第2章-測量信號產(chǎn)生與儀器應用.ppt

1、案例 1 函數(shù)信號發(fā)生器在測量放大電路中的應用,信號發(fā)生器通常稱為信號源，在科研、生產(chǎn)、使用、測試和維修各種電子元件、部件及整機設(shè)備時，都需要信號源提供激勵信號。由信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電壓 和電流信號加到被測器件、設(shè)備上，然后用其他儀器觀測其輸出響應。,信號發(fā)生器所提供符合一定電子技術(shù)要求的電信號，其波形、頻率和幅度都是可以調(diào)節(jié)的，并可準確讀出數(shù)值。在電子測量中，信號發(fā)生器是最基本、應用最廣泛的測量儀器。其功能主要有： 作為電器設(shè)備的激勵信號源。 作為仿真信號，用于在設(shè)備測量中產(chǎn)生模擬實際環(huán)境特性的信號，如對于干擾信號進行仿真。 作為校準信號源，產(chǎn)生一些標準信號，用于對一般信號源

2、進行校準或?qū)Ρ取?實驗中要對各種電子儀器進行綜合使用，可按照信號流向，以連線簡捷、調(diào)節(jié)順手，觀察和讀書方便等原則進行合理布局，各儀器與被測實驗裝置之間的布局與連接如圖2-1所示,2.1信號源用途、種類、性能指標,信號源有如下三方面的用途： 1）激勵源 2）信號仿真 3）校準源,1、信號源用途,1）按照輸出信號波形分類：正弦信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器； 2）按照頻率范圍分類：超低頻、低頻、視頻、高頻、甚高頻、超高頻信號發(fā)生器； 3）按照性能指標分類：一般信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器。,2、信號源種類,信號源性能指標主要包括以下幾項： 1）頻率特性 ：頻率范圍、頻率準

3、確度和頻率穩(wěn)定度； 2）輸出特性：輸出阻抗、輸出電平及其平坦度、輸出形式、輸出波形和諧波失真度； 3）調(diào)制特性：調(diào)制信號；調(diào)制類型；調(diào)制系數(shù)的有效范圍。,3、信號源性能指標,4、信號發(fā)生器的一般組成,主振器變換器輸出級指示器電源輸出圖2-2信號發(fā)生器的一般組成。,5、信號發(fā)生器的測量方法,在電子測量中，用到信號發(fā)生器的測量方法主要包括以下幾種：,5、信號發(fā)生器的測量方法,圖2-3為諧振法測量集中參數(shù)元件的工作原理圖，調(diào)諧信號發(fā)生器輸出頻率使之與LC諧振電路諧振頻率相等時，電壓表指示最大，LC諧振電路諧振，依據(jù)此時LC諧振電路諧振特性可以測量集中參數(shù)元件。,1）、諧振法,5、信號發(fā)生器的測量方法

4、,圖2-4為二次測量法測量放大器輸出阻抗的原理圖。,2）、二次測量法,5、信號發(fā)生器的測量方法,圖2-5為比較法測量被測信號電壓、電流等的原理圖。變換開關(guān)S位置，調(diào)節(jié)標準信號發(fā)生器使前后兩次指示器指示不變或保持一定關(guān)系，即可測出被測量來。,3）、比較法,5、信號發(fā)生器的測量方法,圖2-6 為替代法測量場強的原理圖，變換開關(guān)S位置，調(diào)節(jié)標準信號發(fā)生器使前后兩次指示器指示不變，則標準信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的場強等于被測信號場強。,4）、替代法,2.2 正弦信號發(fā)生器,1、低頻信號發(fā)生器,低頻信號發(fā)生器又稱為音頻信號發(fā)生器，用來產(chǎn)生頻率范圍的低頻正弦信號、方波信號及其他波形信號。它是一種多功能、寬量程的

5、電子儀器，在低頻電路測試中應用比較廣泛，還可以為高頻信號發(fā)生器提供外部調(diào)制信號。,1、低頻信號發(fā)生器,1）、低頻信號發(fā)生器的組成：, 主振級 主振級是低頻信號發(fā)生器的核心部分，通常有差頻式的頻率形成電路和RC文氏電橋正弦振蕩電路。 A 差頻式低頻信號形成電路的工作原理,圖2-8差頻式的頻率形成電路,B RC振蕩電路形成低頻信號的工作原理,圖2-9 RC文氏電橋振蕩電路,熱敏電阻R3(具有負溫度特性)，自動穩(wěn)定振蕩幅度。 調(diào)整頻率是通過調(diào)節(jié)正反饋臂雙聯(lián)電容C（電阻R）來改變振蕩輸出頻率。,C. 緩沖放大和功率放大作用：放大隔離。 D .輸出衰減,圖2-10 衰減器原理圖,相當于衰減器，用于改變信

6、號發(fā)生器的輸出電壓或功率，通常分為連續(xù)調(diào)節(jié)和步進調(diào)節(jié)。連續(xù)調(diào)節(jié)由電位器實現(xiàn)，步進調(diào)節(jié)由電阻分壓器實現(xiàn)。圖2-10所示電路是XD-22A型低頻信號發(fā)生器中使用的輸出衰減器。,E . 阻抗變換：匹配不同阻抗的負載。 F. 輸出指示：指示輸出信號的電壓或功率的大小。,2)、低頻信號發(fā)生器的主要工作特性 頻率范圍 ： 一般為 ，且連續(xù)可調(diào)。 頻率準確度： （13）%。 頻率穩(wěn)定度： 一般為（0.10.4）%/小時。 輸出電壓： 010V連續(xù)可調(diào)。 輸出功率： 0.55W連續(xù)可調(diào)。 非線性失真范圍 ： （0.11）%。 輸出阻抗 等幾種。 輸出形式： 平衡輸出與不平衡輸出。,3）、低頻信號發(fā)生器的使用,

7、1）、了解面板結(jié)構(gòu) 2）、注意正確的操作步驟： 信號發(fā)生器的使用步驟如下： 準備工作 選擇頻率 輸出阻抗的配接 輸出電路形式的選擇 輸出電壓的調(diào)節(jié)和測讀。,2、高頻信號發(fā)生器,高頻信號發(fā)生器和甚高頻信號發(fā)生器統(tǒng)稱為高頻信號發(fā)生器，它們在高頻電路測試中應用比較廣泛。,1）、高頻信號發(fā)生器的組成及原理,2、高頻信號發(fā)生器,2）、高頻信號發(fā)生器原理： （1）主振級：主振級是信號發(fā)生器的核心，一般采用可調(diào)頻率范圍寬、頻率準確度高、穩(wěn)定度好的LC振蕩器，它用于產(chǎn)生高頻振蕩信號。 （2）緩沖級：緩沖級主要起阻抗變換的作用，用來隔離調(diào)制級對主振級產(chǎn)生的不良影響，以保證主振級穩(wěn)定工作。 （3）調(diào)制級:實現(xiàn)調(diào)制

8、信號對載波的調(diào)制，它包括調(diào)頻、調(diào)幅和脈沖調(diào)制等調(diào)制方式。,2、高頻信號發(fā)生器,2）、高頻信號發(fā)生器原理： （4）可變電抗器：可變電抗器與主振級的諧振回路相耦合，在調(diào)制信號作用下，控制諧振回路電抗的變化而實現(xiàn)調(diào)頻。 （5）內(nèi)調(diào)制振蕩：內(nèi)調(diào)制振蕩器用于為調(diào)制級提供頻率為 的內(nèi)調(diào)制正弦信號，該方式稱為內(nèi)調(diào)制。當調(diào)制信號由外部電路提供時，稱為外調(diào)制。,2、高頻信號發(fā)生器,2）、高頻信號發(fā)生器原理： （6）輸出級：輸出級主要由放大器、濾波器、輸出微調(diào)器、輸出倍乘器等組成。 （7）監(jiān)測器：監(jiān)測器用以監(jiān)測輸出信號的載波幅度和調(diào)制系數(shù)。 （8）電源：電源用來供給各部分所需要的電壓和電流。,3、合成信號發(fā)生器,

9、合成信號發(fā)生器是用頻率合成器代替主振級的正弦信號發(fā)生器。頻率合成器是以一個或少量幾個標準頻率為基準，利用鎖相環(huán)（PLL）等進行頻率合成的頻率振蕩器，頻率合成器產(chǎn)生的信號具有很高的頻率穩(wěn)定度和極純的頻譜。,3、合成信號發(fā)生器,1）工作原理：除振蕩器外，合成信號發(fā)生器的其他部分與高頻信號發(fā)生器相似。圖2-12為QF1050型信號發(fā)生器原理框圖，它由射頻部分、鎖相部分、調(diào)制部分和控制部分等組成。,3、合成信號發(fā)生器,2）主要性能指標：QF1050型信號發(fā)生器是采用鎖相技術(shù)制成的標準信號發(fā)生器。它可提供載頻、調(diào)頻、調(diào)幅信號，并可接受立體聲調(diào)制，主要用于調(diào)頻、調(diào)幅接收機的檢驗和維修，也可用于移動通信和其

10、他接收設(shè)備的調(diào)試與維修。其主要性能指標如下：,（1）載頻： （2）調(diào)頻、調(diào)幅 （3）輸出電平 （4）預置功能,3、合成信號發(fā)生器,3）面板結(jié)構(gòu)：QF1050型信號發(fā)生器面板結(jié)構(gòu)如圖2-13所示,2.3 函數(shù)信號發(fā)生器,1、函數(shù)信號器的分類,1）函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的方法有三種： 第一種：由施密特電路產(chǎn)生方波，然后經(jīng)變換得到三角波和正弦波形； 第二種：先產(chǎn)生正弦波再得到方波和三角波； 第三種：先產(chǎn)生三角波再變換為方波和正弦波。,2、脈沖式函數(shù)信號器,2、脈沖式函數(shù)信號器,脈沖式函數(shù)信號發(fā)生器的組成如圖2-14(a)所示。它包括雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、積分器和正弦波變換電路等部分，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器通常采用施密

11、特觸發(fā)器，積分器則采用密勒積分器。密勒積分器即反向型負反饋積分器，因具有良好的線性而得到了廣泛的應用。,2、脈沖式函數(shù)信號器,脈沖式函數(shù)信號發(fā)生器的工作過程如圖2-14(b)所示，假設(shè)開關(guān)懸空，當雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出為時，積分器輸出將開始線性下降，當下降到等于參考電平時，比較器使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)， 由變?yōu)?，同時，將開始以與線性下降相等的速率線性上升。當上升到等于參考電平時，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)回去，于是完成一個循環(huán)周期。不斷重復上述過程，即得到方波信號、三角波信號，以及由經(jīng)過正弦波成形電路變換成的正弦波。三種波形再經(jīng)過輸出級放大后即可在輸出端得到所需的波形。圖2-14中A、B點波形極性相反。,3、正

12、弦式函數(shù)信號器,圖2-15為正弦式函數(shù)信號發(fā)生器基本原理框圖。,3、正弦式函數(shù)信號器,圖2-15為正弦式函數(shù)信號發(fā)生器基本原理框圖。它包括正弦振蕩器、緩沖級、方波形成器、積分器、放大器和輸出級等部分。其工作過程是：正弦振蕩器輸出正弦波，經(jīng)緩沖級隔離后，分為兩路信號，一路送放大器輸出正弦波，另一路作為方波形成器的觸發(fā)信號。方波形成器通常是施密特觸發(fā)器，它輸出兩路信號，一路送放大器，經(jīng)放大后輸出方波；另一路作為積分器的輸入信號。積分器通常為密勒積分器，積分器將方波變換為三角波，經(jīng)放大后輸出。三個波形的輸出由選擇開關(guān)控制。,2.4 脈沖信號發(fā)生器,1、矩形脈沖信號參數(shù),脈沖信號通常指持續(xù)時間較短、有

13、特定變化規(guī)律的電壓或電流信號。常見的脈沖信號波形有矩形、鋸齒形、鐘形、階梯形、數(shù)字編碼序列等，下面對其主要參數(shù)進行簡要介紹。其中，最基本的脈沖信號是矩形脈沖信號，如圖2-18 所示。,1、矩形脈沖信號參數(shù),圖2-18 矩形脈沖參數(shù),1、矩形脈沖信號參數(shù),（1） 脈沖幅度 ：脈沖頂量值和底量值之差。 （2）脈沖周期和重復頻率：周期性脈沖相鄰兩脈沖相同位置之間的時間間隔稱為脈沖周期，用 表示。脈沖周期的倒數(shù)稱為重復頻率。 （3）脈沖寬度 （或 ）脈沖前后沿50%處的時間間隔。,1、矩形脈沖信號參數(shù),（4）脈沖的占空比 ：脈沖寬度 與脈沖周期T的比值稱為占空比或空度系數(shù)。即 （5）上升時間 ：指由1

14、0% 電平處上升到90% 電平處所需的時間，也稱脈沖前沿。 （6）下降時間 ：由脈沖90% 電平處下降到10%電平處所需的時間，也稱脈沖后沿。,2、脈沖信號發(fā)生器的分類,按照脈沖用途和產(chǎn)生方法的不同，脈沖信號發(fā)生器可分為:,1）通用脈沖信號發(fā)生器 2）快沿脈沖發(fā)生器 3）函數(shù)信號發(fā)生器 4）數(shù)字可編程脈沖信號發(fā)生器 5）特種脈沖發(fā)生器,3、脈沖信號發(fā)生器組成及工作原理分析,1）、通用脈沖信號源的組成框圖如圖2-19所示。,圖2-19 脈沖信號發(fā)生器原理框圖,3、脈沖信號發(fā)生器組成及工作原理分析,2)、各部分功能如下：,1）主振級：該單元是脈沖信號源的核心，它決定著輸出脈沖的重復頻率。 2）延時

15、級：對主振級輸出脈沖延時，使儀器輸出的同步脈沖略超前于主脈沖。 3）形成級:在延時脈沖作用下，產(chǎn)生寬度準確、波形良好的矩形脈沖。 4）輸出級:本級用于調(diào)節(jié)輸出脈沖的幅度，選擇輸出脈沖的極性，進行阻抗變換等。 5）同步輸出級:輸出供測試用的同步信號。,2.5 任意波形發(fā)生器,1、任意波形發(fā)生器技術(shù)特性,1）輸出幅度:指在波形不失真時的輸出峰-峰值。 2）幅度分辨力:指信號發(fā)生器輸出電壓在幅度上的分辨能力，在很大程度上取決于D/A轉(zhuǎn)換器的性能。 3）相位分辨力:即輸出波形的時間分辨力，通常指波形存儲器存儲樣點的個數(shù)，也可定義為存儲器的深度或容量。 4）最高取樣率:在任意波形發(fā)生器中最高取樣率是指輸

16、出波形樣點的速率，它表征任意波形發(fā)生器輸出波形的最高頻率分量。,1、任意波形發(fā)生器技術(shù)特性,5）輸出通道數(shù):任意波形發(fā)生器可單通道輸出，也可雙通道或多通道輸出，還可以是模擬信號通道及數(shù)字信號通道輸出。 6) 頻譜純度:指在輸出正弦波情況下，諧波和噪聲應比基波小得多。 7）直流偏移:即給信號波形疊加直流電壓 。,2、任意波形發(fā)生器工作原理分析,圖2-20 單機結(jié)構(gòu)任意波形發(fā)生器組成框圖,2、任意波形發(fā)生器工作原理分析,1）任意波形發(fā)生器的組成,任意波形發(fā)生器是在微機控制下工作的，一般有兩種結(jié)構(gòu)形式。 A 單機結(jié)構(gòu) 由微處理器系統(tǒng)和信號產(chǎn)生部分組成獨立儀器。 B 插卡結(jié)構(gòu) 任意波形發(fā)生器以板卡形式

17、插入PC機插槽，或?qū)C機總線引出機外與插卡相連。 圖2-20是單機結(jié)構(gòu)任意波形發(fā)生器的組成框圖。微機系統(tǒng)將波形數(shù)據(jù)送至波形存儲器RAM（高速）。當輸出波形時，由高速時鐘發(fā)生器和高速計數(shù)器產(chǎn)生RAM地址信號，并從RAM中讀出數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得輸出波形。,2、任意波形發(fā)生器工作原理分析,1）任意波形的產(chǎn)生方法,A 表格法 B 數(shù)學方程法 C 折線法 D 作圖法 E 輸入法,2.6典型儀器TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器,1、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器,TFG2000系列DDS函數(shù)信號發(fā)生器采用直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）, 具有快速完成測量工作所需的高性能指標和眾多的

18、功能特性。其簡單而功能明晰的前面板及液晶漢字或熒光字符顯示功能使您更便于操作和觀察，選裝的擴展功能模塊，可使您獲得增強的系統(tǒng)功能。,1） 操作特性：按鍵輸入，菜單顯示，手輪調(diào)節(jié) 2） 顯示方式：液晶顯示LCD，黃綠背光，中文菜單，廉價實用熒光顯示VFD，蘭綠字符，英文菜單，顯示清晰，亮度高。 3） 電源條件：電壓：AC220V（110） 頻率：50Hz（15） 功耗：30VA,1、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器,1A路主要技術(shù)指標 1）波形特性 波形種類：正弦波，方波，直流 波形長度：416000點 波形幅度分辨率：10 bits 采樣速率：180 MSa/s 雜波諧波抑制度：50

19、dBc（F1MHz） 40dBc(1MHzF20MHz) 正弦波總失真度：0.5（20Hz200kHz） 方波升降時間：20ns 方波過沖： 5 方波占空比范圍：2080(頻率1MHz),1、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器主要性能指標,1A路主要技術(shù)指標 2）頻率特性 頻率范圍：40mHz（3MHz,6MHz,15MHz,30MHz，50MHz,） 頻率分辯率：40mHz 頻率準確度：(510-5+ 40mHz) 頻率穩(wěn)定度: 510-6/ 3小時,1、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器主要性能指標,1A路主要技術(shù)指標 3）幅度特性 幅度范圍：2mV p-p20V p-p

20、( 高阻,頻率2V), 2mV p-p (0.2VA2V), 0.2mV p-p (A0.2V) 幅度準確度：(1 + 2mV)（高阻，有效值，頻率1kHz） 幅度穩(wěn)定度：0.5/ 3小時 幅度平坦度：5 (F1MHz), 10 (1MHzF10MHz) 輸出阻抗：50,1、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器主要性能指標,1B路主要技術(shù)指標 1）波形特性 ： 波形種類：正弦波，方波，三角波，鋸齒波，階梯波等32種波形 波形長度：256點 波形幅度分辨率：8 bits,1、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器主要性能指標,1B路主要技術(shù)指標 2）頻率特性 ： 頻率范圍：正弦波10m

21、Hz1MHz 其它波形：10mHz50kHz 分辯率：10mHz 頻率準確度：(110-4 + 10mHz),1、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器主要性能指標,1B路主要技術(shù)指標 3）幅度特性 ： 幅度范圍：100mV p-p20V p-p ( 高阻) 分辨率：80mV p-p 輸出阻抗：50,1、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器主要性能指標,TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器的組成如圖2-21所示,2、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器原理,1）直接數(shù)字合成工作原理（輸出A、B、輸出TTL） 要產(chǎn)生一個電壓信號，傳統(tǒng)的模擬信號源是采用電子元器件以各種不同的

22、方式組成振蕩器，其頻率精度和穩(wěn)定度都不高，而且工藝復雜，分辨率低，頻率設(shè)置和實現(xiàn)計算機程控也不方便。直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）是最新發(fā)展起來的一種信號產(chǎn)生方法，它完全沒有振蕩器元件，而是用數(shù)字合成方法產(chǎn)生一連串數(shù)據(jù)流，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生出一個預先設(shè)定的模擬信號。,TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器的組成如圖2-21所示,2、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器原理,1）直接數(shù)字合成工作原理（輸出A、B、輸出TTL） 幅度控制器是一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，根據(jù)操作者設(shè)定的幅度數(shù)值，產(chǎn)生出一個相應的模擬電壓，然后與輸出信號相乘，使輸出信號的幅度等于操作者設(shè)定的幅度值。偏移控制器是一個數(shù)模轉(zhuǎn)換

23、器，根據(jù)操作者設(shè)定的偏移數(shù)值，產(chǎn)生出一個相應的模擬電壓，然后與輸出信號相加，使輸出信號的偏移等于操作者設(shè)定的偏移值。經(jīng)過幅度偏移控制器的合成信號再經(jīng)過功率放大器進行功率放大，最后由輸出端口A 輸出。,TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器的組成如圖2-21所示,2、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器原理,2）操作控制工作原理： 微處理器通過接口電路控制鍵盤及顯示部分，當有鍵按下的時侯，微處理器識別出被按鍵的編碼，然后轉(zhuǎn)去執(zhí)行該鍵的命令程序。顯示電路使用菜單字符將儀器的工作狀態(tài)和各種參數(shù)顯示出來。,3、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器 前后面板和用戶界面,3、TFG 200

24、3型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器 前后面板和用戶界面,4、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器基本操作,開機后，儀器進行自檢初始化，進入正常工作狀態(tài)，自動選擇“連續(xù)”功能，A 路輸出。 1. A路功能設(shè)定 （1）A 路頻率設(shè)定：設(shè)定頻率值3.5kHz 【頻率】【3】【.】【5】【kHz】 。 A 路頻率調(diào)節(jié)：按【】鍵使光標指向需要調(diào)節(jié)的數(shù)字位，左右轉(zhuǎn)動手輪可使數(shù)字增大或減小，并能連續(xù)進位或借位，由此可任意粗調(diào)或細調(diào)頻率。,4、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器基本操作,1. A路功能設(shè)定 （2）A 路周期設(shè)定：設(shè)定周期值2.5ms 【Shift】【周期】【2】【.】【5】【ms】 。

25、 （3）A 路幅度設(shè)定：設(shè)定幅度值為3.2V 【幅度】【3】【.】【2】【V】 。 （4）A 路幅度格式選擇：有效值或峰峰值 【Shift】【有效值】或【Shift】【峰峰值】 。,4、TFG 2003型 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器基本操作,1. A路功能設(shè)定 （5）A 路波形選擇：在輸出路徑為A 路時，選擇正弦波或方波 【Shift】【0】選擇正弦，【Shift】【1】選擇方波 。 （6）A 路方波占空比設(shè)定：在A 路選擇為方波時，設(shè)定方波占空比為65 【Shift】【占空比】【6】【5】【Hz】 。 （7）A 路衰減選擇：選擇固定衰減0dB（開機或復位后選擇自動衰減AUTO） 【Shift】【衰減】【0】【Hz】 。 （8）A 路偏移設(shè)定：在衰減選擇0dB 時，設(shè)定直流偏移值