测量用信号源(新)课件.ppt

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

16、相环）式和直接数字式频率合成技术都直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成技术都有其优缺点有其优缺点 ，单独使用任何一种方法，很难满足要求。，单独使用任何一种方法，很难满足要求。因此可将这几种方法综合应用，特别是因此可将这几种方法综合应用，特别是DDSDDS与与PLLPLL的结合的结合,可以实现快捷变，小步进及较高的频率上限。可以实现快捷变，小步进及较高的频率上限。4.3.2 4.3.2 锁相环（锁相环（PLLPLL）的基本概念）的基本概念u 1.1.锁相环基本工作原理及性能锁相环基本工作原理及性能 u 锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路

17、由鉴相器（器（PDPD）、环路滤波器（）、环路滤波器（LPFLPF）、电压控制振荡器（）、电压控制振荡器（VCOVCO）及基准晶体振荡器等部分组成及基准晶体振荡器等部分组成 。锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd频率相等)(ti)(sinttViiimPDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环）相减混频环PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混频环）相加混频环fo=fi1-fi2混频锁相环混频锁相环+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加环

18、简化图）相加环简化图（d）相减环简化图）相减环简化图2.常用基本锁相单元常用基本锁相单元 混频环基准频率混频环基准频率fi1fi1的频率稳定度是比较高的，的频率稳定度是比较高的，而能产生连续可变频率的内插振荡器产生的而能产生连续可变频率的内插振荡器产生的fi2fi2的稳定度相对较差。的稳定度相对较差。实例：采用教材图实例：采用教材图4-12的电路，的电路，fi1由石英晶体供给，频由石英晶体供给，频率为率为2340kHz，其日稳定度为，其日稳定度为10-610-9/日，取日，取10-6/日。日。fi2为为60 70kHz，日稳定度为，日稳定度为10-4/日。经过一天后稳定日。经过一天后稳定度因素

19、引起的输出频率变化为：度因素引起的输出频率变化为：.105.3f34.8)10106010102340(6o436321的日稳定度约为可得HzHzfffiio可见，可见，fi2的引入使的引入使fo的稳定度受到一定影响，但它基本处的稳定度受到一定影响，但它基本处于于fi1的稳定度，比的稳定度，比fi2的稳定度要好很多。的稳定度要好很多。（a）谐波倍频环谐波倍频环VCOPDLPFfO=Nfifi谐波谐波形成形成Nfifo=Nfi（b）数字倍频环）数字倍频环VCOPDLPFfiN倍频式锁相环原理图倍频式锁相环原理图fiNPLLNfi（c）倍频环简化图）倍频环简化图分频式锁相环原理图分频式锁相环原理图

20、VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b）数字分频环）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波谐波形成形成（a）谐波分频环）谐波分频环fiNPLLfo=fi/N（c）分频环简化图）分频环简化图如果如果fi1=10kHz,N=330-500,则则fi1在在3300-5000kHz内间内间隔为隔为10kHz离散可变。另外，使得离散可变。另外，使得fi2为为100-110kHz，则双环合成单元在则双环合成单元在3400-5110kHz连续可调。连续可调。本例合成器被称为本例合成器被称为1.7MHz或或1700kHz的合成器的合成器iofNNf)1.0(122022-8-1444小数合成法小数

21、合成法 LPFLPFVCOVCOPDPDf fo o =1890kHz1890kHzf f i i=100kHz=100kHz小数分频器小数分频器(N+1N+1)和和N N次次 =18.9=18.9控制电路控制电路 令令 N N=1818 则则 平均分频系数平均分频系数 19 9 18 19 1 18.9 18.9 若要平均分频系数若要平均分频系数=18.6=18.6，怎么控制？，怎么控制？19 6 18 418.69 1 A22minminnNcoff2minNcoutfKf22022-8-1450 正弦波：预存正弦函数表，如图正弦波：预存正弦函数表，如图3.183.18。实例说明：实例说明

22、：AD9850AD9850是美国是美国Analog DevicesAnalog Devices公司生产的公司生产的DDSDDS单片频率合单片频率合成器，在成器，在DDFSDDFS的的ROMROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按中已预先存入正弦函数表：其幅度按二进制分辨率量化；其相位一个周期二进制分辨率量化；其相位一个周期360360按按 32min2/2的分辨率设立相位取样点，然后存入的分辨率设立相位取样点，然后存入ROMROM的相应地址中。的相应地址中。2022-8-1451实用中，改变读取实用中，改变读取ROMROM的地址数目，即可改变输出频率。若的地址数目，即可改变输出频率。若在系统时钟

23、频率在系统时钟频率 cf的控制下，依次读取全部地址中的相位点，的控制下，依次读取全部地址中的相位点，则输出频率最低。因为这时一个周期要读取则输出频率最低。因为这时一个周期要读取2 23232相位点，点间相位点，点间间隔时间为时钟周期间隔时间为时钟周期T Tc c，则，则T Toutout=2=23232T Tc c 因此这时输出频率为因此这时输出频率为图图3.19 AD98503.19 AD9850内部组成框图内部组成框图频率相位码寄存器频率相位码寄存器相位和相位和控制字控制字频率码频率码3232位位高速高速DDSDDS码码 输输 入入 寄寄 存存 器器并并 行行8 8位位5 5输入输入时钟输

24、入时钟输入复位复位频率更新频率更新/寄存器复位寄存器复位码输入时钟码输入时钟串行串行1 1位位4040输入输入比较器比较器方波输出方波输出模拟输入模拟输入模拟输出模拟输出DACDAC复位复位地地V Vs s2022-8-1452322coutff（3.163.16）若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推可得输出频率的一般表达式可得输出频率的一般表达式322coutfkf（3.173.17）式中式中k k为频率码，是个为频率码，是个3232位的二进制值，可写成：位的二进制值，可写成：0011303031312222AAAAk（

25、3.183.18）013031AAAA，对应于对应于3232位码值（位码值（0 0或或1 1）。为便于看）。为便于看出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（3.183.18）代入）代入（3.173.17）式得：）式得：0321313023112222AfAfAfAffccccout （3.193.19）2022-8-1453按按AD9850AD9850允许最高时钟频率允许最高时钟频率f fc c=125MHz=125MHz来进行具体说明，来进行具体说明，当当A A0 01 1，而，而A A3131，A A3030，A A1 1均为均为0 0时，则输出频率

26、最低，时，则输出频率最低，也是也是AD9850AD9850输出频率的分辨率：输出频率的分辨率：HzMHzffcout0291.04294967296125232min与上面从概念导出的结果一致。当与上面从概念导出的结果一致。当A A31311 1，而，而A A0 0，A A1 1，A A3030均为均为0 0时，输出频率最高：时，输出频率最高：max12562.522coutffMHz应当指出，这时一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允应当指出，这时一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允许值，所以当许值，所以当A A31311 1后，以下码值只能取后，以下码值只能取0 0。实际应用中，为。

27、实际应用中，为了得到好的波形，了得到好的波形，设计最高输出频率小于时钟频率的设计最高输出频率小于时钟频率的1/31/3。这。这样，只要改变样，只要改变3232位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率的准确度与时钟频率同数量级。的准确度与时钟频率同数量级。2022-8-1454相位的控制 所谓相位控制，实际上指的是两信号之间的相位差控制。通过改变一路信号的初相，可以达到控制两个信号的相位差的目的。而初相可由初始相位码来确定。相位的控制=初相码（常量）+频率码（增量）2022-8-1455频率和相位控制原理2022-8-1456频率和相位控制原理 该实例中相

28、位码有48位，而波形存储器容量（地址）只有14位，对应16384个地址。每个波形存储单元有12位。当相位码高位变化时，波形存储器地址才变化，相位码位数的提高提高了频率分辨率。4.5 合成信号源简介合成信号源简介4.5.14.5.1任意波形发生器任意波形发生器波形存储器波形存储器D/A转换器转换器滤波器滤波器fs输出输出任意波形发生器原理任意波形发生器原理4.5.24.5.2合成扫频信号源合成扫频信号源点频法点频法 ：逐点调整信号发生器的输出频率，并用电压表等设：逐点调整信号发生器的输出频率，并用电压表等设备记录被测系统的响应。备记录被测系统的响应。特点：准确度高，但繁琐费时，频率间隔较大。特点

29、：准确度高，但繁琐费时，频率间隔较大。扫频法：扫频法：是利用扫频信号发生器输出自动连续变化的频率信号，是利用扫频信号发生器输出自动连续变化的频率信号，对被测系统进行动态式的扫频测试。对被测系统进行动态式的扫频测试。特点：简单快捷，可以方便地测量系统的频率特性及动态特性。特点：简单快捷，可以方便地测量系统的频率特性及动态特性。扫描电压发生器扫描电压发生器正弦振荡器正弦振荡器放大器放大器电平调制电平调制衰减衰减ALC放大放大状态控制状态控制可变移相可变移相显示器显示器频率标记电路频率标记电路输出输出外部自动外部自动电平控制电平控制参考电平参考电平调制信号调制信号扫频信号发生器原理框图扫频信号发生器

30、原理框图正弦振荡器在扫描电压作用下，按一定规律在一定频率范围内反正弦振荡器在扫描电压作用下，按一定规律在一定频率范围内反复扫描。复扫描。扫描电压为锯齿波或三角波扫描电压为锯齿波或三角波:其频率扫描规律为线性；其频率扫描规律为线性；扫描电压为对数变化扫描电压为对数变化:频率扫描规律是对数，对数扫频常用于宽频率扫描规律是对数，对数扫频常用于宽带扫频。带扫频。控制单元控制单元N N位相位累加器位相位累加器相幅转换相幅转换D/AD/A滤波滤波输输出出N N频率频率控制字控制字M MDDSDDS合成扫频信号源原理合成扫频信号源原理f fc cf fo o由于由于DDSDDS的输出频率上限较低，可以采用的输出频率上限较低，可以采用DDSDDS与与PLLPLL组合的方式组合的方式构成扫频信号源。构成扫频信号源。