电子测量第三章信号发生器1课件

1、第3章信号发生器 第1页，共59页。本章要点测量用信号发生器，通常称为信号源。 信号源的功用、种类和主要性能指标 通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用 合成信号源的组成原理、特性和应用 频率合成技术的发展状况射频合成信号发生器简介 第2页，共59页。3.1 信号发生器概述3.1.1 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 应第3页，共59

2、页。3.1.2 信号发生器的分类 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-ttttt第4页，共59页。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、1MHz1GHz1GHz100GHzLC电路AM、FM、

3、PMAM、FM第5页，共59页。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30kHz300kHz300kHz6MHz6MHz30MHz30MHz300MHz300MHz3000MHz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、气象第6页，共59页。3.1.3 正弦信号发生器的性能指标 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

4、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） 第7页，共59页。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） 第8页，共59页。老化率 只考虑系统误差，反映较长时间内频率变化的平均效果。日老化率：反映

5、一天内频率的变化与频率标称值的比值。 阿仑方差：只考虑随机误差，反映频率在很短时间内的变化。 第9页，共59页。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 USUnfAfAtU第10页，共59页。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。 第11页，共59页。6. 输出电平 输出电平指的是输

6、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。 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 第12页，共59页。3.2 模拟信号发生器 本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，以区别后面介绍的合成信号发生器。 一、低频信号发生器二、高频信号发生器三、函数信号发生器四、脉冲信号发生器第13页，共59页。3.2.1 低频信号发生器 图3.3 低频信号源组成框图主振器放大器衰减器输出电压指示(a

7、)输出(b)固定频率振荡器可变频率振荡器混频器滤波放大衰减器f2=3.4000MHzf1=3.39975.1000MHzf0=300Hz1.7000MHz波段式差频式第14页，共59页。1. 频率覆盖系数：频率覆盖范围 （3.7） 以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器）为例，f1=3.3997MHz5.1000MHz，f2=3.4000MHz，则f0=300Hz1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数 而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为 可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。 第15页，共59页。2. 主振荡器的特点 低频信号发生器中的主振荡器大多都

8、采用文氏桥式振荡器，其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。 文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。其振荡频率决定于RC式反馈网络的谐振频率，表达式为： （3.8） 选频网络放大器放大器0 180 180 U0输出(f0)R1AR1R3C1C2R2第16页，共59页。在低频信号发生器中为何不采用LC振荡器？这是因为LC振荡器的频率决定于：（3.9） 原因 频率较低时，L、C 数值大，相应的体积、重量也相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在RC振荡器中，频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。 第17页，共59页。而用

9、RC振荡器，由（3.8）式可知， 成反比，频率覆盖系数为即RC振荡器在一个波段内有较大的频率覆盖系数。 原因 在LC振荡器中 成反比，因而同一波段内频率覆盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容器调节范围为40 pF450pF，则频率覆盖系数为第18页，共59页。3.低频信号发生器的主要技术特性 目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下： （1）频率范围： 1Hz1MHz分频段，均匀连续可调 （2）频率稳定度：优于0.1%（3）非线性失真：0.1%1% （4）输出电压：0V10V （5）输出功率：0.5 W5W 连续可调 （6）输出阻抗：50,75,600，5k （7）

10、输出形式：平衡输出与不平衡输出 第19页，共59页。3.2.2高频信号发生器 1. 高频信号发生器的组成原理 图3.4高频信号发生器原理框图主振级缓冲级调制级输出级监测器输出电 源内调制振荡器可 变电抗器外调制输入AMFM内外标准调制：F=1000Hz m=30%若语音调制则成小电台第20页，共59页。l)主振级 主振级通常是LC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率范围的正弦信号。通常是固定电感L，通过改变电容C来调整振荡频率，但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算L1CL2Ln.波段划分：若要扩大频率范围，必须变更电感L第21页，共59页。例3.1 XFC-6型高频信号发生器f =4

11、 MHz300MHz， 试问应划分几个波段？上式中0.9k的含义是让单回路覆盖系数取小些，这里取k=2，以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n=8，即要划分8个波段。这时相邻波段的电感值可按下式计算。 （3.11） （3.10） 第22页，共59页。2)缓冲级 它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级。 3)调制级 为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已调制正弦信号作为测试信号。调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于 100kHz35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般采用正弦调制；调频主要用于30MHz1000MHz信号发生器中；脉冲调制多用于30

12、0MHz以上的微波信号发生器中。标准调制：F=1000Hz m=30%第23页，共59页。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)输出级 输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到V数量级。输出电平的调节范围宽，有准确且固定的输出阻抗。第24页，共59页。3.2.3脉冲信号发生器 外同步放 大主振级同步输出外同步输入延迟级形成级整形级输出级主脉冲acbdefabcdetztrfUtttTU0tUm0.9Um0.1UmU0.5Umtrtf矩形脉冲的参数第25页，共59页。3.2.4函数信号发生器 图3.1

13、2函数信号发生器的基本组成正弦振荡器缓冲级放大级输出级方波形成积分器（a）（b）积分器外触发输入施密特触发器脉 冲触发器正弦波转换电路放大器（a）正弦式（b）脉冲式第26页，共59页。3.3 合成信号发生器 频率合成的方法 直接模拟频率合成法（DAFS ）直接数字频率合成法（DDFS ） 间接锁相式合成法（ Direct Analog Frequency Synthesis）（ Direct Digital Frequency Synthesis ） 信号源 主振级 频率准确度 频率稳定度 通用信号源 RC、LC振荡器 10-2量级 10-310-4 合成信号源 晶体振荡器 10-8量级 10

14、-7量级 第27页，共59页。3.3.1 直接模拟频率合成法 利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成，且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。 1.固定频率合成法 图3.15固定频率合成法原理晶体振荡器DNfrfo图3.15为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供基准频率 ，D为分频器的分频系数，N为倍频器的倍频系数。因此，图3.15固定频率合成法输出频率 为在式中，D和N均为给定的正整数。输出频率人为定值，所以称为固定频率合成法。 第28页，共59页。2.可变

15、频率合成法 带通13MHz10MHz1M2M34混频第29页，共59页。图3.16 十进频率合成法原理fi110+1010+10+10+频 率 选 择 开 关辅助基准频率发生器2.002.09MHz2.0002.099MHz2.00002.0999MHz2.000002.099999MHzfofi2fi3fi4f1f2f3f4fr2.02.9MHzF=16MHz2MHz5MHz=216(2.02.9)MHz=(20.020.9)MHz =（2.000002.09999）MHz 第30页，共59页。直接模拟合成技术特点： 1)频率分辨力高 2)频率切换快 -用于跳频通信对抗 （因频率点不太多）3

16、)电路庞大、复杂 -现不用它做信号源 （因信号源要求频率范围宽）目前大多数跳频电台中使用的频率合成器采用的是锁相环（PLL）频率合成技术，频率转换速度已经接近其极限，且分辨率较低。直接式数字频合器(DDS），具有频率分辨率高，频率转换时间快，输出频率可以很高而且稳定性好，相位噪声低等优点，可满足快速跳频电台对频率合成器的要求。例如在美国的JTIDS 中，跳速达到每秒35800 跳，只有采用直接数字频合器才能实现。但是DDS的价格昂贵，复杂度大，直接用于战术跳频电台有一定的难度。如果采用DDS+PLL的方法，结合两者的长处，可以获得单一技术难以达到的效果。 第31页，共59页。3.3.2 直接数

17、字频率合成法 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。这在前述模拟频率合成方法中是无法实现的。这里先讨论正弦波的合成问题，关于任意波形将在后面进行讨论。 1.直接数字合成基本原理 三角波：+1、+1 -1、-1 方 波：0、0、 1、1、 第32页，共59页。 正弦波：预存正弦函数表。 第33页，共59页。2 实例说明： AD9850是美国Analog Devices公司生产的

18、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 分辨率设立相位取样点，然后存入ROM的相应地址中。 图3.19 AD9850内部组成框图频率相位码寄存器相位和控制字频率码32位高速DDS码 输 入 寄 存 器并 行8位5输入时钟输入复位频率更新/寄存器复位码输入时钟串行1位40输入比较器方波输出模拟输入模拟输出DAC复位地Vs第34页，共59页。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 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232相位点，点间间隔时间为时钟周期Tc

19、，则 Tout=232Tc 因此这时输出频率为（最低频率）（3.16） 若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。第35页，共59页。（3.17） 式中k为频率码，是个32位的二进制值，可写成： （3.18） ：0或1。 （3.19） 依次类推，可得输出频率的一般表达式：第36页，共59页。按AD9850允许最高时钟频率fc=125MHz来进行具体说明，当A01，而A31，A30，A1均为0时，则输出频率最低，也是AD9850输出频率的分辨率： 当A311，而A0，A1， A30均为0时，输出频率最高：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。实际应用中，为了得到好的波形

20、，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。第37页，共59页。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

21、。 图3.21 表格法示意图0.20UAPQRST0.40.6t(s)第38页，共59页。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

22、波形产生器可供选用。 第39页，共59页。例如HP33120A函数/任意波形发生器可以产生10种标准波形和任意波形，采样速率为40MS/s，输出最高频率15MHz（正弦波），波形幅度分辨力为12位。 HP33120A第40页，共59页。3.3.3 间接合成法 1.基本锁相环路 间接合成法即锁相合成法，它是利用锁相环（PLL）的频率合成方法。 基本锁相环路是由相位比较器（PD），压控振荡器（VCO）和环路滤波器（LPF）组成的闭合环路，如图3.22(a)所示。 f i LPFVCOPDf o udoof o udf (a)(b)(c)开始：f0fiPD LPF VCO最后： f0=fi(a) 锁

23、相环(b) PD的鉴相特性(c) VCO的压控特性第41页，共59页。相位比较器即鉴相器，它比较两个输入信号fo和fi的相位差 输出与相位差成比例的电压，这个电压称为误差电压ud其鉴相特性如图3.22(b)所示。基本锁相环只能输出一个频率，而作为信号源必须要能输出一系列频率。 2.锁相环的几种基本形式 1)倍频锁相环 f i LPFVCOPDf o =NfiN1MHz 10MHz f o /N当环路锁定时，PD两输入信号的频率相等，即 根据PD两输入频率相等列出等式: fo/Nfi 从等式中解出输出频率: 重点掌握第42页，共59页。脉冲倍频环 LPFVCOPDf o =Nfif i 脉冲形成

24、Nf i Nf i 根据PD两输入频率相等列出等式: f i 1MHzLPFVCOPDf o = fi/N100kHzNNf o fiNfo 从等式中解出输出频率: 2)分频锁相环 第43页，共59页。脉冲分频环 LPFVCOPDf o f i Nf o 3)混频锁相环 混频器 f i1 1MHzLPVCOPDf o1 =| f i1 f i2|=1000-100=900kHzBPFM+f i 2 =100kHzf 0 +f i 2 第44页，共59页。3. 频率合成单元 1)组合环 一个典型的组合环及其输出频率，如图所示。 因为 所以 LPFPDf o = fiVCON2N1f i N1N2

25、第45页，共59页。2)多环合成单元 LPFPDf o 1=Nfi1VCO1f i1 图3.27 双环合成单元VCO2M(-)晶振PDLPF内插振荡器f i2同轴倍频环混频环f o 2=Nfi1+fi2Nfi1f o 1由倍频环可得 由混频环可得 : 因为 所以 (3.22) (3.23) 第46页，共59页。3)十进合成单元 图3.29 DS-1合成单元的级联100KHz9MHz1Hz090909090910Hz100Hz1KHz10KHz基准DS-11DS-12DS-13DS-14DS-15频率范围为 1.200000MHz1.299999MHz 第47页，共59页。3.3.4 频率合成技

26、术的进展 1. 三种合成方法的比较合成方法速 度最高工作频率主要特点直接模拟s 级100MHz硬件电路复杂直接数字s级300MHz可得任意波形间接锁相ms 级100GHz(微波)频谱纯度好2. 提高频率分辨力的方法 1)微差混频法 该方法将两个频率相差甚微的信号源进行差频混频，如图3.31所示。混频器的输出频率为 图3.31 微差混频原理fofi1fi2M(-)第48页，共59页。 在微差混频法中，由于参与混频的两个信号频率十分接近，所以分辨力得到提高。但是当这两个频率很接近时，在混频器工作中频率牵引现象也很严重，且很难解决。 2)多环合成法 PLL1(N1=2)fo=(N2+0.1N1)fr

27、=(10+0.2)10Hz=102Hz fr10HzPLL2(N2=10)M(+) 1 10N1 fr20HzN2 fr100Hz0.1N1 fr2Hz第49页，共59页。3)小数合成法 LPFVCOPDfo =1890kHzf i =100kHz小数分频器(N+1)和N次 =18.9控制电路 令 N=18 则 平均分频系数 18.9 若要平均分频系数=18.6，怎么控制？ 第50页，共59页。3. 扩展频率上限的方法 前题条件：VCO能工作在很高频率（如GHz微波段），然后锁定。 1)前置分频法 前置分频法是在程序分频器之前设置一个固定分频器，如图3.34所示。图中D为固定分频器，其分频系数

28、为D。因此，其输出频率fo为 图3.34 前置分频器的锁相环f i 8MHzLPFVCOPDf o =DN f i = 8GHzN 10D100 foD N fi 固定 第51页，共59页。2)倍频混频法 f o = Nfi1+fi2=101MHzVCOLPFMBPFPDf i 10MHz图3.35 倍频混频环N10()(f o - fi2) Nfi21MHz3)吞脉冲分频法吞脉冲分频法是在锁相环的反馈支路中加入吞脉冲分频器，这时锁相环的组成如图3.36所示。 第52页，共59页。VCOLPFfiPD图3.36 吞脉冲分频法频率合成器原理框图参考分频N1N2双模分频器P/（P+1）晶 体振荡器

29、频率合成器集成电路模式控制1/0吞食计数器f o =(PN1+N2)fi11/10第53页，共59页。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”，双模分频器分频系数为11；当N2计数器溢出后“模式控制”信号就为“0”，双模分频器分频数为10。例如设N2=4,则双模分频器分频系数有4次为11，而后为10，直至N计数结束，控制信号再恢复为“1”。由于在N2计数期间双模分频器要多计一个脉冲，就认为由于N2而吞食了一个被计数的脉冲，因此称为吞食计数器。 N(P1)N2(N1N2)P=PN1N2即 N=PN1 N2 （3.30） 在前述讨论中，P10，因此得 N=10N1N2 第54

30、页，共59页。吞脉冲分频器小结如下： （1）双模分频器的分频系数为P(P1），对于N1和N2两 个分频器，分频系数的设置必须N1N2，例如，N209， 那么N1至少为10； （2）由N1和N2可以求得 Nmin和Nmax的范围。 例3.2 P=10，N1=10，N209，则Nmin=100；若设 N11019，则Nmax=199。例3.3 P100，N1100199，N2=099，则 NPN1+N2=100（100199）+099 =1000019999。 （3）吞脉冲分频器可以提高锁相环的输出频率上限。 第55页，共59页。3.4 射频合成信号发生器射频：能通过天线发射变成电磁波进行无线传播

31、的信号频率。射频范围：大约大于等于100KHz第56页，共59页。射频合成信号发生器原理射频合成本振混频带通滤波器稳幅输出中频调制器调制信号发生器第57页，共59页。树立质量法制观念、提高全员质量意识。8月-228月-22Friday, August 5, 2022人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。06:34:5706:34:5706:348/5/2022 6:34:57 AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。8月-2206:34:5706:34Aug-2205-Aug-22加强交通建设管理，确保工程建设质量。06:34:5706:34:5706:34Friday, August 5, 2022安全在于心细，事故出在麻痹。8月-228月-2206:34:5706:34:57August 5, 2022踏实肯干，努力奋斗。2022年8月5日6:34 上午8月-228月-22追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。05 八月 2