测感技术41课件

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第4章线性系统测量本章内容：4.1概述（信号源）正弦、脉冲及函数发生器锁相频率合成信号的产生直接数字合成技术合成信号源简介4.2线性系统频率特性测量

主要内容：锁相频率合成信号的原理直接数字合成技术第2页

4.1.1信号源组成、分类、正弦波信号源的性能指标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（如测量阻抗）。☆信号仿真（如噪声信号）。☆标准信号源（如电视信号发生器，校准信号源等）。2.信号源的组成4.1概述（信号源）变换器输出级调制器电源指示器振荡器名称频率范围主要应用领域超低频信号发生器30kHz以下电声学、声纳低频信号发生器30kHz～300kHz电报通讯视频信号发生器300kHz～6MHz无线电广播高频信号发生器6MHz～30MHz广播、电报甚高频信号发生器30MHz～300MHz电视、调频广播、导航超高频信号发生器300MHz～3000MHz雷达、导航、气象3.信号源的分类1）按频率范围大致可分为六类：2）按输出波形,大致可分为：正弦波形发生器；脉冲信号发生器；函数信号发生器；噪声信号发生器。3）按照信号发生器的性能指标可分为：一般信号发生器；标准信号发生器（要求较高）；4.1.2

正弦、脉冲及函数发生器1.正弦信号发生器1）低频信号发生器低频信号发生器频率范围一般为20Hz～20KHz，故又称音频信号发生器，现在低频信号发生器可达1Hz～10MHz主振级缓冲放大电平控制功率放大衰减器阻抗变换电平调节波段调节频率细调电平指示低频信号发生器组成原理每个波段覆盖系数通常为10

1.正弦信号发生器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，调频及脉冲调制等功能输出级输出阻抗一般为：50或75欧输出主振级波段选择频率细调缓冲调制级输出级调制振荡器监测器外调制输入高频信号发生器原理框图电子测量原理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。2.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：2.脉冲信号发生器2）快速（广谱）脉冲发生器

在时域测试中，快速脉冲信号发生器用来提供广谱的激励信号，尤其在微波网络、宽带元器件的时域测试中，脉冲信号发生器相当于频域测试中的扫频信号源。快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及隧道二极管脉冲发生器等。快速脉冲信号发生器的边沿快，对应的频率成分丰富VDRCROKRL水银开关脉冲发生器原理C双稳态电路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波发生器原理框图V1则：

3.函数信号发生器1）多波形信号发生原理叙述正弦波、方波、三角波之间的关系⑴方波三角波发生器

讲述工作原理。

设充放电电流为I，输出三角波的频率为fsc，

fsc＝I/2C(V1-V2)=U1/2RC(V1-V2),电位器分压输出为U1或-U1utiustusct分段折线逼近波形综合分段逼近波形综合电路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B3函数信号发生器1）多波形信号发生原理⑵正弦波形成电路

频率控制网络三角波缓冲器正弦波综合及缓冲正恒流源负恒流源比较器方波缓冲器外部频率控制函数选择及其它波形产生输出放大输出滤波直流补偿积分电路函数发生器基本组成原理3.函数信号发生器2）函数发生器的性能和组成函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波等波形，具有较宽的频率范围（0.1Hz～几十MHz）及较稳定的频率。

晶振谐波发生器（倍频）分频（÷10）8MHz混频（+）混频（+）2MHz滤波分频（÷10）2.8MHz滤波0.28MHz分频（÷10）混频（+）滤波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图1MHz1MHz9MHz

4.1.3

频率合成原理、分类、发展1.频率合成的基本概念

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。2.频率合成分类及特点

⑴直接频率合成：通过频率的混频、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，下图是其实现原理优点：频率切换迅速，相位噪声很低。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成第15页

4.1.3

频率合成原理、分类、发展2.频率合成分类及特点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.锁相环基本工作原理及性能2）锁相环的基本形式

⑴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2.锁相环的基本形式⑵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.锁相环的基本形式⑶混频式锁相环混频环实现对频率的加减运算实例分析：十进频率合成器(了解内容）（1）十进频率合成器组成DS1的输入输出关系：fo=(9+fi+1.8+k*0.1)/10，第1个DS1,fi=1.2MHz,fo1=1.2+k1*10-2第2个DS1,fi=fo1=1.2+k1*10-2,fo2=1.2+k2*10-2+k1*10-3,第3个DS1,fi=fo2=1.2+k2*10-2+k1*10-3,fo3=1.2+k3*10-2+k2*10-3+k1*10-4,依次类推：fo5=1.2+k5*10-2+k4*10-3+k3*10-4＋k2*10-5+k1*10-6,DS2的输入输出关系：fo6=9*2+fo5+1.8+k1*0.1=21+k6*0.1+k5*10-2+…＋k2*10-5+k1*10-6,DS4的输入输出关系：fo7=80+k7*10+fo6=101+k7*10+k6*0.1+k5*10-2+…+k1*10-6,DS3的输入输出关系：fo8=101-k8,最终输出：fo=fo7-fo8=k7*10+k8+k6*0.1+…+k1*10-6,DS-10-9×1HzDS-10-9×10HzDS-10-9×100HzDS-10-9×1KHzDS-10-9×10KHzDS-20-9×100KHzDS-40-2×10MHzDS-30-2×1MHz21～22MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz≈内插振荡器0～1Hz1.2～1.3MHz9MHz100KHzM（-）101～92MHz101～122MHz200Hz～30MHz×÷5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S54.1.4直接数字合成技术

１DDS组成原理直接数字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。地址计数器（÷N）正弦波ROM存储器D/ALPFfcDDS组成原理设取样时钟频率为，正弦波每一周期由Ｎ个取样点构成，则该正弦波的频率为：输出信号频率fo:取决于两个因数：⑴参考时钟频率；⑵ROM中存储的正弦波如果地址计数器以步进M（M>=1)进行累加，则可在fc和ROM数据不变的情况下改变输出频率，此时fo为：步进控制6位计数器64字节存储器D/A滤波输出N频率控制字MDDS合成扫频信号源原理fcfo举例：存储器/RD/CSQ0Q1Q2Q3Q4Q5A0D0A1D1A2A3A4D6A5D7D0D1DACD6D7LPF模拟量fc输入时钟步进预置M举例（续）：存储器/RD/CSQ0Q1Q2Q3Q4Q5A0D0A1D1A2A3A4D6A5D7D0D1DACD6D7LPF模拟量fc输入时钟步进预置M累加计数器的累进值为M，可以为1、2、。。。8等，每来一个时钟，输出加M，每64个时钟，其输出为M个循环周期。输出正弦波的频率为：M＊fc/64。举例（续）：存储器/RD/CSQ0Q1Q2