)設(shè)值變化的大小。頻率的穩(wěn)定度分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長期穩(wěn)定度。

頻率短期穩(wěn)定度定義為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后,頻率在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)的最大變化,可表示為

4)頻譜純度

對(duì)于正弦信號(hào)發(fā)生器,頻譜純度也是其重要指標(biāo)之一。它是指正弦信號(hào)發(fā)生器輸出的頻譜逼近理想頻譜的程度,常用諧波電平(dBc)、雜散電平(dBc/Δf)、單邊帶相位噪聲(dB/Hz)等技術(shù)參數(shù)來衡量。

諧波電平是指總的諧波電平與基波電平比值的分貝數(shù)(dB)。

2.輸出特性

信號(hào)發(fā)生器的輸出特性主要有輸出電平及其頻響、諧波失真、輸出阻抗和輸出波形等。

1)輸出電平

輸出電平包括輸出電平范圍和輸出電平準(zhǔn)確度。

2)輸出電平的頻率響應(yīng)

輸出電平的頻率響應(yīng)是指在有效頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率時(shí),輸出電平的變化情況,也就是輸出電平的平坦度。

3)諧波失真

對(duì)于正弦信號(hào)發(fā)生器而言,由于信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部存在非線性元器件,會(huì)產(chǎn)生非線性失真的諧波分量;差頻信號(hào)發(fā)生器的混頻輸出信號(hào)的組合波以及儀器內(nèi)部的其他噪聲等,都會(huì)引起輸出信號(hào)的頻譜不純。因而它不可能提供理想單一頻率的正弦波。常用信號(hào)頻譜純度γ來說明其輸出信號(hào)波形接近正弦波的程度,并用非線性失真度(諧波失真度)表示,一般信號(hào)發(fā)生器的非線性失真應(yīng)小于1%。

4)輸出阻抗

輸出阻抗的高低隨信號(hào)發(fā)生器類型而異。

5)輸出波形

輸出波形是指信號(hào)發(fā)生器所能輸出信號(hào)的波形。

3.調(diào)制特性

許多信號(hào)源包含調(diào)制功能。例如,高頻信號(hào)發(fā)生器一般具有輸出一種或多種調(diào)制信號(hào)(通常為調(diào)幅和調(diào)頻信號(hào))的能力,有些還帶有調(diào)相、脈沖調(diào)制、數(shù)字調(diào)制等功能。調(diào)制特

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。

當(dāng)調(diào)制信號(hào)由信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部產(chǎn)生時(shí),稱為內(nèi)調(diào)制;當(dāng)調(diào)制信號(hào)由外部加到信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)制時(shí),稱為外調(diào)制。這類帶有輸出已調(diào)波功能的信號(hào)發(fā)生器是測(cè)試無線電收、發(fā)

設(shè)備等場(chǎng)合不可缺少的儀器。

5.2低頻信號(hào)發(fā)生器

5.2.1低頻信號(hào)發(fā)生器的組成低頻信號(hào)發(fā)生器的組成框圖如圖5.4所示。

圖5.4低頻信號(hào)發(fā)生器的組成框圖

1.主振器

主振器是低頻信號(hào)發(fā)生器的核心部分,產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號(hào),它決定了信號(hào)發(fā)生器的有效頻率范圍和頻率穩(wěn)定度。

其原理框圖如圖5.5所示。

圖5.5文氏電橋振蕩器的原理框圖

2.緩沖放大器

緩沖放大器兼有緩沖和電壓放大的作用。緩沖是為了將后級(jí)電路與主振器隔離,防止后級(jí)電路、負(fù)載等的變化對(duì)主振器產(chǎn)生影響,保證主振頻率穩(wěn)定,一般采用射極跟隨器或運(yùn)放組成的電壓跟隨器。放大是指把振蕩器產(chǎn)生的微弱振蕩信號(hào)進(jìn)行放大,使信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo),要求其具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、頻率范圍寬、非線性失真小等性能。

3.功率放大器

功率放大器用來對(duì)電平調(diào)節(jié)器送來的電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大,使之達(dá)到額定的功率輸出,驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載。這部分通常采用電壓跟隨器或BTL電路等。

4.輸出衰減器

輸出衰減器用于改變信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓或功率,通常分為連續(xù)調(diào)節(jié)和步進(jìn)調(diào)節(jié)。步進(jìn)調(diào)節(jié)由電阻分壓器實(shí)現(xiàn),并以分貝值為刻度;連續(xù)調(diào)節(jié)則由電位器實(shí)現(xiàn)。圖5.6所示電路為低頻信號(hào)發(fā)生器中最常用的輸出衰減器。

圖5.6輸出衰減器

5.阻抗變換器

阻抗變換器用于匹配不同阻抗的負(fù)載,以便在負(fù)載上獲得最大輸出功率。

6.輸出指示器

輸出指示器用來指示輸出端輸出電壓的幅度,或?qū)ν獠啃盘?hào)電壓進(jìn)行測(cè)量,可能是指針式電壓表、數(shù)碼LED或LCD。

5.2.2低頻信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)

通常低頻信號(hào)發(fā)生器的主要工作特性如下:

(1)頻率范圍:一般為20Hz~1MHz,連續(xù)可調(diào)。

(2)頻率準(zhǔn)確度:±(1~3)%。

(3)頻率穩(wěn)定度:優(yōu)于0.1%。

(4)輸出電壓:0~10V連續(xù)可調(diào)。

(5)輸出功率:0.5~5W連續(xù)可調(diào)。

(6)非線性失真范圍:0.1%~1%。

(7)輸出阻抗:50Ω、75Ω、600Ω、5kΩ。

(8)輸出形式:平衡輸出與不平衡輸出。

5.2.3低頻信號(hào)發(fā)生器的使用要點(diǎn)

1.了解面板

要正確地使用儀器,在使用之前必須充分了解儀器面板上各個(gè)開關(guān)旋鈕的功能及使用方法。

2.注意正確的操作步驟

信號(hào)發(fā)生器的使用包括如下步驟:

(1)開機(jī)準(zhǔn)備。

(2)選擇頻率。

(3)配接輸出阻抗。

(4)選擇輸出電路的形式。

(5)調(diào)節(jié)和測(cè)讀輸出電壓。

5.3高頻信號(hào)發(fā)生器

5.3.1高頻信號(hào)發(fā)生器的組成高頻信號(hào)發(fā)生器的組成框圖如圖5.7所示,主要包括主振級(jí)、緩沖級(jí)、調(diào)制級(jí)、輸出級(jí)、內(nèi)調(diào)制振蕩器、頻率調(diào)制器、監(jiān)測(cè)指示電路(圖5.7中的調(diào)制度計(jì)、電壓表等)等。

圖5.7高頻信號(hào)發(fā)生器的組成框圖

(1)主振級(jí):用于產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)。

(2)緩沖級(jí):主要起隔離放大的作用,用來隔離調(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)工作穩(wěn)定,并將主振信號(hào)放大到一定的電平。

(3)調(diào)制級(jí):主要完成對(duì)主振信號(hào)的調(diào)制。

(4)內(nèi)調(diào)制振蕩器:提供符合調(diào)制級(jí)要求的音頻正弦調(diào)制信號(hào)。

(5)輸出級(jí):主要由放大器、濾波器、輸出微調(diào)電路、輸出衰減器等組成。

(6)監(jiān)測(cè)指示電路:監(jiān)測(cè)指示輸出信號(hào)的載波電平和調(diào)制系數(shù)。

5.3.2調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器

由調(diào)諧振蕩器構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器稱為調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器。常用的調(diào)諧振蕩器就是晶體管LC振蕩電路。LC振蕩電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)正反饋調(diào)諧放大器,主要包括放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。放大器通常采用調(diào)諧放大器,其作用:一是放大振蕩器輸出的高頻信號(hào)電壓;二是在輸出級(jí)和振蕩器間起隔離作用(因此也叫緩沖放大器),以提高振蕩頻率穩(wěn)定性;三是兼作調(diào)幅信號(hào)的調(diào)幅器。根據(jù)反饋方式,LC振蕩電路又可分為變壓器反饋式、電感反饋式(也稱電感三點(diǎn)式或哈特萊式)及電容反饋式(也稱電容三點(diǎn)式或考畢茲式)三種,如圖5.8所示。

圖5.8LC振蕩電路的三種構(gòu)成形式

5.3.3合成信號(hào)發(fā)生器

調(diào)諧信號(hào)發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,但其頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度均不高,頻率穩(wěn)定度不超過10-6/min。

合成信號(hào)發(fā)生器具有良好的輸出特性和調(diào)制特性,又有頻率合成器的高穩(wěn)定度、高分辨率的優(yōu)點(diǎn),頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度在10-5~10-9數(shù)量級(jí),頻率分辨率達(dá)到mHz數(shù)量級(jí),同時(shí)輸出頻譜純度高,輸出頻帶寬,輸出信號(hào)的頻率、電平、調(diào)制深度均可由微機(jī)控制并顯示。

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,另一類是間接合成法。

直接合成法分為模擬直接合成法和數(shù)字直接合成法。模擬直接合成法采用基準(zhǔn)頻率通過諧波發(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(jìn)行頻率的算術(shù)運(yùn)算,最終得到所需的頻率;數(shù)字直接合成法則是將ROM和DAC相結(jié)合,通過控制電路,從ROM單元中讀出數(shù)據(jù),再進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換,得到一定頻率的輸出波形。

間接合成法則通過鎖相技術(shù)進(jìn)行頻率的算術(shù)運(yùn)算,最后得到所需的頻率。

1.直接合成法

1)模擬直接合成法

模擬直接合成法是將一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)頻率通過倍頻、分頻、混頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算(加、減、乘、除),合成所需頻率信號(hào),再用窄帶濾波器選出所要求的高性能信號(hào)。圖5.9所示為模擬直接合成法的基本原理。

圖5.9模擬直接合成法的基本原理

2)數(shù)字直接合成法

數(shù)字直接合成法又叫直接數(shù)字頻率合成(DDS),它是近年來迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法,它將先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法引入信號(hào)合成領(lǐng)域,通過控制相位變化速度直接產(chǎn)生各種不同頻率的信號(hào)。

DDS的基本原理如圖5.10所示。

圖5.10DDS的基本原理

與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比,DDS具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)頻率分辨率高,頻點(diǎn)數(shù)多。

(2)頻率轉(zhuǎn)換快。

(3)相位連續(xù)。

(4)信號(hào)相干。

(5)相位噪聲小。

(6)便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜方式的信號(hào)調(diào)制。

(7)采用微處理器接口,容易控制,穩(wěn)定可靠。

(8)大規(guī)模集成,體積小,功耗低,重量輕。

近年來,DDS技術(shù)獲得了長足的進(jìn)步,在跳頻通信、電子對(duì)抗、自動(dòng)控制和儀器設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其代表產(chǎn)品有美國模擬器件(AnalogDevices)公司的AD985x、AD995x系列單片DDS,其主要特性見表5.2。

2.間接合成法

間接合成法即鎖相合成法。所謂鎖相,就是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相位同步。能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)。由于頻率是相位對(duì)時(shí)間的微分,因而當(dāng)這兩個(gè)電信

號(hào)相位同步時(shí),這兩個(gè)電信號(hào)的頻率也就保持了一致。這樣,利用鎖相環(huán)和分頻比可變的分頻器,就可把壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率穩(wěn)定在基準(zhǔn)頻率的整數(shù)倍上,獲得大量穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度與基準(zhǔn)頻率相同的頻率輸出。

圖5.11給出了鎖相環(huán)的基本原理框圖。

圖5.11鎖相環(huán)的基本原理框圖

基本鎖相環(huán)是個(gè)閉環(huán)相位負(fù)反饋環(huán)路,由鑒相器(PD)、低通濾波器(LPF)及壓控振蕩器(VCO)三大部分組成。

(1)鑒相器(PD,又稱相位比較器)。鑒相器是相位比較裝置,它將兩個(gè)輸入信號(hào)Ui(t)和Uo(t)之間的相位進(jìn)行比較,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差的誤差電壓信號(hào)Ud(t),輸出給低通濾波器(LPF)。當(dāng)環(huán)路鎖定后,鑒相器的輸出電壓是一個(gè)直流量。

(2)低通濾波器(LPF)。環(huán)路低通濾波器用于濾除誤差電壓中的高頻分量和噪聲,以保證環(huán)路所要求的性能,并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3)壓控振蕩器(VCO)。壓控振蕩器是受電壓控制的振蕩器,其輸出頻率受輸入電壓的控制。

將基本鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)稍加變化,在反饋回路中加入分頻比N可變的分頻器,就可得到頻率合成器中經(jīng)常使用的鎖相環(huán),其原理如圖5.12所示。圖5.12倍頻式鎖相環(huán)原理圖

當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí),鑒相器PD兩輸入端信號(hào)的頻率差為零,即

從而有

除倍頻式鎖相環(huán)外,還有混頻式鎖相環(huán)(如圖5.13所示)等形式,在此不作詳述。圖5.13混頻式鎖相環(huán)

總之,無論是利用直接頻率合成技術(shù),還是利用鎖相頻率合成技術(shù),合成信號(hào)發(fā)生器從根本上解決了普通信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率的穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度的問題,并且可方便地在微處理器控制下工作,滿足自動(dòng)測(cè)試的需求。

5.3.4高頻信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)

(1)頻率范圍:100kHz~30MHz,共分八個(gè)波段。

(2)頻率刻度誤差:±1%。

(3)輸出電壓:0~1V(有效值)。

(4)輸出阻抗:40Ω(0~1V輸出孔)、8Ω(0~0.1V輸出孔)。

(5)電壓表刻度誤差:±5%(1V電壓時(shí),載波為1MHz)。

(6)內(nèi)調(diào)制信號(hào)頻率:400Hz、1000Hz,誤差為±5%。

(7)外調(diào)制信號(hào)頻率:50Hz~8kHz。

(8)調(diào)幅范圍:當(dāng)m<60%時(shí),誤差為±5%;當(dāng)m>60%時(shí),誤差為±10%。

(9)諧波電平:<25dBc

5.4函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種寬帶頻率可調(diào)的多波形信號(hào)發(fā)生器,由于其輸出波形均可用數(shù)學(xué)函數(shù)描述,故命名為函數(shù)發(fā)生器。

5.4.1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的基本組成與原理

構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器的方案很多,通常有以下三種:

(1)脈沖式:在觸發(fā)脈沖的作用下,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)正弦式:先產(chǎn)生正弦波,再得到方波和三角波。

(3)三角波式:先產(chǎn)生三角波,再轉(zhuǎn)換為方波和正弦波。

1.脈沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

脈沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理框圖如圖5.14所示。它包括脈沖發(fā)生器、施密特觸發(fā)器、積分器和正弦波轉(zhuǎn)換器等部分。

圖5.14脈沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器原理框圖

正弦波形成電路用于將三角波變換成正弦波,能夠完成這種變換的電路種類很多,如二極管網(wǎng)絡(luò)、差分放大器等。圖5.15所示為典型的二極管網(wǎng)絡(luò)變換電路,可將對(duì)稱的三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。

圖5.15二極管正弦波形成電路

2.正弦式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

正弦式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理框圖如圖5.16所示。圖5.16正弦式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理框圖

3.三角波式函數(shù)發(fā)生器

三角波式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理框圖如圖5.17所示。圖5.17三角波式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理框圖

5.4.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)

5.5脈沖信號(hào)發(fā)生器

脈沖信號(hào)通常是指持續(xù)時(shí)間較短、寬度及幅度有特定變化規(guī)律的電壓或電流信號(hào)。常見的脈沖信號(hào)有矩形、鋸齒形、階梯形、鐘形、升余弦、數(shù)字編碼序列等。最基本的脈沖信號(hào)是矩形脈沖信號(hào),如圖5.18所示。

圖5.18矩形脈沖信號(hào)

它有以下一些基本參數(shù):

(1)脈沖振幅A:指脈沖頂量值與底量值之差。

(2)上升時(shí)間tr:指由10%電平處上升到90%電平處所需的時(shí)間,也叫脈沖前沿。

(3)下降時(shí)間tf:指由90%電平處下降到10%電平處所需的時(shí)間,也叫脈沖后沿。

(4)脈沖寬度τ(或tw):脈沖寬度本應(yīng)指脈沖出現(xiàn)后所持續(xù)的時(shí)間,但是由于脈沖波形差異很大,頂部和底部寬度并不一致,所以定義脈沖寬度為前后沿50%電平處的寬度。

(5)脈沖周期和重復(fù)頻率:周期性脈沖相鄰兩脈沖之間的時(shí)間間隔稱為脈沖周期,用T表示,脈沖周期的倒數(shù)稱為重復(fù)頻率,用f表示,如圖5.18(b)所示。

(6)脈沖的占空系數(shù)ε:脈沖寬度τ與脈沖周期T的比值稱為占空系數(shù)或占空比,即ε=τ/T。

5.5.1脈沖信號(hào)發(fā)生器的分類

按照頻率范圍來分,脈沖信號(hào)發(fā)生器有射頻脈沖信號(hào)發(fā)生器和視頻脈沖信號(hào)發(fā)生器兩種。前者一般是高頻或超高頻信號(hào)發(fā)生器受矩形脈沖的調(diào)制而獲得的,而常用的脈沖信號(hào)

發(fā)生器都是以產(chǎn)生矩形脈沖為主的視頻脈沖信號(hào)發(fā)生器。

按照用途和產(chǎn)生脈沖的方法不同,脈沖信號(hào)發(fā)生器可分為通用脈沖發(fā)生器、快沿脈沖發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、特種脈沖發(fā)生器等。

特種脈沖發(fā)生器是指那些具有特殊用途,對(duì)某些性能指標(biāo)有一定要求的脈沖信號(hào)源,如穩(wěn)幅、高壓、精密延遲等脈沖發(fā)生器,以及功率脈沖發(fā)生器、數(shù)字序列發(fā)生器等。

5.5.2脈沖信號(hào)發(fā)生器的組成與基本原理

一臺(tái)基本的脈沖信號(hào)發(fā)生器,其組成原理方框圖如圖5.19所示,包括主振級(jí)、延遲級(jí)、形成級(jí)、整形級(jí)、輸出級(jí)等部分。圖5.19脈沖信號(hào)發(fā)生器的原理框圖

1.主振級(jí)

主振級(jí)是脈沖信號(hào)源的核心,其決定輸出脈沖的重復(fù)頻率,要求有良好的調(diào)節(jié)性能,較高的頻率穩(wěn)定度,較寬的頻率范圍,陡峭的前后沿和足夠的幅度。

2.延遲級(jí)

在很多場(chǎng)合下要求脈沖信號(hào)發(fā)生器能輸出同步脈沖,并使同步脈沖超前于主脈沖一段時(shí)間,用于提前觸發(fā)某些觀測(cè)用儀器(如示波器等),這個(gè)任務(wù)由延遲級(jí)完成。主振級(jí)輸出

的未經(jīng)延時(shí)的脈沖稱為同步脈沖,又稱前置脈沖,如圖5.20所示。

圖5.20同步脈沖與主脈沖

3.形成級(jí)

形成級(jí)通常由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等脈沖電路組成,是脈沖信號(hào)發(fā)生器的核心之一。它可產(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)

整形級(jí)與輸出級(jí)一般由放大、限幅電路組成,整形級(jí)具有電流放大的作用,輸出級(jí)具有功率放大的作用。

5.5.3脈沖信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)

脈沖信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)有以下幾方面。

(1)脈沖頻率:包括輸出脈沖重復(fù)頻率、同步脈沖頻率(與輸出頻率的關(guān)系:如倍頻或分頻等)、外觸發(fā)輸入信號(hào)頻率。要求較高的還包括頻率穩(wěn)定度、波形失真等。

(2)脈沖持續(xù)時(shí)間:包括脈沖寬度、延遲時(shí)間、微調(diào)范圍、前后沿要求等。

(3)脈沖幅度:包括主脈沖、前置脈沖(同步脈沖)和外觸發(fā)輸入脈沖幅度的范圍。

(4)輸出阻抗:有50Ω(或75Ω)、600Ω幾種電阻可選。

(5)波形失真:包括過沖、傾斜等指標(biāo)。

(6)輸出脈沖狀態(tài):包括單極性/雙極性、單脈沖/雙脈沖等。

(7)工作方式:包括外觸發(fā)、單次觸發(fā)等。

5.6專用(特殊)信號(hào)發(fā)生器

5.6.1任意波形發(fā)生器任意波形發(fā)生器具備產(chǎn)生任意波形的能力,其簡(jiǎn)化的原理框圖如圖5.21所示。

圖5.21任意波形發(fā)生器原理框圖

任意波形發(fā)生器可模擬各種波形,只要其可用數(shù)字形式存儲(chǔ)。如正弦波、方波、脈沖、脈沖序列、三角波、斜波、sinx/x、升余弦、心(律)波等,波形數(shù)據(jù)通?？捎捎脩糇孕袆?chuàng)作后通過計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)軟件載入,也可由數(shù)字存儲(chǔ)示波器采集存儲(chǔ)后載入,因而具有強(qiáng)大的輸出波形可定制能力,滿足一些對(duì)特殊波形需要測(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)合,廣泛應(yīng)用于科研院所、高

等學(xué)校、高等職業(yè)院校,以及機(jī)械電子等各個(gè)領(lǐng)域。圖5.22列舉了幾種經(jīng)常需要產(chǎn)生的復(fù)雜波形。

圖5.22任意波形發(fā)生器可產(chǎn)生的幾種波形

以美國福祿克(FLUKE)公司的395系列任意波形發(fā)生器為例,其主要特性如表5.3所示。

5.6.2電視信號(hào)發(fā)生器

下面以用于電視機(jī)調(diào)試和維修專用的S305A型全頻道彩色電視信號(hào)發(fā)生器