电子测量原理第五章.ppt

第五章信号源 一 引言1 用途 1 激励源例如 激励扬声器发出声音 2 信号仿真例如 高频干扰信号需要对干扰信号进行仿真 3 校准源 2 分类信号源分为通用和专用两大类 这里只讨论通用信号源 正弦信号源 函数信号源 脉冲信号源 任意波形信号源 按输出波形分 超低频信号源 0 0001 1000HZ 低频信号源 1HZ 20K 1MHZ 视频信号源 20HZ 10MHZ 高频信号源 200KHZ 30MHZ 甚高频信号源 30M 300MHZ 超高频信号源300MHZ以上 射频信号源1GHZ以上 按信号产生方法分 调幅 AM 调频 FM 脉冲调制 PM 按调制类型分 谐振法 合成法 3 主要技术指标 正弦信号源 1 频率范围 2 频率准确度和稳定度低频信号源 1 3 10 3 高频信号源 0 5 1 10 3 10 4 3 非线性失真和频谱纯度非线性失真表征低频信号源输出波形的好坏 0 1 1 频谱纯度表征高频信号源输出波形的质量 高次谐波 非谐波 4 输出电平调节范围一般输出电平不高 但调节范围较宽 可达 5 输出电平准确度一般在 3 10 6 输出电平稳定度和平坦度输出电平稳定度指输出电平随时间变化的情况 平坦度指调节频率时输出电平的变化情况 7 输出阻抗低频信号源 50 600 5000 高频信号源 50 75 8 调制类型 AM FM PM VM 9 调制频率及其范围 调幅 400Hz 1000Hz 调频 10 110kHz 10 调制系数的有效范围 0 80 11 调制系数的准确度 一般优于10 12 调制线性度 1 5 13 寄生调制 应低于 40dB 4 信号源的发展过程及现状 1928年 第一台射频信号源 20世纪30年代 低频信号源 20世纪40年代 脉冲信号源 1962年 函数发生器 20世纪60年代 合成信号发生器 20世纪80年代 任意波形发生器 二 低频及高频信号源1 低频信号源信号源由主振和和输出两部分组成 主振部分为RC振荡器 由文氏电桥和两级放大器组成 如图5 1所示 R1和R2用于细调频率 C1和C2用于粗调频率 2 高频信号源高频信号的频率范围在30kHz 1GHz之间 高频信号的组成如图5 2所示 其中主振级为LC振荡器 内调制振荡器用于产生调制信号3 脉冲信号源通用脉冲信号源的组成如图5 3所示 组成 主振极通常采用射极耦合自激多谐振荡器 延迟级使主脉冲产生延迟 可以使同步脉冲超前主脉冲一段时间 形成级用于调节输出脉冲的宽度 4 函数信号发生器1 原理以某种波形为第一波形 然后导出其它波形 现在比较流形的方案是先产生三角波 然后产生其他波形 这种方案的框图如图5 4所示 2 函数发生器的典型电路1 三角波产生电路 图5 5三角波产生电路 图5 6三角波产生原理 充电电流是I1 所以有 三角波 期从 E上升到 三角波 期从 下降到 E 三角波的周期 为 对称三角波 讨论 I1 I2时可以得到对称三角波 改变 可以实现粗调 改变 可以实现细调 积分电容一定 越小 输出信号的频率越低 I1和I2不等时 调节I1 或I2 可以改变三角波的不对称度 4 三角波的幅度取决于 E和 E 若两者幅度相等 可得到幅度对称的波形 2 正弦波形成电路 1 用二极管组成的正弦波形成电路在图5 7中用二极管和电阻构成三角波的 限幅 电路 它实际上是由输入三角波控制的可变分压器 当三角波的瞬时电压上升到 时 D1A导通 这时输出电压为 随着三角波电压值不断上升当时 这时输出电压为 此时的分压比小于之前仅D1A导通时的分压比 随着Vi不断上升 二极管D3A D4A相继导通 分压比进一步减小 除了D1A导通 D2A也开始导通 负半周 类似的 D1B D2B D3B D4B在输入逐步减小的过程中相继导通 输出与输入的分压比逐步减小 D1B D2B D3B D4B在输入逐步增大的过程中相继截止 输出与输入的分压比逐步增大 三角波 正弦波的变换 实际是用16条线段逼近 斜降期 随着三角波电压值不断下降 二极管D4A D3A D2A D1A又依次截止 输出与输入的分压比又逐步增大 3 集成函数信号发生器典型芯片是5G8038 电路组成如图5 8所示该芯片产生的三角波的频率为 其中设 如果RA RB RT 则 1 如果改变RA和RB的比值 可以输出非对称三角波或锯齿波 2 在RS触发器的输出Q端后接缓冲器2可以从引脚9输出方波或脉冲波 3 三角波在缓冲器1后经过正弦波变换电路就可以输出正弦波 4 在引脚7输入调频电压 引脚8外接适当控制信号 控制I1 I2 可以使输出信号实现扫频或调频 以5G8038为核心接入少量外部元件就可以构成一个实用的函数信号发生器 原理电路如图5 9所示 三 合成信号源以RC LC为主振的信号源 频率准确度 频率稳定度 石英晶振 频率稳定度 频率合成技术 对一个或几个高稳定度频率进行加 减 乘 除的频率运算 得到一系列所要求的频率 合成信号源 采用频率合成技术的信号源 合成信号源主要技术指标 1 频率准确度和稳定度取决于内部基准源 一般可达10 8 日 2 频率分辨力合成信号源的分辨力较好 可达 0 01 10 Hz 3 相位噪声 信号相位的随机变化 4 相位杂散 频率合成时产生的寄生频率分量 5 频率转换速度 直接合成 微秒级别 间接合成 毫秒级别 四 间接合成信号源的基本原理间接合成法是基于锁相环 PLL 的原理 锁相环 鉴相器fr PD 低通滤波器 LPF 输出频率 环路稳定时 图5 11 a 中 反馈支路接入 N分频器 所以环路稳定时 即 图5 11 b 中基准频率首先被形成窄脉冲 再以N次谐波作用于锁相环 因此有分频式锁相环同样对图5 12 a 和图 b 都可以得到 倍频式锁相环 NPLL 混频式锁相环图5 13为混频式锁相环 混频器后加一带通滤波器以消除由于混频作用而引入的组合干扰 提高合成信号的频谱纯度 环路稳定时有fo fr2 fr1即 fo fr1 fr2在图中混频器若取 为和频混频 相应地 为差频混频 小结 1 锁相环的输出信号是基准频率经有关的数学表达式的运算结果 2 表达式中的运算符号正好与运算电路的相反 3 数字环的N值可以借助微处理器实现程控设定 如果则输出频率的分辨力就是 f 由于混频的两个频率很接近 所以分辨力得到提高 2 多环合成法在混频式锁相环中 如果混频器的输入信号频率fi2可变 且变化的增量很小 小于fi1 则可以提高频率分辨力 可变的fi2是由另一个锁相环产生的 如图5 26所示 由锁相环 有 由锁相环 有 所以 频率分辨力为fr2 D 如果要进一步提高频率分辨力 可以采用三环等多环合成方法 例 设计一锁相频率合成器 输出频率范围为0 1 13099999 9Hz 步进频率为0 1Hz 基准频率为100kHz 解 0 13000000Hz 0 130 100k 0 99000Hz 0 99 100k 100 0 1 9 9Hz 0 99 100k 1000000 0 1 13099999 9Hz 0 990Hz 0 99 100k 10000 PD1 M1 N1 0 130 VCO1 100kHz PD2 M2 N2 0 99 VCO2 D 100 PD3 M3 N3 0 99 VCO3 D 100 PD4 N4 0 99 VCO4 D 100 3 小数合成法用具有小数部分的倍频锁相环实现小数分频技术 图5 28 在锁相环中VCO至 N之间插入一个脉冲删除电路 设F 0 1 累加器的起始值为0 则经过10次累加 全加器溢出 产生一次 N 1 分频 其它9次均为N分频 因此 例 设F 0 32 相位累加器初值为零 第四个周期时 全加器溢出 余数为0 32 4 1 0 28再经过三个周期 将有0 28 0 32 3 1 0 24 又产生一次溢出 一共经过25个周期 全加器8次溢出 并且累加器存数为零 因此 F NPLL和NPLL比较例 要求一频率合成器 输出频率为50 82MHz 频率分辨力为1Hz NPLL 需要5个环路 3个NPLL和2个相加环 如图5 29所示 F NPLL 需要3个环路 1个F NPLL 1个NPLL和1个相加环 如图5 30所示 用F NPLL比只用NPLL简洁得多 而且F NPLL在频率分辨力 频率范围 噪声性能方面都比较优越 用F NPLL的缺点是环路比较复杂 2 扩展频率上限的方法1 前置分频法如下图5 31所示 在积分分频器前设置一个固定分频器 优点 可以提高频率上限 且电路结构简单缺点 频率分辨力下降 2 倍频混频法如图5 32所示 VCO的输出在和进行差频混频后 再进行N分频 以降低对程序分频器的要求 图5 32倍频 混频环 优点 频率上限的提高取决于的大小 而其分辨力仍和单环倍频式锁相环一样 缺点 由于混频器引入寄生信号将要影响频谱纯度 其后的带通滤波器对寄生信号有抑制作用 但是滤波器的延时又有不利的影响 3 吞脉冲分频法 如图5 33所示 吞脉冲分频器主要由双模分频器和吞食计数器组成 双模分频器分频系数有P和P 1两种模式 N分频器由N1 高位计数器 和N2 低位计数器 组成 N2还用于发出模式控制信号 工作过程 在一次计数循环开始时 计数器开始计数 模式控制信号为1 分频系数为11 当计数器溢出后模式控制信号为0 分频系数为10 若取P 10 则有 例 若P 10 N1 10 19 N2 0 9则 例 P 100 N1 100 199 N2 0 99 对吞脉冲分频器的小结 1 双模分频器的分频系数为P P 1 对于N1和N2两个分频器 则必须N1大于N2 2 由N1和N2可以求得N的范围 3 吞脉冲分频器可以提高锁相环的输出频率上限 六 直接合成法之一 模拟直接合成法1 固定频率合成法 如图5 14 石英晶体振荡器提供基准频率fr D为分频器的分频系数 N为倍频器的倍频系数 因此其中D和N都是给定的正整数 输出频率为定值 2 可变频率合成法常见的电路形式是连续混频分频电路 见图5 15 晶振 D N 首先使用基准频率在辅助基准频率发生器中 产生各种辅助基准频率 然后借助混频器和分频器和分频器进行频率运算 实现频率合成 例如 从左边开始的第一单元 fi1和F进行混频 其结果再与f1进行混频 两次混频得fi1 F f1 2 16 2 0 2 9 MHz 20 0 20 9MHz经10分频得 2 00 2 09 MHz 从左到右经过四次运算 最后得输出信号的频率为fo 2 0000 2 09999 MHz 直接模拟合成的优点 1 从原理来说 频率分辨力几乎是无限的 增加一级基本运算单元可以使频率分辨力提高一个量级 2 转换速度快 通常转换时间为微秒量级 缺点 采用混频等电路会引入很多寄生频率分量 带来相位杂散 必须采用大量滤波器以改善输出信号的频谱纯度 这些将导致电路庞大 复杂 不易集成 七 直接合成法之二 数字直接合成法原理 如图5 16所示 在标准时钟CLK的作用下 通过控制电路按照一定的地址关系从数据存储器ROM中读出数据 再进行数模转换 就可以得到一定频率的输出波形 以正弦波为例 一个周期内 按相位划分为若干等分 将各相位所对应的幅值按二进制编码并存入ROM 由于对称性 ROM中只需存入0 90 范围的幅值码 若以 6 计算 在0 90 之间共有15等分 其幅值在ROM中占16个地址单元 所以可按4位地址码对数据ROM进行寻址 设幅度码为5位 则在0 90 范围内编码关系如表5 1所示 信号的频率关系在CLK作用下 依次读出ROM中数据 其输出正弦信号的频率为fo1 如果每隔一个地址读一次数据 其输出信号的频率为fo2 则有f02 2fo1 这样就可以实现直接数字频率合成器的输出频率的调节 相位累加原理输出波形的产生是相位逐渐累加的结果 这是由累加器实现 如图5 17所示 相位步进码为K 如果K 1 每次累加结果的增量为1 则依次从数据ROM中读取数据 如果K 2 则每隔一个ROM地址读一次数据 依次类推 因此K值越大 相位步进也越快 输出信号的频率也越高 返回 改变输出信号频率 也可以调节控制时钟的频率fc 频率分辨力 两个相邻频率之间的间隔 时钟频率fc一定的情况下 调节K值 可改变输出信号频率fc 在fomin fomax范围内 可输出种频率 杂散分量和噪声分析 简介 1 采样信号的镜像频率分量根据采样理论 未经过滤波的DDS输出信号的频谱如图5 18所示 由图可见 DDS输出信号中除了要求的f0基频信号外 还有一系列镜像频率信号 其频率为 n 1 2 3 因为fo fc 2时 第一镜像频率与fo重合 无法滤除 因此 通常选择fo fc 3 幅度量化噪声正弦查阅表内存储的波形码是一个模拟信号被均匀化后的值 如果选用的DAC有D位 则模拟量在个离散区间内进行量化 由此造成的误差均匀分布在之间 3 相位噪声为了得到高的频率分辨率 相位累加器的位数L一般取得比较大 但实际上ROM容量有限 因此就要从L位相位累加字中 截取高n位来寻址ROM 这就导致相位噪声 4 D A转换器非线性引起的杂散分量D A转换器的非线性转换特性会使它的输出电压产生失真 从而使DDS的输出信号频谱中增加杂散分量 这主要是f0的各次谐波分量 图5 19是DAC非线性引起输出电压失真 图5 20实际的DDS输出频谱 实际的DDS输出频谱 除fo外 还包括 fo的各次谐波 泄漏的fc 镜像频率fc nfo 幅度及相位量化产生的噪声 其它未知杂散分量 为减小DDS输出电压中的杂散和噪声 应采取下列措施 1 设计良好的低通滤波器 以滤除各种杂散及各种带外噪声 2 选用性能优良的D A转换器 以减小非线性引起的杂散分量 3 减小fo fc的比值 一般fo fc 1 3 以利于较好的滤除镜像频率 4 适当提高D A位数及查询表的长度 以减小相位噪声 5 谨慎排板 布线 以减小各种泄漏和干扰 数字直接合成器芯片AD9850芯片的内部组成AD9850是美国AD公司于1996年推出的DDS频率合成器芯片 它内部包含可编程DDS系统 DAC及独立的高速比较器 能实现全数字程控的频率合成器和时钟发生器 图5 21是AD9850的功能框图 AD9850芯片的引脚功能AD9850共有28条引脚 其排列如图5 22所示 控制字格式及并行发送次序表5 2表示了AD9850芯片40位控制字的安排AD9850的典型应用图5 23表示由AD9850构成的典型的时钟发生器框图 图5 24表示了AD9850在频率合成器中使用的两个例子 三种合成方法的比较 模拟合成法 转换速度快 但电路复杂 难以集成 数字直接合成法 基于大规模集成电路和计算机技术 尤其适用于函数波形和任意波形的信号源 从 相位 概念出发进行频率合成 可以输出不同初始相位的信号 可以输出各种不同形状的波形 锁相频率合成 转换速度慢 但输出频率范围很广 频率分辨力高 采用多环 输出信号频谱纯度高 八 任意波形发生器组成 传统的AWG原理框图如图5 34所示 传统的AWG 采用可变时钟 存储器可分段 适于产生复杂波形 基于DDS的AWG 适于产生分辨率高 幅度简单的波形 两类 主要技术指标 1 幅度分辨力 2 相位分辨力 3 最高采样速率 4 输出通道数 5 输出幅度 6 波形纯度 7 直流偏移 产生方法 1 图形编辑法2 数学方程法直接利用输入的数学公式计算得到波形数据 时域描述 3 FFT编辑法编辑每个信号的频谱 频率 幅度 相位值 频域描述 4 示波器数据传送法5 直接内存操作编辑法利用外部程序对波形数据进行计算 然后将数据通过高速接口传送到AWG的波形存储器 图5 1RC振荡器原理电路 返回 图5 2高频信号源的原理方框图 返回 图5 3脉冲信号源原理框图 返回 图5 4函数信号发生器原理图 返回 图5 7用二极管组成的正弦波形成电路 返回 图5 10三极管组成的正弦波形成电路 返回 图5 8集成函数信号发生器 5G8038 芯片原理图 返回 图5 9集成函数信号发生器的实现 返回 图5 11倍频式锁相环 返回 图5 12分频式锁相环 返回 图5 13混频式锁相环 返回 图5 1510进连续混频分频电路 返回 图5 16直接数字合成原理图 返回 图5 17相位累加原理 返回 返回 图5 18未滤波的DDS输出典型频谱 返回 图5 19DAC非线性引起输出误差失真 返回 图5 21AD9850功能框图 返回 图5 22AD9850引脚排列 返回 表5 2AD9850控制字方式 返回 图5 23时钟发生器 返回 图5 24DDS在频率合成器中的应用 图5 25微差混频原理 返回 图5 相位码至幅度码的转换 返回 图5 26双环频率合成器 返回 图5 28F NPLL的组成 返回 图5 29NPLL50 82Mhz频率合成器框图 返回 图5 30F NPLL50 82Mhz频率合成器框图 返回 图5 33采用吞脉冲分频器的频率合成器框图 返回 图5 34任意波形发生器的原理框图 返回 图5 正弦波算法 返回 图5 HP33120A信号源部分的组成 返回