电子测量.docx

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电子测量

电子测量之信号发生器

摘要:

何谓信号发生器，它是指用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。

在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。

当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。

当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。

并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。

下面我将按照信号的频率和波形的不同对其振荡源进行分析.

关键词:

电子测量信号发生器信号源振荡源LC震荡RC震荡频率合成

正文:

1.低频信号发生器

频率范围1~1MHz。

1.1RC振荡器

符合震荡条件:

增益为1

相位相差2kπ（k=0,1,2,......）

完整电路:

1.2LC振荡器

用LC构成的谐振电路和晶体管放大器实现,但是根据

当频率较低时,要求LC较大,使得其体积太大,而且由于相对于RC振荡器的四项相乘来说,其两项相乘的变化范围有限,调节更为不便.

1.3差频式振荡器

框图中可变频率振荡器和固定频率振荡器分别产生f1和f2（固定），经过混频器M产生两者的信号差：

△f=f1-f2，经低通滤波器滤除高频成分|K1*f1+K2*f2|（K1和K2为自然数）。

当f1从f1min变化到f1max时，△f也随之从fmin变化到fmax。

优点：

连续可调并且不用换波段，输出电平均匀。

缺点：

准确度低，波形失真严重，干扰较大。

2.超低频信号发生器

通常是指能产生1Hz以下频率的信号源。

2.1用积分器构成的超低频信号发生器

2.2函数发生器

在（超）低频信号发生器系列中，还有一种函数信号发生器，它是指在输出正弦波的同时，还能输出如三角函数，矩形函数等波形，以满足不同的测试需要。

函数发生器的基本工作原理是先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（如二极管整形电路、低通滤波器），将三角波整形成正弦波。

原理：

1）.设开始工作时，双稳态触发器电路的~Q输出电压为-E，积分器输出端D的点位随着时间t正比上升，即UD=—Kt（K为常数），但UD下降到一定程度时（-Um），触发器翻转，~Q为+E，UD电压开始以K速度上升。

同理到+Um是再次翻转。

即可得到三角波和方波。

2）.函数转换器：

低通滤波器LPF

2.3数字合成低频信号发生器

其中最让人兴奋的是直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer）它具有频率分辨率高，输出频点多，可达2的N次方个频点（N为相位累加器位数）、频率切换速度快，可达us量级、频率切换时相位连续、可以输出宽带正交信号、输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用、可以产生任意波形、全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻等优点。

说明：

ROM中分块存储了由matlab产生的正弦波幅度值序列和其他任意波形的幅值序列，每块区域有2^N个值，每个值得位数由D/A的转换位数确定。

K为频率控制字、P为相位控制字、W为波形控制字、fc为参考时钟频率，N为相位累加器在时钟fc的控制下以步长K作累加，输出的N位二进制码与相位控制字P、波形控制字W相加后作为ROM的地址，对ROM进行寻址，ROM输出D位的幅度码S（n）经D/A转换器变成阶梯波S（t），在经过低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形。

合成的信号波形形状取决于ROM中存放的幅度码，因此用DDS可以产生周期的任意波形。

这里我将以正弦波为例说明DDS的工作过程。

首先利用matlab产生一个正弦波的表。

其次，设置相位控制字P，决定初相，度数为P*360/2^N°；设置频率控制字k，使频率为f=2^N*fc/k；波形控制字w对准正弦波的存储地址即可。

最后为设计硬件电路和编程。

FPGA和单片机都可以，推荐FPGA（相对而言它的速度有优势）。

3.射频信号发生器

3.1调谐信号发生器

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、哈特莱式和考毕滋式三种振荡形式。

下面三图分别给出了其交流电路并写出各自的振荡频率。

通常通过改变电感L来改变频段，改变电容C进行段内细调。

放大器通常采用调谐放大器，其作用一是放大振荡器输出的高频信号电压（滤波），而是在输出器和振荡器间起隔离作用，以提高振荡频率的稳定性，三是兼做调幅信号的调幅器。

变压器反馈式

哈特莱式

考毕滋式

3.2合成信号发生器

合成信号发生器是用频率合成器代替信号发生器中的主振荡器。

频率合成器的原理是首先产生一个高稳定度的频率源fs，再通过一系列的算术运算得到所需要的频率。

按照合成方法分为直接合成法和间接合成法两类。

1）.直接合成法：

合成范围：

0~10MHz

合成精度：

0.001MHz（千分位）

工作过程：

如输出2.073MHz的正弦波，则个位接2MHz的谐波信号，十分位不接（接直流信号），百分位接7MHz的信号，千分位接3MHz的信号。

2）.间接合成即锁相环路法：

锁相信号发生器是在高性能的调谐是信号发生器中增加频率计数器，并将信号源的振荡频率利用锁相原理锁定在频率计数器的时基上，而频率计数器又以高稳定度的石英晶体振荡器为基准，从而使锁相信号发生器的输出频率的稳定度和准确度大大提高，信号频谱纯度等特性也得到了很大的改善。

可得到f=f0*n1/n2

4.扫频信号发生器（线性电路）

扫频信号发生器是一种输出信号的频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发生器，它是频率特性测试仪的核心，主要用于直接测量各种网络的频率响应特性。

按照输入的频率变化分为点频法和扫频法。

4.1点频法

测量电路幅频特性

顾名思义，在信号源中产生不同的频率在测量它的输出与输入比，绘制如图的幅频特性表。

优点：

原理直接明了，产生简单。

缺点：

操作繁琐，不能适应当今快捷的社会；非常容易遗漏某些具有特殊含义的点（如电路的谐振点）。

4.2扫频法

能够自动提供频率连续（幅度可知或者恒定）的正弦波信号源，并利用它来显示被测电路的幅频特性。

扫频原理：

5.脉冲信号发生器

何为脉冲信号，脉冲信号具有脉动和冲击的含义，通常是指持续时间较短且具有特定变化规律的电信号。

常见的有：

矩形、锯齿形、阶梯形、钟形、数字编码序列等。

参考文献:

XX百科:

DDS原理简介:

《电子测量技术基础》张永瑞修编西安电子科技大学出版社