电子测量与仪器仪表样节.docx

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电子测量与仪器仪表样节

项目4信号源使用与维护

4.1项目描述

本项目的主要内容：

信号源的功用、种类和主要性能指标，常见信号源的操作方法与使用注意事项，以及常见故障与简单维护。

通过该项目的学习与实践,可以让读者获得如下知识和技能：

1．了解信号源的分类。

2．理解正弦信号发生器的主要性能指标及用途。

3．能画出低频信号发生器、高频信号发生器、脉冲信号发生器的组成框图，理解其工作原理，并注意其使用要点。

4．了解合成信号发生器的主要技术指标及其分类与用途。

了解模拟直接合成法工作原理，理解间接合成法、数字直接频率合成法的工作原理。

5．理解几种函数信号发生器的工作原理与用途。

6．会操作低频信号发生器、高频信号发生器、函数信号发生器等信号源，能使其输出符合要求的信号。

4.2知识准备

要了解信号源的功用及其主要性能指标，掌握常见信号发生器、合成信号源组成原理特性、操作及维护等基本知识，需要具备以下一些相关的知识和技能，下面进行阐述。

4.2.1信号源的用途

测量用信号发生器通常称为信号源，它可以产生不同频率的正弦信号、调幅信号、调频信号，以及各种频率的方波、三角波、锯齿波、正负脉冲信号等，其输出信号的幅值也可按需要进行调节。

可以说，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号源。

信号源的用途主要有以下三方面：

（1）激励源作为某些电气设备的激励信号。

（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）标准信号源产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准（或比对）。

4.2.2信号源的结构及类型

1．信号发生器的分类

如图4.1所示，信号源产生不同频率、不同波形或调制的电压/电流信号并加到被测电路与设备上，用其它测量仪器观察、测量被测对象的输出响应，以分析确定被测对象的性能参数。

（1）.按用途分

根据用途的不同，信号发生器可以分为通用信号发生器和专用信号发生器两类。

专用信号发生器是专门为某种特殊的测量而研制的。

如电视信号发生器、编码脉冲信号发生器等。

这类信号发生器的特性与测量对象紧密相关。

通用信号发生器按输出波形可分为正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器、噪声发生器等。

正弦信号发生器最具普遍性和广泛性。

按工作频率分类可分为超低频、低频、高频、甚高频、超高频几大类。

频率划分并不是绝对的，各类信号发生器频率范围存在重叠情况，这与它们的不同应用范围有关。

（2）.按频率范围分

按照输出信号的频率范围对无线电测量用正弦信号发生器进行分类是传统的分类方法，如表4.2所示。

（3）.按输出波形分

根据所输出信号波形的不同，信号发生器可分为正弦信号发生器、矩形信号发生器、脉冲信号发生器、三角波信号发生器、钟形脉冲信号发生器和噪声信号发生器等。

（4）.按调制方式分

按调制方式的不同，信号发生器可分为调频、调幅、脉冲调制、I-Q矢量调制等类型。

（5）.按性能指标分

按信号发生器的性能指标，可分为一般信号发生器和标准信号发生器。

4.2.3信号源的性能指标

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。

1.频率特性

（1）有效频率范围

各项指标均能得到保证时的输出频率范围称为信号发生器的有效频率范围。

（2）频率准确度

频率准确度是指输出信号频率的实际值f与其标称值f0的相对偏差，其表达式为

（3）频率稳定度

频率短期稳定度定义为信号发生器经规定的预热时间后，频率在规定的时间间隔内的最大变化，表示为

（4）频谱纯度

对于正弦信号发生器，频谱纯度也是其重要指标之一。

信号源输出的实际频谱与理想频谱的逼近程度。

2.输出特性

（1）输出电平

输出电平包括输出电平范围和输出电平准确度。

输出电平范围是指输出信号幅度的有效范围，也就是信号发生器的最大和最小输出电平的可调范围，通常采用有效值来度量。

（2）输出电平的频率响应

输出电平的频率响应是指在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化情况，也就是输出电平的平坦度。

（3）谐波失真

指原有频率的各种倍频的有害干扰，这种因谐波引起的失真叫做谐波失真。

式中，U1为输出信号基波的有效值（或幅值）

（4）输出阻抗

输出阻抗的高低随信号发生器类型而异。

低频信号发生器一般有50Ω、600Ω、5kΩ等几种不同的输出阻抗，而高频信号发生器一般只有50Ω（或75Ω）不平衡输出，在使用高频信号发生器时，要注意阻抗的匹配。

（5）输出波形

输出波形是指信号发生器所能输出信号的波形。

3.调制特性

许多信号源还包含调制功能。

如高频信号发生器，一般还具有输出一种或多种调制信号的能力，通常为调幅和调频信号，有些还带有调相、脉冲调制、数字调制等功能。

调制特性包括调制的种类、频率、调幅系数或最大频偏以及调制线性等。

4.2.4信号源的操作方法与使用注意事项

1.低频信号发生器

（1）概述：

.低频信号发生器的输出信号频率范围通常为20HZ~20KHZ，也称为音频信号发生器。

.低频信号发生器可用于测试调整低频放大器、传输网络和广播、音响等电声设备，还可为高频信号发生器提供外部调制信号。

（2）低频信号发生器的基本组成与原理

．主振器

主振器是低频信号发生器的核心部分，产生频率可调的正弦信号，一般由RC振荡器或差频式振荡器这两种电路组成。

其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小的易于稳幅。

振荡器决定输出信号的频率范围和稳定度。

a.RC文氏桥式振荡器:

整个电路的频率调节是通过改变桥路电阻R值和电容C值进行的,即用波段开关改变R值进行频率初调,在同一波段利用改变电容C值来实现频率的连续调节。

其振荡频率决定于RC式反馈网络的谐振频率,表达式为:

b.差频式振荡器：

为了在不分波段的情况下得到很宽的频率覆盖范围，可以采用差频式低频振荡器，无需转换波段就可在整个高频频段内实现连续可调。

但缺点是电路复杂，频率稳定度差。

.放大器

低频信号发生器的放大器一般包括电压放大器和功率放大器，以实现输出一定电压幅度和功率的要求。

电压放大器把振荡器产生的微弱信号进行放大，并对功放、输出衰减器以及负载与振荡器隔离，以防止对振荡信号产生影响。

所以，又把电压放大器称为缓冲放大器。

.输出衰减器

用于改变信号发生器的输出或功率，由连续调节器和步进调节器组成。

图4.5所示电路为低频信号发生器中最常用的输出衰减器。

由电位器RP取出一部分信号电压加于R1~R8组成的步进衰减器，调节电位器或调节波段开关S所接的挡位，均可使衰减器输出不同电压。

.输出级

输出级包括功率放大器、阻抗变换器和指示电压表几部分。

低频信号发生器的输出电压一般可进行步进和连续调节，以满足不同输出要求。

（3）低频信号发生器的主要性能指标

通常，低频信号发生器的主要工作特性如下：

频率范围：

一般为20Hz~1MHz，连续可调。

频率准确度：

±（1~3）%。

频率稳定度：

优于0.1%。

输出电压：

0~10V连续可调。

输出功率：

0.5~5W连续可调。

非线性失真范围：

0.1%~1%。

输出阻抗：

50Ω、75Ω、600Ω、5kΩ。

输出形式：

平衡输出与不平衡输出。

（4）低频信号发生器的操作

其使用要点如下：

A.了解面板

B.注意正确的操作步骤

信号发生器的使用包括如下步骤：

（a）开机准备。

（b）选择频率。

（c）输出阻抗的配接。

（d）选择输出电路的形式。

（e）输出电压的调节和测读。

2.高频信号发生器

（1）高频信号发生器的组成

高频信号发生器的组成框图如图4.6所示，主要包括振荡器、缓冲级、调制级、输出级、内调制振荡器、频率调制器、监测指示电路等。

a.振荡器：

用于产生高频振荡信号。

它是信号发生器的核心，信号发生器的主要工作特性大都由它决定。

b.缓冲级：

主要起隔离放大的作用，用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作稳定，并将主振信号放大到一定的电平。

c.调制级：

主要完成对主振信号的调制。

d.内调制振荡器：

供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。

e.输出级：

主要由放大器、滤波器、输出微调、输出衰减器等组成。

f.监测指示电路：

监测指示输出信号的载波电平和调制系数。

（2）调谐信号发生器

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）三种振荡形式，如图4.7所示。

（3）合成信号发生器

.直接合成法

直接合成法分为模拟直接合成法和数字直接合成法。

模拟直接合成法采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率；数字直接合成法则是利用ROM和DAC结合，通过控制电路，从ROM单元中读出数据，再进行数/模转换，得到一定频率的输出波形。

（a）模拟直接合成法

图4.8所示为模拟直接合成法的例子直接频率合成器的原理框图，基准频率源（石英晶体振荡器）产生1MHz基准频率，通过谐波发生器产生2MHz、3MHz、…、9MHz等谐波频率，连同1MHz基准频率一起并接在纵横制接线的电子开关上，通过电子开关取出8MHz、2MHz、6MHz、4MHz信号，再经过10分频器（完成÷10运算）、混频器（完成加法或减法运算）和滤波器，最后产生4.628MHz输出信号。

（b）数字直接合成法

数字直接合成法又叫直接数字频率合成（DDS），它是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法，它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，通过控制相位变化速度来直接产生各种不同频率信号。

DDS的基本原理如图4.9所示。

与传统的频率合成技术相比，DDS具有以下特殊优点：

频率分辨率高，频点数多；频率转换快；相位连续；信号相干；相位噪声小；便于实现复杂方式的信号调制；微处理器接口，控制容易，稳定可靠；

大规模集成，体积小，功耗低，重量轻。

.间接合成法

间接合成法通过锁相技术进行频率的算术运算，最后得到所需的频率。

图4.10给出了锁相环的基本原理框图。

基本锁相环是个闭环相位负反馈环路，由鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）及压控振荡器（VCO）三大部分组成。

将基本锁相环的结构稍加变化，在反馈回路中加入分频比N可变的分频器，就可得到频率合成器中经常使用的锁相环，其原理如图4.11所示。

（4）高频信号发生器的主要性能指标

其主要性能指标如下：

a频率范围：

100kHz~30MHz，共分八个波段。

b频率刻度误差：

±1%。

c输出电压：

0~1V（有效值）。

d输出阻抗：

40Ω（0~1V输出孔）、8Ω（0~0.1V输出孔）e电压表刻度误差：

±5%（载波为1MHz，1V电压时）。

f内调制信号频率：

400Hz、1000Hz，误差为±5%。

g外调制信号频率：

50Hz~8kHz。

h调幅范围：

当m＜60%时，误差为±5%；当m＞60%时，误差为±10%。

i谐波电平：

＜25dBc。

3.脉冲信号发生器

不仅用于研究、测试脉冲和数字电路、逻辑元件的开关特性等，而且广泛用于雷达、通信、计算机、集成电路和半导体器件的测量。

（1）脉冲基本参数

最基本的脉冲信号是矩形脉冲信号，如图4.12所示。

它有以下一些基本参数：

（a）脉冲振幅A：

指脉冲顶量值与底量值之差。

（b）上升时间tr：

指由10%电平处上升到90%电平处所需的时间，也叫脉冲前沿。

（c）下降时间tf：

指由90%电平处下降到10%电平处所需的时间，也叫脉冲后沿。

（d）脉冲宽度τ（或tw）：

脉冲宽度本应指脉冲出现后所持续的时间，但是由于脉冲波形差异很大，顶部和底部宽度并不一致，所以定义脉冲宽度为前后沿50%电平处的宽度。

（e）脉冲周期和重复频率：

如图4.12（b）所示。

（f）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占空比，即ε=τ/T。

（2）脉冲信号发生器的分类

按照频率范围来分，脉冲信号发生器有射频脉冲信号发生器和视频脉冲信号发生器两种。

前者一般是高频或超高频信号发生器受矩形脉冲的调制而获得的，而常用的脉冲信号发生器都是以产生矩形脉冲为主的视频脉冲信号发生器。

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、函数信号发生器、特种脉冲发生器等。

（3）脉冲信号发生器的组成与基本原理

一台基本的脉冲信号发生器，其组成原理方框图如图4.13所示，包括主振级、延迟级、脉宽形成级、整形级、输出级等部分。

a主振级

主振级是脉冲信号源的核心，决定输出脉冲的重复频率，要求有良好的调节性能，较高的频率稳定度，宽的频率范围，陡峭的前后沿和足够的幅度。

b延迟级

通常采用单稳电路或微分电路组成。

在很多场合下，要求输出同步脉冲，并使同步脉冲超前于主脉冲一段时间，如图4.14所示。

主振级输出未经延时的脉冲称为同步脉冲，又称前置脉冲。

c形成级：

一般由单稳态触发器等脉冲电路组成，产生宽度准确、波形良好的矩形脉冲，且脉冲宽度独立可调，并具有较高的稳定性。

d整形输出级：

一般由放大和限幅电路组成。

整形级具有电流放大作用，输出级具有功率放大作用。

（4）脉冲信号发生器的主要性能指标

a脉冲频率：

b脉冲持续时间：

c脉冲幅度：

d输出阻抗：

e波形失真：

f输出脉冲状态：

g工作方式：

4信号发生器的选择

由于测量信号发生器的种类、型号繁多，使用时通常可从以下几个方面根据具体情况进行选择：

（1）被测信号的频率。

（2）测试功能。

（3）输出信号波形。

（4）测量准确度的要求。

5MFG-8216A型函数信号发生器操作方法与使用注意事项

1）面板结构（图4.15所示）

图4.15MFG-8216A型函数信号发生器

2）各键功能说明

（1）POWER：

电源开关。

按下此键接通电源。

（2）FREQUENCY/SWEEP：

频率调节/扫描控制旋钮。

顺时针旋转，频率增大，逆时针旋转，频率减小。

若拉起此旋钮，则执行自动扫描功能。

最高扫描频率的限制由旋钮的旋转位置来决定。

（3）TTL/CMOSOUTPUT：

TTL/CMOS兼容的信号输出端。

（4）DUTY：

函数周期调节旋钮。

拉起此旋钮并旋转即可调节输出信号波形的斜率。

（5）TTL/CMOSADJ：

TTL与CMOS波形选择按键。

按下此按键，BNC接头（8）可输出与TTL兼容之波形。

若拉起此按键并旋转，可从BNC接头（8）输出5～15V的CMOS信号。

（6）OFFSETADJ：

直流偏置调节旋钮。

拉起此旋钮并旋转时，可在0±10V范围选择任何直流电位迭加于信号之上输出。

（7）AMPL/-20dB：

幅度/衰减调节旋钮。

顺时针旋转时幅度增大，逆时针旋转时幅度减小。

拉起此旋钮可使输出信号衰减20dB。

（8）OUTPUT：

主要信号输出端口。

（9）ATT-20dB：

20dB衰减按键。

（10）函数功能选择按键：

按下三个按键其中之一，可选择适当的波形输出。

（11）频段选择按键：

按下七个按键其中之一，可选择相应频段的频率输出。

（12）GATE：

外部计数模式闸门时间选择按键。

在使用外部计数模式时，按此键来改变闸门时间。

（13）频率单位指示灯：

显示输出信号的频率单位，可在MHz、KHz、Hz、mHz之间自动切换。

（14）计数器闸门时间指示灯：

电源开关按下时，此指示灯就会开始闪烁。

在内部计数时的闸门时间（GateTime）为0.01秒。

（15）频率显示窗：

用6位LED数码管显示输出信号的频率值。

（16）GATE：

显示出目前的闸门时间（只用于外部计数模式）。

（17）OVER：

溢出指示灯。

3）使用方法及注意事项

（1）使用前的准备

1用电源线将仪器连接到主电源供应器上

2按“Power”键，并确认其他各个旋钮全部被按下，然后旋转“AMPL”旋钮，使指示器向上

3将“Frequency”旋钮朝逆时针方向旋转到底

（2）三角波、方波及正弦波的产生

1按下功能选择键⑩的其中之一，选择欲输出的波形

2选择频段选择按键⑾的其中之一，转动频率调节旋钮“Frequency”，设定所需的频率值（可由频率显示窗读取）

3转动幅度调节旋钮“AMPL”，设定所需的输出电压值（有效值）（可由晶体管毫伏表读出电压值，也可在示波器上观察波形振幅的变化）

4如欲衰减输出信号，可拉起“AMPL”旋钮从而获得20dB的衰减，或按下按键⑨（ATT-20dB）以取得另一个20dB的衰减

（3）脉冲波产生

1首先按下函数功能选择键⑩之中的方波键，然后选择频段选择按键⑾中的适当值，转动频率调节旋钮“Frequency”，设定所需的频率值

2拉起函数周期调节旋钮“DUTY”并旋转以调整脉冲宽度

3转动幅度调节旋钮“AMPL”，控制脉冲波振幅的大小

4拉起幅度调节旋钮“APML”以获得20dB的衰减波形

（4）斜波的产生

1首先按下功能函数选择键⑩之中的三角波键，然后选择频段选择按键⑾中的适当值，转动频率调节旋钮“Frequency”，设定所需的频率值

2拉起函数周期调节旋钮“DUTY”并旋转以调整脉冲宽度

3转动幅度调节旋钮“AMPL”，控制斜波振幅的大小

4拉起幅度调节旋钮“APML”以获得20dB的衰减波形

（5）TTL/CMOS信号的输出

1首先选择频段选择按键⑾其中之一，转动频率调节旋钮“Frequency”，设定所需的频率值

2连接“TTL/CMOS”的输出信号至示波器以观察输出信号

3此时输出波形被设定为TTL电位的方波输出，适用于一般TTL的整体电路

4如欲输出为CMOS的方波信号，只要拉起TTL与CMOS波形选择旋钮“TTL/CMOS”即可调整其电压准位

（5）外部电压控制频率的变化

1选择函数功能选择键⑩之中的波形，然后选择频段选择按键⑾中的某一频段，转动频率调节旋钮“Frequency”，设定所需的频率值

2从“VCFINPUT”（在后面板）输入外部电压控制值（（0±10））V，并由“OUTPUT”产生信号

3其他调整。

如旋转“AMPL”旋钮，可改变信号振幅的大小，或得到衰减。

调整“OFFSET”旋钮可改变信号的直流偏置。

旋转“DUTY”旋钮可改变脉冲波和斜波输出信号的脉宽和斜率

4.2.5信号源常见故障与简单维护

1.常见故障

信号发生器常见故障现象时无信号电压输出、信号电压输出不足、输出波形失真、输出信号无调制等。

2.信号发生器故障检修程序

（1）表面初步检查

检查信号发生器面板上的开关、旋钮、接线柱、插口、表头、度盘以及熔丝管插塞等是否松脱、错位、断线、卡死等明显故障；检查仪器内部电路中的元件、器件、部件等是否松动，烧焦、霉烂、漏液等明显故障。

（2）通电定性测试

在已确定仪器内部无短路故障的基础上（即不烧熔丝），可进一步开机通电进行定性测试，借助外接电子示波器，检测各频段（或波段）是否都有相应幅度和波形的信号输出，以便确定输出不足，输出不稳，波形失真，甚至无信号输出等故障现象的性质、范围、程度，作为故障原因分析的依据。

（3）测试电源电压

信号发生器的工作状况受电源电压变动的影响很大，因此，特别是对具有稳压电路的信号发生器和脉冲信号发生器，在正式检修前，应使用调压自耦变压器和交流电压表，以检测交流市电电压的变动范围对仪器故障现象的影响，往往就会发现问题。

（4）测量直流电压

信号发生器内部的各种直流电源电压是否正常，是分析故障原因的基础，特别是脉冲信号发生器的直流电源电压较多，应在仪器规定的交流电源电压允许变动范围内，使用万用表检测各种直流电源电压是否正常。

（5）观察工作波形

对于信号发生器的无输出、输出不足、输出不稳定以及输出波形失真等常见故障的检修，采用外接电子示波器，从仪器的主振电路开始，依序向后边各级电路推移，以便观测其输出与输入波形、幅度，就能很快确定产生故障的电路部分，有助于分析故障原因和拟定进一步的测量方案。

（6）分析、测试、整修

对于信号发生器的故障检修，在已确定故障的电路部分的基础上，可进一步研究有关电路部分的工作原理，分析产生故障的可能原因，然后拟定测试方案。

通常先参照仪器说明书提供的晶体管各电极工作点电压的数据，采用“测量电压法”进行对比，以便发现问题分析原因，然后再对有疑问的电子器件或电路元件，采用“测量电阻法”、“器件替代法”、“测试器件法”等来确定其好坏。

必要时也可采用“改变现状法”变动半可变器件的旋置部位，或重新焊接、清洗、触动有疑问的焊点、接触点、插接件等，以观察其对故障现象的反应，这样就能查出毛病进行整修。

4.3任务实现

4.3.1模拟信号源实验

实验目的

1、熟悉各种模拟信号的产生方法及其用途。

2、观察分析各种模拟信号波形的特点。

实验内容

1、测量并分析各测量点波形及数据。

2、熟悉几种模拟信号的产生方法，了解信号的来源、变换过程和使用方法。

实验模块

1、通信原理0号模块一块

2、示波器一台

实验原理

模拟信号源电路用来产生实验所需的各种低频信号：

同步正弦波信号、非同步信号、音乐信号和载波信号。

1、同步正弦波信号

1）功用

同步信号源用来产生与编码数字信号同步的2KHz正弦波信号，可用在PAM抽样定理、增量调制、PCM编码实验，作为模拟输入信号。

2）电路原理

图4.16为同步正弦信号发生器的电路图。

它由2KHz方波信号产生器（图中省略了）、同相放大器和低通滤波器三部分组成。

图4.16同步正弦波产生电路

2KHz的方波信号由CPLD可编程器件U8内的逻辑电路通过编程产生。

“2K同步正弦波”为其测量点。

U19A及周边的电阻组成一个的同相放大电路，起到隔离和放大作用。

U19C及周边的阻容网络组成一个截止频率为2K的二阶低通滤波器，滤除方波信号里的高次谐波和杂波，得到正弦波信号。

调节W1改变同相放大器的放大增益，从而改变输出正弦波的幅度（0～5V）。

2、非同步信号源

非同步信号源利用混合信号SoC型8位单片机C8051F330，采用DDS（直接数字频率合成）技术产生。

通过波形选择器S6选择输出波形，对应发光二极管亮。

它可产生频率为180Hz~18KHz的正弦波、180Hz~10KHz的三角波和250Hz~250KHz的方波信号。

按键S7、S8分别可对各波形频率进行增减调整。

如图4.17所示。

非同步信号输出幅度为0~4V，通过调节W4改变输出信号幅度。

可利用它定性地观察通信话路的频率特性，同时用作增量调制、脉冲编码调制实验的模拟输入信号。

图4.17非同步信号发生器电路

3、载波产生电路

1）功用

载波产生电路用来产生数字调制所需的正弦波信号，频率有6