电子测量原理第八章信号的产生

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2. 按输出波形,大致可分为： 正弦波形发生器； 脉冲信号发生器； 函数信号发生器； 噪声信号发生器。
3. 按照信号发生器的性能指标 可分为： 一般信号发生器； 标准信号发生器；
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8.1.3 正弦信号源的性能指标
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• 当三角波自 0向正值方向增大到“1”点电压 U 1 时，二极管 VD
1A 导通，电阻 R 、 R A 、 R 1A 组成的分压器被接通，输入三角波
分压后再传送到输出端 B ，使得 B 端电位下降，输出波形自“ 1 ”
点下降至 1' 点。
• 当三角波继续增大到“ 2 ”点电压 U 2 时，二极管 VD 2A 也导通，
⑶直接数字合成（DDS）
是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产 生所需频率的正弦信号
优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小
缺点：频率上限较低，杂散也较大。
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3. 频率合成技术的发展
各种频率合成方式的综合:
直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成 技术都有其优缺点 ，单独使用任何一种方法，很 难满足要求。因此可将这几种方法综合应用，特别 是DDS与PLL的结合,可以实现快捷变，小步进及较 高的频率上限。
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对信号发生器的一般要求 1. 输出波形失真小：
正弦信号发生器的非线性失真系数不超过 1%～3%，有时要求低于 0.1%。 2. 输出频率稳定并且在一定范围内连续可调：
一般信号发生器的频率稳定度为 1%～10%， 标准信号发生器应优于1%。 3. 输出电压稳定并且在一定范围内连续可调 。
1. 频率特性
（1）频率范围：信号发生器在各项指标得到保证 前提下，输出频率的范围。
（2）频率准确度 ：频率实际值对其标称值的相对
偏差。
f
fo
f
100 %
fo
fo
（3）频率稳定度 ：一定时间间隔内频率准确度的
变化。（15分钟内信号频率发生的最大变化）
f max f min 100 %
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函数发生器的性能和组成
函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波 等波形，具有较宽的频率范围（0.1Hz～几十MHz） 及较稳定的频率。
外
部 频 率 控
频率 控制 网络
制
正恒 流源
负恒 流源
比较器
积分 电路
三角波 缓冲器
正弦波综 合及缓冲
方波 缓冲器
函数 选择 及其 它波 形产 生
度的要求。
衰减器：将放大器输出信号的幅度进行衰减后输出，以满足不
同输出要求。
功率放大器：对负载能力很弱的电压输出信号进行功率放大。
阻抗变换器：用来匹配不同的负载。
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2. 高频信号发生器
高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz～1GHz， 大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能
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2. 输出特性
（1）输出电平范围。 （2）输出电平的频响：输出电平的变化，平坦度。 （3）输出电平准确度：输出电平实际值对标称值的
相对偏差。 （4）输出阻抗 （5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。
3. 调制特性
调制特性的恒量指标主要包括调制频率，调幅系数， 最大频偏，调制线性等。
第8章 信号的产生
8.1 信号源概述 8.2 正弦、脉冲及函数发生器 8.3 锁相频率合成信号的产生
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8.1 信号源概述
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信号源的作用和组成 信号源的分类 正弦信号源的性能指标
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8.1.1 信号源在电子测量中的作用和组成
主振级
缓冲
调制级
输出级 输出
波段 选择
频率 细调
外调制 输入
调制振荡器
监测器
高频信号发生器原理框图
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8.2.2 脉冲信号发生器
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常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形
和数字编码序列等 ：
u
u
u
o
t
（a）矩形波
u
o
t
（b）锯齿波 u
o
t
（c）阶梯波
o
t
（d）钟形脉冲
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⑵锁相式频率合成 一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（PLL）
把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频 率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个 基准频率的基础上合成不同的频率。 优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价 格低等优点。 缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。
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方波由三角波通过方波变换电路变换而成，实际中，三
角波和方波的产生是难以分开的，方波形成电路通常是三
角波发生器的组成部分。正弦波是三角波通过正弦波形成
电路变换而来的。所需波形经过选取、放大后经衰减器输
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方波和三角波产生电路
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方波、三角波产生电路有多种构成方式，常用的有恒流Biblioteka Baidu控
电阻 R B 、 R A 被接入分压，使得分压器的分压比减小， B 端的电
位比 A 端的电位更为下降，输出波形自“ 2 ”点下降至 2' 点，下降
幅度大于“ 1 ”点至 1' 点的下降幅度。
• 如此继续下去……
• 三2角021/波3/10趋向于正弦波。
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1、早期皮肌炎患者，还往往 伴有全身不适症状，如-全身肌 肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感 觉两腿费力；举手梳理头发时， 举高手臂很吃力；抬头转头缓慢 而费力。
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2. 快速（广谱）脉冲发生器
在时域测试中，快速脉冲信号发生器用来提供广谱的 激励信号，尤其在微波网络、宽带元器件的时域测试 中，脉冲信号发生器相当于频域测试中的扫频信号源。
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电容 C 的大小决定三 角波、方波的频率， C 越小频率越高。当正、 负恒流源大小相等时， 得到的是对称的三角波 和方波。调节恒流源控 制电路，改变正、负恒 流源的大小，可得到非 对称的三角波和矩形波。
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正弦波形成电路
三角波从 A点输入, 正弦波从B点输出。 • 设开始时，三角波 输入电压为 0，则各 个二极管均截止。
1.信号源的作用
信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则 或不规则波形的信号发生器。
信号源的用途主要有以下三方面：
☆ 激励源。 ☆ 信号仿真。 ☆ 标准信号源。
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2. 信号源的组成
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主振器
缓冲
调制
输出
电源
监测
信号发生器结构框图
信号 输出
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信号源组成：
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8.1.2 信号源的分类
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1. 按频率范围 大致可分为六类： 超低频信号发生器 0.0001Hz～1000Hz； 低频信号发生器 1Hz～1MHz； 视频信号发生器 20Hz～10MHz； 高频信号发生器 200KHz～30MHz； 甚高频信号发生器 30KHz～300MHz； 超高频信号发生器 300MHz以上。
2.8MHz
0.28MHz
1MHz
Hz 2MH
混频（+）
z 6MH
混频（+）
滤波
分频（÷10）
6.28MH
滤波 z 分频（÷10）
z 3MH
混频（+）
9Mz H
滤波
3.628M 0.628MHz Hz
z直接式频率合成原理框图
优点:频率切换迅速，相位噪声很低。
缺点:电路硬件结构复杂,体积大,价格昂贵,不便于集成化。
快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发 生器、雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉 冲发生器以及隧道二极管脉冲发生器等。
VD
RC
RO
K
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水银开关脉冲发生器原理
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RL
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8.2.3 函数信号发生器
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函数信号发生器能产生三角波、矩形波和正弦波等波形，
使用起来有较大的灵活性，因而正在逐渐取代只能产生正 弦波的正弦信号发生器。
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1.低频信号发生器（音频信号发生器 ）
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低频信号发生器频率范围一般为20Hz～20KHz。
主振级
缓冲 放大
电平 控制
功率 放大
衰减器
阻抗 变换
波段 频率 调节 细调
电平调节 电平指示
主振级：产生频率可调的正弦信号，决定输出信号的频率范围
和稳定度。
缓冲放大器：放大主振器产生的正弦信号，以达到电压输出幅
主振级
外同步 同步放大
外触发 触发输入
脉宽，上升/下降沿 控制
延时级
脉冲形成
输出级
输出
同步脉冲输出
同步脉冲输出
脉冲信号发生器组成原理
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皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的， 全身性疾病，而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现 如下：
石英晶体 基准频率
代数运算 （加、减、乘、除）
频率1输出 频率n输出
频率合成原理
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2. 频率合成分类及特点(分为三类)
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⑴直接频率合成
通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频
率信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。
谐波发生器（倍频）1Mz H 晶振 8M 分频（÷10）
函数发生器基本组成原理
输出 输出 放大 滤波
直流 补偿
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8.3 锁相频率合成信号的产生
8.3.1 频率合成的基本概念
1. 频率合成原理
a)频率合成的意义:为得到许多稳定的信号频率。 b)频率合成的定义 c)频率合成的实现：频率的代数运算是通过倍频、分频及
混频技术来实现。
o
t
（e）数字编码序列
常见的脉冲信号
脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）： 通用脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数 发生器、数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器 等。
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1. 通用脉冲发生器
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通用脉冲发生器能够满足一般测试的要求，能够 调节脉冲重复频率、脉冲宽度、输出幅度及极性 等。
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4. 输出阻抗要低，与负载容易匹配 一般低频信号发生器具有低阻抗 和 600Ω阻抗； 高频信号发生器多为 50Ω或75Ω输出阻抗； 有功率输出时可配接 8Ω、16Ω、150Ω、600Ω、5KΩ等。
5. 调制特性(对高频信号发生器一般要求有调幅和调频输出) 调制频率:调幅一般为 100 Hz 和 400 Hz ,调频为 10 ～ 110 KHz 。 调制特性:调幅度为 0～80%,调频频偏不低于75 KHz 。
制式的、施密特触发器和线性积分电路构成的以及运算放大器 构成的等。图为恒流源控制的方波、三角波产生电路。
由于恒流源对电容 C 的充电、放电，在电容 C 上产生线性变 化的电压，从而在放大器输出端得到三角波。此三角波被送到 电压比较器，在比较器的输出端得到方波，该方波又反馈控制 二极管开关电路，决定恒流源对电容 C 是充电还是放电。
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主振器：信号源的核心部分，产生不同频率、不同波形 的信号。（信号频率形状不同，其原理结构也不同）
缓冲级：对主振器产生的信号进行放大、整形等。 调制级：在需要输出调制波形时，对原始信号按照调幅、
调频等要求进行调制。 输出级：调节输出信号的电平和输出阻抗。可由衰减器、
匹配变压器及射极跟随器等构成。 监测器：监测输出信号。如电压表、频率表等。 电源：提供直流电源，通常由交流电整流为直流电得到。
6．对于脉冲信号发生器， 输出脉冲信号的脉冲宽度应可 调节 。
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8.2 正弦、脉冲及函数发生器
8.2.1 正弦信号发生器
正弦信号发生器是信号源中最常见的一种，它能输出一个幅度
可调、频率可调的正弦信号。 根据信号产生的方式，正弦信号发生器可分为：
（1）LC 振荡式信号发生器：LC 振荡方式多用于高频信号发生器。 （2）RC 振荡式信号发生器：RC 振荡方式多用于低频信号发生器， 以文氏电桥振荡器最常见。 （3）差频式振荡信号发生器：差频振荡器电路复杂，频率稳定度 和波形较差，但它易于实现在整个低频范围内连续调节而不用更换 频段，输出电平也较均匀，因此常用于扫频振荡器中。 （4） 石英晶体振荡器：由一块高稳定度的石英晶体做成基准频率 振荡器，通过频率变换，产生与基准频率具有同样精确度和高稳定 度的频率信号。常用作数字时钟。