电子测量与仪器课后答案,第三章

第三章信号发生器思考题与习题3.1信号发生器的常用分类方法有哪些？按照输出波形信号发生器可以分为哪些类？答：（1）按频率范围分类；（2）按输出波形分类；（3）按信号发生器的性能分类。其中按照输出波形信号发生器可以分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦信号发生器又可包括脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列信号发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。3.2正弦信号发生器的主要技术指标有哪些？简述每个技术指标的含义？答：正弦信号发生器的主要技术指标有：（1）频率范围指信号发生器所产生信号的频率范围；（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；（3）频率稳定度频率稳定度是指其它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（4）失真度与频谱纯度通常用信号失真度来评价低频信号发生器输出信号波形接近正弦波的程度，对于高频信号发生器的失真度，常用频谱纯度来评价；（5）输出阻抗（6）输出电平输出电平指的是输出信号幅度的有效范围；（7）调制特性是否能产生其他调制信号。3.3已知可变频率振荡器频率f1＝2.4996~4.5000MHz，固定频率振荡器频率f2=2.5MHz，若以f1和f2构成一差频式信号发生器，试求其频率覆盖系数，若直接以f1构成一信号发生器，其频率覆盖系数又为多少？解：因为差频式信号发生器f0=f1－f2所以输出频率范围为：400Hz～2.0000MHz频率覆盖系数301055000Hz400MHz0000.2＝＝k如果直接以f1构成一信号发生器，则其频率覆盖系数8.1.4996MHz2MHz5000.40k3.4简述高频信号发生器主要组成结构，并说明各组成部分的作用？答：高频信号发生器主要组成结构图如下图所示：高频信号发生器原理框图主振级缓冲级调制级输出级监测器输出电源内调制振荡器可变电抗器外调制输入AMFM内外（1）主振级产生具有一定工作频率范围的正弦信号，是信号发生器的核心。（2）缓冲级主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作的稳定。（3）调制级主要进行幅度调制和放大后输出，并保证一定的输出电平调节和输出阻抗。（4）输出级进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到μV数量级。3.5要求某高频信号发生器的输出频率f＝8~60MHz，已知其可变电容器的电容C的变化范围为50pF~200pF，请问该如何进行波段划分，且每个波段对应的电感应为多大？解：2502002121minmaxmaxminminmaxCCLCLCffk＝＝而5.7Hz80MHz6＝k，nkk443.3255.0875.08.1lg5.7lg9.0lglgkkn由MHz8pF2002121maxminLLCf＝，所以H979.10L相邻波段的电感值满足：21kLLnn，所以可以计算得出H495.01LH124.02LH031.01L3.6简述脉冲信号发生器的主要组成部分及主要技术指标？答：脉冲信号发生器的组成框图如下图所示：脉冲信号发生器具有如下主要技术指标：能输出同步脉冲及与同步脉冲有一定延迟时间的主脉冲；延迟时间可调；主脉冲的频率可调、脉宽可调、极性可切换，且具有良好的上升脉冲信号发生器的基本组成主振级同步输出外同步放大外同步输入延迟级形成级整形级输出级主脉冲时间、下降时间，以及较小的上冲量。3.7简述各种不同类型的函数发生器特点及作用？答：（1）正弦式函数信号发生器它包括正弦振荡器、缓冲级、方波形成、积分器、放大器和输出级等部分。（2）脉冲式函数信号发生器它包括脉冲发生器、施密特触发器、积分器和正弦波转换电路等部分。3.8简述各种类型的信号发生器的主振器的组成，并比较各自特点。答：（1）低频信号发生器的主振器组成为：RC文氏桥式振荡器，其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。（2）高频信号发生器的主振器组成为：LC三点式振荡电路，主振级的电路结构简单，输出功率不大，一般在几到几十毫瓦的范围内。（3）脉冲信号发生器的主振器组成为：可采用自激多谐振荡器、晶体振荡器或锁相振荡器产生矩形波，也可将正弦振荡信号放大、限幅后输出，作为下级的触发信号。对主振级输出波形的前、后沿等参数要求不很高，但要求波形的一致性要好，并具有足够的幅度。3.9XFG-7高频信号发生器的频率范围为f=100kHz~30MHz，试问应划分几个波段？（为答案一致，设k=2.4）解：而30000KHz10MHz3＝k，nkk84.7334.0477.24.29.0lg300lg9.0lglgkkn3.10简述合成信号源的的各种频率合成方法及其优缺点。答：合成信号源的的各种频率合成方法主要有模拟直接合成法，数字直接合成法和锁相环频率合成法。模拟直接合成法特点：虽然转换速度快（μs量级），但是由于电路复杂，难以集成化，因此其发展受到一定限制。数字直接合成法：基于大规模集成电路和计算机技术，尤其适用于函数波形和任意波形的信号源，将进一步得到发展。但目前有关芯片的速度还跟不上高频信号的需要，利用DDS专用芯片仅能产生100MHz量级正弦波，其相位累加器可达32位，在基准时钟为100MHz时输出频率分辨力可达0.023Hz，可贵的是这一优良性能在其它合成方法中是难以达到的。锁相环频率合成法：虽然转换速度慢（ms量级），但其输出信号频率可达超高频频段甚至微波、输出信号频谱纯度高、输出信号的频率分辨力取决于分频系数N，尤其在采用小数分频技术以后，频率分辨力大力提高。3.11简述直接数字频率合成原理，试设计一个利用微处理器产生任意波形发生器的方案，并讨论如何提高任意波形的频率？答：在存储器里存储任意波形的数字量，通过微处理器以一定的时间间隔读取数据，并送D/A转换器进行转换，并将电压信号送滤波器进行滤波，一直以相同的转换时间间隔取下一个数进行转换，这样就可得到任意波形发生器。提高任意波形频率的方法有：PC机滤波D/A（1）减小读取时间间隔，并采用转换速度较快的D/A转换器；（2）采用读取时间短的存储器；（3）一个周期转换的点数减小。3.12有一频率合成器如图3.37所示，求：（1）f0的表达式；（2）f0的范围；（3）最小步进频率。解：由图可知：（1）3011fffN232100Nff所以10022110fNfNf（2）1000~5601N6000~50002NMHzKHzKHzKHzfff650.556501001500010560100500056021min0MHzKHzKHzKHzfff060.1010060100160001010001006000100021max0（3）因为N1和N2均可改变，但f0表达式中，N2的系数小，所以N2变化1得到的f0的变化最小，即f0的最小步进频率为HzKHzff101001100203.13计算下图所示锁相环的输出频率范围及步进频率。÷100f3fl10kHz×N1560～1000LPFPDBPFVCO1f0M(-)f21kNzVCO2f3÷N25000~6000PD÷100LPF图3.37题3.12图frf0（a）VCO÷nPDLPF÷mfrfrLfrHf0f0－frH（b）×MVCO÷PPDLPF÷N1―解：（a）mfnfr0，所以nmffr0，步进maxnfr（b）10NffPfrHr，所以rHrfPNff1，步进maxPfr（c）设VCO1输出频率为f1，则111Nffr，111Nffr，2022110NffNfr，2211222112221010)10()10(NfNfNfNNfNfNffrrrrr)1000~720(10010)1100~1000(10kHzkHzfMHzkHzkHzfL1.7272010010100010MHzkHzkHzfH11.100100010010110010步进HzkHz10010113.14利用一片D/A转换器和一片RAM为主要部件，试设计一个正弦波发生器，如果要求波形点数1000点，（D/A1：10b；D/A2：8b；RAM：8K字节）。（1）画出电路原理图（包括其它必要的硬件电路）及其与微处理器的连接；（2）根据要求确定D/A转换器的位数；（3）若读取一个数据到D/A转换完一个数据的时间最短为10μs，那么该信号发生器产生的最高频率为多少？（4）若要提高输出频率，可以采取哪些措施？解：（1）电路原理图如下图所示：图3.38题3.13图fr1f0（c）1KHz÷N2720~100M(+)BPFVCO2PDLPF÷N2720~100VCO1LPF÷10PD÷N11000~1100III100kHzfr2～VRL图3.39题3.16图Ri信号源80518KBRAMD/A373A12～8A7～0D7～0RDRDP0P2ALEGCSWRCS电压输出（2）因为要显示的波形点数为1000点，而RAM容量为8K字节，b192.8100010248所以D/A位数为8位。（3）由题意两个数据之间的时间间隔为10μs，一个周期1000个点，所以T＝10μs×1000＝0.01s，即f＝100Hz（4）提高输出频率的措施有：采用存取速度快的存储器，采用转换速度快的D/A，减少一个周期波形的点数。3.15AD9850DDS中如果时钟频率fc=125MHz，相位累加器宽度N=32位，频率控制字k=0100000H，这时输出频率为多少？解：k=0100000H，所以A20＝1，因为DDS：HzMHzAfAfAfAfAffcccccout578125.3051721252222212201203213130231130.518KHz3.16高频信号源输出等效电路如图3.39所示。问信号源输出幅度指示刻度是什么值？当RH=Ri；RH=∞；RH≠Ri三种情况下，输出电压各为多大？将此信号源直接加到示波器上校验幅度，结果将会如何？解：信号源输出幅度指示刻度是在匹配负载的条件下按照正弦波的有效值标定的。当RH=Ri时：此时输出阻抗匹配，输出电压为正弦波的有效值；当RH=∞时：输出阻抗不匹配，由于RH=∞，所以输出电压为匹配条件下的两倍；当RH≠Ri时：输出阻抗不匹配，输出电压将不准确，当RHRi时，输出电压偏大，当RHRi时，输出电压偏小。如果利用示波器校验幅度，那么指示结果将偏大，因为示波器输入阻抗大于信号源输出阻抗。