测量用信号源

1、电电子子测测量量技技术术第第4章测量用信号源章测量用信号源Practice is a best way to learnig 电子测量技术 本章主要内容本章主要内容信号发生器的作用与分类信号发生器的作用与分类通用信号发生器通用信号发生器信号发生器性能指标信号发生器性能指标信号发生器的发展趋势信号发生器的发展趋势频率合成技术频率合成技术第第4 4章章 测量用信号源测量用信号源Practice is a best way to learnig 电子测量技术 信号产生直接决定测试技术及电子装备的水平信号产生直接决定测试技术及电子装备的水平 信号产生信号产生和信号分析并列为测试技术和电子系统的两大核心

2、和信号分析并列为测试技术和电子系统的两大核心 信号 产生 信号 传输 信号 接收 信号 处理 1 概述概述Practice is a best way to learnig 电子测量技术 1 信号源在自动测试中的作用信号源在自动测试中的作用典型的自动测试系统典型的自动测试系统Practice is a best way to learnig 电子测量技术 信号( 信号是可以以某种方式感知的客观现象( 信号可以按照其物理和数学特征分类( 信号具备可以被感知和描述的特征( 信号可以提供或探索信息( 信号发生器是信号的产生装置物 理 特 征 分 类声信号声信号声信号声信号声信号声信号光信号光信号光信

3、号光信号光信号光信号电信号电信号电信号电信号电信号电信号数 学 特 征 分 类正弦信号正弦信号正弦信号正弦信号正弦信号正弦信号脉冲信号脉冲信号脉冲信号脉冲信号脉冲信号脉冲信号随机信号随机信号随机信号随机信号随机信号随机信号信息信息Practice is a best way to learnig 电子测量技术 大多数电路要求某种幅度随时间变化的大多数电路要求某种幅度随时间变化的输入信号输入信号提供特定参数的电测试参数的仪器提供特定参数的电测试参数的仪器信号发生器信号发生器电子测量中最基本、应用电子测量中最基本、应用最广的电子测量仪器之一最广的电子测量仪器之一作用作用分类分类锁相环技术锁相环技术

4、频率合成技术频率合成技术语音信号如何传送到很远的地方？手机、收音机选台本质上是调节什么？Practice is a best way to learnig 电子测量技术 1 1、信号发生器的作用、信号发生器的作用 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。 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，如对干扰信号进行仿真。性的信号，如对干扰信号进行仿真。 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对。产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校对。 在音频信号的作用下，扬声器发声；在音频

5、信号的作用下，扬声器发声；在电视信号的作用下显示屏呈现图像在电视信号的作用下显示屏呈现图像飞机测试过程中，用噪声信号、干扰信号来仿真模拟飞机测试过程中，用噪声信号、干扰信号来仿真模拟实际飞行过程中气流、雷击等情况下的反应实际飞行过程中气流、雷击等情况下的反应Practice is a best way to learnig 电子测量技术 信号源的作用信号源的作用输输 入入激激 励励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 出出响响 应应Practice is a best way to learnig 电子测量技术 2 2、信号发生器的分类、信号发生器的分类 按用途分按用途分

6、专用专用-电视信号发生器、电平振荡器、误码仪电视信号发生器、电平振荡器、误码仪 通用通用-产生正弦波等通用波形产生正弦波等通用波形 按应用分按应用分 混合混合-任意波形发生器、任意任意波形发生器、任意/ /函数发生器函数发生器 逻辑逻辑-脉冲发生器、码型发生器脉冲发生器、码型发生器 按波形按波形 特性分特性分 正弦正弦-脉冲脉冲-函数函数-产生函数通用波形产生函数通用波形 噪声噪声-ttttPractice is a best way to learnig 电子测量技术 2 2、信号发生器的分类、信号发生器的分类 按频率产生方法分按频率产生方法分 谐振谐振-由频率选择回路控制正反馈由频率选择回

7、路控制正反馈 产生振荡。产生振荡。 合成合成-由基准频率通过加、减、乘、由基准频率通过加、减、乘、 除组合一系列频率。除组合一系列频率。 按频率覆盖范围分按频率覆盖范围分 无无低频低频高频高频微波微波频段频段频率范围频率范围主振电路主振电路调制方式调制方式RCRC电路电路1Hz1MHz1Hz1MHz磁控管、体效磁控管、体效应管、应管、1MHz1GHz1MHz1GHz1GHz100GHz1GHz100GHzLCLC电路电路AMAM、FMFM、PMPMAMAM、FMFM无无低频低频高频高频微波微波频段频段频率范围频率范围主振电路主振电路调制方式调制方式RCRC电路电路1Hz1MHz1Hz1MHz磁

8、控管、体效磁控管、体效应管、应管、1MHz1GHz1MHz1GHz1GHz100GHz1GHz100GHzLCLC电路电路AMAM、FMFM、PMPMAMAM、FMFMPractice is a best way to learnig 电子测量技术 1. 1. 按频率范围按频率范围低频信号发生器低频信号发生器 1MHz1MHz射频射频信号发生器信号发生器 3 36GHz6GHz微波微波信号发生器信号发生器 202050GHz50GHz毫米波毫米波信号发生器信号发生器 300GHz300GHz2. 2. 按输出波形按输出波形正弦波形发生器正弦波形发生器脉冲信号发生器脉冲信号发生器函数函数/ /任

9、意波发生器任意波发生器随机信号发生器随机信号发生器噪声信号发生器噪声信号发生器 3. 3. 按应用特性按应用特性合成合成信号发生器信号发生器扫频扫频信号发生器信号发生器合成扫频合成扫频信号发生器信号发生器4. 4. 按调制特性按调制特性连续波连续波信号发生器信号发生器模拟调制信号发生器模拟调制信号发生器矢量信号发生器矢量信号发生器Practice is a best way to learnig 电子测量技术 2. 信号源的组成信号源的组成信号信号输出输出主振器主振器缓冲缓冲调制调制输出输出电电 源源监测监测信号发生器结构框图信号发生器结构框图Practice is a best way to

10、 learnig 电子测量技术 3 3、通用信号发生器、通用信号发生器 信号频率范围：音频（信号频率范围：音频（20Hz20kHz）和视频（）和视频（ 1Hz10MHz ）信号波形形式：正弦波、方波和三角波等信号波形形式：正弦波、方波和三角波等（1 1）低频信号发生器）低频信号发生器 组成原理组成原理 Practice is a best way to learnig 电子测量技术 3 3、通用信号发生器、通用信号发生器 （1 1）低频信号发生器）低频信号发生器主振器主振器信号发生器的核心部件信号发生器的核心部件产生产生与输出信号频率一致的与输出信号频率一致的正弦信号正弦信号电路结构：电路结构

11、：RC文氏桥式振荡器、差频式振荡器文氏桥式振荡器、差频式振荡器Practice is a best way to learnig 电子测量技术 3 3、通用信号发生器、通用信号发生器 （1 1）低频信号发生器）低频信号发生器主振器主振器RC文氏桥文氏桥式振荡器式振荡器电压反馈式振荡器电压反馈式振荡器取取R1=R2=R，C1=C2=C，起振频率，起振频率f0满足满足 组成原理组成原理 R1与与R2、C1与与C2组成具有选频功能的串组成具有选频功能的串-并联正反馈支路并联正反馈支路 RCf210Practice is a best way to learnig 电子测量技术 3 3、通用信号发生器

12、、通用信号发生器 （1 1）低频信号发生器）低频信号发生器电压放大器电压放大器低频信号发生器的放大器包含低频信号发生器的放大器包含电压放大器和功率放大器，电压放大器和功率放大器，以实现输出一定电压幅度和功率的要求。以实现输出一定电压幅度和功率的要求。 组成原理组成原理 把振荡器产生的把振荡器产生的微弱信号进行放大微弱信号进行放大隔离器（隔离器（缓冲放大器缓冲放大器）：将功率放大器、输出衰减器、负载与）：将功率放大器、输出衰减器、负载与振荡器隔离，以防止对振荡信号产生影响振荡器隔离，以防止对振荡信号产生影响Practice is a best way to learnig 电子测量技术 3 3、

13、通用信号发生器、通用信号发生器 （1 1）低频信号发生器）低频信号发生器输出衰减器输出衰减器改变输出电压或输出功率改变输出电压或输出功率 组成原理组成原理 由由连续调节和步进调节连续调节和步进调节两级衰减组成两级衰减组成衰减器分贝数与电压衰减倍数的关系衰减器分贝数与电压衰减倍数的关系Practice is a best way to learnig 电子测量技术 功率放大器功率放大器保证仪器有足够的输出功率：一般采用三级放大电路保证仪器有足够的输出功率：一般采用三级放大电路Practice is a best way to learnig 电子测量技术 阻抗转换器阻抗转换器用于匹配不同阻抗的负

14、载，从而获得最大的输出功率用于匹配不同阻抗的负载，从而获得最大的输出功率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、7575、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读数是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

15、相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。准确的。 Practice is a best way to learnig 电子测量技术 保护电路保护电路晶体三极管的过载能力较差，当工作状态超过极限时很容易烧毁，信号发生器输出端短路时经常发生的，如果没有可靠的保护电路，就会烧毁放大电路，进而损坏仪器。启动保护：启动保护：过载保护：过载保护：由一个BJT与继电器组成第一延时启动电路：开机时延时5s左右才有功率输出；另一只继电器与电容组成第二延时电路，在第一延时启动电路动作后延时2s左右动作，使第一只继电器腹围，以完成启动保护电路的自动恢复。由一个双稳态触发器和延时继电器组成。在功率放大器出现过载时，触

16、发器动作，与延时继电器配合，完成保护动作，同时过载指示灯亮。Practice is a best way to learnig 电子测量技术 3 3、通用信号发生器、通用信号发生器 （1 1）低频信号发生器的主要性能指标：）低频信号发生器的主要性能指标：P117P117Practice is a best way to learnig 电子测量技术 3 3、通用信号发生器、通用信号发生器 信号频率范围：信号频率范围：100kHz30MHz和和30300MHz 信号波形形式：等幅正弦波和调制波信号信号波形形式：等幅正弦波和调制波信号（2 2）高频信号发生器）高频信号发生器 组成原理组成原理 Pr

17、actice is a best way to learnig 电子测量技术 3 3、通用信号发生器、通用信号发生器 主要包括任意主要包括任意/函数发生器和任意波形发生器函数发生器和任意波形发生器（3 3）混合信号发生器）混合信号发生器 任意波形发生器组成原理任意波形发生器组成原理 Practice is a best way to learnig 电子测量技术 幅度幅度：峰峰值峰峰值/ /振幅、有效值或功率振幅、有效值或功率频率频率：单位时间内完成周期性变化的次数单位时间内完成周期性变化的次数偏移偏移：直流分量与零电平之间的差值直流分量与零电平之间的差值 平均值？平均值？相位相位：反映交流信

18、号任何时刻状态的物理量反映交流信号任何时刻状态的物理量信号的表征信号的表征时域基本参数时域基本参数Practice is a best way to learnig 电子测量技术 1.1 1.1 信号的表征信号的表征脉冲参数脉冲参数脉冲宽度脉冲宽度/ /占空比、上升时间、下降时间占空比、上升时间、下降时间Practice is a best way to learnig 电子测量技术 4 4、信号发生器的综合性能指标、信号发生器的综合性能指标 主要包括有效频率范围、频率准确度和频率稳定度主要包括有效频率范围、频率准确度和频率稳定度（1 1）频率特性）频率特性主要包括输出阻抗、输出电平及其平坦度

19、、输出形主要包括输出阻抗、输出电平及其平坦度、输出形式、输出波形及谐波失真式、输出波形及谐波失真（2 2）输出特性）输出特性Practice is a best way to learnig 电子测量技术 4 4、信号发生器的综合性能指标、信号发生器的综合性能指标 高频信号发生器能输出调幅波和调频波，有的还带高频信号发生器能输出调幅波和调频波，有的还带有调相和脉冲调制功能有调相和脉冲调制功能（3 3）调制特性）调制特性Practice is a best way to learnig 电子测量技术 电子系统频率范围提高电子系统频率范围提高高速复杂波形合成成为信号产生技术的主流和热点高速复杂波形

20、合成成为信号产生技术的主流和热点新体制、新制式推出新体制、新制式推出电子技术应用领域拓展电子技术应用领域拓展高速高速l极高的频率或带宽极高的频率或带宽l极高的频率切换速度极高的频率切换速度复杂复杂l任意化特征加剧、细任意化特征加剧、细微特征丰富微特征丰富l输出信号数目增加输出信号数目增加 5 5、信号产生的发展趋势信号产生的发展趋势Practice is a best way to learnig 电子测量技术 5 5、信号发生器的发展趋势、信号发生器的发展趋势 补偿传输线的频率特点，提高接收机的信号保真度补偿传输线的频率特点，提高接收机的信号保真度（1 1）生成预加重）生成预加重/ /去加重

21、信号去加重信号将多电平看做一个信号的多个离散幅度将多电平看做一个信号的多个离散幅度简称为脉冲幅度调制或简称为脉冲幅度调制或PAM（2 2）生成多电平信号）生成多电平信号数字数字RF技术会超出当前测试设备的功能，要求生成技术会超出当前测试设备的功能，要求生成在诸多无线应用中日益常见的宽带宽和快速变化的在诸多无线应用中日益常见的宽带宽和快速变化的信号信号（3 3）生成宽带）生成宽带RFRF信号信号（4 4）生成无线）生成无线I/QI/Q和和IFIF信号信号Practice is a best way to learnig 电子测量技术 1.1.频率合成原理频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频

22、及混频技术来实现。频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。 频率频率1 1输出输出石英晶体石英晶体代数运算代数运算（加、减、乘、除（加、减、乘、除）频率合成原理频率合成原理频率频率n n输出输出基准频率基准频率2 2 频率合成技术频率合成技术Practice is a best way to learnig 电子测量技术 直接频率合成（直接频率合成（ADSADS） 混频、倍频和分频等方法，窄带滤波器选频混频、倍频和分频等方法，窄带滤波器选频 间接频率合成：间接频率合成：PLLPLL（Phase Lock Loop Phase Lock Loop ） 利用利用PLLPLL把把VCOVCO

23、的输出频率锁定在基准频率上，通的输出频率锁定在基准频率上，通过不同形式的锁相环在基准频率基础上合成不同过不同形式的锁相环在基准频率基础上合成不同频率频率 直接数字合成（直接数字合成（DDSDDS） 基于取样技术和数字计算技术实现频率合成基于取样技术和数字计算技术实现频率合成2 2 频率合成技术频率合成技术Practice is a best way to learnig 电子测量技术 优点：频率切换迅速，相位噪声很低优点：频率切换迅速，相位噪声很低缺点：电路复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化缺点：电路复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化2.1 2.1 直接频率合成直接频率合成Practice

24、 is a best way to learnig 电子测量技术 2.2 2.2 锁相式频率合成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（一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（PLLPLL）把压控振荡器（把压控振荡器（VCOVCO）的输出频率锁定在基准频率）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。准频率的基础上合成不同的频率。 Practice is a best way to learnig 电子测量技术 基本结构：基本结构：锁相环（锁相环（PLLPLL）组成：组成：鉴相器（鉴相器

25、（PDPD）、环路滤波器（）、环路滤波器（LPFLPF）、压控）、压控振振 荡器（荡器（VCOVCO）及基准晶振等）及基准晶振等原理：原理：负反馈控制系统，利用负反馈控制系统，利用PLLPLL把把VCOVCO的输出频率的输出频率锁定在基准频率上，通过不同形式的锁相环锁定在基准频率上，通过不同形式的锁相环在一个基准频率基础上合成不同频率在一个基准频率基础上合成不同频率2.2 2.2 锁相式频率合成锁相式频率合成n优点：易集成，体积小，结构简单，功耗低，价格低优点：易集成，体积小，结构简单，功耗低，价格低n缺点：频率切换时间较长，相位噪声较大缺点：频率切换时间较长，相位噪声较大Practice i

26、s a best way to learnig 电子测量技术 PLLPLL主要性能指标主要性能指标 环路带宽环路带宽 对输入信号的相位而言对输入信号的相位而言，锁相环具有低通滤波，锁相环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。器的传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。环路带宽越低，其滤波作用越好。环路带宽越低，其滤波作用越好。 对输入信号整体而言对输入信号整体而言，具有窄带滤波特性。只，具有窄带滤波特性。只允许输入信号角频率附近的频率分量通过，阻止允许输入信号角频率附近的频率分量通过，阻止远离输入频率的频率分量传送到输出端，在一定远离输入频率的频率分量传送到输出端，在一定范围内跟

27、踪输入频率！范围内跟踪输入频率！ 捕捉带宽捕捉带宽 假设环路最初不处于锁定状态，环路最终能够假设环路最初不处于锁定状态，环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许频差自行进入锁定状态的最大允许频差 。Practice is a best way to learnig 电子测量技术 锁相环的基本形式锁相环的基本形式1.1.倍频式锁相环倍频式锁相环 等效模型等效模型 实现模型实现模型 Practice is a best way to learnig 电子测量技术 锁相环的基本形式锁相环的基本形式2.2.分频式锁相环分频式锁相环 等效模型等效模型 实现模型实现模型 Practice is a best

28、 way to learnig 电子测量技术 3.3.混频式锁相环混频式锁相环锁相环的基本形式锁相环的基本形式相加混频环相加混频环相减混频环相减混频环Practice is a best way to learnig 电子测量技术 提高频率分辨力的锁相合成技术提高频率分辨力的锁相合成技术n 减小频率增量提高分辨力减小频率增量提高分辨力ieft/25n 保证转换时间和频率范围前提下提高频率分辨力的途径保证转换时间和频率范围前提下提高频率分辨力的途径多环频率合成法多环频率合成法小数分频法小数分频法 n 后置分频器提高分辨力后置分频器提高分辨力输出频率范围减小输出频率范围减小频率增量越小，转换时间越

29、长频率增量越小，转换时间越长Practice is a best way to learnig 电子测量技术 1971年，美国学者年，美国学者JTierncy，CMRader和和BGold提出了直接数字频率合成（提出了直接数字频率合成（DDS）技术，它从相位概念出发直接合成所需波形技术，它从相位概念出发直接合成所需波形全数字控制、频率分辨率高、切换速度快、切全数字控制、频率分辨率高、切换速度快、切换时相位连续换时相位连续Analog 公司、公司、Qualcomm 公司和公司和Stanford 公司公司一系列性能优良的一系列性能优良的DDS 器件不断出现器件不断出现, 工作频工作频率可达率可达G

30、Hz, 频率分辨率可到频率分辨率可到mHz2.3 2.3 直接数字合成技术直接数字合成技术Practice is a best way to learnig 电子测量技术 DDS原理及主要问题原理及主要问题采样时钟采样时钟输出输出相位相位 累加器累加器 数据数据 查找表查找表 数模数模 转换器转换器 低通低通 滤波器滤波器 频率频率控制字控制字NNMD2osNKff 输出频率输出频率 Practice is a best way to learnig 电子测量技术 理解：可以将正弦波形看作一个矢量，沿相位圆理解：可以将正弦波形看作一个矢量，沿相位圆转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形转动

31、，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。中的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。 步进步进点数点数2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248数字相位圆数字相位圆相位环相位环Practice is a best way to learnig 电子测量技术 保持系统保持系统 x t pxt重构系统重构系统 p t 0 xt y t 0h t h t地址发生器对波地址发生器对波形查找表的抽样形查找表的抽样数模转换器数模转换器低通滤波器低通滤波器 001snXjwXj wnw

32、HjwT 01snYjwXj wnwHjw HjwT 任意波形合成方法及采样模型任意波形合成方法及采样模型Practice is a best way to learnig 电子测量技术 DDSDDS的主要误差的主要误差1 1、相位截断误差、相位截断误差2 2、幅度量化误差、幅度量化误差 3 3、DACDAC保持、采样特性误差保持、采样特性误差 4 4、DACDAC非线性误差非线性误差 5 5、采样时钟误差、采样时钟误差 Practice is a best way to learnig 电子测量技术 6 6、频率合成技术（、频率合成技术（P P130130） 频率合成技术频率合成技术直接模拟

33、频率合成技术直接模拟频率合成技术（DAFS DAFS ）直接数字频率合成技术直接数字频率合成技术（DDS DDS ） 间接锁相式合成技术间接锁相式合成技术锁相锁相环环类型频率范围频率分辨率转换时间频率稳定度频谱纯度设备结构直接合成大较高快好一般复杂间接合成较大一般慢好好简单易集成直接数字合成一般极高极快好一般简单易集成Practice is a best way to learnig 电子测量技术 6 6、频率合成技术、频率合成技术锁相环频率合成技术锁相环频率合成技术 可以是一可以是一根导线根导线典型锁相环fofr频率参考频率参考鉴相器鉴相器低通滤波器低通滤波器压控振荡器压控振荡器反馈网络反馈网络 fofr=foPractice is a best way to learnig 电子测量技术 6 6、频率合成技术、频率合成技术间接数字频率合成技术间接数字频率合成技术 改变改变N可以产生不可以产生不同频率的输出信同频率的输出信号号fofr频率参考频率参考数字鉴相器数字鉴相器低通滤波器低通滤波器压控振荡器压控振荡器数字分频器数字分频器（N） fo数字类型数字类型的的整数间接数字频率合成Practice is a best way to lear