电子测量第三章信号发生器.ppt

第三章 信号发生器,第一节 信号发生器概述,在研制、生产、实用、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。由它生产不同频率、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，以分析确定他们的性能参数,测试信号发生器,输入激励,被测设备,输出响应,测试仪器,这种提供色是用的电信号的装置，统成为信号发生器，用在电子测量领域也成为测试信号发生器。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。,二、信号发生器的分类,一、信号发生器的用途,信号发生器应用广泛，种类型号繁多，性能各异，分类的方法也不尽一致。1.按频率范围分类 安装输出信号的频率范围，有：,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。以下是集中典型波形：,t,o,t,t,o,o,（b）矩形波,（a）正弦波,（c）锯齿波,t,(d)阶梯波,t,（e）钟形脉冲,o,o,t,(f)数字编码脉冲串,o,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.按信号发生器的性能分类 按信号发生器的新能指标，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、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,3.其他分类方式 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为专用信号发生器）；按照调节方式可分为普听信号发生器、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写真信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器。,三 信号发生器的基本构成,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。产生不同频率、不同波形的振荡器原理、结构差别很大。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。,振荡器,变换器,输出级,调制器,电源,指示器,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，也需要在这部分有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，需要在这里由整形电路整形成方波或正弦波。指示器：用来监视输出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计好人调制度表等，有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器。电源：提供信号发生器各个部分的工作电源电压。,第二节 正弦信号发生器的性能指标,一、频率范围 指信号发生器所产生的信号频率范围，该范围内即可连续又可由若干频率段或一些列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。例如国产XD1型信号发生器，输出信号频率范围为1Hz1MHz，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叠。又如HP公司HP-8600C型频率合成器产生的正弦信号的频率范围为10KHz2600MHz，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：式中 为度盘或数字显示数值，也称欲调值 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。用读盘读数的信号发生器频率准确度约为。例如协调式XFC-6型标准你信号发生器。其频率准确度优于，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。,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干预调值变化的大小。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内锁发生的最大变化，表示为：式中 为预调频率，、分别为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内多发生的最大变化，表示为：,式中x、y是由厂家确定的性能指标值。也可以用上式表示频率长期稳定度。需要指出，许多厂商的产品技术说明书中，并未按上述方式给出频率稳定度指标四、由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量 在第一章第四节中曾提到测量仪器的稳定指标，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。,（1）温度引起的变动量 环境温度每变化 所产生的相对频率变化，表示为：预调频率的，即：式中t为温度变化值，为预调值，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 所产生的相对频率变化，示为即,（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引起的相对频率变化，表示为，即：式中 为空载时的输出频率，为额定负载是的输出频率。上述温度、电源、负载变动引起的频率变动量，有些厂商的产品技术说明书中也叫做稳定度，而且大多只对精密信号发生器才给出。,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，但对于信号发生器内部放大器的元器件的非线性，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，并用非线性是真系数y表示：式中 为输出信号基波有效值，、为各次谐波有效值。由于、等较 小的多，为了测量上的方便，也用下面公式定义y：,一般低频正弦信号发生器的失真度为0.1%1%，高档正弦信号发生器失真度可低于0.005%。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使其类型不同而异。低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600（或1k），功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50、75、150、600和5k等档。高频信号发生器一般仅有50或75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1Hz1MHz，5V，最大功率输出为10Hz700KHz（50、75、150、600），4W。在图3.1-3信号发生器框图的输入级中一般都包括其目的是获得从微伏级（V）到毫伏级（mV）的小信号电压。例如XD-1低频信号发生器的最大信号电压为5V，通过080dB的步进衰减输出，可获得500V的小信号电压。在信号发生器的新能指标中，,就包括“衰减特性”这一指标，主要指衰减范围和衰减误差。和频率稳定度指标类似，还有输出信号幅度稳定度及平坦度指标。幅度稳定度是指信号发生器经规定时间预热后，在规定时间间隔内输出信号幅度对预调幅度值的先对变化量 例如HG1010信号发生器稳定度为0.01%/h。平坦度分别指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。使用者通常主要关心幅度随频率变化的情况，想静态“点频法”测量发达器的幅频特性时就如此。现代信号发生器一般都有自动电平控制电路（ALC），可以是平坦度保持在1dB以内，即幅度波动控制在10%以内，例如XD8B超低频信号发生器的幅频特性为3%。,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，多数情况下都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。当调制信号有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。本节开始时已经指出，评价信号发生器的性能指标不止上述各项，这里仅就最常见的重要项目作了概括介绍。由于使用目的、制造工艺、工作机理等诸方面因素。各类信号发生器的性能指标相差是很悬殊的，因而价格相差也就越大。所以在选用信号发生器时，必须考虑合理性和经济性。,第三节、低频信号发生器,低频信号发生器是信号发生器大家族中一个非常重要的组成部分，在模拟电子线路与系统的设计、测试和维修中获得广泛应用，其中最明显的一个例子是收音机、电视机、有线广播和心想设备中的音频放大器。事实上，“低频”就是从“音频”（20Hz20KHz）的含义演化而来，由于其他电路测试的需要，频率向下向上分别延伸至超低频和高频段。现在一般“低频信号发生器”是指1Hz1MHz频段，输出波形以正弦波为主，或兼有方波及其他形式的发生器。,一低频信号发生器 1.低频信号发生器主要性能指标 通用信号发生器的主要性能指标：频率范围为1Hz1MHz连续可调；频率稳定度（0.10.4）%h；频率准确度（12）%；输出电压010V 输出功率（0.55）W连续可调；非线性失真（0.11）%输出阻抗可为50、75、150、600、5k。,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下图所示。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。,主振器,电压放大器,输 出 衰减器,稳压电源,电压表,（a）,电压放大器,输出衰减器,功率放大器,阻抗变换器,电压输出,功率输出,主振器,稳压电源,指示电压,1,2,3,s,（b）,电压输入,图 3.3-1 低频信号发生器框图,3.通用RC振荡器 低频信号发生器中产生的震荡信号（图3.3-1中主振器）的方法有多种。在通用信号发生器中，主振器通常使用RC震荡其，而其中应用最多的当属文氏桥振荡器。,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，为R、C串联阻抗，为R、C并联阻抗，则网络输出函数式中,由（3.3-1）得到传输函数的幅频特性 和相频特性 分别为：和 分别示于图3.3-2中（b）、（c）可以看出:当 或 时，输出信号与输入信号相同，且此时传输函数模最大,如果输出信号 后续接放大倍数 的同相放大器（一般由两级反向放大器级联实现），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 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 和电阻 就构成了电压负反馈电路。热敏电阻 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、串联电流，流过 的电流也随之增加而导致 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 温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于3，振荡器容易起阵,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，使得换挡时频率变化10倍，而用改变双联通州电容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RC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 和输出电阻 的影响，和 对RC网络的影响如图3.3-5所示，由图不难看出，应使 尽可能大而 尽可能小。为此实际振荡电路中放大器输入级经常采用场效应管，以提高输入阻抗，输出时加接射极跟随器，以降低输出阻抗。如果仅提供电压输出，那么RC振荡器后加接电压放大器即可，如图3.3-3中。如果要求功率，如图3.3-1（b）所示,4、XD-1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：1Hz1MHz，分成1Hz100Hz1KHz10KHz100KHz1MHz六个频段（六档）频率漂移：预热30min后，第一小时内，档，0.4%；档，0.2%；档，0.1%，其后7小时内，档，0.8%；档，0.4%；档，0.2%。频率特性（输出信号幅频特性）：电压输出1dB;功率输出，10Hz100KHz（50、75、150、600、5K），2dB；100700KHz（50、75、,150、600）3dB；100200KHz（5k），3dB输出：电压输出，1Hz1MHz，5V；最大功率输出，10Hz700KHz（50、75、150、600），10Hz200KHz（5k），4w。非线性失真：电压输出，20Hz20KHz，0.1%;功率输出，20Hz20KHz，0.5%。衰减器：电压输出，1Hz1MHz衰减80dB0.15dB;功率输出，10Hz100KHz衰减80dB3dB，100KHz700KHz衰减80dB3.5dB交流电压表：5V、15V、50V、150V四档5%电压表输入阻抗、电容：100k，50pF。电源：220V10%，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。,内侧,外侧,交流电压表,文氏桥RC振荡器,衰减器,功率放大器,衰减器,输出匹配变压器,直流稳压电源,保护功能电路,电压输出,功率输出,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实战（0.1%）、较小的电压输出（200V）和小点呀下较高的信噪比。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5K。功率输出：降功率开关按下，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56s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“内侧”与外侧。测量开关拨向“外侧”时，它作为一般交流电压表测量外部电压大小，当开关拨向“内侧”时，它作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3.3-1计算,表 3.3-1,二、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，只是输出此你好频率低端较一般低频信号发生器更低一些，通常将能产生1Hz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可低于。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 为运算放大器（以后简称运放）输入电阻，A为运放开环放大系数，图中、为构成 实际放大器的反馈电阻。由于电子技术的发展，现在运放的性能可以达到很高，比如输入电阻 和开环放大倍数A可分别达到 及 甚至更高。输出电压收到偏置直流电压限制，一般在-15V+15V范围内，当运放工作在线性区时，由此可推算出 在几个微伏带几十微伏之间，相比输入电压（几十毫伏几伏）小到可以忽略，在由于Ri 很大，因此流入运放,的电流i更是小于 以下。为了便于分析，不妨就近似认为：，输入电阻、开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。,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(虚开路)，（虚短路），所以因此图（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 若取，由上式成为 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,由式（3.3-10），可以看到（c）图电路具有积分功能，积分是常数由R、C决定，如果在积分区间 为常数U，则输出电压 为 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、积分、微分等运算功能，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，用向量表示有 或者,（3.3-12）,（3.3-11）,（3.3-10）,即积分器产生 相移，增益为。如果用两级积分器并联在反馈环路中加接一个反相器（），如图3.3-10（a）则环闭增益或者当时，环闭增益，这正好是维持振荡的相位和振幅条件，也就是说图3.3-10（a）电路可产生频率为式（3.3-14）所表示的正弦振荡。在实际振荡器中，为了调节方便，结构简单，一般取，并在两级积分器前各加一个由同轴电位器构成的分压电路，分压比均为如图3.3-10（b）所示不难得出其振荡频率为,（3.3-15）,（3.3-14）,（3.3-13）,实际振荡器中，用改变R、C的办法改变频段，改变进行频率细调。,图3.3-9 运算放大器的运算功能,2、函数信号发生器在低频（或超低频）信号发生器的家族中，还有一种被称为函数信号发生器，简称函数发生器，它在输出正弦波的同时，还能输出同频率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足不同的测试需求。函数发生器的基本工作原理是现有积分电路和触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器（例如二极管整形网络）将三角波整形成方波。图3.3-11是函数发生器的原理图，图中由双稳态触发器，比较器、和积分器构成方波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网络将三角波整形成正弦波。其简要工作原理如下：,设开始工作时，双稳 输出端电压为-E，经过电位器P分压，设分压系数，根据式（3.3-11），积分器输出端D点电位随时间t正比上升当经过时间，上升到 时，比较器输出触发脉冲使双稳态电路翻转，端输出电压为E并输入给积分器，则积分器输出端D点电位为再经过时间，下降到 时，比较器输出触发脉冲使双稳态电路再次翻转，端重新输出-E，如此周而复始，在 端产生周期性方波，在积分器输出端产生三角波。如果比较器,（3.3-16）,（3.3-17）,、正负比较电平完全一样，那么得到的将是完全对称的方波和三角波。如果改变积分器正向、反向积分时间常数，比如用二极管代替电阻R，由式（3.3-16）、（3.3-17）可以看到，达到+和-各自所需时间 将不等于；从而可以产生锯齿波和不对称方波，上 述情况下函数发生器的波形如图3.3-12所示。,将对称三角波转换为正弦波的原理如图3.3-13（a）所示。正弦波可看成是由许多斜率不同的直线段组成,只要直线段足够多，由折线构成的波形就可以相当好地接近正弦波形，斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到（各段相应的分压系数不同）。因此，只要将三角波 通过一个分压网络，根据 的大小改变分压网络的分压系数，便可以得到近似的正弦波输出。二极管整形网络就可实现这种功能，我们用图3.3-13（b）所示的二极管整形网络来说明其工作原理。图中、及-、-、-等为由正负电源+E和-E通过分压电阻、分压得到的不同电位和各二极管串联的电阻、及 都比、大得多，因而他们的接入不会影响、等值。,开始阶段，二极管 全部截止，输出电压 等于输入电压；阶段，二极管 导通，此阶段 等于 经过 和 分压输出，上升斜率减小；在 阶段，此时、都导通，等于 经 和分压输出，上升斜率进一步减小；当 即 后，、全部导通，等于 经 和分压输出，上升斜率最小；当到达 后 逐渐减小，二极管、依次截止，下降斜率又逐步增大完成正弦波的正半周近似；负半周情况类似，通常将正弦波一个周期分成22段或26段，用10个或12个二极管组成整形网络，只要点亮参数选择的合理、对称，可以得到非线性失真小于0.5%的波形良好的正弦波,图3.3-14为XD8B超低频信号发生器框图它由积分电路、比较电路、正弦波成形电路、功率放大器、衰减器、及稳压电源等部分组成。,比较器把恒定的正负极性电位（6V）交替地送到积分器去积分而得到三角波，三角波又反馈到比较器是她交替翻转，形成振荡环路，从及den器得到三角波，从比较器得到方波。三角波经过由10只二极管组成的电阻网络和缓冲放大器组成的正弦折线成形电路变换成正弦波。如果将二极管并接在积分电阻R上由于二极管正、反向电阻的巨大差异而使正负积分时间常数不同，可以获得锯齿波和脉冲信号。方波、三角波、正弦波、等七种波形经过功率放大器输出，输出幅度可通过衰减器调节。由式（3.3-16）、（3.3-17）可以看到，正反向积分时间、与RC成正比，与成反比，而周期，因此，振荡频率则与RC成反比，与成正比，通常可用改变R或C的办法改换频段，调节分压系数来进行频段内频率细调。,XD8B可以产生方波、三角波、正弦波、锯齿波、正负极性的矩形脉冲等七种波形的信号，同时具有 和 双相输出；频率范围为0.01Hz100KHz；最大输出电压为15V，分15V、1.5V、150mV、15mV四档，连续可调；正弦波失真1%；方波上升时间0.3s；正弦波幅度稳定度0.3%/h,3、数字合成低频信号发生器 用RC文氏桥振荡器以及以积分器为基础的函数发生器，突出的优点是电路简单。但频率准确度及稳定度较差，非线性失真较大，而且输出信号的幅频特性不太平坦。数字合成低频信号发生器可以有效地提高上述性能指标。这种仪器中，正弦波由阶梯波合成，如图3.3-15所示，而阶梯波的形成石油存贮在制度存贮器（ROM）中的数字信息经数模转换器（D/A）形成的图3.3-16是基于这种方法的数字合成低频振荡器方框图，我们简要分析其工作原理。设要产生的正弦波为，周期T=1/f，我们把它的每个周期平均分成 p个区间，每个区间间隔为，在每个 区间内，的值看做不变的常数，即认为当 时u（t）=u（0）；时,等等，即在 区间 由于 所以 通常正弦信号峰值电压恒定，比如，这样我们可以用32个字节8比特的存贮器（ROM）来存贮i等于不同数值的电压 或，最小分辨率为1mV。,时,由于正弦信号四个象限内数值的对称性，一个周期分成p=128等份，只有32个独立的数值，因此用32个字节的ROM存贮数据就够了。由式（3.3-19）看出，输出信号的频率取决于，改变 即可等到不同的输出频率，这通过图3.3-16中的晶体振荡器和分频器实现。由分频器输出的计数脉冲周期为 设晶体振荡器振荡频率为，分频系数为q则输出信号频率图3.3-16中加/减5位二进制计数器、RS触发器、检测器等构成ROM的地址译码器，根据译出地址从ROM中取出相对用的幅度值（是数字量），经过模-数转换器转换成模拟电压，配合以相应的倒像电路，构成3.3-15所示的阶梯波，再经低通滤波器加以“平滑”，即滤除阶梯波中的高次谐波，得到正弦波输出。,这种方法的主要优点包括：输出频率准确度高，基本上等于机内晶体振荡器的频率准确度和稳定度。因为各区间的振幅值以数字形式存于ROM中不会改变，加上现在数-模转换器性能稳定，因此输出信号的幅频特性很好输出信号的非线性失真很小，可低于0.1%。,三、低频信号产生器的发展现状由于需求的广泛和电子技术的发展，低频信号发生器的性能指标不断得到提高，表3.3-2列出了当前国外、国内有代表性产品的主要性能指标。表中所列的频率合成器也是低频信号发生器中的重要一类，其工作原理将在后面予以介绍。表3.3-2,(1)通用RC振荡器主要性能指标,函数发生器的主要性能指标,（3频率合成器）,第六节、脉冲信号发生器,一、脉冲信号 脉冲具有脉动和冲击的含义，脉冲信号通常指持续时间较短的特定变化规律的电压或电流信号。常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形、数字编码序列等（参见图3.1-2），其中最基本的脉冲信号是矩形脉冲信号，如图3.6-1所示。下面就以矩形脉冲为例，介绍表征脉冲信号的主要参数：,脉冲幅度：定义为脉冲波从底部到顶部之间的值。脉冲上升时间：定义为脉冲波从0.1 上升到0.9 所经历的时间，也叫脉冲前沿。脉冲下降时间：定义为脉冲波从0.9 下降到0.1 所经历的时间，也叫脉冲后沿。脉冲宽度：即脉冲的持续时间，一般指脉冲前、后沿分别等于0.5 时相应的时间间隔。平顶降落：表征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。脉冲过冲：脉冲过冲包括上冲和下冲。上冲指上升超过顶值 以上所呈现的突出部分，如图3.6-1（a）中b；下冲是指下降边超过底值以下所呈现的向下突出部分，如图3.6-1（a）中f,脉冲周期和重复频率：周期性脉冲相邻两脉冲之间的时间间隔称为脉冲周期，用 表示，脉冲周期的倒数称为重复频率，用f 表示，如图3.6-1（b）中所示。脉冲的占空系数：脉冲宽度 与脉冲周期 的比值称为占空系数或空度比（3.6-1）国际电工委员会于1974年公布了IEC469-1号标准（脉冲技术与仪器的第一部分：脉冲术语及定义）和IEC469-2号标准（脉冲技术与仪器标准的第二部分：脉冲测量与分析的一般考虑）两个标准文件，标准中给出了统一的、数学上严密的而且通用的脉冲及其测量技术的术语和定义（见13第二章）本书仍采用目前国内较通用的一些标准和术语。,二、脉冲信号发生器分类 脉冲信号发生器是专门用来产生脉冲波形的信号源，是电子测量仪器中的一个重要门类。脉冲信号发生器广泛应用于电子测量系统以及数字通信、雷达、激光、航天、计算机技术、自动控制等领域。它可用于测试视频放大器、宽带电路的振幅特性、过渡特性，逻辑元件的开关速度、数字电路研究以及示波器的检定与测试等。按照用途和产生脉冲的方法不同，脉冲信号发生器可分为通用脉冲发生器、快沿脉冲发生器、函数发生器、数字可编程脉冲信号发生器及特种脉冲发生器等。通用脉冲发生器是最常用的脉冲发生器，其输出脉冲频率、延迟时间、脉冲持续时间、脉冲幅度均可在一定范围内调节，一般输出，脉冲都有“+”“-”两种极性，有些产品还具有前、后沿可调、双脉冲、群脉冲、闸门、外触发,等功能。像国外的HP8080A，频率达1000MHZ，前、后沿小于300ps，国内也已生产出频率达500MHZ，前后沿小于100ps的通用脉冲发生器。快沿脉冲发生器以快速前沿为其特征，主要用于各类电路瞬态特性测试，特别是测试示波器的瞬态响应。国内小幅度（5V）快沿脉冲发生器前沿可小于60ps，大幅度（50V）快沿脉冲发生器的前沿可小于1ns。函数信号发生器在前面已有过介绍，由于它一般可输出多种波形信号，因而已成为通用性极强的一类信号发生器。但作为脉冲信号源，当前主要问题是上限频率不够高（50MHZ左右），前、后沿也难提高，不能完全取代通用脉冲信号发生器。数字可编程脉冲信号发生器是随着集成电路技术、微处理器技术发展而产生的一代新型脉冲发生器，一般带有GPIB接口，可编程控制，使之进入自动测试系统。,特种脉冲信号发生器是指那些具有特殊用途，对某些性能指标有特定要求的脉冲信号源，如稳幅、高压、精密延迟等脉冲发生器以及功率脉冲发生器和数字序列发生器等。三、脉冲信号发生器的结构 1、基本脉冲信号发生器 一台基本的脉冲信号发生器，由图3.6-2中主要单元构成，XC-15型及XC-20型脉冲信号发生器采用了这种结构，可输出频率、脉冲宽度可调的正、负极性矩形脉冲。图中各单元功能如下：（1）主振级：该单元是脉冲信号源的核心震荡源，一般采用恒流源射级耦合自激多谐振荡器产生矩形波，调节振荡器中电容和钳位电压可进行振荡频率粗调（频段）和细调。也可采用正弦振荡、限幅放大和积分电路等构成,主振级。（2）脉冲形成级：脉冲形成级主要由延时单元和脉冲形成单元构成。延时单元将主振级送出的信号转换成形成单元所需的延时脉冲，如XC15型脉冲发生器中采用电子延迟电路，用一积分器对主振级送来的脉冲信号进行积分，待积分电压值增大到一定值时，使其中一稳压管导通，输出一个延时脉冲。形成级单元在延时脉冲作用下，形成宽度准确、波形良好的矩形脉冲，脉冲宽度可在该级进行独立调节。通常采用单稳态触发器作为脉冲形成电路。,（3）输出级：通常包括有脉冲放大器、倒相器等，输出信号的幅度、极性在输出级进行调节。XC-20型脉冲信号发生器采用上述基本结构，性能指标为：频率范围3KHz200MHz；延迟时间2.5ns100us；脉冲宽度2.5ns100us；输出幅度150mV5V；前、后沿1.5ns；输出波形有正、负矩形脉冲，正、负倒置矩形脉冲，直流偏置-1V+1V；有外触发输入端和手动单次脉冲触发。,2、前后沿可调节的脉冲信号发生器 除矩形脉冲外，有时还需要其他波形的脉冲信号如梯形、三角形、锯齿形等，这些信号可用改变矩形脉冲的前后沿宽度来实现，如图3.6-3所示。因此在前面所述的基本脉冲发生器中，增加相应的脉冲前后沿调节电路，即可获得不同波形的脉冲信号输出。图3.6-4是XC-14型脉冲信号发生器的原理框架图，和XC-13、XC-19等型号一样，XC-14属于通用脉冲信号发生器门类。下面简要介绍其工作原理，各单元电路的输出波形图在图3.6-5中。,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 时间，（b）波形表示（a）信号进行积分并与一比较电平 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 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 在10ns1000us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50 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。XC-13、XC-14和XC-19型脉冲信号发生器是目前国内应用较普遍的通用型脉冲信号源，表3.6-1列出了其主要性能指标，以供参考。,表 3.6-1,3、多用信号源 在前面叙述的脉冲信号源分类中包括函数发生器，实际上它是一种多用信号源，在一些要求不高的场合，这种“一机多用”而价格不高的信号源还是很受欢迎的。图3.6-6给出了XD-11型多用信号源的框图。和前面脉冲信号源不同，这里首先由文氏桥振荡器产生正弦振荡，在正弦波单元缓冲、放大由按键开关K选择输出。后面各单元的功能在框图中已有说明，不在赘述。,四、脉冲信号源的应用 在第一章1.3节测量方法分类中，我们曾按被测量性质将测量分为频域、时域、数据域和随机测量。随机测量又称统计测量。已超出本书范围。数据域测量将在第十章予以介绍。频域测量实质上就是系统正弦稳态特性的测量，包括系统的幅频特性、相频特性。在正弦测量中，最重要的信号源就是正弦信号发生器（见图3.5-1），最常用的测量仪器是电子电压表（点频法测量时）或扫频仪（扫频法测量时）。正弦测量能够全面精确地确定被测系统的特性。不过如前面所述，点频测量费时费事，扫频法测量用的扫频仪又很昂贵，而且正弦测量不能直观地表征系统的瞬态响应特性。时域测量恰在这方面有其突出的优点。时域测量的原理示意图3.6-7.图中脉冲信号源输出方波等脉冲信号施加于被测系统，用示波器观测系统的输出波形（为便于分析比较，通常使用双踪示波器以便同时显,示输入和输出波形），即可非常直观地获得被测系统的瞬态响应特性，而且可边调试电路边进行观测，这是正弦点频法所不及的。虽然从理论上讲，系统的频率特性和瞬态响应特性间有一一对应的关系，但通过测量结果从频率特性推断出瞬态响应特性通常并不容易。作为一个简单的例子，我们考查图3.6-8（a）中的阻容分压器的瞬态响应特性，这种阻容分压器常用作示波器的输入端。最常用的方法是由脉冲信号发生器输出方波脉冲施加于分压器，理想情况下的输出波形 完全相同，,如图（b）所示，可以证明此时。一旦，相对于 就产生失真，如图（c）、（d）所示，分别呈现出高通和低通特性。此时我们可以一边调节输入补偿电容，一边用示波器观察输出波形，一直到满足要求为止，这显然要比正弦法测量调节直观简捷的多。当然不能说在所有情况下时域法都优于频域法，至少由于用示波器得到的测量精度要比用电子电压表、相位计、频率计等测量得到的精度地得多。实际上两者各有优缺点，可以相互补充，而不能相互代替。,第七节、噪声发生器,噪声和信号时两个对立统一的概念。噪声通常指干扰有用信号的不期望的不可预测的扰动，它使有用信号受到干扰而造成失真，降低了信号观察和测量的可靠性。许多情况下，人们新闻克服或降低噪声，而有些情况下，噪声又可被人们所利用，因为噪声测量技术就成为电子测量领域的一个重要组成部分，并且已在国防、能源、水文、海洋、地理、气象及医疗等部门得到广泛应用。噪声信号发生器是噪声测量中不可或缺的仪器，它能提供在特定的频率范围内有足够的输出电平并具有所要求的统计参数（如功率密度谱、均方根值、概率密度函数等）的噪声信号。在电子测量领域，噪声发生器用来测量接收机的极限灵敏度，测量放大器及各有源器件的噪声系统及电声转换器的频响及失真度等，噪声发生器的结构如图3.7-1所示，主要由噪声源、变换器及输出衰减器等部分组成。,一、噪声源 噪声源是噪声发生器的核心，提供在一定频率范围内由足够高电平和噪声统计特性的噪声信号。噪声可有不同的统计参数。其中应用最多的是频谱分布均匀的白噪声。可作为产生白噪声的噪声源通常有下面几种。1、电阻器噪声源 任何电阻在一定温度下都会产生热噪声，这是由于导体中电子无规则的热运动而引起的噪声，其大小取决于导体（电阻）的热力学状态，噪声电压均方值为,（3.7-1）式中 为电阻值，为波尔兹曼常（），为绝对温度，为系统工作带宽。例如当室温（），时，噪声电压均方根值 可见电阻的噪声均方值很小。但由于在相当宽的频率范围内，其噪声功率谱密度均匀（白噪声），且实际值与设计值一致，因此常用作噪声电压标准。改变电阻的温度，即可调节输出地噪声均方电压。如果将电阻置于低温下（如放在液氮中），它输出地噪声电压极低，可用来测量低噪声放大器的噪声系数。2、饱和二极管（噪声二极管）噪声源在真空二极管饱和区，如阴极温度一定，则电流也维持恒定，在单位时间内，阴极发射的电子数围绕着平均值起伏,变化，这种现象称为“散弹效应”电子发射的时间、速度和运动过程是随机的，因而阳极直流电流上就迭加有随机起伏的噪声电流，其均方值为（3.7-2）式中e为电子电荷量（），I为二极管阳极平均电流，为系统工作带宽。3、气体放电噪声源 气体放电管是一种离子器件，由灯丝（阴极）和阳极构成，管内充有一定气压的惰性气体（氩或氖）当放电管点燃后，管内气体放电，在电