电子测量技术基础-第3章-1

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1、E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 系统误差分析系统误差的特性，系统误差的判断方法(理论分析法、校准和比对法、改变测量条件法、剩余误差观察法、公式判断法)，消除系统误差产生的根源，消除系统误差的测量技术(零示法、替代法、补偿法、对照法、微差法、交叉读数法)，消除或消弱系统误差的其他方法 系统误差的合成误差的综合；常用函数的合成误差(和差函数、乘积函数、商函数、幂函数的合成误差)；系统的不确定度 测量数据的处理有效数字的处理(有效数字，舍入规则，有效数字的运算规则)；等精度测量结果的处理2E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础3E-m

2、ail: 西南科技大学电子测量技术基础4E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础5E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础6E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.1.1 信号发生器的用途 信号源的用途主要有以下三方面：激励源 信号仿真 标准信号源7信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器图图3.1 3.1 信号源的功用信号源的功用输输 入入激激 励励信信号号发发生生器器被被测测设设备备测测试试仪仪器器输输 出出响响 应应E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础8E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.1.2 信号发生器的分类 l.按频率

3、范围分类 按照输出信号的频率范围，有表3.1-1所示的划分：9 名名 称称 频率范围频率范围 主要应用领域主要应用领域超低频信号发生器低频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器30kHz以下30 kHz300 kHz300 kHz6 MHz6 MHz30 MHz30 MHz300 MHz300 MHz3000 MHz电声学、声纳电报通讯无线电广播广播、电报电视、调频广播、导航雷达、导航、气象E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.1.2 信号发生器的分类(续)2.按输出波形分类 正弦波形发生器；非正弦波形发生器 脉冲信号发生器；函数信号发生器；噪声信号

4、发生器;扫频信号发生器;图形信号发生器10E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.1.2 信号发生器的分类(续)3.按信号发生器的性能分类 一般信号发生器 指对其输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类发生器；标准信号发生器 指其输出信号的频率、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11E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.1.2 信号发生器的分类(续)4.其他分类方式 按照使用范围：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就属于专用信号发生器)；按照调节方式：普通信号发

5、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：谐振信号发生器、锁相信号发生器及合成信号发生器等。随着电子技术水平的不断发展，信号发生器的功能越来越齐全，性能越来越优良，同一台信号发生器往往具有相当宽的频率复盖，又具有输出多种波形信号的功能。(例如：德国哈迈的HM8134-2)12E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础13E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.1.3 信号发生器的基本构成14图3.1-3 信号发生器原理框图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.1.3 信号发生器的基本构成(续)振荡器：产生不同频率、不同波形的信号。产生不同频段、不同波形信号

6、的振荡器原理、结构差别很大。变换器：可以是电压放大器、功率放大器、调制器或整形器输出级：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。15图3.1-3 信号发生器原理框图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.1.3 信号发生器的基本构成(续)指示器：指示器用来监视输出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计和调制度表等，有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器。使用时可通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其他特性。电源：提供信号发生器各部分的工作电源电压。通常是将50Hz交流市电整流成直流并有良好的稳压措施。16图3.1-3 信号发生器原理框图E-m

7、ail: 西南科技大学电子测量技术基础17E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.1.4 信号发生器的发展趋势 随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器除带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外，还带有IEEE-488或RS232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率复盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。18E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础19E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础20E-mail:

8、西南科技大学电子测量技术基础 正弦信号发生器最普通、应用最广泛的原因：原因：正弦信号容易产生 容易描述又是应用最广的载波信号 任何线性双口网络的特性，都可以用它对正弦信号的响应采表征 被测器件、设备各项性能参数的测量质量将直接依赖于信号发生器的性能 通常用频率特性、输出特性和调制特性(俗称三大指标)来评价正弦信号发生器的性能。21E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.2.1 频率特性 1.频率范围 指信号发生器所产生的信号频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率复盖，在此范围内应满足全部误差要求。例1：国产XDl型信号发生器的输出信号频率范围为1Hz1MHz，分六档

9、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迭。例2：美国HP公司HP-8660C型频率合成器产生的正弦信号的频率范围为主0kHz2600MHz，可提供间隔为1Hz总共近26亿个分立频率。22E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 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 式中f0为度盘或数字显示数值，f1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 用度盘读数的信号发生器频率准确度约为(110)精密低频信号发生器频率准确度可达0.5 频率合成技术带有数字显示的信

10、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l0-810-1023%100110fffE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3 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预调值变化的大小。频率短期稳定度：频率长期稳定度24%1000minmaxfffyHzx610 预调频率的E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 4 由温度、电源、负载变化而引起的频率变动量 1).温度引起的变动量 环境温度每变化工所产生的相对频率变化，表示为：预调频率

11、的x.10-6，即 式中t为温度变化值，f0为预调值，f1为温度改变后的频率值.25Ctfff/1010)(60601E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 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 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 式中f1为空载时的输出频率，f2为额定负载时的输出频率。26606011010)(fff616121010)(fffE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.2.2 输出特性 1.输出阻抗 信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。

12、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。27E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 2.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lHz1MHz，5V，最大功率输出为10Hz700kHz(50、75、150、600)，4W。

13、28E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.非线性失真系数(失真度)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，并用非线性失真系数 表示 式中U1为输出信号基波有效值，为各次谐波有效值。由于 等较U1小得多，为了测量上的方便，也用下面公式定义y：29%100122322UUUUnnUUU、32nUUU、32%1002222122322nnUUUUUUE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.2.3 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。当调制信号由信

14、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。调制特性的恒量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频偏，调制线性等。30E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础31E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础32E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 特征：频率范围一般为1Hz1MHz。可产生频率和幅度可调的正弦波 可产生波形、频率、幅度、脉宽可调的波形 还能产生频率、幅度和脉宽均可调的矩形波 用途：测量收音机、组合音响、电子仪器、无线电接收机等电子设备的低频放大器的频率特征33E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 低频信号发生器的基本组

15、成框图：34图3.3.1 低频信号发生器的基本组成框图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.主振荡 主振荡用来产生低频正弦信号，其振荡频率范围即为信号发生器的有效频率范围。常见的电路形式有差频式和RC振荡两类35E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.主振荡(1)差频式振荡器36图3.3.2 差频式信号发生器原理图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.主振荡(1)差频式振荡器 优点：频率覆盖面比较宽 缺点：频率稳定性差，特别是f1与f2接近时，极易产生干扰，这样也就很难获得较低的差频输出。电路复杂，频率准电路复杂，频率准确度、稳定度较差，波形失真较大；确度、稳

16、定度较差，波形失真较大；37E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.主振荡(2)RC振荡器。为了克服差频式振荡器的缺点，现代低频信号发生器普遍采用RC振荡器。38E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.主振荡(2)RC振荡器。包括：RC移相振荡器、RC双T振荡器和RC文氏电桥振荡器 RC移相振荡器、RC双T振荡器存在频率特性不理想或调节不方便等缺点。RC文氏电桥振荡器具有输出波形好、振幅稳定、频率范围宽以及频率调节方便等优点39E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 RC文氏电桥振荡器谐振频率为 当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率和谐振频率分别为：40E-mail

17、: 西南科技大学电子测量技术基础 RC文氏电桥振荡器(续)幅频特性：相频特性：41 当f=f0时的反馈系数，且与频率f0的大小无关，此时的相角F=0。即调节谐振频率不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 RC文氏电桥振荡器(续)例：XD-22A型振荡电路 由热敏电阻Rt组成的负反馈支路主要起稳幅作用 整个电路频率的调节是通过改变桥路电阻值和电容值来实现的 用波段开关改变R1、R2进行频率粗调 用同轴双联可变电容改变C1、C2进行频率细调42XD-22A型振荡电路原理图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础

18、2.缓冲放大器 缓冲放大器兼有缓冲和电压放大的作用。缓冲的目的是为了隔离后级电路对主振荡电路的影响，保证主振频率稳定，一般采用射(源)极跟随器或运放组成的电压跟随器 放大的目的是为了使主振荡的输出电压达到预定技术指标，要求频带宽、谐波失真小、工作稳定等。43E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.电平调节器 相当于衰减器，用于改变信号发生器的输出电压和功率，通常分为连续调节和步进调节。连续调节由电位器实现 步进调节由电阻分压器实现44E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 电平调节器 由电位器Rp取出一部分电压加于R1R8组成的步进衰减器，调节电位器在不同位置，或调节波段开关S

19、处于不同档位，均可使衰减器输出不同的电压。信号发生器步进衰减器的表示通常有两种。一种是直接用步进衰减器的输出电压U0与输入电压Ui的比值表示。即U0/Ui。例如，当U0/Ui=0.1时，表示为*0.1。另一种是将上述比值取对数在乘以20，即20lg(U0/Ui)，其单位为dB。由于比值总是小于1，其对数必定为负值。45衰减器原理图E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 4.功率放大器 功率放大器对衰减器送来的电信号进行功率放大，使其能够达到额定的输出功率。要求功率放大器的工作效率高，谐波失真小。46E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 5.阻抗变换器 阻抗变换器用于匹配不同阻抗的

20、负载，以便获得最大输出功率47E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 6.电压指示表 电压指示表用于指示电压放大器的输出电压幅度48E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.NY2201D低频信号发生器 介绍 1、是一种数字显示、带频率计、真正的二合一高性能低频信号源 2、输出正弦波和方波，并有同步功能 3、使用同步功能可做整形器，滤波器，放大器使用 4、正弦波输出失真极小 5、是测放大器，音响及喇叭，频率响应等的理想设备 主要技术参数：频率范围：10Hz-1MHz分五段 7位LED显示，高精度灵敏度25mV 输出衰减：0db-20dB-40dB并可细调 正弦波输出：最大电压：7

21、.5Vrms 方波输出:测试范围:1Hz-100MHz 灵敏度:25mVrms 最大输入电压:1Hz-10MHz 25V 10MHz-100MHz 3V 同步范围:3振荡频率 最大输入:10Vrms49E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 2.AS1033低频信号发生器 介绍 AS1033低频信号发生器是新一代智能化产品。具有友好的人机对话界面，由于输出频率和幅度均为数字显示，克服了传统的信号发生器刻度盘读数的不便和误差。50E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 2.AS1033低频信号发生器 介绍 AS1033低频信号发生器是新一代智能化产品。具有友好的人机对话界面，由于输出

22、频率和幅度均为数字显示，克服了传统的信号发生器刻度盘读数的不便和误差。主要技术参数：1.正弦波特性：频率范围 2Hz 2MHz 信号幅度 0.5mVrms 5Vrms（可调）幅频特性 0.3 失真度 2Hz 20Hz 0.3，20Hz 200kHz 0.1，200kHz 2MHz 谐波分量-46dB 2.方波特性：最大输出电压 14Vp-p（无负载 中心电平为零）占空比系数 20-80（连续可调）输出频率调节，五位数码管显示频率 51E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 2.AS1033低频信号发生器 主要技术参数：3.频段调节 频率从2Hz 2MHz共分五档，根据需要可用轻触按钮在五

23、档内任选。4.频率调节 可用轻触按钮选择快调和慢调，有LED显示；可用数码开关来快调和慢调，根据手动的快和慢，频率相应变化快和慢。5.输出电压调节 三位数码管显示电压有效值或dB值，可通过一轻触按钮任意选择显示方式。电压粗调：采用轻触按钮调节，有20dB、40dB、60dB三档可选择。电压细调：采用电位器调节，在 0 20dB 内连续可调。52E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础53E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础54E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 特征 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，

24、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。用途 用于科研生产、测试、仪器维修和实验室55E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 功能特点 函数信号发生器设计上又分为模拟方式和数字合成方式。数字合成式函数信号源无论就频率、幅度、信号的信噪比(S/N)均优于模拟信号发生器，其锁相环(PLL)的设计使输出信号不仅是频率精难，而且相位判动及频率漂移均能达到相当稳定的状态 但数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。56E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 函数发生器的基本工作原理 先由积分电路和触发电路产生三

25、角波和方波，然后通过函数转换器(例如二极管整形网络)将三角波整形成正弦波。57E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.方波、三角波产生电路 这种电路由双稳态触发电路产生方法，经积分电路将方波变换成三角波。双稳态触发电路和积分电路都由正负电源供电，双稳态电路的输出为+E或-E。假定仪器开始工作时，双稳态角落电路左边A点为高电位E，右边B点为低电位-E。此时积分电路输入电压为-E，输出端D点电压将随时间成正比地上升，上升速度(斜率)决定于输入电压-E，分压电阻值R1、R2和时间常数Rc。58E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.方波、三角波产生电路 当经过时间T1，UD上升到

26、+Um时，电压比较器I输出一个触发脉冲，使双稳电路翻转，A点成为低电位-E，B点成为高电位E。此时积分电路输入电压为E，输出电压UD将以同样速度随时间成正比下降。当经过时间T2，UD下降到-Um时，电压比较器II有输出，使双稳电路翻转回去，完成一个循环周期。A点成为高电位，B点成为低电位，又开始下一个循环。如此不断循环产生振荡，只要在正负电源(E)和正负比较电平(Um)绝对值各自相等，在A点和B点就将得到极性相反的对称方波信号，D点将得到对称的三角波信号。函数发生器的波形闯如图(a)所示。其振荡频率等于59E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.方波、三角波产生电路 函数发生器的波形

27、闯如图(a)所示。其振荡频率等于 可见，换接电容器C或者用电位器调节电阻器R可以调节输出信号频率。改变电阻R2值也可以调节振荡频率，因此，如果用由一个电压控制的可变电阻(例如场效应管等)代替电阻器R2，就可以用电压来控制振荡频率(称压控振荡器)。60m21221)(2211CURRERRRTTTfE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.方波、三角波产生电路61E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 2.矩形脉冲和锯齿波产生电路 函数信号发生器还可用以产生矩形脉冲和锯齿波，这时只要在电阻器R上并联一个二极管(见虚线)。当B点电压为正(+E)时，二极管导通，其正向电阻很小，积分电阻

28、值(R+R)中的只R被它短路而变为R(R远小于R)，积分输出电压很快下降，当下降到-Um时，触发电路翻转，B点电压成为-E，此时二极管截止，积分电阻值又回到R+R，积分输出缓慢上升，形成止向锯齿波，波形如图(b)所示。如果二极管接法相反，则产生反向锯齿波。这样在A点和B点就可以得到极性相反的矩形脉冲，在D点得到锯齿波信号。62E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.正弦波转换电路 将三角波转换为正弦波的电路种类很多。利用低通滤波器滤除三角波中的高次谐波，就能把三角波变换成正弦波。因此，低通滤波器也是一种线性函数变换网络。滤波法虽然简单，但不适用于宽的频率范围。函数信号发生器中常用二极

29、管整形电路来讲三角波转换为正弦波。二极管整形电路下图所示。63E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.正弦波转换电路 二极管整形网络是用分段折线逼近的办法来实现三角波向正弦波的转换。我们知道，数学上任何一条曲线，都可以用不同斜率的若干直线段来近似模拟，正弦波也可以看成由许多斜率不同的直线段所组成，只要直线段尽量多，其近似程度就是足够好的。正弦波的折线近似波形下图所示。波形中的每一 直线段可由三角波经不同分压系数的电阻分压而得。二极管整形网络实际上就是一个由输入三角波电压控制的可变分压器，输入的三角波ui通过分压网络，使在输出电压不同时有不同的分压系数，使可输出近似的止弦波。64E-m

30、ail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.OI1643型函数信号发生器 主要特点 采用微控制，集成函数信号发生器芯片设计频率、幅度双显示 多种输出方式：点频、调幅，调频，扫频 技术参数 输出波形：正弦波、三角波、方波、锯齿波、正负脉冲波等 频率范围：0.2Hz-20MHz 幅度：10Vp-p(50W负载时)20Vp-p(1MW负载时)衰减：0dB/20dB/40dB/60dB四档精调;+20dB连续细调 直流电平设置范围：-5V+5V(50W时)；-10V+10V(1MW时)对称性范围：20%-80%（最小脉宽50us)；正弦波失真：1.2%三角波线性度：99%TTL输出：标准TTL方波输出(600W阻抗)65E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 2.AFG3000型函数信号发生器66E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础演讲完毕，谢谢观看！