電子測量 第4章 測量用信號源(新)課件

第4章測量用信號源4.1信號源概述4.2正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器4.3鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生4.4直接數(shù)字合成技術(shù)4.5合成信號源簡介4.1信號源概述信號源的作用和組成信號源的分類信號源的性能指標(biāo)4.1.1信號源在電子測量中的作用和組成1.信號源的作用信號源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器。信號源的用途主要有以下三方面：☆激勵源?！钚盘柗抡??！顦?biāo)準(zhǔn)信號源。2.信號源的組成信號輸出主振器緩沖調(diào)制輸出電源監(jiān)測信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖信號源的模型低頻信號發(fā)生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600Ω（或1kΩ）功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等檔高頻信號發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω檔。信號發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負(fù)載的條件下標(biāo)定的，若負(fù)載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數(shù)是不準(zhǔn)確的。4.1.2信號源的分類1.按頻率范圍大致可分為六類：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。4.2.1脈沖信號發(fā)生器常見的脈沖信號有矩形、鋸齒形、階梯形、鐘形和數(shù)字編碼序列等：uto（a）矩形波uto（b）鋸齒波uto（c）階梯波uto（d）鐘形脈沖uto（e）數(shù)字編碼序列常見的脈沖信號脈沖發(fā)生器的分類（根據(jù)用途和產(chǎn)生脈沖的方法）：通用脈沖發(fā)生器、快速（廣譜）脈沖發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字可編程脈沖發(fā)生器及特種脈沖發(fā)生器等。1.通用脈沖發(fā)生器通用脈沖發(fā)生器能夠滿足一般測試的要求，能夠調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、輸出幅度及極性等。輸出脈寬，上升/下降沿控制主振級同步放大延時級脈沖形成輸出級同步脈沖輸出外同步觸發(fā)輸入外觸發(fā)同步脈沖輸出脈沖信號發(fā)生器組成原理4.2.2函數(shù)信號發(fā)生器1.多波形信號發(fā)生原理⑴方波三角波發(fā)生器C雙穩(wěn)態(tài)電路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波發(fā)生器原理框圖V1設(shè)充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，則：⑶鋸齒波形成電路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理鋸齒波可以通過方波與三角波而獲得，將下圖中（a）所示三角波與圖（b）所示方波直接疊加就可得到圖（c）所示的交錯鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（d）所示的鋸齒波。4.2.3調(diào)制信號發(fā)生器調(diào)制信號被廣泛用于通信、傳輸和控制。調(diào)制方式分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。模擬調(diào)制時載波信號的幅度、頻率和相位隨連續(xù)的模擬調(diào)制信號而變化。模擬信號先被采樣量化，變換為數(shù)字信號，然后被編碼，最終用數(shù)字信號去調(diào)制載波。有幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying）、頻移鍵控和相移鍵控。正交調(diào)幅（QuadratureAmplitudeModulation）星座圖在通信中常把二進(jìn)制調(diào)制信號分組編碼，如果四位構(gòu)成一組，調(diào)制信號就有16種碼等。4.3信號源的技術(shù)指標(biāo)1.頻率特性（1）頻率范圍（2）輸出頻率的相對誤差

（3）頻率穩(wěn)定度是指在預(yù)熱后，信號源在規(guī)定時間內(nèi)頻率的相對變化。包含系統(tǒng)誤差影響和隨機(jī)誤差影響。4.3信號源的技術(shù)指標(biāo)（3）頻率穩(wěn)定度

測量方法：4.3信號源的技術(shù)指標(biāo)阿侖方差（Allan）：反映頻率在很短時間內(nèi)變化的常用指標(biāo)。由于時間間隔很短，因此主要反映隨機(jī)變化。阿侖方差是討論m組相鄰兩測量時間為t的頻率值的差異。稱為雙取樣測量。在一組中，兩個測量數(shù)據(jù)的方差估計值為：該方差越小，說明兩數(shù)據(jù)的離散性越小，即短時間頻率變化越小。阿倫方差定義的是m組雙取樣方差平均值方根的相對值：阿倫方差測量方法早期采用間隔測量法，現(xiàn)在多采用連續(xù)取數(shù)法P0為1mW時，功率電平單位就是dBm

V0取1V時，電壓電平的單位就是dBv

在規(guī)定負(fù)載為600歐時，也常取V0=0.775V，電壓電平的單位為dBu。這時，功率電平和電壓電平在數(shù)值上相等2.輸出幅度的指標(biāo)分貝電平，有功率電平和電壓電平兩種形式。用相位噪聲來表征由噪聲引起的信號相位起伏，等效于一個噪聲源的相位調(diào)制，因而稱作相位噪聲。這樣，一個實際信號在頻域中不再是一根離散的譜線，而是以調(diào)制邊帶的形式，在標(biāo)稱頻率上、下兩側(cè)擴(kuò)展(如圖4-25所示)，使得信號頻譜不純．所以，在頻域內(nèi)可用各種譜密度來表征短期頻率不穩(wěn)定度，其中常用：

單邊帶(SSB)相位噪聲L(f)

在實際測量中，常用單邊帶SSB(SingleSideBand)相位噪聲來表征短期頻率穩(wěn)定度。

圖4-25實際信號的頻譜Pff02/6/202325相位噪聲的定義

SSB相位噪聲L(f)定義為：偏離載頻fo為f處，在每赫茲帶寬的單邊帶功率PSSB與載波功率P0之比，通常用dB表示，見其示意圖。

SSB相位噪聲示意圖P0見課后習(xí)題4-13-（三版）2/6/2023264.3鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生頻率合成原理頻率的代數(shù)運(yùn)算是通過倍頻、分頻及混頻技術(shù)來實現(xiàn)。4.3.1頻率合成的基本概念頻率1輸出石英晶體代數(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準(zhǔn)頻率⑵鎖相式頻率合成

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。優(yōu)點：易于集成化，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，價格低等優(yōu)點。缺點：頻率切換時間相對較長，相位噪聲較大。

⑶直接數(shù)字合成（DDS）

是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需頻率的正弦信號優(yōu)點：能實現(xiàn)快捷變和小步進(jìn)，且集成度高，體積小缺點：頻率上限較低，雜散也較大。3.頻率合成技術(shù)的發(fā)展

各種頻率合成方式的綜合:

直接式、間接（鎖相環(huán)）式和直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)都有其優(yōu)缺點，單獨使用任何一種方法，很難滿足要求。因此可將這幾種方法綜合應(yīng)用，特別是DDS與PLL的結(jié)合,可以實現(xiàn)快捷變，小步進(jìn)及較高的頻率上限。4.3.2鎖相環(huán)（PLL）的基本概念1.鎖相環(huán)基本工作原理及性能

鎖相環(huán)是一個相位環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。該環(huán)路由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、電壓控制振蕩器（VCO）及基準(zhǔn)晶體振蕩器等部分組成。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd鎖相環(huán)的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。相位比較器，用來比較兩個輸入信號的相位，其輸出電壓正比于兩信號的相位差。壓控振蕩器，其振蕩頻率可用電壓控制，一般都利用變?nèi)荻O管（變?nèi)荻O管掃頻）。鎖相環(huán)的捕捉過程鎖相環(huán)的主要性能指標(biāo):鎖相環(huán)鎖定時鑒相器有三個特點：一是鑒相器兩輸入信號頻率相等；二是兩輸入信號的相位差為常數(shù)；三是鑒相器的輸出基本為直流（用于判斷鎖相環(huán)是否處于鎖定狀態(tài)）。環(huán)路帶寬

:鎖相環(huán)的頻率特性具有低通濾波器的傳輸特性，其高頻截止頻率稱為環(huán)路帶寬。對輸入信號的相位具有低通特性，就意味著對輸入信號的整體具有帶通特性。即鎖相環(huán)只允許在輸入頻率fi附近的頻率成分通過，而阻止遠(yuǎn)離fi的頻率成分通過。關(guān)于鎖相環(huán)的一些縮略詞PLLPhase-lockedLoops鎖相環(huán)PDPhaseDetector相位比較器LPFLow-passFilter低通濾波器VCOVoltageControlledOscillater壓控振蕩器DDFSDirectDigitalFrequencySynthesis直接數(shù)字頻率合成LFLoopsFilter環(huán)路濾波器（1）混頻式鎖相環(huán)混頻環(huán)實現(xiàn)對頻率的加減運(yùn)算PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環(huán)PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混頻環(huán)fo=fi1-fi2混頻鎖相環(huán)+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加環(huán)簡化圖（d）相減環(huán)簡化圖2.常用基本鎖相單元混頻環(huán)基準(zhǔn)頻率fi1的頻率穩(wěn)定度是比較高的，而能產(chǎn)生連續(xù)可變頻率的內(nèi)插振蕩器產(chǎn)生的fi2的穩(wěn)定度相對較差。實例：采用教材圖4-12的電路，fi1由石英晶體供給，頻率為2340kHz，其日穩(wěn)定度為10-6～10-9/日，取10-6/日。fi2為60～70kHz，日穩(wěn)定度為10-4/日。經(jīng)過一天后穩(wěn)定度因素引起的輸出頻率變化為：可見，fi2的引入使fo的穩(wěn)定度受到一定影響，但它基本處于fi1的穩(wěn)定度，比fi2的穩(wěn)定度要好很多。(2）倍頻式鎖相環(huán)倍頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率進(jìn)行乘法運(yùn)算，主要有兩種形式：諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)（a）諧波倍頻環(huán)VCOPDLPFfO=Nfifi諧波形成Nfifo=Nfi（b）數(shù)字倍頻環(huán)VCOPDLPFfi÷N倍頻式鎖相環(huán)原理圖fi×NPLLNfi（c）倍頻環(huán)簡化圖(3)分頻式鎖相環(huán)分頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率的除法運(yùn)算，與倍頻環(huán)相似，也有兩種基本形式。分頻式鎖相環(huán)原理圖VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）數(shù)字分頻環(huán)VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波形成（a）諧波分頻環(huán)fi÷NPLLfo=fi/N（c）分頻環(huán)簡化圖⑷雙環(huán)合成單元單環(huán)合成單元存在頻率點數(shù)目較少，頻率分辨率不高等缺點，所以一個合成式信號源都是由多環(huán)合成單元組成如果fi1=10kHz,N=330-500,則fi1在3300-5000kHz內(nèi)間隔為10kHz離散可變。另外，使得fi2為100-110kHz，則雙環(huán)合成單元在3400-5110kHz連續(xù)可調(diào)。頻率合成器實例本例合成器被稱為1.7MHz或1700kHz的合成器小數(shù)分頻式鎖相環(huán)1.利用多環(huán)合成單元提高頻率分辨力微機(jī)可控小數(shù)分頻鎖相環(huán)2.小數(shù)分頻環(huán)小數(shù)合成法LPFVCOPDfo=1890kHzfi=100kHz小數(shù)分頻器(N+1)和N次

=18.9控制電路令N=18

則平均分頻系數(shù)18.9若要平均分頻系數(shù)=18.6，怎么控制？2/6/202344N和N+1頻率摻勻兩種分頻都可能用到很多次，那么就應(yīng)該設(shè)法把兩種分頻混合均勻，而不要在一段時間內(nèi)都是N分頻，而在另一段時間內(nèi)都是N+1分頻。依靠計算機(jī)控制下的計數(shù)功能可以完成摻勻。用摻勻法從分頻器加給鑒相器的信號頻率，雖然有很小的變動，但是只要用鑒相器輸出信號的平均值去控制壓控振蕩器，就能得到要求的輸出頻率。例:分頻比為.3的實現(xiàn)過程微機(jī)可控直接數(shù)字頻率合成1.DDFS的基本原理微機(jī)可控直接數(shù)字頻率合成1.DDFS的基本原理DDFS的基本原理首先，把一個單位振幅的正弦函數(shù)的相位在2∏弧度內(nèi)分成盡可能小的間隔點，若用A位二進(jìn)制表示，則最小相位間隔為：求出相應(yīng)的正弦值，寫入ROM中。構(gòu)成一個正弦表。把頻率碼變換成相位取樣值，然后，查ROM表可以讀出相應(yīng)的正弦值。由于時鐘周期是定值且高穩(wěn)定，所以輸出頻率亦很穩(wěn)定。頻率分辨力為輸出頻率為正弦波：預(yù)存正弦函數(shù)表，如圖3.18。實例說明：AD9850是美國AnalogDevices公司生產(chǎn)的DDS單片頻率合成器，在DDFS的ROM中已預(yù)先存入正弦函數(shù)表：其幅度按二進(jìn)制分辨率量化；其相位一個周期360°按的分辨率設(shè)立相位取樣點，然后存入ROM的相應(yīng)地址中。2/6/202350實用中，改變讀取ROM的地址數(shù)目，即可改變輸出頻率。若在系統(tǒng)時鐘頻率的控制下，依次讀取全部地址中的相位點，則輸出頻率最低。因為這時一個周期要讀取232相位點，點間間隔時間為時鐘周期Tc，則Tout=232Tc

因此這時輸出頻率為圖3.19AD9850內(nèi)部組成框圖頻率相位碼寄存器相位和控制字頻率碼32位高速DDS碼輸入寄存器并行8位×5輸入時鐘輸入復(fù)位頻率更新/寄存器復(fù)位碼輸入時鐘串行1位×40輸入比較器＋－方波輸出模擬輸入模擬輸出DAC復(fù)位地＋Vs2/6/202351（3.16）若隔一個相位點讀一次，則輸出頻率就會提高一倍。依次類推可得輸出頻率的一般表達(dá)式（3.17）式中k為頻率碼，是個32位的二進(jìn)制值，可寫成：（3.18）對應(yīng)于32位碼值（0或1）。為便于看出頻率碼的權(quán)值對控制頻率高低的影響，將（3.18）代入（3.17）式得：（3.19）2/6/202352按AD9850允許最高時鐘頻率fc=125MHz來進(jìn)行具體說明，當(dāng)A0＝1，而A31，A30，…，A1均為0時，則輸出頻率最低，也是AD9850輸出頻率的分辨率：與上面從概念導(dǎo)出的結(jié)果一致。當(dāng)A31＝1，而A0，A1，…，A30均為0時，輸出頻率最高：應(yīng)當(dāng)指出，這時一周只有兩個取樣點，已到取樣定理的最小允許值，所以當(dāng)A31＝1后，以下碼值只能取0。實際應(yīng)用中，為了得到好的波形，設(shè)計最高輸出頻率小于時鐘頻率的1/3。這樣，只要改變32位頻率碼值，則可得到所需要的頻率，且頻率的準(zhǔn)確度與時鐘頻率同數(shù)量級。2/6/202353相位的控制所謂‘相位’控制，實際上指的是兩信號之間的相位差控制。通過改變一路信號的初相，可以達(dá)到控制兩個信號的相位差的目的。而初相可由初始相位碼來確定。相位的控制=初相碼（常量）+頻率碼（增量）2/6/202354頻率和相位控制原理2/6/202355頻率和相位控制原理該實例中相位碼有48位，而波形存儲器容量（地址）只有14位，對應(yīng)16384個地址。每個波形存儲單元有12位。當(dāng)相位碼高位變化時，波形存儲器地址才變化，相位碼位數(shù)的提高提高了頻率分辨率。2/6/2023564.5合成信號源簡介任意波發(fā)生器（AibitrayWaveGenerator）：能產(chǎn)生任意波形的信號發(fā)生器。4.5.1任意波形發(fā)生器1

AWG的工作原理任意波形發(fā)生器的原理與DDS基本相同，如下圖所示波形存儲器D/A轉(zhuǎn)換器濾波器fs輸出任意波形發(fā)生器原理2AWG的主要技術(shù)指標(biāo)

①波形編輯功能。②輸出波形頻率。③相位分辨力。④幅度分辨率。⑤輸出通道數(shù)。函數(shù)、任意波形發(fā)生器4.5.2合成掃頻信號源1工作原理

頻率特性測試的方法：點頻法和掃頻法點頻法：逐點調(diào)整信號發(fā)生器的輸出頻率，并用電壓表等設(shè)備記錄被測系統(tǒng)的響應(yīng)。特點：準(zhǔn)確度高，但繁瑣費(fèi)時，頻率間隔較大。掃頻法：是利用掃頻信號發(fā)生器輸出自動連續(xù)變化的頻率信號，對被測系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)式的掃頻測試。特點：簡單快捷，可以方便地測量系統(tǒng)的頻率特性及動態(tài)特性。掃頻信號發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)：掃描電壓發(fā)生器正弦振蕩