第3章信號源的使用3.1概述

3.2EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器

3.3F40型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器

3.4信號源的工作原理

3.1概述

信號源(或稱信號發(fā)生器)是在電子測量中提供符合一定技術(shù)要求的電信號的儀器，是一種使用非常廣泛的電子測量儀器。

信號源，按照它的輸出波形大致可以分為四類：正弦信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器。實際測量中，正弦信號發(fā)生器的應(yīng)用最為廣泛。函數(shù)信號發(fā)生器，由于具有波形種類多、重復(fù)頻率低等特點，也是一種用途廣泛的通用儀器。本章主要討論這兩種信號發(fā)生器。另外，信號源按輸出頻率范圍的不同大致可分為以下六類：

超低頻信號發(fā)生器 0.0001Hz～1000Hz

低頻信號發(fā)生器 1Hz～1MHz

視頻信號發(fā)生器 20Hz～10MHz

高頻信號發(fā)生器 200kHz～30MHz

甚高頻信號發(fā)生器 30kHz～300MHz

超高頻信號發(fā)生器 300MHz以上

這里先了解一下正弦信號發(fā)生器的主要工作特性。

正弦信號發(fā)生器的工作特性通常分為頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性，其中包括30余項具體指標(biāo)，這里僅介紹幾項最常見的性能指標(biāo)。

1．頻率特性

(1)頻率范圍：信號源的各項指標(biāo)都能得到保證時的頻率輸出范圍，更確切地講，應(yīng)稱為“有效頻率范圍”。

(2)頻率準(zhǔn)確度：信號源讀盤(或數(shù)字顯示)數(shù)值f與實際輸出信號頻率fo間的偏差，可用頻率的絕對偏離(絕對誤差)或用相對偏差(相對誤差)來表示，即

(2-1)

(3)頻率穩(wěn)定度：在其他外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內(nèi)，信號源輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小。頻率穩(wěn)定度實際上是頻率不穩(wěn)定度，它表示頻率源能夠維持恒定頻率的能力。對于頻率穩(wěn)定度的描述往往引入時間概念，如4×10－3/小時、5×10－9/天。

2．輸出特性

一個正弦信號源的輸出特性主要包括：

(1)輸出信號的幅度：常采用兩種表示方式，其一，直接用正弦波的有效值(單位為V、mV、μV)表示；其二，用絕對電平(單位為dBm、dB，關(guān)于電平概念，請參照分貝測量一節(jié))表示。

(2)輸出電平范圍：表征信號源能提供的最小和最大輸出電平的可調(diào)范圍。

(3)輸出電平的頻響：在有效頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率時，輸出電平的變化，也就是輸出電平的平坦度。

(4)輸出電平準(zhǔn)確度：對常用電子儀器，常采用“工作誤差”來評價儀器的準(zhǔn)確度。

(5)輸出阻抗：信號源的輸出阻抗視其類型不同而異。低頻信號源的輸出阻抗一般有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω幾種，高頻信號源一般為50Ω或75Ω不平衡輸出。

(6)輸出信號的頻譜純度：反映信號輸出波形接近正弦波的程度，常用非線性失真度(諧波失真度)表示。一般信號源的非線性失真度應(yīng)小于1%。

3．調(diào)制特性

高頻信號發(fā)生器在輸出正弦波的同時，一般還能輸出一種或一種以上已被調(diào)制的信號，多數(shù)情況下是調(diào)幅信號和調(diào)頻信號，有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制等功能。當(dāng)調(diào)制信號由信號源內(nèi)部電路產(chǎn)生時，稱為內(nèi)調(diào)制；當(dāng)調(diào)制信號由外部加入信號進行調(diào)制時，稱為外調(diào)制。

調(diào)制特性主要包括調(diào)制類型、調(diào)制頻率、調(diào)制系數(shù)和調(diào)制線性度。調(diào)制線性度是指載波信號被調(diào)制后，被調(diào)制量的變化規(guī)律與調(diào)制信號變化規(guī)律的結(jié)合程度。

3.2EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器

1.概述

EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器為波段式(按十進制分類共分七擋，即0.3Hz～3Hz、3Hz～30Hz、30Hz～300Hz、300Hz～3kHz、3kHz～30kHz、30kHz～300kHz、300kHz～3MHz等)低頻函數(shù)信號發(fā)生器，采用大規(guī)模單片集成精密函數(shù)發(fā)生器電路，使得該機具有很高的可靠性及優(yōu)良的性能/價格比。

EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的基本功能包括：

(1)主函數(shù)信號輸出(包括正弦、方波、三角波對稱與不對稱輸出)。

(2)?TTL信號輸出及CMOS信號輸出。

(3)掃頻信號輸出。

(4)外測頻功能(計數(shù)器功能)。

2.?EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的使用

1)主函數(shù)輸出

EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的主函數(shù)輸出面板如圖3-1所示。

下面對面板上各個部分進行說明。

(1)頻率顯示窗口：顯示輸出信號的頻率；或儀器在外測頻狀態(tài)下，顯示外部被測信號的頻率。

(2)幅度顯示窗口：顯示輸出信號的幅度。圖3-1EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器面板

(3)頻率調(diào)節(jié)旋鈕：在同一波段范圍內(nèi)進行頻率調(diào)節(jié)。

(4)頻率波段開關(guān)：選擇儀器七個波段的任意一個波段。

(5)輸出波形選擇按鍵：可選擇正弦波、三角波、脈沖波輸出。

(6)“波形對稱性”調(diào)節(jié)旋鈕：可改變輸出信號的對稱性，即方波變?yōu)槊}沖波，三角波變?yōu)殇忼X波。

(7)輸出幅度衰減按鍵：若“20dB”、“40dB”鍵均不按下，則輸出信號不經(jīng)衰減，直接輸出到插座口；若“20dB”、“40dB”鍵分別按下，則輸出信號分別衰減20dB或40dB。

(8)“直流電平”調(diào)節(jié)旋鈕：為交流信號加載直流電平，調(diào)節(jié)范圍為－5V～+5V(50Ω負(fù)載)，當(dāng)電位器處在中心位置時，直流電平為0V。

(9)“幅度”調(diào)節(jié)旋鈕：調(diào)節(jié)函數(shù)信號幅度，調(diào)節(jié)范圍為2V～20V(1MΩ負(fù)載)；1V～10V(50Ω負(fù)載)。這里的幅度是峰峰值。

(10)主函數(shù)輸出端口，可輸出正弦波、方波、三角波等信號。

使用EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器輸出50Ω主函數(shù)信號的步驟如下：

(1)用與50Ω輸出阻抗相匹配的測試電纜連接“50Ω函數(shù)輸出”端口。

(2)由頻率波段開關(guān)選定輸出函數(shù)信號的頻段，由頻率調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整輸出信號的頻率，直到所需的工作頻率值。

(3)由輸出波形選擇按鈕選定輸出函數(shù)的波形，分別獲得正弦波、三角波、脈沖波。

(4)由“幅度”調(diào)節(jié)旋鈕和衰減按鍵調(diào)節(jié)輸出信號的幅度。

(5)由直流“電平”調(diào)節(jié)旋鈕選定輸出信號所攜帶的直流電平。

(6)由“波形對稱性”調(diào)節(jié)旋鈕改變輸出脈沖信號的占空比，與此類似，輸出波形為三角波或正弦波時可使三角波調(diào)變?yōu)殇忼X波，正弦波調(diào)變?yōu)檎胫芘c負(fù)半周分別為不同角頻率的正弦波形，且可移相180°。

例1

輸出正弦信號f=2.0012kHz，UP-P=?5.0V。

打開EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的電源開關(guān)，按如下步驟操作：

(1)按下輸出波形選擇按鍵，選擇正弦波，即正弦指示燈亮。

(2)按下頻率波段開關(guān)，選定輸出信號的頻段，f=2.0012kHz時，選擇1kHz波段，此時1kHz波段指示燈亮。

(3)調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)整輸出信號的頻率，使頻率顯示窗口顯示所需頻率為2.0012kHz。

(4)調(diào)節(jié)“幅度”調(diào)節(jié)旋鈕，使幅度顯示窗口顯示要求的峰峰值(該儀器顯示為5.0V)，此時信號源面板狀態(tài)如圖3-2所示。圖3-2實例操作

(5)將測試電纜連接至“50Ω函數(shù)輸出”端口，通過示波器即可看到如圖3-3所示的波形。圖3-3正弦波波形

(6)由輸出波形選擇按鍵設(shè)定輸出為“方波”(本質(zhì)為脈沖波)，信號源輸出的方波信號占空比為50%，波形如圖3-4所示。圖3-4方波信號波形若要改變方波信號的占空比，可通過“波形對稱性”調(diào)節(jié)旋鈕進行調(diào)節(jié)。注意，對于這種不能定量調(diào)節(jié)的儀器，應(yīng)配合示波器觀察占空比大小。如圖3-5所示，方波占空比達(dá)到30%。圖3-5占空比為30%的方波脈沖信號占空比是指高電平持續(xù)時間與全周期的百分

比，如圖3-6所示， 。

當(dāng)輸出波形為三角波時，由“波形對稱性”調(diào)節(jié)旋鈕可將其變?yōu)殇忼X波。圖3-6脈沖信號的占空比

(7)當(dāng)“直流電平”調(diào)節(jié)旋鈕關(guān)上(左旋到底)時，信號源輸出的是純交流信號，如圖3-7(a)所示。若要在交流信號中加入直流電平，可打開“直流電平”調(diào)節(jié)旋鈕，輸出波形如圖3-7(b)所示。圖3-7加載直流電平的交流信號波形變化

2)?TTL信號及CMOS信號輸出

使用EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器輸出TTL信號與CMOS信號，相關(guān)按鍵與旋鈕如圖3-8所示。

“CMOS電平調(diào)節(jié)”旋鈕：旋鈕“關(guān)”(左旋到底)時，輸出為TTL信號；打開旋鈕即可進行CMOS信號電平調(diào)節(jié)。

“TTL/CMOS輸出”端口：輸出TTL信號或CMOS信號。

使用EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器輸出TTL脈沖信號的操作如下：

(1)除信號電平為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平外，其頻率調(diào)節(jié)操作均與函數(shù)輸出信號相同。

(2)連接測試電纜，由“TTL/CMOS輸出”端口輸出TTL脈沖信號。圖3-8TTL/COMS信號輸出相關(guān)面板

3)掃頻輸出及計數(shù)器功能

使用EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器實現(xiàn)掃頻輸出及計數(shù)器功能，相關(guān)的按鍵與旋鈕如圖3-9所示。

(1)“掃頻/計數(shù)”按鍵：選擇掃頻功能時，可用來選擇多種掃頻方式(內(nèi)部線性、內(nèi)部對數(shù)、外部掃頻)及外測頻方式，并有相關(guān)指示燈指示；選擇計數(shù)功能時，可使儀器處于計數(shù)器(外測頻)狀態(tài)，并有相應(yīng)指示燈亮。

(2)“掃描速率”調(diào)節(jié)旋鈕(雙功能旋鈕)：選擇掃頻功能時，調(diào)節(jié)此旋鈕可以改變內(nèi)掃頻的時間長短；選擇外測頻(計數(shù)器)功能時，將旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)到底(綠燈亮)，則外輸入測量信號經(jīng)過低通開關(guān)進入測量系統(tǒng)。圖3-9掃頻功能相關(guān)面板

(3)“掃描寬度”調(diào)節(jié)旋鈕(雙功能旋鈕)：在掃頻狀態(tài)下，調(diào)節(jié)此旋鈕可改變掃頻信號的頻率寬度；在外測頻時，將旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)到底(綠燈亮)，則外輸入測量信號經(jīng)過衰減“20dB”進入測量系統(tǒng)。

(4)計數(shù)輸入：當(dāng)“掃頻/計數(shù)”按鍵選擇在外掃描或外計數(shù)狀態(tài)時，外掃描控制信號或外測頻信號由此輸入。

使用EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器輸出內(nèi)掃頻信號的操作如下：

(1)“掃頻/計數(shù)”按鍵選定為“內(nèi)掃描方式”(內(nèi)部線性或內(nèi)部對數(shù))。

(2)分別調(diào)節(jié)“掃描寬度”旋鈕和“掃描速率”旋鈕以獲得所需的掃頻信號輸出。

(3)由“50Ω函數(shù)輸出”端口、“TTL/CMOS輸出”端口均能輸出相應(yīng)的內(nèi)掃描掃頻信號。

掃頻信號的特點是通常為正弦波，幅度處處相等，頻率在一定范圍內(nèi)按照線性或?qū)?shù)規(guī)律重復(fù)變化。

例2

信號源輸出掃頻信號，且選擇內(nèi)部線性掃描方式。

操作步驟如下：

(1)打開EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的電源開關(guān)。

(2)按下“掃頻/計數(shù)”按鍵，使“內(nèi)部線性”指示燈亮(若要求頻率對數(shù)變化，則是“內(nèi)部對數(shù)”指示燈亮)。

(3)按下波形選擇開關(guān)，選擇正弦波，即正弦波指示燈亮(從“TTL/CMOS輸出”端口輸出的信號波形為方波)。

(4)從“50Ω函數(shù)輸出”端口輸出信號，并在示波器上進行觀察。

(5)調(diào)節(jié)“掃頻速率”旋鈕和“掃頻寬度”旋鈕，以調(diào)整掃頻信號的頻率變化快慢及頻率變化范圍，直至示波器上能夠觀察到清晰的掃頻信號。

4)計數(shù)器功能

由EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器實現(xiàn)計數(shù)器功能時相關(guān)的按鍵與旋鈕如圖3-10所示。

EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器用作計數(shù)器時的操作如下：

(1)將“掃頻/計數(shù)”按鍵選定為外部計數(shù)方式。

(2)將“掃描寬度”旋鈕和“掃描速率”旋鈕左旋到底，使綠燈亮，此時這兩個旋鈕功能分別為“外計數(shù)信號衰減”和“外計數(shù)信號低通濾波”。

(3)信號從“計數(shù)輸入”端輸入，經(jīng)過“濾波”或“20dB”衰減后，進入測量系統(tǒng)。

(4)在頻率窗口中觀察測量結(jié)果。圖3-10計數(shù)器功能相關(guān)面板

3.?EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器操作練習(xí)

1)主函數(shù)信號輸出

(1)輸出正弦信號f=?1.5kHz，UP-P=?5.0V。

(2)輸出方波信號f?=?1.5kHz，UP-P=?5.0V，并使用“波形對稱性”旋鈕使其占空比分別為30%、50%、80%；

(3)輸出方波信號f?=?1.5kHz，UP-P=?2.0V，且加載1V的直流電平。

(4)輸出三角波，參數(shù)如上，并將其變?yōu)殇忼X波。

2)?TTL/COMS信號輸出

(1)輸出1kHzTTL信號，測試其高低電平。

(2)輸出1kHzCOMS信號，觀測其高電平范圍。

3)內(nèi)掃描輸出掃頻信號

掃頻信號參數(shù)如下：

波形：正弦波。

幅度：處處相等，UP-P=2.0V。

頻率變化規(guī)律：內(nèi)部線性或內(nèi)部對數(shù)。

頻率變化范圍：1kHz～3kHz。

頻率變化快慢：根據(jù)波形顯示情況自行調(diào)節(jié)。

4)外測頻功能

從一臺信號源輸出1.279kHz的正弦信號，用另一臺信號源的測頻功能測量其頻率。

4．EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的主要技術(shù)參數(shù)

在使用任意一臺信號源之前，應(yīng)熟悉其相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，明確信號源的特性及使用范圍。

(1)輸出頻率范圍：0.3Hz～3MHz，按十進制分為七擋。

(2)輸出阻抗：“50Ω函數(shù)輸出”時輸出阻抗為50Ω；“TTL/CMOS輸出”時輸出阻抗為600Ω。

(3)輸出波形：“50Ω函數(shù)輸出”(對稱或非對稱輸出)時波形為正弦波、三角波、方波；“TTL/CMOS輸出”時波形為脈沖波。

(4)輸出信號幅度：在“50Ω函數(shù)輸出”(不衰減)時輸出信號幅度為(2VP-P～20VP-P)±10%(空載)；在“TTL/CMOS輸出”時，若輸出脈沖“0”電平，則信號幅度不大于0.8V；若輸出“1”電平，則信號幅度不小于1.8V(負(fù)載電阻≥600Ω)。

(5)直流電平范圍：(－10V～+10V)±10%(50Ω負(fù)載)。

(6)非對稱性(SYM)調(diào)節(jié)范圍：20%～80%。

(7)掃描方式：內(nèi)掃描方式(線性/對數(shù))、外掃描方式(由VCF輸出信號決定)。

(8)輸出信號特征：正弦波失真度小于1%，三角波線性度大于99%，脈沖波上升沿、下降沿過沖不大于5%(50Ω負(fù)載)。

(9)輸出信號穩(wěn)定度：±0.1%/min。

5.?EE1641B型函數(shù)信號發(fā)生器的頻率計數(shù)器技術(shù)參數(shù)

(1)頻率測量范圍：0.2Hz～20000kHz。

(2)輸入電壓范圍(衰減器為0dB)：

①

50mV～2V(信號頻率在10Hz～20000kHz范圍內(nèi))。

②

100mV～2V(信號頻率在0.2Hz～10Hz范圍內(nèi))。

(3)輸入阻抗：500kΩ//30pF。

(4)波形適應(yīng)性：正弦波、方波。

(5)濾波器截止頻率：大約100kHz(帶內(nèi)衰減，滿足最小輸入電壓要求)。

(6)計數(shù)器測量時間：0.1s(被測信號頻率大于等于10Hz時)；等于單個被測信號周期(被測信號頻率小于10Hz時)。 3.3F40型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器

1．概述

F40型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器是一種精密的測試儀器，除具有輸出函數(shù)信號的功能外，還具有調(diào)頻、調(diào)幅、鍵控(頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK)、猝發(fā)、頻率掃描等功能。此外，本儀器還具有測頻和計數(shù)的功能，是電子工程師、電子實驗室、生產(chǎn)線及教學(xué)、科研的理想測試設(shè)備。

該儀器的主要特點如下：

(1)采用直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS)。

(2)主波形輸出頻率為100μHz～40MHz。

(3)小信號輸出幅度可達(dá)0.1mV。

(4)脈沖波占空比分辨率高達(dá)千分之一。

(5)數(shù)字調(diào)頻分辨率高、準(zhǔn)確。

(6)猝發(fā)模式具有相位連續(xù)調(diào)節(jié)功能。

(7)頻率掃描輸出可任意設(shè)置起點、終點頻率。

(8)調(diào)幅調(diào)制度1%～120%可任意設(shè)置。

(9)輸出波形達(dá)30余種。

(10)具有頻率測量和計數(shù)的功能。

2．F40型DDS高頻函數(shù)信號發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo)

1)波形特性

(1)主波形：正弦波、方波、三角波、鋸齒波、TTL波。

正弦波失真度：≤0.1%(20Hz～100kHz)。

方波上升(下降)時間：≤15ns。

(2)儲存波形：正弦波、方波、三角波、脈沖波、鋸齒波、階梯波等27種波形。

脈沖波占空比：0.1%～99.9%(頻率≤10kHz)、1%～99%(10kHz～100kHz)。

脈沖波上升(下降)時間：≤100ns。

2)頻率特性

(1)頻率范圍：

主波形：100μHz～40MHz。

儲存波形：100μHz～100kHz。

(2)頻率誤差：≤±?5?×?10-6。

(3)頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于±?1?×?10-6。

3)幅度特性

(1)幅度范圍(頻率≤40MHz)：2mVP-P～20VP-P(高阻)，1mVP-P～10VP-P(50Ω負(fù)載)。

(2)最高分辨率：2μVP-P(高阻)，1μVP-P(50Ω)。

(3)幅度誤差：≤(±1%?+?0.2)mV(基準(zhǔn)信號為1kHz正弦波)。

(4)幅度穩(wěn)定度：±0.5%/3小時。

(5)平坦度(幅度≤2VP-P)：±3%(頻率≤5MHz)，±10%(頻率≤40MHz)。

(6)輸出阻抗：50Ω。

(7)幅度單位：VP-P，mVP-P，Vrms，mVrms，dBm。

4)偏移特性

(1)直流偏移(高阻，頻率≤40MHz)：±10V(偏移絕對值≤2VP-P)。

(2)偏移誤差：≤±(5%+?10)mV(信號幅度≤2VP-P(高阻))。

5)調(diào)幅特性

(1)載波信號：波形為正弦波或方波，頻率范圍同主波形。

(2)調(diào)制方式：內(nèi)調(diào)制或外調(diào)制。

(3)調(diào)制信號：內(nèi)部5種波形(正弦、方波、三角、升鋸齒、降鋸齒)或外部輸入信號。

(4)調(diào)制信號頻率：100μHz～20kHz。

(5)調(diào)制信號失真度：≤2%。

(6)調(diào)制深度：1%～120%。

6)調(diào)頻特性

(1)載波信號：波形為正弦波或方波，頻率范圍同主波形。

(2)調(diào)制方式：內(nèi)調(diào)制或外調(diào)制。

(3)調(diào)制信號：內(nèi)部5種波形(正弦、方波、三角、升鋸齒、降鋸齒)。

(4)調(diào)制信號頻率：100μHz～10kHz。

(5)頻偏：內(nèi)調(diào)頻最大頻偏為載波頻率的50%；外調(diào)頻最大頻偏為載波頻率的10%，輸入信號電壓為3VP-P(－1.5V～+1.5V)。

(6)外調(diào)頻：載波頻率精確度不大于10－2，頻偏誤差不大于±20%。

7)頻率掃描特性

(1)信號波形：正弦波和方波。

(2)掃描范圍：掃描起始點頻率100μHz≤f≤40MHz;掃描終止點頻率100μHz≤f≤40MHz。

(3)掃描時間：1ms～800s(線性掃描)，100ms～800s(對數(shù)掃描)。

(4)掃描方式：線性掃描和對數(shù)掃描。

(5)外觸發(fā)：當(dāng)掃描方式為線性掃描時，信號頻率不大于1kHz；當(dāng)掃描方式為對數(shù)掃描時，信號頻率不大于10Hz。

(6)控制方式：分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種。

儀器其他技術(shù)指標(biāo)可參照儀器使用說明書。

3．F40型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器面板結(jié)構(gòu)

1)顯示說明

該儀器的顯示區(qū)分為四部分，如圖3-11所示。圖3-11F40型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器面板顯示部分

2)面板說明

該儀器的前面板主要包括數(shù)字鍵、功能鍵、其他特殊鍵幾部分，如圖3-12所示。圖3-12F40型信號源面板圖

4．F40型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器操作指導(dǎo)

1)點頻信號輸出功能

(1)頻率設(shè)定：點頻信號頻率設(shè)置范圍為100μHz～40MHz。

①按“頻率/周期”鍵，以顯示出當(dāng)前頻率。

②用數(shù)字鍵或調(diào)節(jié)旋鈕輸入要求的頻率值及單位，這時儀器輸出端口即有該頻率的信號輸出，顯示區(qū)即會顯示出該頻率值。

例3

設(shè)定頻率值5.8kHz，按鍵順序如下：

按“頻率/周期”鍵。

用數(shù)字鍵盤輸入“5”“·”“8”“kHz”或者“頻率/周期”“5”“8”“0”“0”“Hz”(也可以用調(diào)節(jié)旋鈕輸入)，顯示區(qū)都將顯示5.80000000kHz。

(2)周期設(shè)定：信號的頻率也可以用周期值的形式進行輸入和顯示。如果當(dāng)前顯示為頻率值，再按“頻率/周期”鍵，就會顯示出當(dāng)前周期值，還可用數(shù)字鍵或調(diào)節(jié)旋鈕輸入要求的周期值。

例4

設(shè)定周期值10ms，按鍵順序如下：

按“頻率周期”鍵。

用數(shù)字鍵盤輸入“1”“0”“ms”(也可以用調(diào)節(jié)旋鈕輸入)。

(3)幅度設(shè)定：

①按“幅度/脈寬”鍵，顯示出當(dāng)前幅度值。

②用數(shù)字鍵或調(diào)節(jié)旋鈕輸入要求的幅度值，這時儀器輸出端口即有該幅度的信號輸出。

例5

設(shè)定幅度值，峰峰值4.6V，按鍵順序如下：

按“幅度/脈寬”鍵。

用數(shù)字鍵盤輸入“4”“·”“6”“Vpp”(也可以用調(diào)節(jié)旋鈕輸入)。

(4)輸出波形選擇：分為常用波形選擇和其他波形選擇。

①常用波形的選擇：按下“Shift”鍵后再按下波形鍵，可以選擇正弦波、方波、三角波、升鋸齒波、脈沖波五種常用波形。同時波形顯示區(qū)顯示相應(yīng)的波形符號。

②一般波形的選擇：先按下“Shift”鍵再按下“Arb”鍵，顯示區(qū)即顯示當(dāng)前波形的編號和波形名稱。如“6：NOISE”表示當(dāng)前波形為噪聲。用數(shù)字鍵或調(diào)節(jié)旋鈕可輸入波形的頻率和幅度。

波形與編號的對應(yīng)關(guān)系如表3-1所示。表3-1波形與編號的對應(yīng)關(guān)系

(5)直流偏移設(shè)定：

①按“Shift”鍵后再按“偏移”鍵，顯示出當(dāng)前直流偏移值。

②用數(shù)字鍵或調(diào)節(jié)旋鈕輸入直流偏移值，這時儀器輸出端口即有該直流偏移的信號輸出。

例6

設(shè)定直流偏移值－1.6V，按鍵順序如下：

按“Shift”鍵，再按“偏移”鍵。

輸入數(shù)據(jù)“－”“1”“·”“6”“Vpp”，或者“Shift”“偏移”“1”“·”“6”“－”“Vpp”(也可以用調(diào)節(jié)旋鈕輸入)。

幅度和直流偏移的范圍滿足公式：|Uoffset|+UP-P/2≤Umax。其中UP-P為幅度的峰峰值，|Uoffset|為直流偏移的絕對值，Umax高阻時為10V，50Ω負(fù)載時為5V。

(6)占空比調(diào)整：

當(dāng)前波形為脈沖波時，如果顯示區(qū)顯示的是幅度值，再按一次“幅度/脈寬”鍵后可顯示出脈寬值。

調(diào)整范圍：頻率不大于10kHz時占空比為0.1%～99.9%，此時分辨率高達(dá)0.1%；頻率在10kHz～100kHz時占空比為1%～99%，此時分辨率為1%。線性掃描模式下，信號頻率自動增加一個步長值(步長值由儀器根據(jù)掃描起點頻率和終點頻率以及描時間自動算出)。起點頻率和終點頻率的輸入范圍均為100μHz～40MHz。

對數(shù)掃描模式下，信號頻率按照指數(shù)規(guī)律變化。起點頻率和終點頻率的輸入范圍均為1mHz～40MHz。

STARTF：掃描起點頻率，即掃描開始時的頻率(設(shè)置其頻率及幅度)。

STOPF：掃描終點頻率，即掃描結(jié)束時的頻率(設(shè)置其頻率及幅度)。

TIME：掃描時間，即從起點頻率到終點頻率掃描一次所用的時間。掃描時間的范圍為1ms～800s。

TRIG：掃描觸發(fā)方式，分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種。

掃頻信號的波形圖如圖3-13所示。圖3-13掃頻信號波形圖

例7

輸出頻率掃描信號：在500Hz～200kHz區(qū)間內(nèi)，掃描時間為10s，進行頻率線性掃描，觸發(fā)方式為內(nèi)部觸發(fā)。按鍵順序如下：

按“掃描”鍵，進入頻率掃描功能模式。

按“菜單”鍵，選擇掃描模式“MODE”選項，按“1”“N”鍵，設(shè)置掃描模式為線性。

按“菜單”鍵，選擇起點頻率“STARTF”選項，按“5”“0”“0”“Hz”鍵，設(shè)置起點頻率。

按“菜單”鍵，選擇終點頻率“STOPF”選項，按“2”“0”“0”“kHz”鍵，設(shè)置終點頻率。

按“菜單”鍵，選擇掃描時間“TIME”選項，按“1”“0”“s”鍵，設(shè)置掃描時間。

按“菜單”鍵，選擇觸發(fā)方式“TRIG”選項，按“1”“N”鍵，設(shè)置觸發(fā)方式為內(nèi)觸發(fā)。圖3-14調(diào)幅波波形圖

例8

載波信號為正弦，頻率為1MHz，幅度為2V；調(diào)制信號來自儀器內(nèi)部，調(diào)制波形為正弦波(波形編號為1)，調(diào)制信號頻率為5kHz，調(diào)制深度為50%。按鍵順序如下：

按“頻率”鍵，再按“1”“MHz”鍵，設(shè)置載波頻率。

按“幅度”鍵，再按“2”“Vrms”鍵，設(shè)置載波幅度。

按“Shift”鍵和“正弦”鍵，設(shè)置載波波形。

按“調(diào)幅”鍵，進入調(diào)幅功能模式。

按“菜單”鍵，選擇調(diào)制深度“AMLEVEL”選項，按“5”“0”“N”鍵，設(shè)置調(diào)制深度。

按“菜單”鍵，選擇調(diào)制信號頻率“AMFREQ”選項，按“5”“kHz”鍵，設(shè)置調(diào)制信號頻率。

FMDEVIA：調(diào)制頻偏。頻偏是指信號經(jīng)調(diào)制后最高頻率與載波頻率(中心頻率)的差值。

注意：頻偏的范圍在100μHz～20MHz之間。同時，在內(nèi)調(diào)頻時，F(xiàn)M頻偏的最大值不能大于載波頻率的50%，在外調(diào)頻時，F(xiàn)M頻偏的最大值不能大于載波頻率的10%，而且頻偏加載波的頻率不能大于儀器的最高工作頻率。

FMFREQ：調(diào)制信號的頻率。頻率的范圍為100μHz～10kHz?？捎脭?shù)字鍵或調(diào)節(jié)旋鈕輸入調(diào)制信號的頻率。

FMWAVE：調(diào)制信號的波形，共有5種波形可選。

FMSOURCE：選擇調(diào)制信號是機內(nèi)信號還是外輸入信號。

例9

載波信號為正弦，頻率為1MHz，幅度為2V；調(diào)制信號來自儀器內(nèi)部，調(diào)制波形為正弦波(波形編號為1)，頻率為5kHz，頻偏為200kHz。按鍵順序如下：

按“頻率”鍵，按“1”“MHz”鍵，設(shè)置載波頻率。

按“幅度”鍵，按“2”“Vrms”鍵，設(shè)置載波幅度。

按“Shift”鍵和“方波”鍵，設(shè)置載波波形。

按“調(diào)頻”鍵，進入調(diào)頻功能模式。

按“菜單”鍵，選擇調(diào)制頻偏[FMDEVIA]選項，按“2”“0”“0”“kHz”鍵，設(shè)置調(diào)制頻偏。

按“菜單”鍵，選擇調(diào)制信號頻率[FMFREQ]選項，按“5”“kHz”鍵，設(shè)置調(diào)制信號頻率。按“菜單”鍵，選擇調(diào)制信號波形[FMWAVE]選項，按“1”“N”鍵，設(shè)置調(diào)制信號波形為正弦波。

按“菜單”鍵，選擇調(diào)制信號源[FMSOURCE]選項，按“1”“N”鍵，設(shè)置調(diào)制信號源為內(nèi)部信號。

5．F40型函數(shù)信號發(fā)生器操作練習(xí)

(1)輸出1.56kHz，2VP-P正弦波、方波、三角波，并對上述方波信號加載0.5V的直流偏移。

(2)輸出1.5kHz、3.0VP-P以及占空比分別為20%、50%、80%的脈沖波。

(3)輸出AM信號：載波信號為正弦，頻率為15MHz，幅度為2.0V；調(diào)制信號來自內(nèi)部，調(diào)制波形為正弦波，調(diào)制信號頻率為1kHz，調(diào)制深度分別為30%、50%、80%、100%。

(4)輸出FM信號：載波信號為正弦，頻率為10MHz，幅度為2.0V；調(diào)制信號來自內(nèi)部，調(diào)制波形為正弦波，頻率為5kHz，頻偏為200kHz。

(5)輸出Sweep信號：信號頻率在1kHz～200kHz區(qū)間內(nèi)，掃描方式為線性，掃描時間為10s，觸發(fā)方式為內(nèi)觸發(fā)。

3.4信號源的工作原理

3.4.1低頻信號發(fā)生器

低頻信號發(fā)生器用來產(chǎn)生頻率為1Hz～1MHz的低頻正弦信號，它除了具有電壓輸出功能外，有的還可實現(xiàn)功率輸出。一些老式的低頻信號發(fā)生器的頻率范圍僅為20Hz～

20kHz，也稱為音頻信號發(fā)生器。低頻信號發(fā)生器可用于測試各種電子儀器以及家用電器中的低頻放大電路，也可用于測量揚聲器、傳聲器、濾波器等器件的頻率特性，還可以作為高頻信號發(fā)生器的外部調(diào)制信號源。

傳統(tǒng)的低頻信號發(fā)生器大多為波段式，其組成原理框圖如圖3-15所示。圖3-15低頻信號發(fā)生器的原理框圖

1．主振器

主振器一般采用RC文氏電橋振蕩電路來產(chǎn)生低頻正弦信號，其振蕩頻率范圍即為信號發(fā)生器的有效頻率范圍。通過改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電容器容量C來改變其波段，調(diào)節(jié)電位器R使同一頻段內(nèi)的頻率連續(xù)變化，如圖3-16所示。圖3-16頻率調(diào)節(jié)旋鈕

2．電壓緩沖放大器

電壓緩沖放大器兼有緩沖和電壓放大的作用，緩沖的目的是為了隔離后級電路對主振電路的影響，保證主振頻率穩(wěn)定，一般采用射極跟隨器或者集成運放組成的電壓跟隨器；放大的目的是為了使發(fā)生器的輸出電壓達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。

3．輸出衰減器

輸出衰減器用來改變信號發(fā)生器的輸出電壓或者功率，通常分為連續(xù)衰減和步進衰減，即儀器面板上的“幅度”調(diào)節(jié)旋鈕與“幅度衰減”按鍵，如圖3-17所示。連續(xù)衰減由可調(diào)電位器實現(xiàn)，步進衰減器由電阻分壓器實現(xiàn)。圖3-18所示為某型號低頻信號發(fā)生器中采用的衰減電路，由電位器RP取出一部分信號加于R1～R8組成的步進衰減器，調(diào)節(jié)電位器在不同位置或者調(diào)節(jié)開關(guān)S處于不同擋位，均可使衰減器輸出不同的電壓。通常，信號發(fā)生器中步進衰減器的表示有兩種，一種是直接用步進衰減器的輸出電壓Uout與輸入電壓Uin的比值來表示，即Uout/Uin，例如Uout/Uin=0.1時，表示為0.1；另一種用20lgUout/Uin來表示，單位為分貝(dB)，由于比值總是小于1，對數(shù)值必為負(fù)值，因而通常說衰減多少分貝。圖3-17幅度調(diào)節(jié)旋鈕旋鈕及按鍵圖3-18衰減器原理圖

4．功率放大器

功率放大器對衰減器送來的電壓信號進行功率放大，使之達(dá)到額定的功率輸出。對功率放大器的要求是：能輸出額定功率，工作頻率高，非線性失真小。

5．阻抗變換器

阻抗變換器用于匹配不同阻抗的負(fù)載，以便獲得最大輸出功率。

6．指示電壓表

指示電壓表可用開關(guān)來進行轉(zhuǎn)換：當(dāng)開關(guān)置于“1”時，指示電壓表指示電壓放大器的輸出電壓幅度；當(dāng)開關(guān)置于“2”時，指示電壓表指示功率放大器的輸出電壓幅度；當(dāng)開關(guān)置于“3”時，則指示電壓表對外部信號電壓進行測量。

3.4.2高頻信號發(fā)生器

高頻信號發(fā)生器指能夠產(chǎn)生頻率為300kHz～300MHz(允許向外延伸)的正弦信號，具有一種或者一種以上調(diào)制或者組合調(diào)制(正弦調(diào)幅、正弦調(diào)頻、斷續(xù)脈沖調(diào)制)的信號發(fā)生器，也稱為射頻信號發(fā)生器，它為高頻電子線路調(diào)試提供所需要的各種模擬射頻信號。

高頻信號發(fā)生器的基本組成如圖3-19所示，它主要包括主振級、緩沖級、調(diào)制放大級、輸出級以及監(jiān)測電路。圖3-19高頻信號發(fā)生器方框圖

(1)主振級：用于產(chǎn)生高頻振蕩信號，信號發(fā)生器的主要工作特性由本級決定。為保證主振有較高的頻率穩(wěn)定度，一般都采用弱耦合反饋到調(diào)制級，使主振級負(fù)載較小，并且高頻信號發(fā)生器多為波段式，振蕩電路通常采用LC振蕩器，用轉(zhuǎn)換電感的方法更換波段，在同一波段內(nèi)用改變電容的方法實現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)。

(2)緩沖級：主要起阻抗變換作用，用來隔離調(diào)制級對主振級可能產(chǎn)生的不良影響，保證主振級工作穩(wěn)定。

(3)調(diào)制級：有的儀器內(nèi)，調(diào)制級包括有放大器，用于放大振蕩信號，并且起緩沖作用。內(nèi)調(diào)制振蕩器供給符合調(diào)制級要求的音頻調(diào)制信號。調(diào)制的方式主要有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和脈沖調(diào)制。調(diào)幅多用于100kHz～35MHz的高頻信號發(fā)生器中，調(diào)頻主要用于30MHz～1000MHz的信號發(fā)生器中，脈沖調(diào)制多用于300MHz以上的微波信號發(fā)生器中。

(4)輸出級：由輸出衰減器組成，用于調(diào)節(jié)輸出電平的大小，同樣包括連續(xù)衰減器、步進衰減器以及電纜分壓器。

(5)監(jiān)測電路：用于指示載波電壓與調(diào)制度。3.4.3函數(shù)信號發(fā)生器

函數(shù)信號發(fā)生器是一種多波形信號源，它能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形，工作頻率可從幾毫赫茲(mHz)直到幾十兆赫茲(MHz)，一般能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，有的還可以產(chǎn)生鋸齒波、矩形波(寬度和重復(fù)周期可調(diào))、正負(fù)尖脈沖等波形。它還具有調(diào)頻、調(diào)幅等調(diào)制功能，可在生產(chǎn)、測試、維修儀器和實驗時作信號源使用。函數(shù)信號發(fā)生器除工作于連續(xù)狀態(tài)外，有的還能工作于鍵控、門控或外觸發(fā)方式。

構(gòu)成函數(shù)信號發(fā)生器的方案很多，通常有三種。

1．方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器

如圖3-20所示，施密特觸發(fā)器用來產(chǎn)生方波，它可由外觸發(fā)脈沖來觸發(fā)，也可由內(nèi)觸發(fā)脈沖發(fā)生器提供觸發(fā)信號，這時輸出信號頻率由觸發(fā)信號的頻率決定。施密特觸發(fā)器在觸發(fā)信號的作用下翻轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生方波。方波信號送到積分器，通常積分器使用線性良好的密勒積分電路，于是在積分器輸出端可得到三角波信號。調(diào)節(jié)積分時間常數(shù)RC值可改變積分速度，即改變輸出三角波斜率，從而調(diào)節(jié)三角波的幅度。最后由正弦波電路形成正弦波。也可按圖3-20中虛線所示，將積分器輸出的三角波信號反饋到施密特觸發(fā)器的輸入端，構(gòu)成正反饋環(huán)，組成振蕩器，這時工作頻率則由反饋決定。通過調(diào)節(jié)RC值可改變到達(dá)觸發(fā)電平所需的時間，從而改變所產(chǎn)生的方波與三角波的頻率，當(dāng)RC數(shù)值很大時可獲得頻率很低的信號。圖3-20方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的原理框圖

2．三角波—方波—正弦波函數(shù)發(fā)生器

如圖3-21所示，由三角波發(fā)生器先產(chǎn)生三角波，然后經(jīng)方波形成電路產(chǎn)生方波，或經(jīng)正弦波形成電路形成正弦波，最后經(jīng)過緩沖放大器輸出所需信號。雖然方波可由三角波通過方波變換電路變換而來，但在實際中，三角波和方波是難以分開的，方波形成電路通常是三角波發(fā)生器的一部分。圖3-21三角波—方波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的原理框圖

3．正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器

如圖3-22所示，由正弦波發(fā)生器先產(chǎn)生正弦波，然后經(jīng)微分電路產(chǎn)生尖脈沖，用脈沖觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路形成方波，經(jīng)正弦波形成電路產(chǎn)生正弦波，最后經(jīng)緩沖放大器輸出所需

信號。圖3-22正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的原理框圖3.4.4合成信號源

現(xiàn)代電子測量對信號源頻率的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度的要求越來越高。信號源的輸出頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度很大程度上取決于主振蕩器的頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度。前面介紹的振蕩電路已滿足不了高性能信號源的要求，頻率合成技術(shù)解決了這一問題。頻率合成技術(shù)的發(fā)展大致分為三個階段，第一階段是直接頻率合成，第二階段是鎖相頻率合成，第三階段為直接數(shù)字頻率合成。

1．直接頻率合成(DS)

直接頻率合成是把一個或者多個基準(zhǔn)頻率通過倍頻、分頻和混頻技術(shù)實現(xiàn)算術(shù)運算(加減乘除)合成所需的頻率，并且用窄帶濾波器送出。如圖3-23所示，將石英晶體振蕩器產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率(1MHz)，通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生10個諧波，這些諧波接在一系列縱橫制接線開關(guān)上，若需輸出頻率是3.628MHz，我們可以將這些開關(guān)分別置于“3”、“6”、“2”和“8”上，如圖中連線。頻率合成過程是：首先從低位開始，8MHz信號由開關(guān)選出后，經(jīng)過10分頻器得到0.8MHz，后者在混頻器M1內(nèi)與2MHz相加，得到2.8MHz，用窄帶濾波器選出，就合成得到2.8MHz，信號再經(jīng)10分頻，仍按上述順序進行合成得到0.628MHz，最后和3MHz信號在混頻器M3中相加，即可選出所需的3.628MHz輸出頻率，顯然每增加一組選擇開關(guān)、混頻器、分頻器和窄帶濾波器，就能使合成頻率的有效數(shù)字增加一位。圖3-23

直接頻率合成原理框圖直接頻率合成的優(yōu)點是工作可靠，頻率轉(zhuǎn)換速度快，相位噪聲很低；缺點是需要大量的混頻器、分頻器和窄帶濾波器，電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。

2．鎖相頻率合成

鎖相頻率合成是一種間接式的頻率合成技術(shù)。它利用鎖相環(huán)(PLL)把壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個基準(zhǔn)頻率的基礎(chǔ)上合成不同的頻率。

鎖相環(huán)是一個相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。該環(huán)路由相位比較器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)等部分組成,如圖3-24所示。圖3-24基本鎖相環(huán)相位比較器即鑒相器，用來比較兩個輸入信號fi和fo的相位，其輸出電壓與兩信號的相位差(稱“誤差電壓”)成比例。

環(huán)路濾波器實際上是一個低通濾波器，用來濾除相位比較器輸出的高頻成分和噪聲，以達(dá)到穩(wěn)定環(huán)路工作和改善環(huán)路性能的目的。

壓控振蕩器的振蕩頻率可由電壓控制，通常利用變?nèi)莨茏鳛榛芈冯娙荩@樣，改變變?nèi)莨艿姆聪蚱珘?，其結(jié)電容將改變，從而使振蕩器頻率隨反向偏壓而變，故名“壓控”振蕩。圖3-24中鎖相環(huán)的輸入頻率fi為基準(zhǔn)頻率fr，即fi=fr。鎖相環(huán)開始工作時，VCO的固有輸出頻率fo(即開環(huán)時的VCO自由振蕩頻率)總不等于基準(zhǔn)信號頻率fr，即存在著固有頻差，則兩個輸入信號之間的相位差將隨時間變化。相位比較器將這個相位差變化鑒出，即輸出與之相應(yīng)的誤差電壓，然后通過環(huán)路濾波器加到VCO上。VCO受誤差電壓的控制,使其輸出頻率fo向fr靠攏，這叫做“頻率牽引”，直到。此時,輸入信號與輸出信號之間存在穩(wěn)定相位差，而不存在頻率差。鎖相合成法正是利用鎖相環(huán)的這個特性，把VCO的輸出頻率穩(wěn)定在基準(zhǔn)頻率上。環(huán)路輸出頻率fo的穩(wěn)定度就可提高到基準(zhǔn)頻率的同一個數(shù)量級。而基準(zhǔn)頻率一般是由晶體振蕩器產(chǎn)生的，頻率穩(wěn)定度可達(dá)10－8量級，這是RC、LC振蕩器所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能及的。但是，基本鎖相環(huán)只能輸出一個頻率，而作為信號源必須要能輸出一系列頻率才行。所以在一個鎖相合成式的信號源中，需要應(yīng)用不同形式的鎖相環(huán)，以便在一定頻率范圍內(nèi)得到步進或連續(xù)可調(diào)的頻率輸出。

以下是幾種基本形式的鎖相環(huán)。

1)混頻式鎖相環(huán)

如圖3-25所示，混頻式鎖相環(huán)可對輸入頻率(基準(zhǔn)頻率)進行加、減運算。它是在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加入混頻器(M)和帶通濾波器(BPF)，輸出頻率fo是兩個基準(zhǔn)頻率fi1和fi2的和或差。圖3-25混頻式鎖相環(huán)

2)倍頻式鎖相環(huán)

倍頻式鎖相環(huán)可對輸入頻率進行乘法運算。倍頻式鎖相環(huán)有兩種：脈沖控制環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)，如圖3-26和圖3-27所示。圖3-26脈沖控制環(huán)圖3-27數(shù)字倍頻環(huán)脈沖控制環(huán)中包含了脈沖形成電路，脈沖形成電路產(chǎn)生的窄脈沖包含多次諧波成分，選擇其中的第N次諧波與VCO信號在PD中進行相位比較，環(huán)路輸出即Nfi。脈沖控制特別適用于制作頻率間隔較大的高頻或甚高頻合成器。

數(shù)字環(huán)是在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加入數(shù)字分頻器，當(dāng)環(huán)路鎖定時， ，即 。只要改變分頻系數(shù)N，就能改變倍頻的大小。

3)分頻式鎖相環(huán)

分頻式鎖相環(huán)可對輸入頻率進行除法運算，其基本形式也有兩種：脈沖控制環(huán)和數(shù)字環(huán)，如圖3-28所示。環(huán)路鎖定后，其輸出頻率為。圖3-28分頻式鎖相環(huán)

3．直接數(shù)字頻率合成(DDS)

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)不是直接頻率合成技術(shù)。直接頻率合成技術(shù)是通過對頻率的加、減、乘、除運算來實現(xiàn)頻率合成；直接數(shù)字頻率合成技術(shù)則是通過對相位的運算進行頻率合成。

DDS的思路是，按一定的時鐘節(jié)拍從存放有正弦函數(shù)表的ROM中讀出這些離散的代表正弦幅值的二進制數(shù)，然后通過D/A變換并濾波，得到一個模擬的正弦波波形，改變讀數(shù)的節(jié)拍頻率或者取點的個數(shù)，就可以改變正弦波的頻率。

DDS的原理框圖如圖3-29所示。圖3-29DDS工作原理框圖圖中，K為頻率控制字，也叫相位步進碼，寄存器每接受一個時鐘fc，它所存的數(shù)就增加K，此數(shù)對應(yīng)的地址代表了相位，通過讀取該地址(相位)對應(yīng)的(正弦)幅度二進制數(shù),并通過D/A轉(zhuǎn)換和濾波，即可獲得一個連續(xù)變化的正弦波。圖3-30為正弦波相位-幅度關(guān)系圖。

由此可知，寄存器每接受一個時鐘，相位增加

K，輸出信號周期 ，輸出信號頻率

。

圖3-30正弦波相位-幅度關(guān)系圖

DDS的技術(shù)特點如下：

(1)改變時鐘頻率fc和頻率控制字K，就可改變輸出信號的頻率。

(2)頻率范圍寬。K=1時，輸出fomin=fc/2N，最高頻率fomin=fc/2一般要求不大于fc/4，即一個正弦波周期內(nèi)至少取4個點。

(3)頻率分辨率高(相位累加器的位數(shù)N用來保證其分辨力)。

(4)方便進行數(shù)字調(diào)制。

(5)易實現(xiàn)任意函數(shù)輸出。第4章電壓表的使用4.1概述

4.2模擬電壓表

4.3數(shù)字電壓表

4.1概述

4.1.1電壓測量的基本要求

由于在電子電路測量中所遇到的待測電壓具有頻率范圍寬、電壓范圍廣、等效電阻高及波形多種多樣等特點，故對電壓測量提出如下要求：

(1)應(yīng)有足夠?qū)挼念l率范圍。在電子電路中，被測電壓的頻率可以從幾十赫茲(例如50Hz電網(wǎng)電壓)到數(shù)百兆赫茲范圍，甚至達(dá)到吉赫茲(GHz)數(shù)量級。

(2)應(yīng)有足夠?qū)挼碾妷簻y量范圍。一般情況下，待測電壓的下限值為微伏級，上限可達(dá)幾十千伏。若測量非常小的電壓值，就要求電壓測量儀器或儀表具有較高的靈敏度和穩(wěn)定度。

(3)應(yīng)有足夠高的測量準(zhǔn)確度。與交流電壓相比，直流電壓測量的準(zhǔn)確度較高，數(shù)字電壓表測量直流電壓的準(zhǔn)確度可達(dá)到10－6的數(shù)量級，模擬電壓表的測量準(zhǔn)確度一般為10－2數(shù)量級。

對交流電壓的測量，除基本誤差外，還應(yīng)考慮頻率誤差及波形誤差等，即使采用數(shù)字電壓表，交流電壓的測量準(zhǔn)確度目前也只能達(dá)到10－2～10－4數(shù)量級。

(4)應(yīng)有足夠高的輸入阻抗。電壓表的輸入阻抗是指它的兩個輸入端之間的等效阻抗，它是被測電路的額外負(fù)載。為減小測量儀表在接入時對被測電路的影響，希望測量儀器具有較高的輸入阻抗。模擬電子電壓表的輸入阻抗一般為幾十千歐到幾兆歐。當(dāng)測量高頻電壓時，輸入電容對被測電路的影響變大，故希望減小輸入電容的值。輸入阻抗的一個典型數(shù)值為1MΩ∥15pF(∥表示并聯(lián))。

(5)應(yīng)有足夠高的抗干擾能力。一般來說測量工作是在各種干擾的條件下進行的，當(dāng)測量儀器工作在高靈敏度時，干擾可能引入較大的測量誤差，因而希望測量儀器具有較強的抗干擾能力。4.1.2電壓測量儀器的分類

電壓測量儀器按照工作原理一般分為兩大類：模擬式電壓表和數(shù)字式電壓表。

(1)模擬式電壓表。模擬式電壓表是指針式的，通常用磁電系直流電流表表頭作為指示器，并在電流表表盤上刻以電壓(或dB)刻度。

(2)數(shù)字式電壓表。數(shù)字式電壓表首先將模擬量(直流量)通過模/數(shù)(A/D)變換器變成數(shù)字量，然后用電子計數(shù)器計數(shù)，并以十進制數(shù)字顯示被測電壓(若為交流信號測試，必須先附加AC/DC檢波器)。4.1.3交流電壓的表征

交流電壓可以用峰值、平均值、有效值、波形系數(shù)及波峰系數(shù)來表征。

1．峰值UP

峰值是交變電壓在所觀察的時間或一個周期內(nèi)所能達(dá)到的最大值，記為UP。如果電壓波形是雙極性的，且不對稱，則將峰值分為正峰值UP+和負(fù)峰值UP－。

計算峰值時，都是從參考0電平開始計算的，如圖4-1所示。振幅Um值以直流分量為參考電平進行計算。對于正弦交流信號而言，當(dāng)不含直流分量時，其振幅等于峰值，且正負(fù)峰值相等。圖4-1交流電壓的峰值與振幅值

2．平均值

平均值在數(shù)學(xué)上的定義為

(4-1)

對周期信號而言，T為信號的周期。純正弦交流電壓 。從交流電壓的測量觀點來看，是指檢波后的平均值，在本章中，不加說明時，通常指全波檢波平均值，即

(4-2)

3．有效值U

一個交流電壓和一個直流電壓分別加在同一電阻上，若它們產(chǎn)生的熱量相等，則直流電壓的數(shù)值為交流電壓的有效值U(或Urms)，可表示為

(4-3)

當(dāng)不特別指明時，交流電壓的量值均指有效值。各類電壓表的示值，除特殊情況外，都是按正弦波有效值來定度的。

4．波形系數(shù)與波峰系數(shù)

為了表征同一信號峰值、有效值及平均值的關(guān)系，引入波形系數(shù)KF和波峰系數(shù)KP。交流電壓u(t)的波形系數(shù)KF定義為該電壓的有效值與其平均值之比，即

(4-4)

交流電壓的波峰系數(shù)KP定義為該電壓的峰值與其有效值之比，即

(4-5)

表4-1列出了幾種交流電壓的波形參數(shù)。表4-1幾種交流電壓的波形參數(shù)

4.2模?擬?電?壓?表

1．面板介紹

DA22A型超高頻毫伏表的面板如圖4-2所示。圖4-2DA22A型超高頻毫伏表面板下面對面板各部分進行說明。

(1)調(diào)零旋鈕：測量前將電壓表指針指向“0”刻度。接通電源，開機預(yù)熱10min～15min，將量程選擇開關(guān)置于3mV擋，調(diào)節(jié)“調(diào)零”電位器旋鈕，使指針指在0V～0.04V之間,其他量程不需調(diào)零。

(2)滿度校準(zhǔn)旋鈕：測量前對電壓表進行1V滿度校準(zhǔn)。將量程選擇開關(guān)置于“1V”擋，從電壓表后面板“1V信號輸出端”將1V電壓信號接入信號輸入端，此時指針應(yīng)滿偏指向1V；若指針不能指向1V，則調(diào)節(jié)“滿度”校準(zhǔn)旋鈕，使指針指向1V。

(3)信號輸入：測試信號輸入端。

(4)量程選擇：該電壓表的量程有3mV、10mV、30mV、100mV、0.3V、1V、3V、10V。各量程的電平附加分貝值為－40dB、－30dB、－20dB、－10dB、0dB、10dB、20dB、30dB。

2．操作指導(dǎo)

(1)開機前，先進行機械調(diào)零。先檢查表頭指針是否在“0”刻度，如不在，則用螺絲刀調(diào)節(jié)表頭螺絲，使指針指到“0”刻度。

(2)通電后，進行如下操作：

①電氣調(diào)零：接通電源，開機預(yù)熱10min～15min，將量程選擇開關(guān)置于3mV擋，調(diào)節(jié)“調(diào)零”電位器，使指針指在0V～0.04V之間，其他量程不需調(diào)零。

②滿度校正：將量程開關(guān)置于1V擋，用探頭將后面板的1V信號接入前面板的信號輸入端，接觸良好后，調(diào)節(jié)前面板“滿度”電位器，使指針指在1V滿度，然后拔出探頭。

(3)合理選擇量程。

(4)拆接線順序：先接地線，后接輸入線，拆線時相反。

(5)測量信號的電壓及電平值。4.2.2DA22A型超高頻毫伏表的主要技術(shù)指標(biāo)

DA22A型超高頻毫伏表主要用于測量頻率范圍為20kHz～1GHz，電壓為800μV～10V的正弦波有效值電壓。其主要技術(shù)參數(shù)包括：

(1)交流電壓幅度測量范圍：800μV～10V(加100∶1分壓器可至300V)。

頻率測量范圍：20kHz～1GHz。

電壓：3mV，10mV，30mV，100mV，30mV，1V，3，10V。

電平：+30，+20，+10，0，－10，－20，－30，－40(dBm)

(50Ω系統(tǒng)：0dBm=0.224V75Ω系統(tǒng)：0dBm=0.274V)。

(2)電壓固有誤差：

以100kHz為基準(zhǔn)，經(jīng)1V擋校準(zhǔn)后不超過滿度值的誤差為

300mV擋以上 ±2%

30、100mV擋 ±3%

100mV擋以下 ±5%

(3)基準(zhǔn)條件下的頻率影響誤差(以100kHz為基準(zhǔn))：

100kHz～50MHz ±3%

20kHz～600MHz ±10%

600MHz～1GHz ±5%

(4)輸入電容：不大于2.5pF。4.2.3交流電壓的測量

1.均值電壓表(放大—檢波式)

均值電壓表又稱為先放大后檢波式電子電壓表，其電路組成如圖4-3所示。

在均值電壓表中，檢波器對被測電壓的平均值產(chǎn)生響應(yīng)。常見的檢波器有二極管半波檢波器、全波檢波器、橋式檢波器，均值電壓表中多采用二極管全波器或橋式檢波器。均值電壓表的靈敏度受放大器內(nèi)部噪聲的限制，一般可做到mV級；其頻率范圍主要受放大器帶寬的限制，典型的頻率范圍為20Hz～10MHz，故這種電壓表又稱為視頻毫伏表，主要用于低頻電壓測量。圖4-3均值電壓表的組成

1)均值檢波器

圖4-4為半波檢波電路，圖4-5為全波檢波電路，圖4-6為橋式檢波電路，它們都是常見的均值檢波電路。微安表兩端并聯(lián)電容用于濾除檢波后的交流成分，避免指針抖動。圖4-4半波檢波電路圖4-5全波檢波電路圖4-6橋式檢波電路

2)均值表的刻度特性及波形換算

均值電壓表指針的偏轉(zhuǎn)角度與被測電壓的平均值成正比。因此，儀表刻度盤的電壓指示值為

式中：為任意被測波形的電壓平均值，而且在不特別注明時，Ka都指全波檢波平均值；為定度系數(shù)。

通?？潭缺P按正弦波的有效值進行刻度顯示，則

式中：KF～為正弦波的波形系數(shù)。

(4-6)

從式(4-6)可以看出，如用均值電壓表測量純正弦信號的電壓，其示值Uα就是被測正弦電壓的有效值。如果被測電壓是非正弦電壓，則其示值并無直接的物理意義。下面討論波形換算問題。

首先從式(4-6)可知，均值電壓表遵守“均值相等，示值相等”的原則，波形換算時，先將示值折算成被測電壓的平均值：

(4-7)

再利用波形系數(shù)KF(如果被測電壓的波形已知)，即可求出被測電壓的有效值：

(4-8)

常見電壓的波形系數(shù)見表4-1。

因此，對于利用全波檢波電路的電壓表來講，有

(4-9)

例1

用全波式均值電壓表分別測量三角波及方波電壓，示值均為1V，被測電壓有效值為多少？

解：(1)三角波的電壓平均值為

電壓有效值為

(2)方波的電壓平均值為

電壓有效值為

2.峰值電壓表

峰值電壓表又稱為先檢波后放大式電子電壓表，即被測交流電壓進行檢波后再放大，然后驅(qū)動直流表表頭指針偏轉(zhuǎn)，其電路組成如圖4-7所示。圖4-7峰值電壓表的組成

1)峰值檢波器

峰值檢波器一般都采用二極管檢波器，如圖4-8所示。圖4-8(a)為串聯(lián)式，類似于半波整流濾波電路，其輸出電壓平均值近似為輸入電壓的峰值， 。

圖4-8(b)為并聯(lián)式，ux(t)正半周時，通過二極管VD給電容C迅速充電，而負(fù)半周時，電容C兩端電壓緩慢向R放電，使 。圖4-8峰值檢波電路

2)峰值電壓表的刻度特性及波形換算

(1)刻度特性：峰值電壓表和均值電壓表類似，一般也按正弦波的有效值進行刻度顯示。儀表刻度盤的電壓指示值為

(4-10)

式中，UP為被測電壓的峰值；Ka為定度系數(shù)；為正弦波的波峰系數(shù)。

因此，用峰值電壓表測量非正弦波電壓時，其示值沒有直接的物理意義。

(2)波形轉(zhuǎn)換：從式(4-10)可知，峰值電壓表遵循“峰值相等，示值相等”原則，在波形換算時，先根據(jù)指針示值求出被測信號的UP，然后再利用波峰系數(shù)(如果被測電壓波形已知)換算成被測電壓ux(t)的有效值，即(4-11)

例2

用峰值電壓表測量正弦波、方波及三角波電壓，指針示值為10V，求被測電壓的有效值各是多少？

解：(1)對于正弦波，有

(2)對于方波，有

(3)對于三角波，有

可見，用峰值電壓表測量非正弦電壓時，直接把讀盤示值作為被測電壓的有效值是不對的，必須進行換算。

3.有效值電壓表

在電壓測量技術(shù)中，經(jīng)常需要測量非正弦波信號，尤其是失真正弦波電壓的有效值。例如，噪聲的測量，非線性失真測量儀器中諧波電壓的測量等。所以，有效值電壓測量十分重要。

1)有效值電壓表的工作原理

在有效值電壓表中經(jīng)常采用兩種方法—熱電變換和模擬計算機電路來實現(xiàn)有效值電壓的測量。

圖4-9所示為熱偶式電壓表的示意圖，AB為不易熔化的金屬絲，稱加熱絲，M為電熱偶，它由兩種不同材料的導(dǎo)體連接而成，其交界面C與加熱絲熱耦合，故稱“熱端”，而D、E為冷端。

當(dāng)加入被測的電壓ux(t)時，加熱絲溫度升高，熱電偶CD和CE由于是兩種不同材料的導(dǎo)體，D、E兩端由此存在溫差而產(chǎn)生熱電動勢，于是熱電偶電路中將產(chǎn)生一個直流電流I而使μA表偏轉(zhuǎn)，而且這個直流電流正比于所產(chǎn)生的熱電動勢。因為熱端溫度正比于被測電壓有效值的平方，而熱電圖4-9熱電偶式電壓表示意圖動勢又正比于熱端與冷端的溫差，這樣，通過電流表的電流正比于，這就完成了從交流電壓有效值到直流電流之間的變換，不過這種變換是非線性的，即I不是正比于被測電壓的有效值，而是。在實際的有效值電壓表中，必須采取措施使表頭刻度線性化。

圖4-10所示為DA-24型有效值電壓表的簡化組成方框圖，它采用熱電偶為AC/DC變換元件，其中上面一個M1為測量熱偶，而下面一個M2為平衡熱偶，用來使表頭刻度線性化，并提高熱穩(wěn)定性。圖4-10有效值電壓表組成熱偶式電壓表的一個缺點是具有熱慣性，故在使用時需等待表頭指針偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定后再讀數(shù)。同時，由于熱偶的加熱絲的過載能力差，易燒毀，故當(dāng)測量電壓估值未知時，宜先置于大量程擋，然后再逐步減小。目前，模擬計算電路的普及和廣泛應(yīng)用，使得我們有實際可能利用模擬計算來實現(xiàn)其有效值電壓的測量，也就是利用計算電路直接完成下列運算：(4-12)由模擬計算電路組成的AC/DC變換電路稱做計算型AC/

DC變換器，通常又稱為直接計算型RMS變換器，圖4-11示出了它的組成。

第一級接成平方運算的模擬乘法器，其輸出正比于；第二級接成積分平均電路，第三級將積分器的輸出進行開方，最后輸出的電壓正比于被測電壓的有效值，通過儀表顯示出來。圖4-11計算型AC/DC變換器

2)刻度特性和波形誤差

以正弦有效值作為刻度的有效值電壓表，當(dāng)測量非正弦波時，理論上不會產(chǎn)生波形誤差。這是不難理解的，一個非正弦波可以分解成基波和一系列諧波，具有有效值響應(yīng)的電壓表，其有效值/直流變換器輸出的直流電流(或電壓)可寫成

式中：k為轉(zhuǎn)換效率；U1、U2…為基波和各次諧波的有效值。(4-13)可見，變換后得到的直流電流正比于基波和各次諧波的平方和，而與它們之間的相位差無關(guān)，即與波形無關(guān)。所以，利用有效值電壓表可直接從表頭讀出被測電壓的有效值而無需換算。必須指出，當(dāng)測量失真的正弦波時，若把有效值電壓表的讀數(shù)誤認(rèn)為是基波有效值，那將產(chǎn)生誤差，其相對誤差為

可見，相對誤差剛好等于被測電壓的非線性失真系數(shù)。

實際上，用有效值電壓表測量非正弦波時，有可能產(chǎn)生波形誤差，其原因有二：第一，受電壓表線性工作范圍的限制，當(dāng)測量波峰系數(shù)大的非正弦波時，有可能削波，從而使這一部分波形得不到響應(yīng)；第二，受電壓表帶寬的限制，使高次諧波受到損失，以上兩個限制都使讀數(shù)偏低。4.2.4分貝的測量

1.數(shù)學(xué)定義

在通信系統(tǒng)的測試中，通常不直接計算或測量電路中某測試點的電壓或負(fù)載吸取的功率，而是計算它們與某一電壓或功率基準(zhǔn)量之比的對數(shù)，這就需引入一個新的度量名稱—分貝。

2.分貝的測量

在測量放大器增益或與音響設(shè)備有關(guān)的參數(shù)時，往往不是直接測量電壓或功率，而是測量它們對某一基準(zhǔn)比值的對數(shù)值，一般取值單位為分貝，所以簡稱分貝測量。

分貝測量實際上是交流電壓的測量，只是表盤以dB來作為刻度。

圖4-12所示為某一電壓表讀盤上的分貝刻度，其測量范圍為－80dB～+52dB。圖4-12分貝刻度分貝刻度的特點：在刻度線中間位置有一個0dB點，它是以基準(zhǔn)功率(電壓)來確定的。一般規(guī)定，一個基準(zhǔn)阻抗Z0=600Ω上加上交流電壓，使其產(chǎn)生P0=1mW的功率為基準(zhǔn),相當(dāng)于在儀表輸入端加上電壓Uo≈0.775V，即在1V刻度線上0.775處定為0dB。當(dāng)被測電壓有效值Ux>0.775V時其分貝數(shù)為正值；當(dāng)Ux<0.775V時，其分貝數(shù)為負(fù)值，該儀表讀盤刻度為－20dB～+2dB。(4-18)4.2.5失真度的測量

在線性電路中，輸入正弦信號時，輸出信號中產(chǎn)生了新的頻率成分；或單一頻率正弦波通過非線性電路時，輸出信號中有了新的頻率成分，即稱為出現(xiàn)了非線性失真。

1.非線性失真的定義

根據(jù)諧波分析法，用傅立葉級數(shù)對失真正弦信號進行分解，各次諧波分量總的有效值與基波分量的有效值之比稱為非線性失真系數(shù)或失真度，用表示(4-19)這樣就可用式(4-20)來代替式(4-19)的定義，使測量儀器便于制作，又能夠滿足一般要求，否則需要兩套選擇性網(wǎng)絡(luò)，分別測出基波分量有效值及諧波分量總的有效值。

當(dāng)失真度在γ?>?30%時，應(yīng)用式(4-21)計算出定義值γ：(4-21)

2.失真度測量原理

測量非線性失真的方法有多種，第一種方法是基波抑制法(單音法)，可通過抑制基波的網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。第二種方法是交互調(diào)制法(雙音法)，對被測設(shè)備輸入兩個正弦信號，測量其交調(diào)失真度。這里我們主要介紹基波抑制法測量失真度，其原理圖如圖4-13所示。圖4-13基波抑制法原理圖測量中，首先將開關(guān)S置于“1”位，電壓表測出