第3章-信号发生器..

,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3章 测量用信号发生器,第3章测量用信号发生器,授课教师：张海辉,本章要点,信号发生器的功能,信号发生器的分类及工作特性,函数信号发生器工作原理,DDS,数字式频率合成信号发生器,3.1 信号发生器的功用,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）。,图3.1 信号源的功用,输 入,激 励,信,号,发,生,器,被,测,设,备,测,试,仪,器,输 出,响 应,3.2 信号发生器的分类及工作特性,1.,按用途分,专用-电视信号发生器、电平振荡器、误码仪,通用-产生正弦波、脉冲、函数信号等通用波形,3.,按性能分,普通-功率大，频率、电压刻度不大准确，,用于天线测试等,标准-频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用,2.,按波形分,正弦-,脉冲-,函数-产生函数通用波形,噪声-,t,t,t,t,t,4.,按频率产生办法分,谐振-由频率选择回路控制正反馈,产生振荡。,合成-由基准频率通过加、减、乘、,除组合一系列频率。,5.,按频率范围分,无,低频,高频,微波,频段,频率范围,主振电路,调制方式,RC电路,1Hz1MHz,磁控管、体效应管、,1MHz1GHz,1GHz100GHz,LC电路,AM、FM、PM,AM、FM,表3.1 信号源按频率划分表,名 称,频 率 范 围,主要应用领域,超低频信号发生器,低频信号发生器,视频信号发生器,高频信号发生器,甚高频信号发生器,超高频信号发生器,30kHz以下,30kHz300kHz,300kHz6MHz,6MHz30MHz,30MHz300MHz,300MHz3000MHz,电声学、声纳,电报通讯,无线电广播,广播、电报,电视、调频广播、导航,雷达、导航、气象,3.2.2 信号发生器的工作特性,在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛,的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。,1.频率范围,指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可,由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误,差要求。,2.,频率准确度,频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输,出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示,（3.1）,3.,频率稳定度,频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率,稳定度来保证的。频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情,况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化,的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和,长期频率稳定度。,短期：15分钟内,长期：3小时内,（3.2）,4.,失真度与频谱纯度,定义,测量：低频信号发生器用,失真系数,高频信号发生器用,频谱纯度,U,S,U,n,f,A,f,A,t,U,5.,输出阻抗,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。,6.,输出电平,输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定,的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所,得到输出幅度的有效范围。,信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波,有效值标定的。,7.,调制特性,高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一,种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅AM信号和调频,FM信号，有些还带有调相和脉冲调制PM等功能,3.3 函数信号发生器工作原理,函数信号发生器实际上是一种多波形信号源，可以输出正弦波、方波、三角波、斜波、半波正弦波及指数波等。由于其输出波形均可用数学函数描述，故命名为函数发生器。,目前函数发生器输出信号的频率低端可至几毫HZ，高端可达50MHZ。,P66,3.4 DDS数字式频率合成信号发生器,直接数字合成法（DDS，Direct Digital Frequency,Synthests）。它突破了频率合成法的原理，从“相位”的,概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频,率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至,可以给出各种任意波形。,1.直接数字合成基本原理,三角波：+1、+1,-1、-1,方 波：0、0、,1、1、,正弦波：预存正弦函数表，如图。,直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。,设取样时钟频率为，正弦波每一周期由个取样点构成，则该正弦波的频率为：,2 DDS组成原理,T,T,t,0,U,正弦波由阶梯波合成，阶梯波的形成是由存储在只读存储器（ROM）中的数字信号经数模转换器形成的。我们将正弦波分成p个区域，每个区间间隔为T=T/p，每个T区间的电压值看作常数。将一个周期分为p=128，即可将阶梯波视为近似的正弦波。,DDS的实现原理如下图所示,地址计数器,（N）,正弦波ROM,存储器,D/A,LPF,f,c,f,o,DDS组成原理,输出信号频率,fo,:,取决于两个因数：参考时钟频率；ROM中存储的正弦波；,如果,地址计数器以步进M（M=1)进行累加，则可在f,c,和ROM数据不变的情况下改变,输出频率，此时f,o,为：,为便于理解，可以将正弦波波形看作一个矢量沿相位圆转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。,步进,点数,256,4096,65536,1048576,16777216,4294967296,281474976710656,N,8,12,16,20,24,32,48,数字相位圆,设相位累加器位数为N，频率控制字为M，参考时钟频率为f,c,，则DDS输出频率为：,截断误差：一般舍去,N,的低位，只取,N,的高,A,位（如高,16,位）作为存储器地址，使得相位的低位被截断（即相位截尾）。当相位值变化小于,1/2,A,时，波形幅值并不会发生变化，但输出频率的分辨率并不会降低，由于地址截断而引起的幅值误差，称为截断误差。,实际应用中一般取1M(N-2),单片集成化的DDS信号源,输出,输出,串/并选择,6位地址或串行编程,8位并行数据,FSK/BPSK/HOLD数据输入,420参考时钟倍乘,频率累加器,相位偏移及调制,+,相位累加器,相位转换器,300MHzDDS,参考时钟,滤波,器,滤波,器,12位D/A,M/,DAC复位,12位D/A,频率控制字/相位字启停逻辑,I/O,更新,读写,可编程寄存器,48位频率控制字,14位相位偏移/调制,I/O端口缓冲,12位,AM调制,比较器,模拟输入,时钟输出,AD9854 DDS结构,+,-,3.任意波形的产生方法,直接数字频率合成技术重要的特色，它可以产生任意波形。,从,上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存,储器的数据。因此，产生任意波形的方法取决于向该存储器,（RAM）提供数据的方法。目前有以下几种方法：,1)表格法,将波形画在小方格纸上，纵坐标,按幅度相对值进行二进制量化，,横坐标按时间间隔编制地址，然,后制成对应的数据表格，按序放,入RAM。对经常使用的定了“形”,的波形，可将数据固化于ROM,或存入非易失性RAM中，以便,反复使用。,图3.21 表格法示意图,0.2,0,U,A,P,Q,R,S,T,0.4,0.6,t,(s),2)数学方程法,3)折线法,4)作图法,通过计算机显示器CRT用移动光标作图，生成所需波形数据，,将此数据送入RAM。,5)复制法,将其它仪器（例如数字存储示波器，XY绘图仪）获得的波形,数据通过微机系统总线或GPIB接口总线传输给波形数据存储器。,该法很适于复制不再复现的信号波形。,自然界中有很多无规律的现象，例如雷电、地震及机器运转时,的振动等现象都是无规律的，甚至一去不复返。为了研究这些,问题，就要模拟这些现象的产生。在过去只能采用很复杂的方,法来实现，现在采用任意波形产生器则方便得多了。国内外已,有多种型号的任意波形产生器可供选用。,