电子测量 第4章 测量用信号源(新)课件

第4章测量用信号源4.1信号源概述4.2正弦、脉冲及函数发生器4.3锁相频率合成信号的产生4.4直接数字合成技术4.5合成信号源简介4.1信号源概述信号源的作用和组成信号源的分类信号源的性能指标4.1.1信号源在电子测量中的作用和组成1.信号源的作用信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面：☆激励源。☆信号仿真。☆标准信号源。2.信号源的组成信号输出主振器缓冲调制输出电源监测信号发生器结构框图信号源的模型低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Ω（或1kΩ）功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等档高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω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。4.1.2信号源的分类1.按频率范围大致可分为六类：超低频信号发生器0.0001Hz～1000Hz；低频信号发生器1Hz～1MHz；视频信号发生器20Hz～10MHz；高频信号发生器200KHz～30MHz；甚高频信号发生器30KHz～300MHz；超高频信号发生器300MHz以上。4.2.1脉冲信号发生器常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等：uto（a）矩形波uto（b）锯齿波uto（c）阶梯波uto（d）钟形脉冲uto（e）数字编码序列常见的脉冲信号脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器、数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。1.通用脉冲发生器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。输出脉宽，上升/下降沿控制主振级同步放大延时级脉冲形成输出级同步脉冲输出外同步触发输入外触发同步脉冲输出脉冲信号发生器组成原理4.2.2函数信号发生器1.多波形信号发生原理⑴方波三角波发生器C双稳态电路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波发生器原理框图V1设充放电电流为I，输出三角波的频率为fsc，则：⑶锯齿波形成电路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）锯齿波的获得原理锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（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。4.2.3调制信号发生器调制信号被广泛用于通信、传输和控制。调制方式分为模拟调制和数字调制两种。模拟调制时载波信号的幅度、频率和相位随连续的模拟调制信号而变化。模拟信号先被采样量化，变换为数字信号，然后被编码，最终用数字信号去调制载波。有幅移键控（AmplitudeShiftKeying）、频移键控和相移键控。正交调幅（QuadratureAmplitudeModulation）星座图在通信中常把二进制调制信号分组编码，如果四位构成一组，调制信号就有16种码等。4.3信号源的技术指标1.频率特性（1）频率范围（2）输出频率的相对误差

（3）频率稳定度是指在预热后，信号源在规定时间内频率的相对变化。包含系统误差影响和随机误差影响。4.3信号源的技术指标（3）频率稳定度

测量方法：4.3信号源的技术指标阿仑方差（Allan）：反映频率在很短时间内变化的常用指标。由于时间间隔很短，因此主要反映随机变化。阿仑方差是讨论m组相邻两测量时间为t的频率值的差异。称为双取样测量。在一组中，两个测量数据的方差估计值为：该方差越小，说明两数据的离散性越小，即短时间频率变化越小。阿伦方差定义的是m组双取样方差平均值方根的相对值：阿伦方差测量方法早期采用间隔测量法，现在多采用连续取数法P0为1mW时，功率电平单位就是dBm

V0取1V时，电压电平的单位就是dBv

在规定负载为600欧时，也常取V0=0.775V，电压电平的单位为dBu。这时，功率电平和电压电平在数值上相等2.输出幅度的指标分贝电平，有功率电平和电压电平两种形式。用相位噪声来表征由噪声引起的信号相位起伏，等效于一个噪声源的相位调制，因而称作相位噪声。这样，一个实际信号在频域中不再是一根离散的谱线，而是以调制边带的形式，在标称频率上、下两侧扩展(如图4-25所示)，使得信号频谱不纯．所以，在频域内可用各种谱密度来表征短期频率不稳定度，其中常用：

单边带(SSB)相位噪声L(f)

在实际测量中，常用单边带SSB(SingleSideBand)相位噪声来表征短期频率稳定度。

图4-25实际信号的频谱Pff02/6/202325相位噪声的定义

SSB相位噪声L(f)定义为：偏离载频fo为f处，在每赫兹带宽的单边带功率PSSB与载波功率P0之比，通常用dB表示，见其示意图。

SSB相位噪声示意图P0见课后习题4-13-（三版）2/6/2023264.3锁相频率合成信号的产生频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。4.3.1频率合成的基本概念频率1输出石英晶体代数运算（加、减、乘、除）频率合成原理频率n输出基准频率⑵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（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。

⑶直接数字合成（DDS）

是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所需频率的正弦信号优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小缺点：频率上限较低，杂散也较大。3.频率合成技术的发展

各种频率合成方式的综合:

直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成技术都有其优缺点，单独使用任何一种方法，很难满足要求。因此可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，小步进及较高的频率上限。4.3.2锁相环（PLL）的基本概念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）、电压控制振荡器（VCO）及基准晶体振荡器等部分组成。锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。相位比较器，用来比较两个输入信号的相位，其输出电压正比于两信号的相位差。压控振荡器，其振荡频率可用电压控制，一般都利用变容二极管（变容二极管扫频）。锁相环的捕捉过程锁相环的主要性能指标:锁相环锁定时鉴相器有三个特点：一是鉴相器两输入信号频率相等；二是两输入信号的相位差为常数；三是鉴相器的输出基本为直流（用于判断锁相环是否处于锁定状态）。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。对输入信号的相位具有低通特性，就意味着对输入信号的整体具有带通特性。即锁相环只允许在输入频率fi附近的频率成分通过，而阻止远离fi的频率成分通过。关于锁相环的一些缩略词PLLPhase-lockedLoops锁相环PDPhaseDetector相位比较器LPFLow-passFilter低通滤波器VCOVoltageControlledOscillater压控振荡器DDFSDirectDigitalFrequencySynthesis直接数字频率合成LFLoopsFilter环路滤波器（1）混频式锁相环混频环实现对频率的加减运算PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混频环fo=fi1-fi2混频锁相环+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加环简化图（d）相减环简化图2.常用基本锁相单元混频环基准频率fi1的频率稳定度是比较高的，而能产生连续可变频率的内插振荡器产生的fi2的稳定度相对较差。实例：采用教材图4-12的电路，fi1由石英晶体供给，频率为2340kHz，其日稳定度为10-6～10-9/日，取10-6/日。fi2为60～70kHz，日稳定度为10-4/日。经过一天后稳定度因素引起的输出频率变化为：可见，fi2的引入使fo的稳定度受到一定影响，但它基本处于fi1的稳定度，比fi2的稳定度要好很多。(2）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（a）谐波倍频环VCOPDLPFfO=Nfifi谐波形成Nfifo=Nfi（b）数字倍频环VCOPDLPFfi÷N倍频式锁相环原理图fi×NPLLNfi（c）倍频环简化图(3)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。分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波形成（a）谐波分频环fi÷NPLLfo=fi/N（c）分频环简化图⑷双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如果fi1=10kHz,N=330-500,则fi1在3300-5000kHz内间隔为10kHz离散可变。另外，使得fi2为100-110kHz，则双环合成单元在3400-5110kHz连续可调。频率合成器实例本例合成器被称为1.7MHz或1700kHz的合成器小数分频式锁相环1.利用多环合成单元提高频率分辨力微机可控小数分频锁相环2.小数分频环小数合成法LPFVCOPDfo=1890kHzfi=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？2/6/202344N和N+1频率掺匀两种分频都可能用到很多次，那么就应该设法把两种分频混合均匀，而不要在一段时间内都是N分频，而在另一段时间内都是N+1分频。依靠计算机控制下的计数功能可以完成掺匀。用掺匀法从分频器加给鉴相器的信号频率，虽然有很小的变动，但是只要用鉴相器输出信号的平均值去控制压控振荡器，就能得到要求的输出频率。例:分频比为.3的实现过程微机可控直接数字频率合成1.DDFS的基本原理微机可控直接数字频率合成1.DDFS的基本原理DDFS的基本原理首先，把一个单位振幅的正弦函数的相位在2∏弧度内分成尽可能小的间隔点，若用A位二进制表示，则最小相位间隔为：求出相应的正弦值，写入ROM中。构成一个正弦表。把频率码变换成相位取样值，然后，查ROM表可以读出相应的正弦值。由于时钟周期是定值且高稳定，所以输出频率亦很稳定。频率分辨力为输出频率为正弦波：预存正弦函数表，如图3.18。实例说明：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。2/6/202350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，则Tout=232Tc

因此这时输出频率为图3.19AD9850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＋Vs2/6/202351（3.16）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（3.17）式中k为频率码，是个32位的二进制值，可写成：（3.18）对应于32位码值（0或1）。为便于看出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（3.18）代入（3.17）式得：（3.19）2/6/202352按AD9850允许最高时钟频率fc=125MHz来进行具体说明，当A0＝1，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：与上面从概念导出的结果一致。当A31＝1，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，所以当A31＝1后，以下码值只能取0。实际应用中，为了得到好的波形，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。2/6/202353相位的控制所谓‘相位’控制，实际上指的是两信号之间的相位差控制。通过改变一路信号的初相，可以达到控制两个信号的相位差的目的。而初相可由初始相位码来确定。相位的控制=初相码（常量）+频率码（增量）2/6/202354频率和相位控制原理2/6/202355频率和相位控制原理该实例中相位码有48位，而波形存储器容量（地址）只有14位，对应16384个地址。每个波形存储单元有12位。当相位码高位变化时，波形存储器地址才变化，相位码位数的提高提高了频率分辨率。2/6/2023564.5合成信号源简介任意波发生器（AibitrayWaveGenerator）：能产生任意波形的信号发生器。4.5.1任意波形发生器1

AWG的工作原理任意波形发生器的原理与DDS基本相同，如下图所示波形存储器D/A转换器滤波器fs输出任意波形发生器原理2AWG的主要技术指标

①波形编辑功能。②输出波形频率。③相位分辨力。④幅度分辨率。⑤输出通道数。函数、任意波形发生器4.5.2合成扫频信号源1工作原理

频率特性测试的方法：点频法和扫频法点频法：逐点调整信号发生器的输出频率，并用电压表等设备记录被测系统的响应。特点：准确度高，但繁琐费时，频率间隔较大。扫频法：是利用扫频信号发生器输出自动连续变化的频率信号，对被测系统进行动态式的扫频测试。特点：简单快捷，可以方便地测量系统的频率特性及动态特性。扫频信号发生器的原理结构：扫描电压发生器正弦振荡