现代电子测量技术288页教学课件全书电子教案.ppt

课首课首课首课首现代电子测量 课程目的课程目的1、通过本课程的学习，使学生掌握电子测量中的、通过本课程的学习，使学生掌握电子测量中的基本理论、测量技术基本理论、测量技术2、掌握常用电子仪器与智能仪器的原理与应用、掌握常用电子仪器与智能仪器的原理与应用 3、合理选用测量仪器，正确处理测量数据，开发智、合理选用测量仪器，正确处理测量数据，开发智能仪器，进行能仪器，进行自动测试自动测试等，为后续课题等，为后续课题研究研究准备理准备理论基础论基础课时安排课时安排总课时：总课时：40学时学时课堂教学课堂教学 22学时学时 实验实验16学时学时 考试考试2学时学时选用教材 现代电子测量 中国铁道出版社 王紫婷 2008 电子测量与仪器 电子工业出版社 陈尚松 2005测试技术基础测试技术基础电子测量仪器概述电子测量仪器概述测量测量误差与测量数据处理误差与测量数据处理第一章 绪论主主 要要 内内 容容 1.1.1、测量与测量的、测量与测量的定义定义定义定义 1.1.2、电子测量的、电子测量的内容内容内容内容 1.1.3、电子测量的、电子测量的特点特点特点特点 1.1.4、电子测量的电子测量的方法方法方法方法1.1 测量技术基础 1.1.1 测量及电子测量定义 测量是为确定被测对象的量值而进行的测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程实验过程。测量是通过实验的方法对客观事物取得定量测量是通过实验的方法对客观事物取得定量信息即信息即数量概念数量概念的过程。的过程。1、测量的定义：测量的定义：电子测量的定义测量技术是一门重要的科学技术在信息时代,测量技术(获取信息)、通信技术（传递信息）和计算机技术（处理信息）称为信息社会的三大支柱 电子测量是泛指以电子技术为基本手段的电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是一种测量技术。它是测量学测量学和和电子学电子学相互结合相互结合的产物。的产物。电子测量除具体运用电子科学的原理、方法电子测量除具体运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特征和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特征和参数进行测量外，还可以通过各种敏感器件和和参数进行测量外，还可以通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量。传感装置对非电量进行测量。电子测量不仅用于电学各专业，也广泛用于物电子测量不仅用于电学各专业，也广泛用于物理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学、理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学、医学等科学领域及生产、国防、交通、通讯、商医学等科学领域及生产、国防、交通、通讯、商业贸易、生态环境保护及日常生活的各个方面。业贸易、生态环境保护及日常生活的各个方面。1.1.2 电子测量内容：电子测量内容：1 1、电能量测量、电能量测量 包括各种频率、各种波形下的包括各种频率、各种波形下的电压电压、电流、功率等、电流、功率等的测量。的测量。2 2、电信号特性测量、电信号特性测量 包括波形、包括波形、频率频率、周期、周期、相位相位、失真度、调幅度、失真度、调幅度、调频指数及数字通信的逻辑状态等的测量。调频指数及数字通信的逻辑状态等的测量。3 3、电路元件参数测量、电路元件参数测量 包括电阻、电感、电容、包括电阻、电感、电容、阻抗阻抗、品质因素及电子器、品质因素及电子器件的参数等的测量。件的参数等的测量。4 4、电子设备的性能测量、电子设备的性能测量 包括增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等包括增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等的测量。的测量。1.1.2 电子测量的内容1、测量频率范围极宽频率计其测量范围可为：10-6 1011 Hz2、测量量程宽电子计数式频率计，其量程达1 1017。3、测量方便灵活易实现分频、倍频、V/T、V/F、A/D1.1.3 电子测量的特点4、测量速度快5、可进行遥控 易实现信号的传输和处理，如遥控遥测和长期不间断的测量6、易于实现测试智能和测试自动化如：个人仪器例如：导弹的发射过程7、影响因素众多，误差处理复杂主主 要要 内内 容容 1.4.1 按测量手段分类按测量手段分类 1.4.2 按测量方式分类按测量方式分类 1.4.3 按被测量物理量时间特性分类按被测量物理量时间特性分类 1.4.4 测量方法的选择原则测量方法的选择原则1.1.4电子测量的方法1、直接测量、直接测量：是指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的：是指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法。方法。2、间接测量、间接测量：是利用直接测量的量与被测量之间的函数关系：是利用直接测量的量与被测量之间的函数关系（可以是公式、曲线或表格等），间接得到被测量量值的测（可以是公式、曲线或表格等），间接得到被测量量值的测量方法。量方法。如：用欧姆表测量电阻阻值、用计数式频率计测量频率等如：用欧姆表测量电阻阻值、用计数式频率计测量频率等如：需要测量电阻如：需要测量电阻R上消耗的直流功耗上消耗的直流功耗P，可通过直接测量电，可通过直接测量电压压U、电流、电流I，然后根据函数关系，然后根据函数关系P=UI，经过计算，间接获得，经过计算，间接获得功耗功耗P。1.4.1 按测量手段分类3、组合测量、组合测量：当某个测量结果需用多个未知参数表达时，可通当某个测量结果需用多个未知参数表达时，可通过改变测量条件进行多次测量，根据测量量与未知参数间的函过改变测量条件进行多次测量，根据测量量与未知参数间的函数关系列出方程组求解，进而得到未知量。数关系列出方程组求解，进而得到未知量。例例1.2：一个典型的例子是电阻器电阻温度系数的测量。已知测量：一个典型的例子是电阻器电阻温度系数的测量。已知测量电阻器阻值电阻器阻值Rt与温度与温度t间满足：间满足：Rt=R20+(t+20)+(t-20)2式中式中R20为为t=20时的电阻值，一般为已知量。时的电阻值，一般为已知量。、称为电阻的称为电阻的温度系数，温度系数，t为环境温度。为环境温度。为了为了、获得值，可以在两个不同的温获得值，可以在两个不同的温度度t t1 1、t t2 2(t t1 1、t t2 2可由温度计直接测得可由温度计直接测得)下下测得两个相应的电阻值测得两个相应的电阻值R Rt1t1、R Rt2t2，代入公，代入公式得到联立方程式得到联立方程求解联立方程即可得到求解联立方程即可得到、值。值。R Rt1t1=R=R2020+(t+(t1 1+20)+(t+20)+(t1 1-20)-20)2 2R Rt2t2=R=R2020+(t+(t2 2+20)+(t+20)+(t2 2-20)-20)2 2 1、直读法：、直读法：在测量过程中，用仪器表指针的位在测量过程中，用仪器表指针的位移（偏差）来表示被测量的大小。移（偏差）来表示被测量的大小。如用万用表测量电压、电流等。如用万用表测量电压、电流等。2、比较法、比较法：测量时用被测量与标准量相比较，：测量时用被测量与标准量相比较，用指零仪表指示被测量与标准量相等（平衡），用指零仪表指示被测量与标准量相等（平衡），从而获得被测量。从而获得被测量。利用惠斯登电桥测量电阻（或电容、电感）是利用惠斯登电桥测量电阻（或电容、电感）是这种方法的一个典型例子。这种方法的一个典型例子。1.4.2 按测量方式分类例例1.3：惠斯登电桥测量电阻示意图：惠斯登电桥测量电阻示意图当电桥平衡时，可以得到：当电桥平衡时，可以得到：Rx=R1/R2.R4 通常是先大致调整比率通常是先大致调整比率R1/R2，再调整标准电，再调整标准电阻阻R4，直至电桥平衡，充当零示器的检流计，直至电桥平衡，充当零示器的检流计PA指指示为零，此即可根据公式由比率和的值得到被测示为零，此即可根据公式由比率和的值得到被测电阻的值。电阻的值。PARXR4R2R1 3、微差式测量法：微差式测量法：它通过测量待测量与标准量之差（通常该它通过测量待测量与标准量之差（通常该差值很小）来得到待测量量值。差值很小）来得到待测量量值。待待测测量量x标标准准 测测量量sP1.2电子测量仪器概述1.2.11.2.1电子测量仪器的功能电子测量仪器的功能1.2.21.2.2电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类1.2.31.2.3电子仪器的测量指标电子仪器的测量指标现代电子测量技术向着自动化、智能化、现代电子测量技术向着自动化、智能化、网络化和标准化方向发展网络化和标准化方向发展被被测测对对象象变送器变送器变换与变换与传输装置传输装置微处理器微处理器非电量非电量电信号电信号电信号电信号输输出出装装置置1.2.1电子测量仪器的功能电子测量仪器的功能转换功能转换功能信号处理与传输信号处理与传输显示功能显示功能变送器：变送器：关键部件是传感器，位移、速度、压力、光电耦合关键部件是传感器，位移、速度、压力、光电耦合温度、噪声等非电量转换成电量的装置。温度、噪声等非电量转换成电量的装置。例如，热电偶传感器。例如，热电偶传感器。变换与传输装置：变换与传输装置：在简单的测试系统中可以省略；在大多数测试系统中在简单的测试系统中可以省略；在大多数测试系统中主要是信号的变换，如放大、调制解调、滤波、模主要是信号的变换，如放大、调制解调、滤波、模/数数传输传输-无线、有线传输存在失真，干扰等无线、有线传输存在失真，干扰等输出装置：输出装置：常见的有各种指示仪表，记录仪，打印、显示器等。常见的有各种指示仪表，记录仪，打印、显示器等。在我们的这门课里，主要是讨论电量的测量。在我们的这门课里，主要是讨论电量的测量。微处理器：微处理器：将信号进行数据处理、完成自动测量、自动记录、自动将信号进行数据处理、完成自动测量、自动记录、自动分析处理、使电子仪器成为分析处理、使电子仪器成为“智能智能”仪器仪器列车自动测速测距系统列车自动测速测距系统模拟信号模拟信号例例1.1：则有：则有：车速：车速：距离：距离：单片机单片机单片机单片机计算机扩展口计算机扩展口计算机扩展口计算机扩展口数字频率计数字频率计数字频率计数字频率计车轮每周有车轮每周有N个磁块个磁块车轮周长车轮周长X米米n为一秒钟为一秒钟内接收的脉内接收的脉冲个数冲个数1.2.2电子测量仪器的分类1、模拟仪器、模拟仪器（用指针显示结果）2、数字化仪表、数字化仪表（用数字显示结果）3、智能仪器、智能仪器（含微处理器和通用标准接口总线的仪器）4、虚拟仪器（指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块）以软件代替硬件，以图形代替代码，以组态代替编程，以虚拟仪器代替真实仪器，组建了自动测试系统（能自动进行测试，数据处理，传输，并以适当方式显示获输出结果的系统）1、时域测量：时域测量：主要主要获取待测量与时间之间的关系。获取待测量与时间之间的关系。如用示波 器观察正弦信号、脉冲信号的上升沿，下降沿、等参数及动态电路和暂态过程等。等参数及动态电路和暂态过程等。2、频域测量：、频域测量：主要获取待测量与频率之间的关系。如用频谱分主要获取待测量与频率之间的关系。如用频谱分 析仪分析信号的频谱、测量放大器的幅频特性等析仪分析信号的频谱、测量放大器的幅频特性等3、数据域测量：、数据域测量：主要是用逻辑分析仪等设备对数字量主要是用逻辑分析仪等设备对数字量 或电路的或电路的 逻辑状态进行测量。逻辑状态进行测量。4、调制域测量：、调制域测量：主要获取待测量与相位之间的关系。如用调制主要获取待测量与相位之间的关系。如用调制 域测调频、调相的线性与失真。域测调频、调相的线性与失真。按被测量的特性分类1、时域测试时域测试2、频域测试频域测试3、数据域测试、数据域测试示波器示波器频谱仪频谱仪逻辑分析仪逻辑分析仪1.2.3电子仪器的主要技术指标1、精度仪器的测量值与被测量真值一致的程度，最重要的指标。（后面介绍）2、稳定度 外界条件（环温、湿度、气压）不变时，被测量示值变化的情况。如温漂等有一定指标要求3、灵敏度灵敏度表示测量仪表对被测量变化的敏感程度,是区分最小信号的能力。分辨率值越小，其灵敏度越高。测量仪表的接入改变了被测电路的阻抗特性，为 减小测量仪表对被测电路的影响，Ri越大越好。如DA-16的Ri=1.5M 示波器的Ri=1M 注意阻抗匹配 4 4、线性度、线性度线性度是表示仪表的输出量随输入量表化的规律。由于各类仪表的原理各异，可呈现不同的刻度特性。5、动态特性输出响应输入的能力6、输入阻抗 在选择测量时，要综合考虑下列主要因素：在选择测量时，要综合考虑下列主要因素：1 1、被测量本身的特性；、被测量本身的特性；2 2、所要求的测量准确度；、所要求的测量准确度；3 3、测量环境；、测量环境；4 4、现有测量设备等。、现有测量设备等。在此基础上，选择合适的测量仪器和正确的测量方法。在此基础上，选择合适的测量仪器和正确的测量方法。例例1.41.4：直接用万用表直接用万用表R R1 1电阻档测量晶体管发射极极电电阻档测量晶体管发射极极电阻，由于限流电阻过小而使基极注入电流很大，很容易将阻，由于限流电阻过小而使基极注入电流很大，很容易将晶体管损坏。晶体管损坏。例例1.51.5：测量输入阻抗充分考虑所选仪器内阻对被测量的：测量输入阻抗充分考虑所选仪器内阻对被测量的影响影响1.2.4 测量方法的选择原则主主 要要 内内 容容 1.3.1、测量误差概念测量误差概念 1.3.2、误差的分类误差的分类 1.3.3、测量仪器的主要性能指标测量仪器的主要性能指标 1.3.4、测量数据有效数字的处理测量数据有效数字的处理 1.3 测量误差与有效数字处理测量误差测量误差是测量结果与被测量真值的差别。被测量所具有的真实大小，被测量所具有的真实大小，在一定条件下，是客观在一定条件下，是客观存在的确定数值。存在的确定数值。测量误差产生的原因测量误差产生的原因：人类对客观规律认识的局限性；人类对客观规律认识的局限性；测量器具不准确；测量器具不准确；测量手段不完善；测量手段不完善；测量条件发生变化；测量条件发生变化；测量人员疏忽或错误等。测量人员疏忽或错误等。控制测量误差的意义：控制测量误差的意义：是衡量测量技术水平，是衡量测量技术水平，以至于科学技术水平以至于科学技术水平的重要标志之一。的重要标志之一。当测量误差超过一定限度，当测量误差超过一定限度，使测量结果无意义，甚至使测量结果无意义，甚至有危害。有危害。1.3.1 测量误差的概念1、通过仪器仪表测得的值通过仪器仪表测得的值，用，用x x来表示。例如电压来表示。例如电压表测得的值。表测得的值。2 2、近似值，例、近似值，例 的值。的值。3 3、标称值，例如电阻的标称值、标称值，例如电阻的标称值。1 1、理论上给出的值，例如三角形内角和为、理论上给出的值，例如三角形内角和为1801800 0。2 2、计量学上规定的值，例如秒的数值，它具有法、计量学上规定的值，例如秒的数值，它具有法律性，作为时间的基准。律性，作为时间的基准。3 3、用高一等级的计量标准所测得的量值用高一等级的计量标准所测得的量值。用。用x0 x0来来表示。表示。4 4、修正后的值、修正后的值修正值介介绍绍测测量量值值：介介绍绍真真值值：C=x0-x关于修正值：关于修正值：对于较好的仪器，常以表格、曲线或公式的方式随仪对于较好的仪器，常以表格、曲线或公式的方式随仪器带给用户。器带给用户。例如：下图为某电流表的修正值曲线例如：下图为某电流表的修正值曲线当电流表示值为当电流表示值为10mA10mA时，时，从曲线可知从曲线可知C=+0.04mA因此，真值为因此，真值为10.04mA10.04mAIC10mA+0.04测量值：测量值：x真值：真值：x01、测量误差根据表示方法，可分为：、测量误差根据表示方法，可分为：1.3.2 测量误差的分类x=x-x0课首课首课首课首1 1）示值）示值相对误差相对误差即为通常所说的相对误差，是绝对误差与实际测的值的比值课首课首课首课首2 2）引用误差）引用误差（满度误差）：用于连续刻度的仪表中，表示整个量程内仪表的准确程度。课首课首课首课首常用电工仪表根据引用相对误差的不同分为七级：常用电工仪表根据引用相对误差的不同分为七级：分别表示引用相对误差所不超过的百分比。分别表示引用相对误差所不超过的百分比。仪表等级与测量的相对误差的关系仪表等级与测量的相对误差的关系，有重要公式如下：有重要公式如下：常用电工仪表根据引用相对误差的不同分为七级：常用电工仪表根据引用相对误差的不同分为七级：常用电工仪表根据引用相对误差的不同分为七级：常用电工仪表根据引用相对误差的不同分为七级：从上式可得到如下结论：从上式可得到如下结论：1、xm ，x0 ，2、不用过分强调、不用过分强调s小。小。系统误差 随机误差定义：在多次等精度测量同一量时，误差的绝对值和符号保持不变，或当条件改变时按某种规律变化的误差，简称系差。定义：对同一量值进行多次等精度测量时，其绝对值和符号均以不可预定的方式无规则变化的误差。定义：在一定的测量条件下，测得值明显地偏离实际值所形成的误差。2、根据测量误差的性质和特点，分为、根据测量误差的性质和特点，分为粗大误差关于关于系统误差系统误差：（1 1）、产生系统误差的主要原因：）、产生系统误差的主要原因：测量仪器设计原理及制作上的缺陷测量仪器设计原理及制作上的缺陷采用近似的测量方法或近似的计算公式等采用近似的测量方法或近似的计算公式等测量环境条件与仪器使用要求不一致等测量环境条件与仪器使用要求不一致等测量人员读数习惯等造成的误差测量人员读数习惯等造成的误差例如温度、湿度例如温度、湿度电磁场变化电磁场变化例如仪表刻例如仪表刻度的读取度的读取（2）、）、种类：种类：恒值系差恒值系差变值系差变值系差周期性周期性累进性累进性复杂性复杂性 （3 3）消除的方法）消除的方法特定的测量应当选择适当的仪器；特定的测量应当选择适当的仪器；确定仪器误差的大小后应用修正系数；确定仪器误差的大小后应用修正系数；用一个标准仪器对仪器进行校准。用一个标准仪器对仪器进行校准。关于随机误差（1 1）、产生的原因产生的原因噪声、零部件配合的不稳定、摩擦、抵触不良噪声、零部件配合的不稳定、摩擦、抵触不良等。等。温度及电源电压的无规则波动，电磁干扰，地温度及电源电压的无规则波动，电磁干扰，地基振动等。基振动等。测量人员感觉器官的无规则变化而造成的读数测量人员感觉器官的无规则变化而造成的读数不稳定等。不稳定等。（2）随机误差的特点图1.5 区间宽度为0.01 的频率直方图1 1）、按正态分布）、按正态分布 2 2）、特点：）、特点：对称性，有界性，抵偿性，单峰性对称性，有界性，抵偿性，单峰性。对称性对称性：绝对值相等的正负误差出现的次数几乎相同。：绝对值相等的正负误差出现的次数几乎相同。有界性有界性：绝对值很大的误差出现的机会少不会超过一定界限。：绝对值很大的误差出现的机会少不会超过一定界限。抵偿性抵偿性：测量次数趋于无穷大时，平均值等于零。：测量次数趋于无穷大时，平均值等于零。单峰性单峰性：绝对值小的误差出现的次数多：绝对值小的误差出现的次数多（3）对于仪器随机误差可以采用一些方 法避免可以通过多次测量取平均值的办法，可以通过多次测量取平均值的办法，来减少随机误差对结果的影响，或用来减少随机误差对结果的影响，或用其它概率统计规律进行统计处理。其它概率统计规律进行统计处理。关于关于粗大误差粗大误差：（1 1）、产生粗大误差的主要原因：）、产生粗大误差的主要原因：测量方法不当或错误测量方法不当或错误测量操作疏忽或失误等测量操作疏忽或失误等测量条件的突然变化测量条件的突然变化例如读错例如读错记错等记错等例如雷电干扰、例如雷电干扰、机械冲突等机械冲突等在实际应用中在实际应用中系统误差、随机误差、粗大误差三种误差的划分系统误差、随机误差、粗大误差三种误差的划分并非一成不变；并非一成不变；粗大粗大误差误差系统系统误差误差随机随机误差误差较为随机时较为随机时有规律时有规律时较大时较大时较多时较多时较大时较大时较多时较多时精密度精密度:是用来表示测量结果中随机误差大小的程度是用来表示测量结果中随机误差大小的程度.也可以简称为精度也可以简称为精度.描述测量数据的分散程度。描述测量数据的分散程度。精确度精确度:是用来同时表示测量结果中系统误差和随机是用来同时表示测量结果中系统误差和随机误差大小的程度误差大小的程度.准确度准确度：是表示测量结果中系统误差大小的程度：是表示测量结果中系统误差大小的程度.定义定义：1 1、测量值的准确度、精密度和精确度、测量值的准确度、精密度和精确度1.3.3 测量仪器的主要性能指标举例：举例：打靶打靶(a)图准确度高而精密度低图准确度高而精密度低(b)图精密度高而准确度低图精密度高而准确度低(c)图精确度高图精确度高(a)(b)(c)x0 1 1、有效数字、有效数字的概念：一个数据，从左边第一个非的概念：一个数据，从左边第一个非零数字起至右边欠准数字的一位为止，其间的所零数字起至右边欠准数字的一位为止，其间的所有数码均为有效数字。如有数码均为有效数字。如3434与与3535之间读为之间读为34.534.5。为两位有效数字，为两位有效数字，0.50.5为欠准数字。为欠准数字。在记录和计算数据时，必须注意数据的在记录和计算数据时，必须注意数据的正确正确取舍取舍。测量值通常都用有效数字来表示。测量值通常都用有效数字来表示。1.3.4 测量数据有效数字的处理 2 2、有效数字的正确表示、有效数字的正确表示：1 1）有效数字中只应保留一位欠准数字，因此在记录）有效数字中只应保留一位欠准数字，因此在记录测量数据时，只有最后一位有效数字是欠准数字。测量数据时，只有最后一位有效数字是欠准数字。2 2）在欠准数字中，要特别注意）在欠准数字中，要特别注意0 0的情况。的情况。0 0在数字之在数字之间与末尾时均为有效数字。如间与末尾时均为有效数字。如0.0780.078和和0.780.78与小数点与小数点无关无关,均为两位。均为两位。506506与与220220均为三位。均为三位。3 3）等常数，具有无限位数的有效数字，在运算时等常数，具有无限位数的有效数字，在运算时可根据需要取适当的位数。可根据需要取适当的位数。3 3、有效数字的舍入规则、有效数字的舍入规则1 1）当保留）当保留n n位有效数字，若后面的数字小于第位有效数字，若后面的数字小于第n n位单位单位数字的位数字的0.50.5就舍掉。就舍掉。2 2）当保留）当保留n n位有效数字，若后面的数字大于第位有效数字，若后面的数字大于第n n位单位单位数字的位数字的0.5 0.5，则第位数字进，则第位数字进1 1。3 3）当保留）当保留n n位有效数字，若后面的数字恰为第位有效数字，若后面的数字恰为第n n位单位单位数字的位数字的0.5 0.5，则第，则第n n位数字若为偶数时就舍掉后面位数字若为偶数时就舍掉后面的数字，若第的数字，若第n n位数字为奇数加位数字为奇数加1 1。如将下组数据保留三位如将下组数据保留三位 45.77=45.8 43.03=43.0 45.77=45.8 43.03=43.0 47.15=47.2 38.25=38.2 47.15=47.2 38.25=38.2第二章 信号发生器 2.1 2.1、信号信号发生器概述发生器概述 2.2 2.2、通用信号发生器通用信号发生器 2.3 2.3、合成信号发生器合成信号发生器 2.4 2.4、信信号号失真度的测量失真度的测量定义:产生不同频率、不同波形、不同输出电压的电信号装置2.1 信号发生器的概述2.1.1信号发生器的功能信信号号源源被测被测设备设备测测试试设设备备输出响应输出响应激激励励入入输输主要功能激励源:作为某些电器设备的激励信号源校准源:产生标准信号,对一般信号源进行校准 医疗部门做超声波、频谱治疗仪1、按频率范围分类超低频信号源30kHz以下低频信号源30kHz 300kHz视频信号源300kHz 6MHz高频信号源6MHz 30MHz甚高频信号源30MHz 300MHz超高频信号源300MHz 3000MHz2、按输出波形分类正弦信号发生器非正弦信号源脉冲信号发生器函数信号发生器任意波形信号发 生器3、按信号源性能分类一般信号发生器标准信号发生器2.1.2 信号发生器的分类1、频率范围：能产生的频率范围 2、频率准确度：数字显示值与实际输出频率的差别3、频率稳定度4、输出阻抗:低频为600或1000、高频为50 或75 频率长期稳定度：相对误差:频率短期稳定度：2.1.3 正弦信号发生器性能指标5、频率变动量6、失真度7、输出电平：输出信号幅度的有效范围，一般为5V8、调制特性：输出调幅信号和调频信号温度引起的：电源引起的：负载变化引起的：非线性失真系数：主振荡器电压放大器输出器电压表稳压电源主振荡器：主要产生不同频率、不同波形的信号放大器：可以是 电压放大器、功率放大器、输出器：调节输出信号的电平和输出阻抗指示器：用来监视输出信号电 源：提供信号发生器个部分的工作电源电压。2.2 通用信号发生器2.2.1低频信号发生器(1Hz-1MHz)1、低频信号发生器的组成框图 低频信号发生器中产生振荡信号的方法有多种，在通用信号发生器(如XD-1、XD-2、XD-7)中，主振器通常使用RC振荡器，而其中应用最多的当属文氏桥振荡器。2、通用RC振荡器我们简要分析其工作原理。在图a中，ui是网络的输入电压，u0是输出电压，Z1为R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗。u0uiRCCR(a)文氏桥式网络0.10.20.3=00.03501/3Kf/0(b)幅频特性0.03=050/0900-900(c)相频特性RC文氏桥网络网络的传输函数：式中:由上式得到传输函数的幅频特性N()和相频特性()分别为:由图(b)、(c)可以看出：当=0=1/RC或f=f0=1/2RC时，输出信号与输入信号同相，且此时传输函数摸最大N(0)=1/3。如果输出信号Uo后接放大倍数Kv=3的同相放大器（一般由两级反相放大器级联实现）,那么就可以维持=0或者f=f0=1/2RC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。由于放大器受外界影响，性能会不稳定，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，这就形成了下图所示的文氏桥振荡电路。A1A2衰减器电路表头电路电压放大器输出幅度微调振荡器输出放大器RCRtRfCR+-使用热敏电阻作为振荡器控制器件的文氏桥式振荡器方框图 图中负温度系数热敏电阻Rt和电阻Rf就构成了电压负反馈电路。热敏电阻Rt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Rt、Rf串联电路，流过Rt的电流也随之增加而导致Rt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Rt温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于3，振荡器容易起振。频率的调节：改变电阻R和电容C数值可调节振荡频率，改变R实现频率粗调、改变C实现频率细调。输入输出阻抗：考虑到Ri和 Ro对RC网络的影响，输入级采用场效应管提高Ri、输出级采用射级跟随器降低Ro3、其他低频振荡器（1）LC振荡器（适用于低频信号源）频率低，体积过大频率低，体积过大 频率覆盖系数小频率覆盖系数小 （2）、差频式低频信号源固定频率固定频率振荡器振荡器f可变频率可变频率振荡器振荡器f2 混频器混频器f输出输出滤波输出滤波输出衰减器衰减器输出频率为两者信号的差值输出频率为两者信号的差值 =1-2频率覆盖范围大频率覆盖范围大,可连续调节可连续调节 K=fmax/fmin K=fmax/fmin 可相差可相差10001000倍左右倍左右整个频段内频率可连续调节整个频段内频率可连续调节2.2.2 高频信号发生器 1:用途：（适用无线电、通信等场合）可输出等幅正弦波和调制波工作频率高 100KHz35MHz输出幅度调节范围大 2:组成高频信号发生器原理框图1)主振级主振级 产生一定工作频率的正弦信号产生一定工作频率的正弦信号,作为载波作为载波2）缓冲级）缓冲级 起阻抗变换作用，隔离调制级对主振器的不良影响。频率高的信号发生器中，用倍频器、分频器、混频器，使输出频率更大3）调制级）调制级 用内(或外)调制正弦信号调制和放大后,送到输出级 内调制器可输出音频正弦调幅信号（调频时调制信号通过可变电抗器与主振的谐振回路耦合输出调频信号）外调制外部加入音频信号4）输出级）输出级由放大器、滤波器、输出微调，输出倍乘等组成，控制电压的输出幅度。使用注意：使用注意：注意输出与负载阻抗匹配，只有匹配的情况下才能正常工作，一般为注意输出与负载阻抗匹配，只有匹配的情况下才能正常工作，一般为50 、75 的带有频蔽盒的专用线。的带有频蔽盒的专用线。可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等根据主振器产生的波形为第一波形，其余为导出波形按结构可分为：正弦式、脉冲式2.2.3 函数信号发生器(宽带频率可调的多波形发生器)1、正弦式函数信号发生器（XD11）:正弦振荡器输出正弦波,经缓冲器隔离后,分为两路信号,一路经放大输出正弦波一路作为方波触发信号送入方波形成电路（施密特触发器），经放大输出方波一路作为三角波触发信号送入积分器（密勒积分电路）将方波形成三角波，经放大后输出三角波三种波形由选择开关控制。原理框图：原理框图：课首课首课首课首函数信号发生器原理框图双稳态触发电路比较器比较器放大器衰减器二级管整形网络波形选择积分器_+A输出FCDRPR1R2QQ+UmK-Um其基本原理是先由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将三角波整形成正弦波。2.脉冲式函数信号发生器课首课首课首课首TT2TUm0-Um00E-E0(Q)(Q非)(D)(F)(a)(Q)(Q非)(D)(b)函数发生器波形图课首课首课首课首0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t14tu0ufE1E2E3ui正弦波的折线近似课首课首课首课首R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14D1D2D3D4D5D6E3E2E1-E1-E2-E3+E输入输入Ui(b)二极管整形网络输出输出Uo-E斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到（分压系数不同），若将正弦波一个周期分成22或26段、10或12个二极管组成整形网络可得到非线性失真较小的波形。频率合成技术频率合成技术1、定义：、定义：利用一个或数个晶振，通过加减乘除四则运算，利用一个或数个晶振，通过加减乘除四则运算，最终得到频率准确度稳定在晶振量级上的一系列新最终得到频率准确度稳定在晶振量级上的一系列新频率。频率。2、比较：、比较：特点：频率可调，准确度低。特点：频率可调，准确度低。普通信号源：普通信号源：2.3 合成信号发生器高准确度的信号源：高准确度的信号源：频率频率 f=C特点：准确度高，频率不可调。特点：准确度高，频率不可调。频率合成式信号发生器可取长补短频率合成式信号发生器可取长补短3、频率合成方法：、频率合成方法：直接法直接法间接法间接法 直接模拟频率合成直接模拟频率合成 直接数字频率合成直接数字频率合成 简接锁相式合成法简接锁相式合成法 4 4：频率合成特点：频率合成特点：具有高稳定度高分辨率的优点具有高稳定度高分辨率的优点 可在很宽的频率范围内进行精细的频率调可在很宽的频率范围内进行精细的频率调节节 输出信号的频率、幅度、调制深度均可调输出信号的频率、幅度、调制深度均可调节。节。2.3.1直接模拟频率合成直接模拟频率合成：1、固定频率合成法：固定频率合成法：利用倍频、分频、混频原理将一个或个基准频率通过运利用倍频、分频、混频原理将一个或个基准频率通过运 算算,产生所需的频率的方法。产生所需的频率的方法。f0=Nfr/D fr为基准频率为基准频率 D为分频系数为分频系数 N为倍频系数为倍频系数 （因（因D和和N均为给定的正整数，输出频率为定值，故成为均为给定的正整数，输出频率为定值，故成为 固定频率固定频率合成法）合成法）晶振晶振NDfr可变频率合成法根据需要选出频率，需连续混频，分频例如，我们想要得到频率为例如，我们想要得到频率为4.735MHz4.735MHz，我们使用的，我们使用的基准频率为基准频率为1MHz1MHz，通过谐波发生器产生十个谐波，通过谐波发生器产生十个谐波，将它们接在一系列纵横制频率开关上，请看下图。将它们接在一系列纵横制频率开关上，请看下图。4.735MHz1MHz3.5MHz3.5MHz1 101 101 10输出频率输出频率谐谐波波发发生生器器基准频率基准频率4MHz0.735MHz7MHz0.35MHz3MHz0.5MHz1 2 3 4 5 6 7 8 9 05MHz0.35MHz7.35MHz0.735MHz2.3.2直接数字频率合成(DDS)1、直接数字合成原理:（利用微机直接数字合成）微机微机D/A低通低通滤波器滤波器三角波获得三角波获得编一段程序：连续加编一段程序：连续加1到一定值到一定值,然后在连续减然后在连续减1回到原值回到原值,经经D/A变成阶梯波模拟变成阶梯波模拟量量,在滤波得到三角波。见图在滤波得到三角波。见图方波获得方波获得编一段程序：令输出为编一段程序：令输出为1一段时间一段时间,然后在令输出为然后在令输出为0一段时间，反复后，输出方波。一段时间，反复后，输出方波。以ROM为基础组成的DDS原理图2、直接数字频率合成(利用ROM、RAM)将输出的波形数据预先存入将输出的波形数据预先存入ROM中，在系统标准时钟中，在系统标准时钟（CLK）频率下，按照一定顺序从）频率下，按照一定顺序从ROM单元中读出数据，单元中读出数据，即可得到一定频率的波形。即可得到一定频率的波形。1:基本锁相环路基本锁相环路 锁相环锁相环是指由是指由相位相位比较比较器器、环路滤波器环路滤波器和和压控振荡器压控振荡器组成的闭和组成的闭和环路。环路。如图所示，如图所示，fi为基准频率，为基准频率，fo为输出信号频率。为输出信号频率。环路锁定时，环路锁定时，fo=fi =C (C为常数为常数)达到频率相同达到频率相同,同步的状态同步的状态 2.3.3 间接合成法（锁相环路法）基本工作原理基本工作原理：当压控振荡器输出频率f2由于某种原因变化时，相应相位也产生变化，该相位变化在鉴相器中与基准晶振频率f1的稳定相位相比较，使鉴相器输出一个与相位差成比例的电压ud(t)，经过低通滤波器，检出其直流分量uc(t)，用uc(t)控制压控振荡器中压控元件数值（如变容二极管电容），从而调整VCO的输出频率f2，使其不但频率和基准晶振一致，相位也同步，这时称为相位锁定，因此最终VCO的频率输出稳定度就由晶振频率f1决定。即f1=f2基准晶振鉴相器压控振荡器低通滤波器f2f1PDLPEVCOuc(t)ud(t)输出2、锁相环基本原理介绍锁相环的几种形式倍频锁相环分频锁相环混频锁相环VCOPD 石英石英振荡器振荡器fifofo=Nfi输出输出vi 脉冲脉冲形成电路形成电路PDVCO Nfifo/Nfo=Nfi脉冲控制环脉冲控制环数字倍频环数字倍频环倍倍频频式式锁锁相相环环适用于向高端扩展的频率合成适用于向高端扩展的频率合成倍频式锁相环倍频式锁相环对输入频率进行乘法运算的锁相环，称为倍频式锁相环。对输入频率进行乘法运算的锁相环，称为倍频式锁相环。常用的倍频环有两种常用的倍频环有两种：脉冲控制环脉冲控制环数字环数字环脉冲控制环：加在相位比较器的输入信号是重复信号为基准频率脉冲控制环：加在相位比较器的输入信号是重复信号为基准频率的窄脉冲，压控振荡器输出锁定在窄脉冲的高次谐波上。的窄脉冲，压控振荡器输出锁定在窄脉冲的高次谐波上。数字环：在基本锁相环反馈回路中加入数字倍频器。数字环：在基本锁相环反馈回路中加入数字倍频器。PDVCO Nfifo=fi/NPDVCOfifo=fi/N分分频频式式锁锁相相环环脉冲控制环脉冲控制环数字分频数字分频环环选中某一高次谐波选中某一高次谐波,达到分频的目达到分频的目的的适用于向低端扩展的频率合成适用于向低端扩展的频率合成分频式锁相环分频式锁相环对输入频率进行除法运算的