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第七讲信号发生器
一、教学目的与教学要求:
了解信号发生器的各项性能指标
掌握低频信号发生器的工作原理
正确使用低频信号发生器。
二、教学重点与教学难点:
信号发生器的工作原理
正确使用低频信号发生器
三、复习旧课引入新课;
3.1信号发生器概述
一、信号发生器的用途
在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时,都需要有信号源,由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件、设备上,用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应,以分析确定它们的性能参数,如图3.1—l所示。
这种提供测试用电信号的装置,统称为信号发生器,用在电子测量领域,也称为测试信号发生器。
和示波器、电压表、频率计等仪器一样,信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。
除了电子技术尤其是电子测量,信号发生器在其他领域也有广泛应用,例如机械部门的超声波探伤,医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。
图3.1—1测试信号发生器
二、信号发生器的分类
信号发生器应用广泛,种类型号繁多,性能各异,分类方法也不尽一致,下面介绍几种常见的分类。
l.按频率范围分类
按照输出信号的频率范围,有表3.1—1所示的划分。
表3.1—1
名称
频率范围
主要应用领域
超低频信号发生器
低频信号发生器
视频信号发生器
高频信号发生器
甚高频信号发生器
超高频信号发生器
30kHz以下
30kHz~300kHz
300kHz~6MHz
6MHz~30MHz
30MHz~300MHz
300MHz~3000MHz
电声学、声纳
电报通讯
无线电广播
广播、电报
电视、调频广播、导航
雷达、导航、气象
2.按输出波形分类
根据使用要求,信号发生器可以输出不.同波形的信号,图3.1—2是其中几种典型波形。
按照输出信号的波形特性,信号发生器可分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。
非正弦信号发生器又可包括:
脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列信号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等.
图3.1—2几种典型的信号波形
3.按信号发生器的性能分类
按信号发生器的性能指标,可分为一般信号发生器和标准信号发生器。
前者指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类发生器;后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调,并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。
还有其他的分类方法。
比如按照使用范围,可分为通用和专用信号发生器(例如电声行业中使用的立体声和调频立体声信号发生器就属于专用信号发生器);按照调节方式,可分为普通信号发生器、扫频信号发生器和程控信号发生器;按照频率产生方法又可分为谐振信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器等。
上面所述仅是常用的几种分类方式,而且是大致的分类。
随着电子技术水平的不断发展,信号发生器的功能越来越齐全,性能越来越优良,同一台信号发生器往往具有相当宽的频率复盖,又具有输出多种波形信号的功能。
例如国产EEl631型函数信号发生器,频率复盖范围为0.005H2~40MHz,跨越了超低频、低频、视频、高频到甚高频几个频段,可以输出包括正弦波、三角波\方波、锯齿波、脉冲波、调幅波、调频波及TTL波等多种波形的信号。
三、信号发生器的基本构成
虽然各类信号发生器产生信号的方法及功能各有不同,但其基本的构成一般都可用图3.1—3的框图描述,下面对框图中各个部分作扼要介绍.振荡器:
振荡器是信号发生器的核心部分,由它产生不同频率、不同波形的信号。
产生不同频段、不同波形信号的振荡器原理、结构差别很大。
图3.1—3信号发生器原理框图
变换器:
可以是电压放大器、功率放大器、调制器或整形器。
一般情况下,振荡器输出的信号都较微弱,需在该部分加以放大。
还有像调幅、调频等信号,也需在这部分由调制信号对载频加以调制。
而像函数发生器,振荡器输出的是三角波,需在这里由整形电路整形成方波或正弦波。
输出级:
其基本功能是调节输出信号的电平和输出阻抗,可以是衰减器、匹配变压器和射极跟随器等。
指示器:
指示器用来监视输出信号,可以是电子电压表、功率计、频率计和调制度表等,有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器。
使用时可通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其他特性。
通常情况下指示器接于衰减器之前,并且由于指示仪表本身准确度不高,其示值仅供参考,从输出端输出信号的实际特性需用其他更准确的测量仪表来测量。
电源:
提供信号发生器各部分的工作电源电压。
通常是将50Hz交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。
四、信号发生器的发展趋势
由于电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展,促使信号发生器种类日益增多,性能日益提高,尤其随着70年代微处理器的出现,更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。
现在,许多信号发生器除带有微处理器,因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外,还带有IEEE-488或RS232总线,可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。
当前信号发生器总的趋势是向着宽频率复盖\高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。
我们将在后面各节陆续介绍当前各类有代表性信号发生器的性能指标。
3.2正弦信号发生器的性能指标
在各类信号发生器中,正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类,几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。
其原因除了正弦信号容易产生,容易描述又是应用最广的载波信号外,还由于任何线性双口网络的特性,都可以用它对正弦信号的响应采表征。
显然,由于信号发生器作为测量系统的激励源,被测器件、设备各项性能参数的测量质量,将直接依赖于信号发生器的性能。
通常用频率特性、输出特性和调制特性(俗称三大指标)来评价正弦信号发生器的性能,其中包括30余项具体指标。
不过由于各种仪器的用途不同,精度等级不同,并非每类每台产品都用全部指标进行考核。
另外各生产厂家出厂检验标准及技术说明书中的术语也不尽一致。
本节仅介绍信号发生器中几项最基本最常用的性能指标。
一、频率范围
指信号发生器所产生的信号频率范围,该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率复盖,在此范围内应满足全部误差要求。
例如国产XDl型信号发生器,输,出信号频率范围为1Hz~1MHz,分六档即六个频段,为了保证有效频率范围连续,两相邻频段间有相互衔接的公共部分即频段重迭。
又如(美)HP公司HP—8660C型频率合成器产生的正弦信号的频率范围为主0kHz~2600MHz,可提供间隔为1Hz总共近26亿个分立频率。
二、频率准确度
频率准确度是指信号发生器度盘(或数字显示)数值与实际输出信号频率间的偏差,通常用相对误差表示
(3.2-1)
式中f0为度盘或数字显示数值,也称预调值,f1是输出正弦信号频率的实际值。
频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。
用度盘读数的信号发生器频率准确度约为±(1%~10%),精密低频信号发生器频率准确度可达±0.5%o例如调谐式XFC—6型标准信号发生器,其频率准确度优于±1%,而一些采用频率合成技术带有数字显示的信号发生器,其输出频率具有基准频率(晶振)的准确度,若机内采用高稳定度晶体振荡器,输出频率的准确度可达到l0-8~10-10。
三、频率稳定度
频率稳定度指标要求与频率准确度相关。
频率稳定度是指其他外界条件恒定不变的情况下,在规定时间内,信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。
按照国家标准,频率稳定度又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。
频率短期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后,信号频率在任意1.5min内所发生的最大变化,表示为
(3.2-2)
式中fo为预调频率,fmax、fmin分别为任意15min信号频率的最大值和最小值。
频率长期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后,信号频率在任意3h内所发生的最大变化,表示为:
预调频率的(3.2-3)
式中x、y是由厂家确定的性能指标值.
四、由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量
在第一章第§1.4节中曾提到测量仪器的稳定性指标,其一为稳定度,其二为影响量。
前述规定时间间隔内的频率漂移即稳定度,而由温度、电源、负载变化等外界因素造成的频率漂移(或变动)即为影响量.
(l)温度引起的变动量
环境温度每变化工℃所产生的相对频率变化,表示为:
预调频率的x.10-6℃,即
(3.2-4)
式中△t为温度变化值,f0为预调值,f1为温度改变后的频率值.
(2)电源引起的频率变动量
供电电源变化±10%所产生的相对频率变化,表示为:
,即
(3.2-5)
(3)负载变化引起的频率变动量
负载电阻从开路变化到额定值时所引起的相对频率变化,表示为:
,即
(3.2-6)
五、非线性失真系数(失真度)
正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正弦波,但由于信号发生器内部放大器等元、器件的非线性,会使输出信号产生非线性失真,除了所需要的正弦波频率外,还有其他谐波分量。
人们通常用信号频谱纯度来说明输出信号波形接近正弦波的程度,并用非线性失真系数表示:
(3.2-7)
式中U1为输出信号基波有效值,为各次谐波有效值。
由于
等较U1小得多,为了测量上的方便,也用下面公式定义y:
(3.2-8)
六、输出阻抗
作为信号源,输出阻抗的概念在“电路”或“电子电路”课程中都有说明。
信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。
低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Q(或1kΩ),功率输出端依输出匹配变压器的设计而定,通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等档。
高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω档。
当使用高频信号发生器时,要特别注意阻抗的匹配。
七、输出电平’
输出电平指的是输出信号幅度的有效范围,即由产品标准规定的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。
输出幅度可用电压(V,mV,V)或分贝表示。
例如XD-1低频信号发生器的最大电压输出为lHz~1MHz,>5V,最大功率输出为10Hz~700kHz(50Ω、75Ω、150Ω、600Ω),>4W。
八、调制特性
高频信号发生器在输出正弦波的同时,一般还能输出一种或一种以上的已被调制的信号,多数情况下是调幅信号和调频信号,有些还带有调相和脉冲调制等功能。
当调制信号由信号发生器内部产生时,称为内调制,当调制信号由外部加到信号发生器进行调制时,称为外调制。
这类带有输出已调波功能的信号发生器,是测试无线电收发设备等场合不可缺少的仪器。
例如xFC—6标准信号发生器,就具备内、外调幅,内、外调频,或进行内调幅时同时进行外调频,或同时进行外调幅与外调频等功能。
而像HP8663这类高档合成信号发生器,同时具有调幅、调频、调相、脉冲调制等多种调制功能。
第十一讲低频信号发生器
一、教学目的与教学要求:
3.1低频信号发生器
3.2射频信号发生器
3.3信号发生器的性能指标
二、教学重点与教学难点:
3.1低频信号发生器
3.2射频信号发生器
3.3信号发生器测量
三、复习旧课引入新课;
一、低频信号发生器
1.低频信号发生器主要性能指标
通用低频信号发生器的主要性能指标:
①频率范围为lHz~1MHz连续可调;②频率稳定度(0.1~0.4)%/h;⑧频率准确度±(1~2)%;④输出电压0—10v连续可调;⑤输出功率约(0.5~5)w连续可调;⑥非线性失真(0.1~1)%;⑦输出阻抗可为50Ω、75Ω、150Ω、600及5kΩ。
2.低频信号发生器组成框图
通用低频信号发生器的组成框图如图3.3-1所示。
图(a)仅包括电压输出,负载能力弱。
图(b)除包括电压输出外,另有功率输出能力o
3.通用RC振荡器
低频信号发生器中产生振荡信号(图3.3-1中主振器)的方法有多种,在通用信号发生器(如XD-1、XD-2、XD-7)中,主振器通常使用RC振荡器,而其中应用最多的当属文氏桥振荡器。
图3.3—1低频信号发生器框图
图3.3—1低频信号发生器框图
图3.3—2RC文氏桥网络
图3.3—2RC文氏桥网络
图3.3-2给出了文氏桥式网络及其传输函数的幅频相频特性。
我们简要分析其工作原理。
在图(a)中,是网络的输入电压,是输出电压,Z1为R、C串联阻抗,Z2为R、C并联阻抗,则网络的传输函数
(3.3-1)
式中
(3.3-2)
由式(3。
3—1)得到传输函数的幅频特性和相频
特性分别为
(3.3-3)
(3.3-4)
和分别示于图3.3-2中(b)和©.由图(b)、(c)可以看出:
当,或时,输出信号与输入信号同相,且此时传输函数模最大,如果输出信号
后接放大倍数的同相放大器(一般由两级反相放大器级联实现),那么就可以维持
或者的正弦振荡,而由于RC网络的选频特性,其他频率的信号将被抑制。
但是,放大倍数Kv=3的放大器是不稳定的,同时由于文氏桥电路的选频特性很差,放大器增益不稳,不但会引起振荡振幅变化,还会造成输出波形失真。
因此,总是使用高增益的二级放大器加上负反馈,使得在维持振荡期间,总电压增益为3,这样就形成了图3,3—3所示的文氏桥振荡电路。
图中负温度系数热敏电阻Rt和电阻Rf就构成了电压负反馈电路。
热敏电阻只,的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减小,当由于各种原因引起输出电压增大时,由于该电压也直接接在Rt、Rf串联电路,流过Rt的电流也随之增加而导致Rt阻值降低,负反馈加大,放大器总增益降低,使输出电压减小,达到稳定输出信号振幅的目的。
而在振荡器起振阶段,由于Rt温度低,阻值大,负反馈小,放大器实际总增益大于3,振荡器容易起振。
图3.3—3使用热敏电阻Rt作为增益控制器件的文氏桥式振荡器方框图
由式(3.3—2)可知,改变电阻R和电容C数值可调节振荡频率。
可以使用同轴电阻器改变电阻R进行粗调,使得换档时频率变化10倍,而用改变双联同轴电容C的方法在一个波段内进行频率细调。
图3.3—4是XD—2型低频信号发生器中的月C振荡器部分电路。
在上边的分析中,没有考虑放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro的影响,Ri和Ro对RC网络的影口向如图3.3—5所示,由图不难看出,应使Ri尽可能大而Ro尽可能小。
为此实际振荡器电路中放大器输入级常采用场效应管,以提高输入阻抗Ri,输出时加接射极跟随器,以降低输出阻抗Ro.
图3.3—4XD—2低频信号发生器中的RC振荡器
图3.3—5放大器输入输出阻抗对RC网络的影响
4.其他低频振荡器
(l)LC振荡器
当谈到正弦振荡时,很容易想到用L、C构成谐振电路和晶体管放大器来实现。
实际上基本不用这种电路做为低频信号发生器的主振荡器。
这是因
为对L、C振荡电路,振荡频率
当频率较低时,L、C的体积都相当大,分布电容、漏电导等也都相应很大,而品质因数Q值降低很多,
谐振特性变坏,且调节困难。
其次,由于f0与
成反比,因而同一频段内的频率复盖系数很小。
例如L固定,调节电容C改变振荡频率,设电容调节范围为
40~450pF,则频率复盖系数
(3.3-5)
如果用只C桥式振荡器,仍以上面的情况为例,根据
式(3.3—2),可以得到频率复盖系数
(3.3-6)
事实上,例如以RC文氏桥电路构成振荡器的XD-1型低频信号源,信号频率范围为1kHz~1MHz,分为6个频段,每个频段内的频率复盖系数均为主0。
(2)差频式振荡器
差频式低频信号发生器框图示于图3.3-60框图中可变频率振荡器和固定频率振荡器分别产生可变频率的高频振荡f1和固定频率的高频振荡f2,经过混频器M产生两者差频信号f=f1–f2,后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高频分量。
当可变频率振荡器频率从f1max变成f1min时,低通滤波器后就得到了fmax~fmin的低频信号,再经放大器和输出衰减器后得到所需要的低频信号。
这种方法的主要缺点是电路复杂,频率准确度、稳定度较差,波形失真较大;最大的优点是容易做到在整个低频段内频率可连续调节而不用更换波段,输出电平也较均匀,所以常用在扫频振荡器中。
图3.3—6差频信号发生器框图
5.XD—l型低频信号发生器
由于低频信号发生器应用非常广泛和频繁,我们以XD—1型低频信号发生器为例,介绍其主要技术指标和简要使用方法.
(1)主要技术指标
频率范围:
lHz~1MHz,分成1Hz一10Hz~100Hz~1kHz~10kHz一100kHz~1MHz六个频段(六档)。
频率漂移:
预热30min后,第一小时内,I档,≤0.4%;Ⅵ档,≤0.2%;Ⅱ~V档,≤0,工%,其后7小时内,I档,≤0.8%;Ⅵ档,≤0.4%;Ⅱ~V档,≤0.2%。
频率特性(输出信号幅频特性):
电压输出<±ldB;功率输出,10Hz~100kHz(50Ω、75Ω、150Ω、600Ω、5kΩ),≤±2dB100~700kHz(50Ω、75Ω、1,50Ω、600Ω),≤13dB;100~200kHz(5kΩ),≤±3dB。
输出:
电压输出,lHz~1MHz,>5V;最大功率输出,10Hz~700kHz(50Ω、75Ω、150Ω、600Ω),10Hz~200kHz(5kΩ),>4W。
非线性失真:
电压输出,20Hz~20kHz,<0.1%;功率输出,20Hz~20kHz,<0.5%。
衰减器:
电压输出,lHz~1MHz衰减≤80dB±l.5dB;功率输出,10Hz~100kHz衰减≤80dB±3dB,100kHz~700kHz衰减≤80dB±3.5dB。
交流电压表:
5V、15V、50V、150V四档,
≤±5%,电压表输入电阻、电容:
≥100kΩ,≤50pF。
电源:
220V±10%,50Hz,50VA。
(2)使用
参考图3.3-7所示XD-1低频信号发生器框图。
频率选择:
根据所需频段按下“频率范围”按钮,然后再用按键开关上面的“频率调节1、2、3旋钮按照十进制原则进行细调。
例如:
“频率范围”指10~100kHz档,“频率调节×1”指4,“频率调节×0.1”指8,“频率调节×0.01”指7,则此时输出频率为48.7kHz。
图3.3—7XD—1低频信号发生器框图
电压输出:
用电缆直接从“电压输出”插口引出。
通过调节输出衰减旋钮和输出细调旋钮,可以得到较好的非线性失真(<0.1%)、较小的电压输出(<200V)和小电压下较高的信噪比。
最大电压输出5V,输出阻抗随输出衰减的分贝数变化而变化。
为了保证衰减的准确性及输出波形不变坏,电压输出端钮上的负载应大于5kΩ.
功率输出:
将功率开关按下,用电缆直接从功率输出插口引出。
为了获得大功率输出,应考虑阻抗匹配,适当选择输出阻抗。
当负载为高阻抗,且输出频率接近低高两端,即接近10Hz或几百kHz时,为保证有足够的功率输出,应将面板右侧“内负载”键按下,接通内负载。
过载保护:
刚开机时,过载保护指示灯亮,约5~6s后熄灭,表示进入工作状态。
若负载阻抗过小,过载指示灯会再次闪亮,表示已经过载,机内过载保护电路动作,此时应加大负载阻抗值(即减轻负载),使灯熄灭。
交流电压表:
该电压表可做“内测”与“外测”o测量开关拨向“外测”时,它做为一般交流电压表测量外部电压大小。
当开关拨向“内测”时,它做为信号发生器输出指示,由于它位于输出衰减器之前,因此实际输出电压应根据电压表指示值与输出衰减分贝数按表3.3—l计算。
表3.3—l
二、超低频信号发生器
超低频信号发生器实际上仍属于低频信号发生器,只是输出信号频率低端较一般低频信号发生器更低一些,通常将能产生士Hz以下频率的信号源称为超低频信号发生器,目前超低频信号发生器的频率低端已可低于10-8Hz.这类信号发生器主要用于自动控制系统的测试。
在电子测量仪器的门类划分中,并不把超低频信号发生器单列一类,我们仅出于从产生低频振荡的方法不同考虑,将其单独列出加以叙述,其实这些产生低频振荡的方法,有时也用在一般低频信号发生器中。
除了输出信号频率范围往低端延伸外,超低频信号发生器和一般低频信号发生器技术指标基本相同。
下面我们主要介绍产生超低频振荡的几种常用方法.
1.用积分器构成的超低频信号发生器
(1)运算放大器及其理想化模型
图3.3-8(a)中虚框内表示运算放大器,(b)中虚框内部分为其等效电路,其中只i为运算放大器(以后简称运放)输入电阻,必为运放开环放大系数,图中R2、R1为构成实际放大器的反馈电阻。
由于电子技术的发展,现在运放(不管是集成电路还是分立元件构成)的性能可以达到很高,比如输入电阻Ri和开环放大倍数且可分别达到106~108Ω及105~108Ω甚至更高。
输出电压受到偏置直流电压限制,一般在一15V~+15V范围内。
当运放工作在线性区时,u2=Aui,由此可推算出叭在几个微伏到几十微伏之间,相比输入电压,u1(几十毫伏~几伏)小到可以忽略,再由于R1很大,因此流入运放的电流i更是小于10-8A以下。
为了便于分析,不妨就近似认为:
ui≈0(习惯上称为虚短路,因为小并不真正等于零),i≈0(习惯上称为虚开路)输入电阻、开环放大系数分别近似认为,这样就得到图3.3-8中(c)的理想化运放模型。
(3.3-1)
图3.3—8运算放大器及其理想化模型
图3.3—8运算放大器及其理想化模型
现在使用理想化运放模型分析图3.3—9中三个电路的功能。
图(a)中i1=i2(虚开路),(虚短路),所以
(3.3-7)
因此图(a)所示电路具有比例(乘法、除法)功能。
在图(b))中,(虚开路),而
(虚短路),所以
(3.3-8)
若取R2=R11=R12,由上式成为
(3.3-9)
由式(3.3—8)、(3.3—9)可见图(b)电路具有加法(或比例与加法)功能。
在图(c)中,同样考虑虚开路、虚短路的理想化条件,可以得到
(3.3-10)
由式(3。
3—10),可看到(c)图电路具有积分功能,积分时常数由R、C决定,如果在积分区间为常数U,则输出电压u2为
(3.3-11)
由上面的分析可以得出结论,由于运放反馈通路的构成不同,它可以具有乘、除、加、减、微分、积分等运算功能,运算放大器就因此而得名.
(2)用运放构成的超低频信号发生器
仍考虑图3.3—9(c)积分电路和式(3.3—10),当输入
为角频率的正弦函数时也为同频率正弦函数,用相量表示有
(3.3-10)
或者
(3.3-10)
图3.3—9运算放大器的运算功能
即积分器产生相移,增益为如果用两级积分器级联并在反馈环路中加接一个反相器(),如图3.3—1.0(a)所示,则闭环增益
(3.3-13)
(3.3-14)
时,闭环增益,这正好是维持振荡的相位和振
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