电子测量04-电子通信.ppt

2020 1 27 1 第四章信号发生器 4 1信号发生器概述4 2模拟信号发生器4 3合成信号发生器4 4射频合成信号发生器 2020 1 27 2 4 1信号发生器概述 一 信号源的作用和组成二 信号源的分类三 正弦信号发生器的性能指标 2020 1 27 3 一 信号源的作用和组成 1 信号源的作用为测试或实验提供符合一定电技术要求的电信号 产生频率可调 幅度可调的规则或不规则波形的电信号 信号源的用途主要有以下三方面 激励信号源 实际信号的仿真 标准信号源 2020 1 27 4 2 信号源的组成 2020 1 27 5 二 信号源的分类 3 按频率产生分 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 4 按频率范围分 实用频段划分 2020 1 27 9 三 正弦信号发生器的性能指标 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 2020 1 27 10 3 频率稳定度 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 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 2020 1 27 11 4 输出阻抗 低频信号发生器电压输出阻抗一般为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5k 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 2020 1 27 12 5 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 讨论 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 50 50 匹配时100mv 200mv 不匹配时 不确知 示波器输入阻抗高约1M 故显示200mv 为什么 6 失真度与频谱纯度 定义 低频信号发生器用失真度或失真系数 高频信号发生器用频谱纯度 2020 1 27 14 7 调制特性高频信号发生器在输出正弦波的同时 一般还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 调制特性的指标主要包括调制类型 如 调频 调幅 调相 脉冲调制 视频调制等其他指标还包括 调制频率范围 调制系数 最大频偏 调制线性度 寄生调制等 2020 1 27 15 3 2模拟信号发生器 一 正弦信号发生器二 脉冲信号发生器三 函数信号发生器四 噪声信号发生器 2020 1 27 16 1 低频信号发生器低频信号发生器频率范围一般为 Hz 1MHz 而20Hz 20KHz范围又称音频信号发生器 一 正弦信号发生器 2020 1 27 17 外差式低频信号发生器组成原理 外差式信号发生器的最大优点是可以提高频率覆盖范围 且在整个低频段内频率连续可调 不需要更换频段 2020 1 27 18 RC振荡器原理电路 文氏电桥 2020 1 27 19 文氏桥正反馈电路 可见 当时 RC振荡器满足起振条件 而具有负温度系数的热敏电阻组成的分压电路产生的负反馈电压起自动稳幅的作用 2020 1 27 21 2 高频信号发生器高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz 1GHz 大多数具有调幅 调频及脉冲调制等调制信号输出 高频信号发生器原理框图 2020 1 27 22 高频信号发生器的主振级一般采用LC三点式振荡电路 通常固定电感 改变电容来调整振荡频率 所以也采用波段式调节 但这时频率覆盖范围是有限的 可通过下式进行估算 2020 1 27 23 高频信号发生器输出阻抗常取50 75欧姆等数值 输出电压的读数也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匹配 则信号源输出电压的读数是不准确的 需要增加阻抗变换电路 2020 1 27 24 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 脉冲信号发生器组成原理 二 脉冲信号发生器 2020 1 27 25 主振级一般采用自激多谐振荡 晶体振荡器或锁相振荡器产生矩形波 2020 1 27 26 三 函数信号发生器函数发生器能输出方波 三角波 锯齿波 正弦波等多种输出波形 具有较宽的频率范围 0 1Hz 几十MHz 及较稳定的频率 分为正弦式函数信号发生器和脉冲式函数信号发生器 正弦式函数发生器基本组成原理 2020 1 27 27 锯齿波形成电路 将图 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 2020 1 27 28 四 噪声发生器噪声信号源主要系统性能测试提供测试用噪声信号 噪声发生器基本组成原理 2020 1 27 29 3 3合成信号发生器 一 频率合成的基本概念二 间接锁相频率合成 PLL 三 直接数字频率合成 DDS 四 频率合成技术的进展 2020 1 27 30 频率合成方法 2020 1 27 31 1 频率合成原理通过对基准频率的代数运算 倍频 分频及混频 产生所需频率 特点是输出信号频率具有与基准频率相同的频率准确度和频率稳定度 一 频率合成的基本概念 2020 1 27 32 2 频率合成方法分类及特点 直接模拟频率合成通过模拟电路实现频率的混频 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所需频率的信号 优点 频率切换迅速 频率分辨率高 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 2020 1 27 33 固定频率合成法 2020 1 27 34 可变频率合成法 2 16 2 0 2 9 MHz 20 0 20 9 MHz 2 00000 2 09999 MHz 2020 1 27 36 2 直接数字频率合成 DDS DDS是基于取样技术和数字计算技术来实现频率的数字合成 产生所需频率的输出信号优点 能实现不同频率 不同初始相位的任意波形输出 且集成度高 体积小缺点 频率上限较低 杂散也较大 2020 1 27 37 3 间接锁相频率合成一种间接式的频率合成技术 它利用锁相环 phaselockedloop 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输出频率 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 2020 1 27 38 各种频率合成方式的综合 直接模拟频率合成 直接数字频率合成和间接锁相频率合成技术都有其优缺点 单独使用其中一种方法都有一定的局限性 很难满足作为信号源的要求 因此一般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 小步进及较高的输出频率上限 2020 1 27 39 二 间接锁相 PLL 频率合成 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 压控振荡器 VCO 及基准晶体振荡器等部分组成 锁相环控制系统原理图 2020 1 27 40 鉴相器 PD 鉴相器又称为相位比较器 具有乘法特性 鉴相器对两路输入信号的相位进行比较 其输出的误差电压正比于两个输入电压的相位差 可以证明 鉴相器输出电压为 当有 2020 1 27 41 环路滤波器 LPF 环路滤波器是一个RC低通滤波器 滤除相位比较器输出误差电压中的高频成分和干扰噪声 达到稳定环路工作和改善环路性能的作用 2020 1 27 42 压控振荡器 VCO 压控振荡器是在普通的调谐式振荡电路中改用变容二极管作为回路电容 通过调节变容二极管的反向偏置电压可以改变变容二极管的结电容 从而调节振荡电路的输出频率 压控振荡器一般又称为电压控制振荡器或变容二极管扫频振荡器 2020 1 27 43 变容二极管压控振荡器 2020 1 27 44 压控振荡器是基于变容二极管的PN结在反向偏置时 结电容CD与反向偏置电压U有如下关系其中 变容二极管结电容 零偏置时的结电容 外加反向偏置电压 接触电位差 如硅管约为0 7V 电容变化指数 取决于PN结的结构和杂质分布 2020 1 27 45 在满足一定条件的情况下 压控振荡器输出频率正比于变容二极管反向偏置电压 即压控 反向电压控制输出振荡频率 2020 1 27 46 当锁相环处于锁定状态时 压控振荡器的输出频率等于锁相环的基准输入频率 两信号之间只存在稳态相位差 没有频率差 使输出信号频率与基准信号频率具有相同的频率准确度和频率稳定度等级 锁相环具有滤波特性 它的频带可以做的很窄 中心频率便于调节 输出频率可以自动跟踪输入频率的变化 所以锁相环电路是一种能够自动实现相位同步的自动跟踪系统 2020 1 27 47 锁相环的主要指标 同步带宽 锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围 捕捉带宽 环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的频差 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 2020 1 27 48 2 锁相环的基本形式 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 倍频式锁相环原理图 2020 1 27 49 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 谐波分频环和数字分频环 分频式锁相环原理图 2020 1 27 50 混频式锁相环混频环实现对频率的加 减运算 混频锁相环 2020 1 27 51 多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 fo Nfi1 fi2 fi2 fi1 fo Nfi1 Nfi1 倍频环 加法混频环 2020 1 27 52 2020 1 27 53 实例分析 十进频率合成信号源 该频率合成信号源采用十进锁相合成单元 输出频率通过十进数字拨盘来选择 目前十进频率合成器已作为一个标准频率源而获得广泛应用 1 十进频率合成器组成 五个DS 1合成单元串接起来 其输出频率被送到合成单元DS 2 得到输出频率为21 22MHz DS 2的输出加到合成单元DS 4 得到输出频率为101 122MHz 合成单元DS 3输出为101 92MHz DS 3与DS 4的输出频率加到混频器M进行相减 最后得到200Hz 30MHz的输出频率 2020 1 27 54 十进锁相式频率合成信号源组成框图 频率合成单元 基准频率 十进数字拨盘 内插频率源 2020 1 27 55 1 DS 1合成单元 0 9 2020 1 27 56 2 DS 2合成单元 0 9 2020 1 27 57 3 DS 3合成单元 0 9 2020 1 27 58 4 DS 4合成单元 0 2 2020 1 27 59 5 输出频率的连续调节 为了使输出频率连续可调 十进频率合成信号源中加入了一个内插频率振荡器 0 1Hz 2020 1 27 60 1 DDS组成原理直接数字合成 DirectDigitalFrequencySynthesis 的基本原理是基于取样技术和数字技术 通过数字合成方式生成频率和初始相位可调的信号 三 直接数字频率合成 DDS AD9850是美国AnalogDevices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 其幅度按二进制分辨率量化 其相位一个周期360 按的分辨率设立相位取样点 然后存入ROM的相应地址中 2020 1 27 62 2 相位累加器原理 当改变地址计数器计数步进值 即以k来进行累加 可以改变每周期采样点数 从而实现输出频率的改变 地址计数器步进值改变可以通过相位累加法来实现 2020 1 27 63 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 数字相位圆 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 式中k为频率码 是个32位的二进制值 可写成 输出频率为 2020 1 27 66 设相位累加器位数为N 频率控制字为k 参考时钟频率为fc 则DDS输出频率为 实际应用中一般取1 M 2N 2 即 2020 1 27 67 3 单片集成化的DDS信号源 2020 1 27 68 1 三种频率合成方法的比较 四 频率合成技术的进展 2020 1 27 69 DDS PLL组合的频率合成信号源 DDS与PLL组合的合成信号源有多种形式 下图是一种环外混频式DDS PLL频率合成的原理 2020 1 27 70 2 提高频率分辨力的方法 1 微差混频法 如果当时 2020 1 27 71 2 多环频率合成法 三环PLL合成器 2020 1 27 72 环A输出频率为 环B的输出频率为 由环C 有 因此 合成器的输出频率为 四环PLL合成器 2020 1 27 74 2020 1 27 75 2020 1 27 76 令N 18 则平均分频系数 18 9 3 小数分频法通过可变分频和多次平均的办法可以实现小数分频 2020 1 27 77 例如 要实现4 3的小数分频 只要在10次分频中作7 即10 3 次除4 3次除5就可以得到 又如 要实现7 32的小数分频 只要在每100次分频中作68 100 32 次除7 32次除8即可 2020 1 27 78 小数分频器 F NPLL 工作原理 写入小数值 2020 1 27 79 例 利用F NPLL实现分频比为4 3的过程 若分频比为4 3 则在输入信号的10个周期内 输出信号为43个周期 每一次循环过程中 在ui各周期内 累加器的值和其分频系数如下表所示 输入信号每周期内的分频系数和累加值 分频比为4 3 2020 1 27 80 2 扩展频率上限的方法 扩展频率上限的方法 前置分频器法 倍频 混频法 多模分频器法 1 前置分频器法前置分频法是在反馈回路加一个前置固定分频器 先将输出频率进行固定模数为D的分频 然后再送到可编程分频器进行可变的分频 2020 1 27 81 前置分频锁相频率合成器 PD LPF VCO N D 模数控制 fi fo DNfi fd 该方法使频率上限提高了D倍 但频率分辨力下降了D倍 2020 1 27 82 2 倍频 混频法 fi1 fi2 fo Nfi1 fi2 2020 1 27 83 3 吞脉冲分频法多模分频器 吞脉冲分频器 模值 分频比 可以在多个固定的值上改变的分频器 称为吞脉冲分频器 多模分频器的最高工作频率虽不如固定的前置分频器高 但比可变分频器高得多 2020 1 27 84 在一次计数循环中 分频系数N为 双模分频锁相频率合成器 2020 1 27 85 在锁相环锁定的情况下 合成器输出频率为 此时双模分频器的工作频率为 fo分频器 的工作频率为 f0 P分频器 的工作频率为 f0 P 由上式可知 当 变化 时 fo变化为fi 即输出频率分辨力为fi 因此在保持频率分辨力不变的前提下提高了合成器的最大输出频率 2020 1 27 86 四 射频合成信号源 数字调制信号源 矢量信号源 射频 指能通过天线发射变为电磁波进行无线传播的信号频率 当今射频频率范围已做到10kHz 110GHz 高频信号发生器属射频信号发生器 其主振级是建立在LC振荡器基础上的模拟信号源 要用多波段来实现频率覆盖 即使这样频率范围不宽 频率准确度和稳定度都满足不了现在应用的要求 因此现代射频信号发生器建立在频率合成技术基础上 上述三种频率合成技术 其中直接数字频率合成 DDS 使用方便 但目前工作频率只能做到几百MHz 可用于主振级射频低端 高端则采用锁相频率合成技术 选用合适的压控振荡器作主振器 2020 1 27 87 1 射频合成信号发生器基本原理 射频合成波形示意图 射频合成信号发生器原理 射频合成本振即是主振器 因为在进行调制的过程中 主振器处于混频器的本振位置 故此将它称为本振 是产生射频载波的基础 2 直接对压控振荡器进行调制操作难度较大 且影响频率的准确度 较好的方案是先将要调制的信号 调制到一中频上 这里以正弦调幅信号为例3 混频器输出频率分量很多 要用中心频率可调的带通滤波器提取和频分量即以上变频输出 波形D 4 信号源输出幅度应保证稳定 故输出级中要设置有自动稳幅电路 5 将调制信号用上变频方式实现射频输出是射频合成信号发生器的一大特色 例 AV1485数字调制信号发生器 AV1485射频合成信号发生器是中囯电子科技集团公司第41研究所研制的产品 若深入了解需要 数字通信 中的数字调制信号和调制电路等基础知识 本课不讲了 例 QF1484矢量信号发生器QF1484矢量信号发生器是成都前锋电子仪器厂的产品 矢量信号发生器简称矢量信号源 它以载波的幅度和相位的组合变化 来传送信息内容的射频源 2020 1 27 91 谢谢