测量用信号源(新)课件.ppt
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1、第第4 4章章 测量用信号源测量用信号源4.14.1 信号源概述信号源概述 4.24.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器 4.34.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生 4.44.4 直接数字合成技术直接数字合成技术 4.5 4.5 合成信号源简介合成信号源简介 4.1 信号源概述信号源概述4.1.1 信号源在电子测量中的作用和组成信号源在电子测量中的作用和组成1.1.信号源的作用信号源的作用 信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。或不规则波形的信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面:信号源的用途主
2、要有以下三方面:激励源。激励源。信号仿真。信号仿真。标准信号源。标准信号源。1.1.作激励源作激励源 作为某些电气设备的激励信号。作为某些电气设备的激励信号。2.2.信号仿真信号仿真 在设备测量中,常需要产生模拟实际环境相同特在设备测量中,常需要产生模拟实际环境相同特性的信号,如对干扰信号进行仿真。性的信号,如对干扰信号进行仿真。3.3.校准源校准源 产生一些标准信号,用于对一般信号源进行校准产生一些标准信号,用于对一般信号源进行校准(或比对)。(或比对)。信号源的功用信号源的功用输输 入入激激 励励信信号号发发生生器器被被测测设设备备测测试试仪仪器器输输 出出响响 应应信号信号输出输出主振器
3、主振器缓冲缓冲调制调制输出输出电电 源源监测监测信号发生器结构框图信号发生器结构框图4.1.2 4.1.2 信号源的分类信号源的分类按频率范围按频率范围 大致可分为六类:大致可分为六类:2.2.按输出波形按输出波形,大致可分为:大致可分为:3.按照信号发生器的性能指标 可分为:一般信号发生器;标准信号发生器;4.1.3 4.1.3 信号源的技术指标信号源的技术指标1.1.频率特性频率特性ccfff 04.1.3 4.1.3 信号源的技术指标信号源的技术指标offfminmax4.1.3 4.1.3 信号源的技术指标信号源的技术指标0ffK4.1.3 4.1.3 信号源的技术指标信号源的技术指标
4、212221222112)(2122)(iiiiiiiiifffffffff该方差越小,说明两数据的离散性越小,即短时间频率变化越小。阿伦方差定义的是m组双取样方差平均值方根的相对值:mfffmiiia2)(1)(12120阿伦方差测量方法阿伦方差测量方法2.2.输出幅度的指标输出幅度的指标分贝电平,有功率电平和电压电平两种形式。分贝电平,有功率电平和电压电平两种形式。)(lg100dBPPp)(lg200dBVVv3.3.输出阻抗输出阻抗 低频低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600600(或(或1k1k)功率输出端依输出匹配变压器的设计而定,通常有
5、功率输出端依输出匹配变压器的设计而定,通常有5050、7575、150150、600600和和5 k5 k等档等档 高频高频信号发生器一般仅有信号发生器一般仅有5050或或7575档。档。信号发生器输出电压的信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的读数是在匹配负载的条件下标定的,若,若负载与信号源输出阻抗不相等,则信号源输出电压的读数是不负载与信号源输出阻抗不相等,则信号源输出电压的读数是不准确的。准确的。4.2.2 4.2.2 脉冲信号发生器脉冲信号发生器u 常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等码序列等 :u
6、ut to o(a a)矩形波)矩形波u ut to o(b b)锯齿波)锯齿波u ut to o(c c)阶梯波)阶梯波u ut to o(d d)钟形脉冲)钟形脉冲u ut to o(e e)数字编码序列)数字编码序列 常见的脉冲信号常见的脉冲信号u 脉冲发生器的分类(根据用途和产生脉冲的方法):通用脉冲发生器的分类(根据用途和产生脉冲的方法):通用脉冲发生器、快速(广谱)脉冲发生器、函数发生器、数脉冲发生器、快速(广谱)脉冲发生器、函数发生器、数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。1.1.通用脉冲发生器通用脉冲发生器u 通用脉冲发生器能够满足一般测
7、试的要求,能够调节脉冲通用脉冲发生器能够满足一般测试的要求,能够调节脉冲重复频率、脉冲宽度、输出幅度及极性等。重复频率、脉冲宽度、输出幅度及极性等。输出输出脉宽,上升脉宽,上升/下降沿下降沿控制控制主振级主振级同步放大同步放大延时级延时级脉冲形成脉冲形成输出级输出级同步脉冲输出同步脉冲输出外同步外同步触发输入触发输入外触发外触发同步脉冲输出同步脉冲输出脉冲信号发生器组成原理脉冲信号发生器组成原理4.2.34.2.3 函数信号发生器函数信号发生器1.1.多波形信号发生原理多波形信号发生原理u 方波三角波发生器方波三角波发生器C双稳态双稳态电路电路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波发
8、生器原理框图方波、三角波发生器原理框图V1)(221VVCIfsc设充放电电流为I,输出三角波的频率为fsc,则:utiustusct分段折线逼近波形综合分段折线逼近波形综合n其电路实现原理如下图所示。其电路实现原理如下图所示。分段逼近波形综合电路分段逼近波形综合电路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B011117211RRRRRuiuoRRRREuiAAAAAAut(a)ut(b)tu(c)tu(d)锯齿波的获得原理锯齿波的获得原
9、理 锯齿波可以通过方波与三角波而获得,将下图中(锯齿波可以通过方波与三角波而获得,将下图中(a a)所)所示三角波与图(示三角波与图(b b)所示方波直接叠加就可得到图()所示方波直接叠加就可得到图(c c)所)所示的交错锯齿波,再经过全波整流,就得到了图(示的交错锯齿波,再经过全波整流,就得到了图(d d)所示)所示的锯齿波。的锯齿波。4.2.4 调制信号发生器调制信号发生器 调制信号被广泛用于通信、传输和控制。调制方式分为调制信号被广泛用于通信、传输和控制。调制方式分为模拟调制和数字调制两种。模拟调制和数字调制两种。模拟调制时载波信号的幅度、频率和相位随连续的模模拟调制时载波信号的幅度、频
10、率和相位随连续的模拟调制信号而变化。拟调制信号而变化。模拟信号先被采样量化,变换为数字信号,然后被编模拟信号先被采样量化,变换为数字信号,然后被编码,最终用数字信号去调制载波。有幅移键控码,最终用数字信号去调制载波。有幅移键控(Amplitude Shift Keying)、频移键控和相移键控。)、频移键控和相移键控。I-Q调制(正交调制)调制(正交调制)首先将载波信号分解为相差首先将载波信号分解为相差90度的相互正交分量。用数字信度的相互正交分量。用数字信号分别对其号分别对其I信号和信号和Q信号进行调制。最后合成已调波。信号进行调制。最后合成已调波。正交调幅(正交调幅(QuadratureA
11、mplitudeModulation)星座)星座图图在通信中常把二进制调制信号分组编码,如果四位在通信中常把二进制调制信号分组编码,如果四位构成一组,调制信号就有构成一组,调制信号就有16种码等。种码等。2022-8-1425用相位噪声来表征用相位噪声来表征由噪声引起的信号相位起伏,由噪声引起的信号相位起伏,等效于一个噪声源等效于一个噪声源的相位调制,因而称作相位噪声的相位调制,因而称作相位噪声。这样,一个实际信号在频。这样,一个实际信号在频域中不再是一根离散的谱线,而是以调制边带的形式,在标域中不再是一根离散的谱线,而是以调制边带的形式,在标称频率上、下两侧扩展称频率上、下两侧扩展(如图如图
12、4-254-25所示所示),使得,使得信号频谱不纯信号频谱不纯所以,在频域内可用各种谱密度来表征短期频率不稳定度,所以,在频域内可用各种谱密度来表征短期频率不稳定度,其中常用:其中常用:单边带单边带(SSB)(SSB)相位噪声相位噪声L(fL(f)在实际测量中,常用单边带在实际测量中,常用单边带SSBSSB(Single Side Band)(Single Side Band)相位噪声来相位噪声来表征短期频率稳定度。表征短期频率稳定度。图图4-25 4-25 实际信号的频谱实际信号的频谱P Pf ff f0 02022-8-1426相位噪声的定义相位噪声的定义 SSBSSB相位噪声相位噪声L
13、L(f f)定义为:偏离载频定义为:偏离载频f fo o为为f f 处,在每赫兹带宽处,在每赫兹带宽的单边带功率的单边带功率P PSSBSSB与载波功率与载波功率P P0 0之比,通常用之比,通常用dBdB表示,见其示意图。表示,见其示意图。SSB SSB相位噪声示意图相位噪声示意图P P0 0HzdBcPPSSPNsn/lg100见课后习题见课后习题4-13-(三版)(三版)4.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生1.1.频率合成原理频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。4.3.1 4.3.1 频率合成的基本概
14、念频率合成的基本概念频率频率1 1输出输出石英晶体石英晶体代数运算代数运算(加、减、乘、除)(加、减、乘、除)频率合成原理频率合成原理频率频率n n输出输出基准频率基准频率2.2.频率合成分类及特点频率合成分类及特点u 直接频率合成直接频率合成 通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出,下图是其实现原理。信号并用窄带滤波器选出,下图是其实现原理。晶振晶振谐波发生器(倍频)谐波发生器(倍频)分频(分频(1010)8MHz8MHz混频(混频(+)混频(混频(+)2MHz2MHz滤波滤波分频(分频(1010)2.8MHz2
15、.8MHz滤波滤波0.28MHz0.28MHz分频(分频(1010)混频(混频(+)滤波滤波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz优点:优点:频率切换迅速,相位噪声很低。频率切换迅速,相位噪声很低。缺点:电路硬件结构复杂,体积大,价格昂贵,不便于集成化。缺点:电路硬件结构复杂,体积大,价格昂贵,不便于集成化。u 3.3.频率合成技术的发展频率合成技术的发展 各种频率合成方式的综合各种频率合成方式的综合:直接式、间接(锁
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