电子测量第三章信号发生器1

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目前大多数跳频电台中使用的频率合成器采用的是锁相环(PLL)频率合成 技术,频率转换速度已经接近其极限,且分辨率较低。直接式数字频合器 (DDS),具有频率分辨率高,频率转换时间快,输出频率可以很高而且稳 定性好,相位噪声低等优点,可满足快速跳频电台对频率合成器的要求。例 如在美国的JTIDS 中,跳速达到每秒35800 跳,只有采用直接数字频合器 才能实现。但是DDS的价格昂贵,复杂度大,直接用于战术跳频电台有一 定的难度。如果采用DDS+PLL的方法,结合两者的长处,可以获得单一技 术难以达到的效果。
很多,谐振特性变坏,频率调节也困难。而在RC振荡器中, 频率降低,增大电阻容易做到,且功耗也可减小。
原因② 在LC振荡器中f0与 LC 成反比,因而同一波段内频率
覆盖系数很小。例如L固定,调节电容C改变振荡频率,设电容
器调节范围为40 pF~450pF,则频率覆盖系数为
k f max Cmax 450 3
1. 频率范围
指信号发生器所产生信号的频率范围,该范围内既可连续又可 由若干频段或一系列离散频率覆盖,在此范围内应满足全部误 差要求。
2.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
f f0 f 100%
f0
f0
(3.1)
3. 频率稳定度
30kHz~300kHz
电报通讯
视频信号发生器
300kHz~6MHz
无线电广播
高频信号发生器
6MHz~30MHz
广播、电报
甚高频信号发生器 30MHz~300MHz 电视、调频广播、导航
超高频信号发生器 300MHz~3000MHz 雷达、导航、气象
3.1.3 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。
10MHz
混频 带通
M
(+)
10
13MHz
1M
2 2M
3 3 4 4
2.00~ 2.09MHz
2.000~
2.0000~
2.00000~
2.099MHz 2.0999MHz 2.099999MHz
÷10
÷÷1100
÷10
÷10
+
fi1
+
+
fi2
+
+
fi3
+
+
fi4
+
fo
f1
f2
f3
f4
频率选择开关
试问应划分几个波段?
k
300 4
75
k k n
lg k n lg k
n lg k lg 75 1.87 7.35 8 lg 0.9k lg1.8 0.254
(3.10)
上式中0.9k的含义是让单回路覆盖系数取小—些,这里取k=2, 以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n=8,即要划分8个波段。
R3
R1
文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。其振荡频率决定于
RC式反馈网络的谐振频率,表达式为:
f0 2
1 R1C1R2C2
(3.8)
在低频信号发生器中为何不采用LC振荡器?这是因为 LC振荡器的频率决定于:
f0
2
1 LC
(3.9)
原因①
频率较低时,L、C 数值大,相应的体积、重量也相当 大,分布电容、漏电导等也都相应很大,而品质因数Q值降低
正弦----
t
2. 按波形分 脉冲----
t
t
函数----产生函数通用波形
t
噪声----
t
普通----功率大,频率、电压刻度不大准确,
3. 按性能分
用于天线测试等
标准----频率、电压刻度准确,屏蔽好,供计测用
4. 按频率产生办法分
谐振----由频率选择回路控制正反馈 产生振荡。
合成----由基准频率通过加、减、乘、 除组合一系列频率。
F=16MHz
…… 辅助基准频率发生器
2.0~2.9MHz fr
2MHz
5MHz
图3.16 十进频率合成法原理
fi1 F f1 =[2+16+(2.0~2.9)]MHz=(20.0~20.9)MHz
f 0 =(2.00000~2.09999)MHz
直接模拟合成技术特点:
1)频率分辨力高
2)频率切换快 ----用于跳频通信对抗 (因频率点不太多)
k f max f min
(3.7)
以通信中常用的某电平振荡器(实际上就是低频信号发生器)
为例,f1=3.3997MHz~5.1000MHz,f2=3.4000MHz,则 f0=300Hz~1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数
k0
1.7000MHz 300Hz
6 103
而可变频率振荡器(相当波段式中一个波段)的频率覆盖系数为
k1
5.1000 3.3997
1.5
可见,差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。
2. 主振荡器的特点
低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器, 其特点是频率稳定,易于调节,并且波形失真小和易于稳幅。
选频网络 0º 放大器 180º 放大器 180º
U0
R1 A
C1
• 输出(f0)
C2
R2
f min
C min
40
而用RC振荡器,由(3.8)式可知, f0与RC 成反比,频率
覆盖系数为
k f max Cmax 450 11 f min Cmin 40
即RC振荡器在一个波段内有较大的频率覆盖系数。
3.低频信号发生器的主要技术特性
目前,低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下: (1)频率范围: 1Hz~1MHz分频段,均匀连续可调 (2)频率稳定度:优于0.1% (3)非线性失真:<0.1%~1% (4)输出电压:0V~10V (5)输出功率:0.5 W~5W 连续可调 (6)输出阻抗:50Ω,75Ω,600Ω,5kΩ (7)输出形式:平衡输出与不平衡输出
3.2.2 高频信号发生器
1. 高频信号发生器的组成原理
可变 电抗器
主振级
缓冲级 调制级 输出级 输出
FM AM
电源
内外 内调制
振荡器
监测器 外调制输入
若语音调制则成小电台
图3.4 高频信号发生器原理框图
标准调制:F=1000Hz m=30%
l)主振级
主振级通常是LC三点式振荡电路,产生具有一定工作频率
高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω档。
信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的,若 负载与信号源输出阻抗不相等,则信号源输出电压的读数是不 准确的。
6. 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 的信号发生器的最输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所 得到输出幅度的有效范围。
波段式
3.2.1 低频信号发生器
电压指示
主振器
放大器
衰减器
输出
(a)
差频式
固定频率 振荡器
f2=3.4000MHz 混频器
f0=300Hz~1.7000MHz
滤波放大
衰减器
输出
可变频率
振荡器 f1=3.3997~5.1000MHz (b)
图3.3 低频信号源组成框图
1. 频率覆盖系数:频率覆盖范围
f0
长期:3小时内
老化率
只考虑系统误差,反映较长时间内频率变化的平均效果。 日老化率:反映一天内频率的变化与频率标称值的比值。
K f (24h) f0
阿仑方差:只考虑随机误差,反映频率在很短时间内的变化。
4.失真度与频谱纯度
定义
U
2 2
U
2 3
U
2 n
100%
U
U1
测量:低频信号发生器用失真系数
外同步 b
同步输出 a
放大
外同步输入
ຫໍສະໝຸດ Baidu
T
t
b
t
t
U
c tz
Um δ
ΔU
0.9Um
0.5Um
τ
d
τ
0.1Um
0 tr
Δt tf
e tr
矩形脉冲的参数
f
U
3.2.4 函数信号发生器
正弦振荡器
缓冲级
放大级
输出级
方波形成
积分器
(a)
外触发输入
积分器
正弦波转 换电路
脉冲 触发器
施密特 触发器
放大器
(b)
(a)正弦式
这时相邻波段的电感值可按下式计算。
Ln1 k 2 Ln
(3.11)
2)缓冲级
它主要起阻抗变换作用,用来隔离调制级对主振级。
3)调制级 标准调制:F=1000Hz m=30%
为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标,必须用已 调制正弦信号作为测试信号。调制的方式主要有调幅、调频 和脉冲调制。调幅多用于 100kHz~35MHz的高频信号发生 器中,高频信号发生器中的调幅,一般采用正弦调制;调频 主要用于30MHz~1000MHz信号发生器中;脉冲调制多用 于300MHz以上的微波信号发生器中。
频率稳定度指标要求与频率准确度相关,频率准确度是由频率 稳定度来保证的。频率稳定度是指其它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,频率稳定度又分为短期频率稳定度和 长期频率稳定度。
f max f min 100% 短期:15分钟内 (3.2)
7.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AM信号和调频 FM信号,有些还带有调相和脉冲调制PM等功能
3.2 模拟信号发生器
本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统 信号发生器,以区别后面介绍的合成信号发生器。
一、低频信号发生器 二、高频信号发生器 三、函数信号发生器 四、脉冲信号发生器
2.信号仿真 在设备测量中,常需要产生模拟实际环境相同特
性的信号,如对干扰信号进行仿真。
3.校准源 产生一些标准信号,用于对一般信号源进行校准
(或比对)。




发 输入

输出


激励

响应




图3.1 信号源的功用
3.1.2 信号发生器的分类
专用----电视信号发生器、电平振荡器、误码仪 1. 按用途分 通用----产生正弦波等通用波形
5. 按频率范围分
频段 低频 高频 微波
频率范围 1Hz~1MHz 1MHz~1GHz 1GHz~100GHz
主振电路
调制方式
RC电路

LC电路
AM、FM
磁控管、体效 AM、FM、PM 应管、……
表3.1 信号源按频率划分表
名称
频率范围
主要应用领域
超低频信号发生器 30kHz以下
电声学、声纳
低频信号发生器
第3章 信号发生器
本章要点
测量用信号发生器,通常称为信号源。 信号源的功用、种类和主要性能指标
通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用
合成信号源的组成原理、特性和应用 频率合成技术的发展状况 射频合成信号发生器简介
3.1 信号发生器概述
3.1.1 信号发生器的功用
1.作激励源 作为某些电气设备的激励信号。
A
U
2 2
U
2 3
U
2 n
U12
U22
U
2 n
100%
高频信号发生器用频谱纯度
A
20 lg US 80 ~ 100dB Un
t
f US
Un f
5. 输出阻抗
低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Ω(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5 kΩ等档
范围的正弦信号。通常是固定电感L,通过改变电容C来调整振
荡频率,但这时频率覆盖范围是有限的,可通过下式进行估算
1
k fmax 2 fmin 2
LCmin 1 LCmax
Cmax 2 ~ 3 Cmin
波段划分:若要扩大频率范围,必须变更电感L
....
C
Ln
L2 L1
例3.1 XFC-6型高频信号发生器f =4 MHz~300MHz,
(b)脉冲式
图3.12 函数信号发生器的基本组成
3.3 合成信号发生器
信号源 通用信号源 合成信号源
主振级 频率准确度 频率稳定度
RC、LC振荡器 10-2量级 晶体振荡器 10-8量级
10-3~10-4 10-7量级
直接模拟频率合成法(DAFS ) ( Direct Analog Frequency Synthesis) 频率合成的方法 直接数字频率合成法(DDFS ) ( Direct Digital Frequency Synthesis )
间接锁相式合成法
3.3.1 直接模拟频率合成法
利用倍频、分频和混频以及滤波技术,对一个或多个基准频率 进行算术运算来产生所需频率的方法,称为直接合成法,由于 大多是采用模拟电路来实现的,所以又称为直接模拟频率合成, 且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。
1.固定频率合成法
晶体振荡器 fr ÷D
4)输出级
输出级可进一步控制输出电压的幅度,使最小输出电压达到μV 数量级。输出电平的调节范围宽,有准确且固定的输出阻抗。
信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的, 若负载与信号源输出阻抗不相等,则信号源输出电压的读数 是不准确的。
3.2.3 脉冲信号发生器
a
主振级
延迟级 c 形成级 d 整形级 e 输出级 f 主脉冲
×N
fo
图3.15 固定频率合成法原理
图3.15为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供
基准频率 f r,D为分频器的分频系数,N为倍频器的倍频系数。
因此,图3.15固定频率合成法输出频率 f 0为
f0
N D
fr
在式中,D和N均为给定的正整数。输出频率人为定值,所以
称为固定频率合成法。
2.可变频率合成法
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