电子测量第4章测量用信号源课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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.,作激励源,作为某些电气设备的激励信号。,2.,信号仿真,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。,3.,校准源,产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准,（或比对）。,信,号,发,生,器,被,测,设,备,测,试,仪,器,输,入,激,励,输,出,响,应,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,低频,信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为,600,（或1k）,功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50、75、,150、600和5 k等档,高频,信号发生器一般仅有,50,或75档。,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,，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,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,0.0001Hz,1000Hz,；,低频信号发生器,视频信号发生器,1Hz,1MHz,；,20Hz,10MHz,；,高频信号发生器,甚高频信号发生器,超高频信号发生器,200KHz,30MHz,；,30KHz,300MHz,；,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,：,u,o,t,o,u,t,o,（,c,）阶梯波,u,t,（,a,）矩形波,u,o,t,o,（,b,）锯齿波,u,t,（,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,W,R,C,I,1,B,U,2,U,1,V,1,VC,1,VC,2,V,2,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,f,sc,，则：,f,sc,I,?,2,C,(,V,V,1,?,2,),i,?,正弦波形成电路,u,st,u,u,sc,t,t,?,分段折线逼近波形综合,R,0,R,1,R,2A,D,2A,D,2B,R,2B,R,1A,D,1A,D,1B,Vi,Vo,其电路实现原理如下图所示。,R,6A,R,6,R,7A,+E,R,5,R,4,R,5A,D,5A,D,5B,R,3,R,4A,D,4A,D,4B,R,4B,R,2,R,3A,D,3A,D,3B,R,3B,-E,R,7B,D,6A,D,6B,R,6B,R,5B,R,1B,分段逼近波形综合电路,ui,?,?,E,R,1,A,R,1,A,?,R,2,A,?,?,?,R,7,A,R,1,A,?,R,1,R,1,A,?,R,1,?,R,0,uo,?,?,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。,u,u,（,a,）,u,（,b,）,t,（,c,）,t,u,t,t,锯齿波的获得原理,（,d,）,4.2.3,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,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,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,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。,I-Q,调制（正交调制）,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,号分别对其,I,信号和,Q,信号进行调制。最后合成已调波。,正交调幅（,QuadratureAmplitudeModulation,）星座,图,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,16,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,f,0,?,f,c,?,?,f,c,?,（,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,f,m,ax,?,f,m,in,?,?,f,o,测量方法：,4.3,信号源的技术指标,老化率：主要考虑系统误差影响。,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。,?,f,K,?,f,0,4.3,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,?,f,2,i,1,i,1,(,f,),?,f,?,?,f,?,?,(,f,?,f,),?,?,?,?,i,i,1,i,2,i,2,i,1,2,?,?,2,?,2,?,2,i,2,2,i,2,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：,1,?,a,(,?,),?,f,0,?,(,f,i,?,1,m,?,f,),i,2,i,1,2,m,2,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,?,10,lg,(,dB,),P,0,V,?,v,?,20,lg,(,dB,),V,0,P0,为,1mW,时，功率电平单位就是,dBm,V0,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,用相位噪声来表征,由噪声引起的信号相位起伏，,等效于一个噪声源,的相位调制，因而称作相位噪声,。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,称频率上、下两侧扩展,(,如图,4-25,所示,),，使得,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，,其中常用：,P,单边带,(SSB),相位噪声,L(f,),在实际测量中，常用单边带,SSB,(Single Side Band),相位噪声来,表征短期频率稳定度。,2020/4/29,f,0,f,25,图,4-25,实际信号的频谱,相位噪声的定义,SSB,相位噪声,L,(,f,),定义为：偏离载频,f,o,为,f,处，在每赫兹带宽,的单边带功率,P,SSB,与载波功率,P,0,之比，通常用,dB,表示，见其示意图,P,sn,?,SSPN,?,10,lg,?,dBc,/,Hz,P,0,P,0,见课后习题,4-13-,（三版）,SSB,相位噪声示意图,2020/4/29,26,4.3,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,）,8M,2.8MHz,0.28MHz,Hz,滤波,分频（,10,）,混频（,+,）,2MH,6.28MH,z,滤波,z,分频（,10,）,6MH,混频（,+,）,0.628MHz,z,3.628M,混频（,+,）,滤波,3MH,Hz,9MH,z,1MHz,z,直接式频率合成原理框图,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,。,f,r,PD,LPF,VCO,V,o,f,O,V,r,V,d,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，其高频截止频率称为环路带宽。对输入信号的相位,?,i,(,t,),具有低通特性，就意味着对输入信号的整体,V,sin,?,t,?,?,t,),im,i,i,(,具有带通特性。即锁相环只允许在输入频率,fi,附近的频率,成分通过，而阻止远离,fi,的频率成分通过。,关于锁相环的一些缩略词,?,PLL Phase-locked Loops,锁相环,?,PD Phase Detector,相位比较器,?,LPF Low-pass Filter,低通滤波器,?,VCO Voltage Controlled Oscillater,压控振荡器,?,DDFS Direct Digital Frequency Synthesis,直接数,字频率合成,?,LF Loops Filter,环路滤波器,2.,常用基本锁相单元,?,（,1,）混频式锁相环,?,混频环实现对频率的加减运算,f,i1,f,o,= f,i1,+ f,i2,f,i1,PD,f,i2,M,（）,LPF,f,o,-f,i2,VCO,PD,M,（）,LPF,f,o,+f,i2,VCO,f,o,= f,i1,-,f,i2,f,i2,（,a,）相加混频环,f,i1,f,i2,f,o,= f,i1,+ f,i2,f,i1,f,i2,（,b,）相减混频环,f,o,= f,i1,-,f,i2,+,PLL,-,PLL,（,c,）相加环简化图,混频锁相环,（,d,）相减环简化图,混频环基准频率,fi1,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,fi2,的稳定度相对较差。,实例：采用教材图,4-12,的电路，,fi1,由石英晶体供给，频,率为,2340kHz,，其日稳定度为,10,-6,10,-9,/,日，取,10,-6,/,日。,fi2,为,60,70kHz,，日稳定度为,10,-4,/,日。经过一天后稳定,度因素引起的输出频率变化为：,?,f,?,f,?,?,f,?,(,2340,?,10,?,10,?,60,?,10,?,10,),o,?,i,1,i,2,?,Hz,?,?,8,.,34,Hz,可得,f,的日稳定度约为,3,.,5,?,10,.,o,可见，,fi2,的引入使,fo,的稳定度受到一定影响，但它基本处,于,fi1,的稳定度，比,fi2,的稳定度要好很多。,?,6,3,?,6,3,?,4,?,(2,）倍频式锁相环,倍频环实现对输入频率进行乘法运算，主要有两,种形式：谐波倍频环和数字倍频环,f,i,谐波,Nf,i,PD,形成,LPF,VCO,f,O,=Nf,i,f,i,PD,LPF,N,（,b,）数字倍频环,f,i,N,Nf,i,PLL,VCO,f,o,=Nf,i,（,a,）,谐波倍频环,（,c,）倍频环简化图,倍频式锁相环原理图,?,(3),分频式锁相环,分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有,两种基本形式。,f,i,f,o,=f,i,/N,PD,LPF,谐波,形成,（,a,）谐波分频环,VCO,f,i,f,o,=f,i,/N,N,PD,LPF,VCO,f,i,N,PLL,f,o,=f,i,/N,（,b,）数字分频环,（,c,）分频环简化图,分频式锁相环原理图,?,双环合成单元,?,单环合成单元存在频率点数目较少，频率分辨率不高等缺,点，所以一个合成式信号源都是由多环合成单元组成,如果,fi1=10kHz,N=330-500,则,fi1,在,3300-5000kHz,内间,隔为,10kHz,离散可变。另外，使得,fi2,为,100-110kHz,，,则双环合成单元在,3400-5110kHz,连续可调。,?,频率合成器实例,本例合成器被称为,1.7MHz,或,1700kHz,的合成器,小数分频式锁相环,?,1.,利用多环合成单元提高频率分辨力,f,?,(,N,?,0,.,1,N,),f,o,2,1,i,微机可控小数分频锁相环,?,2.,小数分频环,小数合成法,f,i,PD,LPF,小数分频器,(,N+1,),和,N,次,=18.9,VCO,=100kHz,f,o,=,1890kHz,控制电路,令,N,=,18,1,9,?,6,?,1,8,?,4,?,1,8,.,6,若要平均分频系数,=18.6,，怎么控制？,?,9,?,1,2020/4/29,44,1,9,?,9,?,1,8,?,1,则,平均分频系数,?,?,18.9,9,?,1,N,和,N+1,频率掺匀,?,两种分频都可能用到很多次，那么就应该设法把,两种分频混合均匀，而不要在一段时间内都是,N,分频，而在另一段时间内都是,N+1,分频。依靠计,算机控制下的计数功能可以完成掺匀。,?,用掺匀法从分频器加给鉴相器的信号频率，虽然,有很小的变动，但是只要用鉴相器输出信号的平,均值去控制压控振荡器，就能得到要求的输出频,率。,例,:,分频比为,.3,的实现过程,微机可控直接数字频率合成,?,1.DDFS,的基本原理,微机可控直接数字频率合成,?,1.DDFS,的基本原理,DDFS,的基本原理,?,首先，把一个单位振幅的正弦函数的相位在,2,弧度内分成,尽可能小的间隔点，若用,A,位二进制表示，则最小相位间,2,?,隔为：,?,min,?,A,2,?,求出相应的正弦值，写入,ROM,中。构成一个正弦表。,?,?,n,?,?,把频率码变换成相位取样值,?,min,，然后，查,ROM,表可以读出相应的正弦值。,?,由于时钟周期是定值且高稳定，所以输出频率亦很稳定。,?,频率分辨力为,输出频率为,f,o,min,f,c,f,out,?,K,N,2,f,c,?,N,2,正弦波：预存正弦函数表，如图,3.18,。,实例说明：,AD9850,是美国,Analog Devices,公司生产的,DDS,单片频率合,成器，在,DDFS,的,ROM,中已预先存入正弦函数表：其幅度按,32,二进制分辨率量化；其相位一个周期,360,按,?,?,2,?,/,2,m,in,2020/4/29,的分辨率设立相位取样点，然后存入,ROM,的相应地址中。,50,实用中，改变读取,ROM,的地址数目，即可改变输出频率。若,在系统时钟频率,f,c,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,2,32,相位点，点间,间隔时间为时钟周期,T,c,，则,T,out,=2,32,T,c,因此这时输出频率为,V,s,地,DAC,复位,时钟输入,复位,频率更新,/,寄存器复位,码输入时钟,串行,高速,DDS,32,位,频率码,模拟输出,相位和,控制字,比较器,模拟输入,方波输出,频率相位码寄存器,码,输,入,寄,存,器,并,行,8,位,5,输入,51,1,位,40,输入,2020/4/29,图,3.19,AD9850,内部组成框图,f,out,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,f,c,?,32,2,（,3.16,）,f,out,式中,k,为频率码，是个,32,位的二进制值，可写成：,f,c,?,k,32,2,（,3.17,）,k,?,A,2,?,A,2,?,?,?,?,?,A,2,?,A,2,（,3.18,）,对应于,32,位码值（,0,或,1,）。为便于看,A,，,A,，,?,?,?,A,，,A,31,30,1,0,31,30,31,30,1,1,0,0,出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（,3.18,）代入,（,3.17,）式得：,2020/4/29,f,f,f,f,c,c,c,c,（,3.19,）,f,?,A,?,A,?,?,?,?,?,A,?,A,out,1,0,1,31,2,30,31,32,2,2,2,2,52,按,AD9850,允许最高时钟频率,f,c,=125MHz,来进行具体说明，,当,A,0,1,，而,A,31,，,A,30,，,A,1,均为,0,时，则输出频率最低，,也是,AD9850,输出频率的分辨率：,f,125,MHz,c,f,?,?,?,0,.,0291,Hz,out,32,min,2,4294967296,与上面从概念导出的结果一致。当,A,31,1,，而,A,0,，,A,1,，,A,30,均为,0,时，输出频率最高：,f,2,5,c,1,f,?,?,?,6,2,.,5,M,H,z,o,u,t,m,a,x,2,2,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,A,31,1,后，以下码值只能取,0,。实际应用中，为,了得到好的波形，,设计最高输出频率小于时钟频率的,1/3,。这,样，只要改变,32,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。,2020/4/29,53,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）,2020/4/29,54,频率和相位控制原理,2020/4/29,55,频率和相位控制原理,?,该实例中相位码有,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。,2020/4/29,56,4.5,合成信号源简介,4.5.1,任意波形发生器,?,任意波发生器（,A,ibitray,W,ave,G,enerator,）：能产生,任意波形的信号发生器,。,?,1,AWG,的工作原理,?,任意波形发生器的原理与,DDS,基本相同，如下图所示,波形存储器,f,s,任意波形发生器原理,D/A,转换器,滤波器,输出,2 AWG,的主要技术指标,?,波形编辑功能。,?,输出波形频率。,?,相位分辨力。,?,幅度分辨率。,?,输出通道数。,函数、任意波形发生器,4.5.2,合成扫频信号源,?,1,工作原理,?,频率特性测试的方法：点频法和扫频法,点频法,：逐点调整信号发生器的输出频率，并用电压表等设,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。,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，,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。,扫频信号发生器的原理结构：,扫描电压发生器,可变移相,正弦振荡器,显示器,放大器,电平调制,ALC,放大,衰减,输出,参考电平,调制信号,状态控制,外部自动,电平控制,频率标记电路,扫频信号发生器原理框图,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,复扫描。,扫描电压为锯齿波或三角波,:,其频率扫描规律为线性；,扫描电压为对数变化,:,频率扫描规律是对数，对数扫频常用于宽带,扫频。,基于,DDS,的合成扫频信号源,控制单元,M,频率,控制字,f,c,N,位相位累加,器,N,相幅转换,D/A,滤波,输,出,f,o,DDS,合成扫频信号源原理,?,输出信号频率为,(M/2,N,)f,c,，当,M,在,1,2,N-1,之间变化时，,输出频率可在,(1/2,N,)f,c,(1/2)f,c,范围内变化，当,M,改变,1,时，,f,o,的变化为,(1/2,N,)f,c,。,?,当控制单元输出的频率控制字按一定规律变化时，则得到,按相应规律变化的扫频信号。,由于,DDS,的输出频率上限较低，可以采用,DDS,与,PLL,组合的方,式构成扫频信号源。,2,合成扫频信号源简介,?,频率合成式的扫频信号源可实现宽带扫频，它具有频率准,确度和分辨力高，寄生信号和相位噪声低等特点，具有扫,频功能和多种调制方式，能够取代扫频信号发生器、频率,计数器、频率合成器等。合成扫频信号源的生产厂家和种,类很多，其性能特点各不相同。,?,例如,Agilent83630B,具有连续、步进及斜波等多种工作,方式，频率输出范围为,0.01,26.5GHz,，单频时的频率,分辨力为,1,4Hz,，扫频时为扫频范围的,0.1%,，其长期稳,定度为,5,10,-10,/,天，输出频率低于,20GHz,时，谐波噪声,低于,-50dBc,，单边带相位噪声小于,-80dBc,，达到了与其,它频率合成信号发生器同样的水平。,本章作业（第三版第四章信号源）,?,4-1,，,4-5,，,4-7,，,4-11,，,4-13,，,4-,18,，,4-19,，,4-20,，,4-22(,选作,),