电子测量技术课程论文

电子测量技术课程论文
题目：信号发生器与测量技术…………………………………………………………………………………
摘要：本文介绍了信号发生器在电子测量方面的用途，简要的分析了信号发生器的分类、基本构成、技术性能指标以及信号发生器的发展趋势，以及信号发生器在电子测量的方法。

信号发生器又称信号源，它能够产生不同频率、不同幅度的正弦信号、AM/FM等调制信号以及方波、三角波、锯齿波、正负脉冲信号等，其输出信号的频率、幅度、调制度等参数均可按需要进行调节。

由于测量信号发生器的种类、型号繁多，则根据在不同情况下信号发生器的选择。

关键词：信号发生器分类用途发展趋势技术指标
1.引言
信号发生器即信号源，它负责提供电子测量所需的各种电信号，是最基本、应用最广泛的电子测量仪器之一。

按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

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、电流信号并加入到被测器件、设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析和确定它们的性能参数。

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最基本、应用最广泛的一类电子仪器。

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。

2.信号发生器
2.1 信号发生器的用途
1.激励源：作为电气设备的激励信号。

例如，激励扬声器发出声音、测试放大器的基本参数、激励超声波探头等等。

2.信号仿真：信号仿真是当要研究一个电气设备在某种实际环境下所受影响时，需要施加具有与实际环境相同特性的信号。

例如，研究高频干扰信号，就需要对干扰信号进行仿真；研究通信系统的性能；信道仿真；系统模型的辨识等等。

3.校准源：校准源用于对一般信号源进行校准（或比对），有时称为标准源。

2.2 信号发生器的分类
信号发生器用途广泛、种类繁多，它分为通用信号发生器和专用信号发生器两大类。

专用仪器是为某种特殊专用目的而设计制作的，能够提供特殊的测量信号，如调频立体声信号发生器、电视信号发生器等。

通用信号发生器应用面广，灵活性好，可以分为以下几类：
1. 按输出波形分类：按输出信号波形的不同，主要有正弦信号发生器和非正弦波信号发生器。

非正弦波信号发生器又包括：函数（波形）信号发生器、脉冲信号发生器和噪声信号发生器等。

2. 按频率范围分：可以按照不同频率分为低频、高频等信号发生器。

3. 按性能指标分：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。

4. 其他分类：按照使用范围，可分为通用和专用信号发生器；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，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。

2.3 信号发生器的基本构成
1. 振荡器：振荡器是信号发生器的核心部分，由它产生各种不同频率的信号，通常是正弦波振荡器或自激脉冲发生器。

它决定了信号发生器的一些重要工作特性，如工作频率范围、频率的稳定度等。

2. 变换器：变换器可以是电压放大器、功率放大器或调制器、脉冲形成器等，它将振荡器的输出信号进行放大或变换，进一步提高信号的电平并给出所要求的波形。

3. 输出电路：输出电路为被测设备提供所要求的输出信号电平或信号功率，包括调整信号输出电平和输出阻抗的装置，如衰减器、匹配用阻抗变换器、射极跟随
器等电路。

2.4 信号发生器的技术指标
1. 频率特性：1）有效频率范围：各项指标均能得到保证时的输出频率范围称为
信号发生器的有效频率范围。

2) 频率准确度：频率准确度是指输出信号频率的实际值f与其标称值f0的相对偏差。

3) 频率稳定度：频率短期稳定度定义为信号发生器经规定的预热时间后，频率在规定的时间间隔内的最大变化。

4) 频谱纯度：对于正弦信号发生器，频谱纯度也是其重要指标之一。

2. 输出特性：1) 输出电平：输出电平包括输出电平范围和输出电平准确度。

2) 输出电平的频率响应：输出电平的频率响应是指在有效频率范围内调节频率时，
输出电平的变化情况，也就是输出电平的平坦度。

3) 输出阻抗：输出阻抗的高低随信号发生器类型而异。

4) 输出波形：输出波形是指信号发生器所能输出信号的波形。

3.调制特性：许多信号源还包含调制功能。

如高频信号发生器，一般还具有输
出一种或多种调制信号的能力，通常为调幅和调频信号，有些还带有调相、脉冲调制、数字调制等功能。

调制特性包括调制的种类、频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。

2.5.1 低频信号发生器
1. 低频信号发生器的组成：低频信号发生器组成主要包括主振器、缓冲放大器、
电平调节器、功率放大器、输出衰减器、阻抗变换器和输出指示器等部分。

1）主振器：主振器是低频信号发生器的核心部分，产生频率可调的正弦信号，它决定了信号发生器的有效频率范围和频率稳定度。

低频信号发生器中产生振荡信号的方法有多种，现代低频信号发生器中，主振器常采用RC文氏电桥振荡电路。

2）缓冲放大器：缓冲放大器兼有缓冲和电压放大的作用。

缓冲是为了将后级电路与主振器隔离，防止后级电路、负载等的变化对主振器的影响，保证主振频率稳定，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。

3）功率放大器：功率放大器用来对电平调节器送来的电压信号进行功率放大，使之达到额定的功率输出，驱动低阻抗负载。

通常采用电压跟随器或BTL电路等。

4）输出衰减器：输出不同电压。

5）阻抗变换器：阻抗变换器用于匹配不同阻抗的负载，以便在负载上获得最大输出功率。

6）输出指示：输出指示用来指示输出端输出电压的幅度，或对外部信号电压进行测量，可能是指针式电压表、数码LED或LCD。

2.低频信号发生器的主要性能指标：
通常，低频信号发生器的主要工作特性如下：
频率范围：一般为20 Hz~1 MHz，连续可调；②频率准确度：±(1~3)%；
③频率稳定度：优于0.1%；④输出电压：0~10 V连续可调；⑤输出功率： 0.5~5 W连续可调；⑥非线性失真范围：0.1%~1%；⑦输出阻抗： 50 Ω、75 Ω、600 Ω、5 kΩ；⑧输出形式：平衡输出与不平衡输出。

2.5.2 高频信号发生器
高频信号发生器的组成：高频信号发生器的组成主要包括振荡器、缓冲级、调制级、输出级、内调制振荡器、频率调制器、监测指示电路等。

1）振荡器：用于产生高频振荡信号。

它是信号发生器的核心，信号发生器的主要工作特性大都由它决定。

2）缓冲级：主要起隔离放大的作用，用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作稳定，并将主振信号放大到一定的电平。

3）调制级：主要完成对主振信号的调制。

4）内调制振荡器：供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。

5）输出级：主要由放大器、滤波器、输出微调、输出衰减器等组成。

6）监测指示电路：监测指示输出信号的载波电平和调制系数。

高频信号发生器又有调谐信号发生器、合成信号发生器。

1). 调谐信号发生器
根据反馈方式，又可分为变压器反馈式、电感反馈式(也称电感三点式或哈特莱式)及电容反馈式(也称电容三点式或考毕兹式)三种振荡形式。

2).合成信号发生器
(1) 直接合成法：分为模拟直接合成法和数字直接合成法。

模拟直接合成法：采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率；
数字直接合成法：利用ROM和DAC结合，通过控制电路，从ROM单元中读出数据，再进行数/模转换，得到一定频率的输出波形。

(2) 间接合成法则通过锁相技术进行频率的算术运算，最后得到所需的频率。

2.5.3 函数信号发生器
1. 函数信号发生器的工作原理：函数信号发生器为了产生各种输出波形，利用各种电路通过函数变换实现波形之间的转换，即以某种波形为第一波形，然后利用第一波形导出其他波形。

近来较为流行的方案是先产生三角波，然后产生方波和正弦波等。

2. 函数信号发生器的主要性能指标：(1) 输出波形：通常输出波形有正弦波、方波、脉冲和三角波等波形，有的还具有锯齿波、斜波、TTL同步输出及单次脉冲输出等。

(2) 频率范围：函数发生器的整个工作频率范围一般分为若干频段，如1~10
Hz、10~100 Hz、100 Hz~1 kHz、1~10 kHz、10~100 kHz、100 kH~1 MHz等波段。

(3) 输出电压：对正弦信号，一般指输出电压的峰-峰值，通常可达10Up-p以上；对脉冲数字信号, 则包括TTL和CMOS输出电平。

(4) 波形特性：不同波形有不同的表示法。

正弦波的特性一般用非线性失真系数表示，一般要求小于等于3%；三角波的特性用非线性系数表示，一般要求小于等于2%；方波的特性参数是上升时间，一般要求小于等于100 ns。

(5) 输出阻抗：函数输出50 Ω；TTL同步输出600 Ω.。

2.5.4信号发生器的选择
由于测量信号发生器的种类、型号繁多，使用时通常可从以下几个方面根据具体情况进行选择：
(1) 被测信号的频率。

(2) 测试功能。

(3) 输出信号波形。

(4) 测量准确度的要求。

2.5.5利用信号发生器的测量方法
在电子测量中，用到信号发生器的测量方法主要包括以下几种：
1.谐振法
2.二次测量法
3. 比较法
4. 替代法
2.5.6 信号发生器的应用与意义
信号发生器所产生的信号在电路中常常用来代替前端电路的实际信号，为后端电路提供一个理想信号。

由于信号源信号的特征参数均可人为设定，所以可以方便地模拟各种情况下不同特性的信号，对于产品研发和电路实验特别有用。

在电路测试中，我们可以通过测量、对比输入和输出信号，来判断信号处理电路的功能和特性是否达到设计要求。

例如，用信号发生器产生一个频率为1kHz的正弦波信号,输入到一个被测的信号处理电路(功能为正弦波输入、方波输出)，在被测电路输出端可以用示波器检验是否有符合设计要求的方波输出。

高精度的信号发生器在计量和校准领域也可以作为标准信号源(参考源)，待校准仪器以参考源为标准进行调校。

由此可看出，信号发生器可广泛应用在电子研发、维修、测量、校准等领域。

2.5.7 信号发生器的发展趋势
电子测量及其他部门对各种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，尤其近代微处理器的迅速发展更促使信号发生器向着自动化、智能化的方向发展。

现在，许多信号发生器除带有微处理器外，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发展趋势是向着宽频率覆盖范围、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。

3.结论
可以看出信号发生器用途广泛、种类繁多，它分为通用信号发生器和专用信号发生器两大类。

专用仪器是为某种特殊专用目的而设计制作的，能够提供特殊的测量信号，如调频立体声信号发生器、电视信号发生器等。

通过了解各种信号发生器的分类、工作原理以及它们的技术指标如输出波形、频率范围、输出电压、输出阻抗、波形特性等等。

由此能够在实际应用中、在测量中根据不同的环境及不同的要求下选择合适的信号发生器，提高测量精度。

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最基本、应用最广泛的一类电子仪器。

它们能广泛运用在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备中，用以分析了解、确定各种设备的性能参数。

信号发生器还可广泛应用在电子研发、维修、测量、校准等领域
4.参考文献
[1] 张永瑞·电子测量技术基础·西安：西安电子科技大学出版社，2009
[2] 陈光禹·现代电子测试技术·北京：国防工业出版社，2000
[3] 任庆·电子测量原理·成都：电子科技大学出版社，1989
[4] 邓斌·电子测量仪器·北京：国防工业出版社，2008
[5] 万国庆·电子测量教程·北京：电子工业出版社，2006。