电子测量第4章测量用信号源课件.ppt
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1、第4章 测量用信号源4.1 信号源概述4.2 正弦、脉冲及函数发生器4.3 锁相频率合成信号的产生4.4 直接数字合成技术4.5 合成信号源简介4.1 信号源概述?信号源的作用和组成?信号源的分类?信号源的性能指标4.1.1 信号源在电子测量中的作用和组成1.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:激励源。信号仿真。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
2、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 入入激激 励励输输 出出响响 应应信号源的功用信号源的功用2.信号源的组成主振器缓冲调制输出信号输出电 源信号发生器结构框图监测信号源的模型信号源的模型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,通常有功率输出端依输出匹配变压器的设计而定,通常有5050、75
3、75、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读数是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。4.1.2 信号源的分类1.?按频率范围 大致可分为六类:超低频信号发生器0.0001Hz1000Hz;低频信号发生器视频信号发生器1Hz1MHz;20Hz10MHz;高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器200KHz30MHz;3
4、0KHz300MHz;300MHz以上。2.按输出波形,大致可分为:?正弦波形发生器;?脉冲信号发生器;?函数信号发生器;?噪声信号发生器。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;4.2.1 脉冲信号发生器?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:uotouto(c)阶梯波ut(a)矩形波uoto(b)锯齿波ut(e)数字编码序列(d)钟形脉冲常见的脉冲信号?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、数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。1.通用脉冲发生器?通用脉冲发生器能够满足一般
5、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。脉宽,上升/下降沿控制延时级脉冲形成输出级输出主振级外同步外触发同步放大同步脉冲输出触发输入脉冲信号发生器组成原理同步脉冲输出4.2.2 函数信号发生器1.多波形信号发生原理?方波三角波发生器A双稳态电路WRCI1BU2U1V1VC1VC2V2方波、三角波发生器原理框图设充放电电流为I,输出三角波的频率为fsc,则:fscI?2 C(VV1?2)i?正弦波形成电路ustuusctt?分段折线逼近波形综合R0R1R2AD2AD2BR2BR1AD1AD1BViVo其电路实现原理如下图所示。R6AR6R7A+ER5R4R5AD5AD5BR
6、3R4AD4AD4BR4BR2R3AD3AD3BR3B-ER7BD6AD6BR6BR5BR1B分段逼近波形综合电路ui?ER1AR1A?R2 A?R7 AR1A?R1R1A?R1?R0uo?ui?锯齿波形成电路锯齿波可以通过方波与三角波而获得,将下图中(a)所示三角波与图(b)所示方波直接叠加就可得到图(c)所示的交错锯齿波,再经过全波整流,就得到了图(d)所示的锯齿波。uu(a)u(b)t(c)tutt锯齿波的获得原理(d)4.2.3 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
7、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。
8、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(QuadratureAmplitudeModulation)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。4.3 信号源的技术指标1.频率特性?(1)频率范围?(2)输出频率的相对误差f0?fc?fc?(3)频率稳定度是指在预热后,信号源在规定时间内频率的相对变化。包含系统误差影响和随机误差影响。4.3 信号源的技术指标?(3)频率稳定度fmax?fmin?fo测量方法:4.3 信号源的技术指标老化率:主要考
9、虑系统误差影响。通常在一周或更长时间内,在确定的时间间隔测一次信号源频率,用最小二乘法拟合直线。老化率一般指直线上一天频率的变化和标称值之比,称日老化率。?fK?f04.3 信号源的技术指标阿仑方差(Allan):反映频率在很短时间内变化的常用指标。由于时间间隔很短,因此主要反映随机变化。阿仑方差是讨论m组相邻两测量时间为t的频率值的差异。称为双取样测量。在一组中,两个测量数据的方差估计值为:?2?f?f?f?1?f2i1i1(f)?f?f?(f?f)?ii1i2i2i12?2?2?2i22i2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
10、相对值:1?a(?)?f0?(fi?1m?f)i2i12m2阿伦方差测量方法早期采用间隔测量法,现在多采用连续取数法2.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。P?p?10lg(dB)P0V?v?20lg(dB)V0P0为1mW时,功率电平单位就是dBmV0取1V时,电压电平的单位就是dBv在规定负载为600欧时,也常取V0=0.775V,电压电平的单位为dBu。这时,功率电平和电压电平在数值上相等对频率合成器的要求对频率合成器的要求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
11、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:P P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
12、 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。2020/4/29f f0 0f f25图图4-254-25 实际信号的频谱实际信号的频谱相位噪声的定义相位噪声的定义SSBSSB相位噪声相位噪声L 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Psn?SSPN?10lg?dBc/HzP0P P0 0见课后习题见课后习题4-13-(三版)(三版)SSBSSB相位噪声示意图相位噪声示意
13、图2020/4/29264.3 锁相频率合成信号的产生4.3.1 频率合成的基本概念1.频率合成原理石英晶体基准频率频率合成原理代数运算(加、减、乘、除)频率1输出频率n输出2.频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。2.频率合成分类及特点?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信号并用窄带滤波器选出,下图是其实现原理。1MH晶振谐波发生器(倍频)z分频(10)8M2.8MHz0.28MHzHz滤波分频(10)混频(+)2MH6.28MHz滤波z 分频(10)6MH混频(+)0.628MHzz3.628M混频(+)滤波3MHHz9MHz1MHzz直接式频率合成原理
14、框图优点: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。?锁相式频率合成?一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环(PLL)把压控振荡器(VCO)的输出频率锁定在基准频率上,这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。?优点:易于集成化,体积小,结构简单,功耗低,价格低等优点。?缺点:频率切换时间相对较长,相位噪声较大。?直接数字合成(DDS)?是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成,产生所需频率的正弦信号?优点:能实现快捷变和小步进,且集成度高,体积小?缺点:频率上限较低,杂散也较大。?3.频率合成技术的发展各种频率合成方式的综
15、合: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,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DDS与PLL的结合,可以实现快捷变,小步进及较高的频率上限。4.3.2 锁相环(PLL)的基本概念?1.锁相环基本工作原理及性能?锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)、电压控制振荡器(VCO)及基准晶体振荡器等部分组成。frPDLPFVCOVofOVrVd锁相环控制系统原理图?锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。?因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通常
16、用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率相等时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来。?相位比较器,用来比较两个输入信号的相位,其输出电压正比于两信号的相位差。?压控振荡器,其振荡频率可用电压控制,一般都利用变容二极管(变容二极管扫频)。锁相环的捕捉过程锁相环的捕捉过程?锁相环的主要性能指标:锁相环锁定时鉴相器有三个特点:一是鉴相器两输入信号频率相等;二是两输入信号的相位差为常数;三是鉴相器的输出基本为直流(用于判断锁相环是否处于锁定状态)。?环路带宽:锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性,其高频截止
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