电子测量技术(张永瑞版)第三章课后习题答案

习 题 三
3.1 如何按信号频段和信号波形对测量用信号源进行分类？ 答：按信号频段的划分，如下表所示：
按输出信号波形分类：
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。

3.2 正弦信号发生器的主要性能指标有哪些？各自具有什么含义？ 答：正弦信号发生器的主要性能指标及各自具有的含义如下： （1）频率范围
指信号发生器所产生的信号频率范围。

（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：
01
1
100%f f f ∆⨯－＝
式中f 0为度盘或数字显示数值，也称预调值，f 1是输出正弦信号频率的实际值。

（3）频率稳定度
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15min 内所发生的最大变化，表示为：
max min
100%f f f δ⨯－＝
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 x ×10-6＋yHz
式中x 、y 是由厂家确定的性能指标值。

（4）由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量
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。

① 温度引起的变动量
环境温度每变化1℃所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的x ·10-6/℃，即
66100()1010/f f f t
-⨯∆⨯∆ －＝℃
式中△t 为温度变化值，f 0为预调值， f 1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：x ·10-6，即
6
6100
()1010f f f -⨯∆⨯－＝
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： x ·10-6，即
6
6211
()1010f f f -⨯∆⨯－＝
式中f 1为空载时的输出频率，f 2为额定负载时的输出频率。

（5）非线性失真系数(失真度)
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 r 表示： 式中U 1为输出信号基波有效值，U 2、U 3 …… U n 为各次谐波有效值。

1
100%r
由于U 2、U 3 …… U n 等较U 1小得多，为了测量上的方便，也用下面公式定义r ：
100%r
（6）输出阻抗
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600Ω (或1k Ω)，功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5k Ω等档。

高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω档。

（7）输出电平
输出电平指的是输出信号幅度的有效范围。

（8）调制特性
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。

3.3 文氏桥振荡器的振荡原理是什么？
答：是文氏桥振荡器传输函数的幅频特性和相频特性分别为：
()(
)N N j ω＝ω
()00/3arctg ϕ⎡⎤
⎛⎫⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦
ωωω＝－－ωω
当ω＝ω0＝1/RC ，或 f ＝f 0＝1/2πRC 时，输出信号与输入信号同相，且此时传输函数模 N (ω0)＝N (ω)max
＝1/3最大，如果输出信号U 0后接放大倍数K V ＝N (ω0)＝3的同相放大器，那么就可以维持ω＝ω0 或者f ＝ f 0＝1/2πRC 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。

3.4 某文氏桥只C 振荡器如题3．4图所示，其中R 3、R 4是热敏电阻，试确定它们各自应具有什么性质的温度系数。

答：R 3应具有正性质的温度系数， R 4应具有负性质的温度系数。

题3.4图
3.5 差频式振荡器作低频信号发生器振荡源的原理和优点是什么？
答：差频式振荡器的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 f 1 和固定频率的高频振荡 f 2 ，经过混频器M 产生两者差频信号 f ＝f 1 – f 2。

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。

3.6 XD-1型低频信号发生器表头指示分别为2V 和 5V ，当输出衰减旋钮分别指向下列各位置时，实际输出电压值为多大？
3.7 结合图3.3—11，说明函数信号发生器的工作原理和过程。

欲产生正向锯齿波，图中二极管应如何联接？
答：正向锯齿波充电电压增大的时间长，放电电压减少的时间短，在R 两端并联的二二极管左端为正，右端为负。

1m RC t U E
α＝ 2
(//)D m R R C t U E α＝ t 1＞t 2 为正向锯齿波。

3.8 说明图3．3-14所示XD8B 框图中RP 4和RP 2两个电位器的功能。

答：RP 4调频率，RP 2波形选择。

3.9 说明图3.4-1高频信号发生器各单元的主要作用。

答：振荡器产生高频等幅振荡信号，调频器产生高频调频信号，内调制信号振荡器产生低频等幅振荡信号，缓冲放大器放大高频等幅振荡信号或高频调频信号，同时还起缓冲隔离作用，调制度计显示调制度计的大小，电子电压表显示缓冲放大器输出电压的大小，步进衰减输出级衰减缓冲放大器输出电压使之满足输入电路对输入电压大小的要求，电源的作用是为高频信号发生器各单元电路提供合适的工作电压和电流。

3.10 调谐式高频振荡器主要有哪三种类型？振荡频率如何确定和调节？
答：调谐信号发生器的振荡器通常为LC 振荡器，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)三种振荡器形式。

变压器反馈式振荡器的振荡频率：0f
电感反馈式振荡器的振荡频率：0f
电容反馈式振荡器的振荡频率：0f
通常用改变电感L 来改变频段，改变电容C 进行频段内频率细调。

3.11 题3.11图是简化了的频率合成器框图，f 1为基准频率， f 2为输出频率，试确定两者之间的关系。

若f 1 ＝1MHz ，分频器÷n 和÷m 中n 、m 可以从1变到10，步长为1，试确定f 2的频率范围。

题3.11图
解：相位锁定时：f 1/n ＝f 2/m ∴ f 2＝f 1·m/n
当 m ＝1 n ＝10时 f 2min ＝f 1/10＝0.1MHz 当 m ＝10 n ＝1时 f 2max ＝10f 1＝10MHz
3.12 解释下列术语：频率合成，相干式频率合成，非相干式频率合成。

答：频率合成是把一个(或少数几个)高稳定度频率源f s 经过加、减、乘、除及其组合运算，以产生在一定频率范围内，按一定的频率间隔(或称频率跳步)的一系列离散频率的信号。

相干式频率合成器：只用一个石英晶体产生基准频率，然后通过分频、倍频等，加入混频器的频率之间是相关的。

非相干式直接合成器：用多个石英晶体产生基准频率，产生混频的两个基准频率之间相互独立。

3.13 说明点频法和扫频法测量网络频率特性的原理和各自特点。

答：点频法测量网络频率特性的原理就是“逐点”测量幅频特性或相频特性。

其特点是：原理简单，需要的设备也不复杂。

但由于要逐点测量，操作繁琐费时，并且由于频率离散而不连续，非常容易遗漏掉某些特性突变点，而这常常是我们在测试和分析电路性能时非常关注的问题。

另外当我们试图改变电路的结构或元件参数时，任何改变都必然导致重新逐点测量。

扫频法测量网络频率特性的原理就是在测试过程中，使信号源输出信号的频率按特定规律自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，就得到了被测电路的幅频特性曲线。

其特点是：① 可实现网络的频率特性的自动或半自动测量；② 不会出现由于点频法中的频率点离散而遗漏掉细节的问题；③ 得到的是被测电路的动态频率特性，更符合被测电路的应用实际。

3.14 扫频仪中如何产生扫频信号？如何在示波管荧光屏上获得网络的幅频特性？
答：实现扫频振荡的方法很多，常用的有磁调电感法、变容二极管法以及微波波段使用的返波管法、YIG 谐振法等。

在磁调电感法中L 2、C 谐振回路的谐振频率 f 0为：
0f
由电磁学理论可知，带磁芯线圈的电感量与磁芯的导磁系数μ0成正比
L2＝μ0 L
当扫描电流随时间变化时，使得磁芯的有效导磁系数μ0也随着改变，扫描电流的变化就导致了L2及谐振频率f0的变化，实现了“扫频”。

在测试过程中，使信号源输出信号的频率按特定规律自动连续并且周期性重复，利用检波器将输出包络检出送到示波器上显示，在示波管荧光屏上就得到了被测电路的幅频特性曲线。

3.15 对于矩形脉冲信号，说明下列参数的含义：脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲上升时间和下降时间、脉冲占空系数、脉冲过冲、平顶降落。

答：①脉冲幅度U m：脉冲波从底部到顶部之间的数值。

②脉冲宽度：一般指脉冲前、后沿分别等于0.5 U m时相应的时间间隔。

③脉冲上升时间t r：脉冲波从0.1 U m上升到0. 9U m所经历的时间。

④脉冲下降时间t f：脉冲波从0.9 U m下降到0.1U m所经历的时间。

⑤脉冲的占空系数ε：脉冲宽度τ与脉冲周期T的比值称为占空系数或空度比。

⑥脉冲过冲：包括上冲和下冲。

上冲指上升边超过顶值U m以上所呈现的突出部分，下冲是指下降边超过底值以下所呈现的向下突出部分.
⑦平顶降落ΔU：脉冲顶部不能保持平直而呈现倾斜降落的数值，也常用其对脉冲幅度的百分比值来表示。

3.16 以图3．6-4中XC-14型脉冲信号发生器框图为例，说明通用脉冲信号发生器的工作原理。

在通用脉冲信号发生器中，如何由方波(矩形波)信号获得梯形波、锯齿波和三角波？
答：图3.6-4中外触发电路、自激多谐振荡器、延迟电路构成触发脉冲发生单元。

延迟电路和前述延时级的电路形式及延时调节方法相同，输出波形(c)比自激多谐振荡器或外触发脉冲信号(a)延迟了τd时间，(b)波形表示(a)信号进行积分并与一比较电平E1相比较产生延迟脉冲的过程。

图3.6-4中积分调宽电路、比较整形电路和相减电路构成脉冲形成单元。

积分调宽电路和比较整形电路的作用与前述延迟电路相似，形成比信号(c)延时f的脉冲(e) ，而后信号(c)、(e)共同作用在相减电路上输出窄脉冲(f)，调节积分器电容C和积分器中恒流源可以使τ在10ns～1 000μs间连续可变。

极性变换电路、前后沿调节电路、输出电路构成脉冲输出单元。

极性变换电路实际上是一个倒相器，用开关K选择输出脉冲的正、负极性。

前后沿调节电路和延迟电路中积分器原理类似，调节积分电容c和被积恒流源来调节脉冲前后沿，可使输出脉冲变换为矩形、梯形、三角形、锯齿形，以供不同的需要。

输出电路是由两极电流放大器构成的脉冲放大器，能保证在50Ω负载上获得波形良好的脉冲输出。

输
出脉冲的幅度和直流偏置电平也在该级进行调节。

3.17 XD-11型多用信号源产生脉冲波形的原理与XC-14型脉冲发生器有何不同？
答：XD-11型多用信号源由文氏桥振荡器产生正弦振荡，在正弦波单元缓冲、放大，在正负脉冲单元产生正负脉冲，在锯齿波单元产生锯齿波，在正负尖脉冲单元产生正负尖脉冲，经按键开关K选择由输出衰减器输出。

XC-14型脉冲发生器由自激多谐振荡器、延迟电路构成触发脉冲发生单元。

经整形放大输出方波脉冲，延迟电路可调节方波脉冲的宽度，与积分调宽电路和比较整形电路输出的方波脉冲经相减电路相减可输出窄脉冲。

调节积分电容c和被积恒流源来调节脉冲前后沿，可使输出脉冲变换为矩形、梯形、三角形、锯齿形。

极性变换电路、前后沿调节电路、输出电路构成脉冲输出单元。

用开关K选择输出脉冲的正、负极性。

3.18 用题3．18图(a所示方案观测网络瞬态响应，如果输入波形是矩形脉冲(b)，被观测网络分别为（c)、(d)，则示波器上显示的输出波形各为什么？
题3.18图
解：对网络(C)：∵τ＝RC 5RC＜T/2 即：τ＜T/10 则图(C)为微分电路，
所以，输入方波脉冲时，输出为正负尖峰脉冲。

对网络(d)：∵τ＝RC 5RC＜T/2 即：τ＜T/10 则图(d)为耦合电路，所以，输入方波脉冲时，输出为近似的方波脉冲。

3.19 简要说明白噪声，产生白噪声的主要噪声源以及如何进行噪声频谱搬移。

答：白噪声的特点是频谱分布均匀。

产生白噪声的主要噪声源有：电阻器噪声源、饱和二极管噪声源、气体放电管噪声源和固态噪声源。

噪声信号发生器中的变换器可用来改变噪声的频谱特性，概率密度函数和进行频谱搬移。