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生4.4直接數(shù)字合成技術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?！钚盘柗抡妗！顦藴市盘栐?。2.信號源的組成信號輸出主振器緩沖調制輸出電源監(jiān)測信號發(fā)生器結構框圖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。2.按輸出波形,大致可分為：正弦波形發(fā)生器；脈沖信號發(fā)生器；函數(shù)信號發(fā)生器；噪聲信號發(fā)生器。3.按照信號發(fā)生器的性能指標可分為：一般信號發(fā)生器；標準信號發(fā)生器；4.1.3信號源的技術指標（3）頻率穩(wěn)定度

測量方法：4.1.3信號源的技術指標老化率：主要考慮系統(tǒng)誤差影響。通常在一周或更長時間內，在確定的時間間隔測一次信號源頻率，用最小二乘法擬合直線。老化率一般指直線上一天頻率的變化和標稱值之比，稱日老化率。4.1.3信號源的技術指標阿侖方差（Allan）：反映頻率在很短時間內變化的常用指標。由于時間間隔很短，因此主要反映隨機變化。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)據的方差估計值為：該方差越小，說明兩數(shù)據的離散性越小，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：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.輸出幅度的指標分貝電平，有功率電平和電壓電平兩種形式。3.輸出阻抗

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)是在匹配負載的條件下標定的，若負載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數(shù)是不準確的。4.2.2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（根據用途和產生脈沖的方法）：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。4.2.3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設充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，則：⑵正弦波形成電路utiustusct分段折線逼近波形綜合其電路實現(xiàn)原理如下圖所示。分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B⑶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，再經過全波整流，就得到了圖（d）所示的鋸齒波。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)字信號去調制載波。有幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying）、頻移鍵控和相移鍵控。I-Q調制（正交調制）首先將載波信號分解為相差90度的相互正交分量。用數(shù)字信號分別對其I信號和Q信號進行調制。最后合成已調波。正交調幅（QuadratureAmplitudeModulation）星座圖在通信中常把二進制調制信號分組編碼，如果四位構成一組，調制信號就有16種碼等。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，而是以調制邊帶的形式，在標稱頻率上、下兩側擴展(如圖4-25所示)，使得信號頻譜不純．所以，在頻域內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見課后習題4-13-（三版）2/6/2023264.3鎖相頻率合成信號的產生頻率合成原理頻率的代數(shù)運算是通過倍頻、分頻及混頻技術來實現(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)運算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準頻率⑵鎖相式頻率合成

一種間接式的頻率合成技術。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頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個基準頻率的基礎上合成不同的頻率。優(yōu)點：易于集成化，體積小，結構簡單，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）

是基于取樣技術和數(shù)字計算技術來實現(xiàn)數(shù)字合成，產生所需頻率的正弦信號優(yōu)點：能實現(xiàn)快捷變和小步進，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用，特別是DDS與PLL的結合,可以實現(xiàn)快捷變，小步進及較高的頻率上限。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，一般都利用變容二極管（變容二極管掃頻）。鎖相環(huán)的捕捉過程鎖相環(huán)的主要性能指標: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，而阻止遠離fi的頻率成分通過。關于鎖相環(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)基準頻率fi1的頻率穩(wěn)定度是比較高的，而能產生連續(xù)可變頻率的內插振蕩器產生的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)對輸入頻率進行乘法運算，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。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，那么就應該設法把兩種分頻混合均勻，而不要在一段時間內都是N分頻，而在另一段時間內都是N+1分頻。依靠計算機控制下的計數(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)過程微機可控直接數(shù)字頻率合成1.DDFS的基本原理微機可控直接數(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∏弧度內分成盡可能小的間隔點，若用A位二進制表示，則最小相位間隔為：求出相應的正弦值，寫入ROM中。構成一個正弦表。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：預存正弦函數(shù)表，如圖3.18。實例說明：AD9850是美國AnalogDevices公司生產的DDS單片頻率合成器，在DDFS的ROM中已預先存入正弦函數(shù)表：其幅度按二進制分辨率量化；其相位一個周期360°按的分辨率設立相位取樣點，然后存入ROM的相應地址中。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輸入時鐘輸入復位頻率更新/寄存器復位碼輸入時鐘串行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式（3.17）式中k為頻率碼，是個32位的二進制值，可寫成：（3.18）對應于32位碼值（0或1）。為便于看出頻率碼的權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來進行具體說明，當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：與上面從概念導出的結果一致。當A31＝1，而A0，A1，…，A30均為0時，輸出頻率最高：應當指出，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A31＝1后，以下碼值只能取0。實際應用中，為了得到好的波形，設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16384個地址。每個波形存儲單元有12位。當相位碼高位變化時，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轉換器濾波器fs輸出任意波形發(fā)生器原理2AWG的主要技術指標

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：逐點調整信號發(fā)生器的輸出頻率，并用電壓表等設備記錄被測系統(tǒng)的響應。特點：準確度高，但繁瑣費時，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