電子測(cè)量 第4章 測(cè)量用信號(hào)源(新)課件

第4章測(cè)量用信號(hào)源4.1信號(hào)源概述4.2正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器4.3鎖相頻率合成信號(hào)的產(chǎn)生4.4直接數(shù)字合成技術(shù)4.5合成信號(hào)源簡(jiǎn)介4.1信號(hào)源概述信號(hào)源的作用和組成信號(hào)源的分類(lèi)信號(hào)源的性能指標(biāo)4.1.1信號(hào)源在電子測(cè)量中的作用和組成1.信號(hào)源的作用信號(hào)源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)源的用途主要有以下三方面：☆激勵(lì)源。☆信號(hào)仿真?！顦?biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。2.信號(hào)源的組成信號(hào)輸出主振器緩沖調(diào)制輸出電源監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖信號(hào)源的模型低頻信號(hào)發(fā)生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600Ω（或1kΩ）功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計(jì)而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等檔高頻信號(hào)發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω檔。信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負(fù)載的條件下標(biāo)定的，若負(fù)載與信號(hào)源輸出阻抗不相等，則信號(hào)源輸出電壓的讀數(shù)是不準(zhǔn)確的。4.1.2信號(hào)源的分類(lèi)1.按頻率范圍大致可分為六類(lèi)：超低頻信號(hào)發(fā)生器0.0001Hz～1000Hz；低頻信號(hào)發(fā)生器1Hz～1MHz；視頻信號(hào)發(fā)生器20Hz～10MHz；高頻信號(hào)發(fā)生器200KHz～30MHz；甚高頻信號(hào)發(fā)生器30KHz～300MHz；超高頻信號(hào)發(fā)生器300MHz以上。4.2.1脈沖信號(hào)發(fā)生器常見(jiàn)的脈沖信號(hào)有矩形、鋸齒形、階梯形、鐘形和數(shù)字編碼序列等：uto（a）矩形波uto（b）鋸齒波uto（c）階梯波uto（d）鐘形脈沖uto（e）數(shù)字編碼序列常見(jiàn)的脈沖信號(hào)脈沖發(fā)生器的分類(lèi)（根據(jù)用途和產(chǎn)生脈沖的方法）：通用脈沖發(fā)生器、快速（廣譜）脈沖發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字可編程脈沖發(fā)生器及特種脈沖發(fā)生器等。1.通用脈沖發(fā)生器通用脈沖發(fā)生器能夠滿(mǎn)足一般測(cè)試的要求，能夠調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、輸出幅度及極性等。輸出脈寬，上升/下降沿控制主振級(jí)同步放大延時(shí)級(jí)脈沖形成輸出級(jí)同步脈沖輸出外同步觸發(fā)輸入外觸發(fā)同步脈沖輸出脈沖信號(hào)發(fā)生器組成原理4.2.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1.多波形信號(hào)發(fā)生原理⑴方波三角波發(fā)生器C雙穩(wěn)態(tài)電路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波發(fā)生器原理框圖V1設(shè)充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，則：⑶鋸齒波形成電路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理鋸齒波可以通過(guò)方波與三角波而獲得，將下圖中（a）所示三角波與圖（b）所示方波直接疊加就可得到圖（c）所示的交錯(cuò)鋸齒波，再經(jīng)過(guò)全波整流，就得到了圖（d）所示的鋸齒波。4.2.3調(diào)制信號(hào)發(fā)生器調(diào)制信號(hào)被廣泛用于通信、傳輸和控制。調(diào)制方式分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。模擬調(diào)制時(shí)載波信號(hào)的幅度、頻率和相位隨連續(xù)的模擬調(diào)制信號(hào)而變化。模擬信號(hào)先被采樣量化，變換為數(shù)字信號(hào)，然后被編碼，最終用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波。有幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying）、頻移鍵控和相移鍵控。正交調(diào)幅（QuadratureAmplitudeModulation）星座圖在通信中常把二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)分組編碼，如果四位構(gòu)成一組，調(diào)制信號(hào)就有16種碼等。4.3信號(hào)源的技術(shù)指標(biāo)1.頻率特性（1）頻率范圍（2）輸出頻率的相對(duì)誤差

（3）頻率穩(wěn)定度是指在預(yù)熱后，信號(hào)源在規(guī)定時(shí)間內(nèi)頻率的相對(duì)變化。包含系統(tǒng)誤差影響和隨機(jī)誤差影響。4.3信號(hào)源的技術(shù)指標(biāo)（3）頻率穩(wěn)定度

測(cè)量方法：4.3信號(hào)源的技術(shù)指標(biāo)阿侖方差（Allan）：反映頻率在很短時(shí)間內(nèi)變化的常用指標(biāo)。由于時(shí)間間隔很短，因此主要反映隨機(jī)變化。阿侖方差是討論m組相鄰兩測(cè)量時(shí)間為t的頻率值的差異。稱(chēng)為雙取樣測(cè)量。在一組中，兩個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的方差估計(jì)值為：該方差越小，說(shuō)明兩數(shù)據(jù)的離散性越小，即短時(shí)間頻率變化越小。阿倫方差定義的是m組雙取樣方差平均值方根的相對(duì)值：阿倫方差測(cè)量方法早期采用間隔測(cè)量法，現(xiàn)在多采用連續(xù)取數(shù)法P0為1mW時(shí)，功率電平單位就是dBm

V0取1V時(shí)，電壓電平的單位就是dBv

在規(guī)定負(fù)載為600歐時(shí)，也常取V0=0.775V，電壓電平的單位為dBu。這時(shí)，功率電平和電壓電平在數(shù)值上相等2.輸出幅度的指標(biāo)分貝電平，有功率電平和電壓電平兩種形式。用相位噪聲來(lái)表征由噪聲引起的信號(hào)相位起伏，等效于一個(gè)噪聲源的相位調(diào)制，因而稱(chēng)作相位噪聲。這樣，一個(gè)實(shí)際信號(hào)在頻域中不再是一根離散的譜線(xiàn)，而是以調(diào)制邊帶的形式，在標(biāo)稱(chēng)頻率上、下兩側(cè)擴(kuò)展(如圖4-25所示)，使得信號(hào)頻譜不純．所以，在頻域內(nèi)可用各種譜密度來(lái)表征短期頻率不穩(wěn)定度，其中常用：

單邊帶(SSB)相位噪聲L(f)

在實(shí)際測(cè)量中，常用單邊帶SSB(SingleSideBand)相位噪聲來(lái)表征短期頻率穩(wěn)定度。

圖4-25實(shí)際信號(hào)的頻譜Pff02/6/202325相位噪聲的定義

SSB相位噪聲L(f)定義為：偏離載頻fo為f處，在每赫茲帶寬的單邊帶功率PSSB與載波功率P0之比，通常用dB表示，見(jiàn)其示意圖。

SSB相位噪聲示意圖P0見(jiàn)課后習(xí)題4-13-（三版）2/6/2023264.3鎖相頻率合成信號(hào)的產(chǎn)生頻率合成原理頻率的代數(shù)運(yùn)算是通過(guò)倍頻、分頻及混頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.3.1頻率合成的基本概念頻率1輸出石英晶體代數(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準(zhǔn)頻率⑵鎖相式頻率合成

一種間接式的頻率合成技術(shù)。它利用鎖相環(huán)（PLL）把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，這樣通過(guò)不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個(gè)基準(zhǔn)頻率的基礎(chǔ)上合成不同的頻率。優(yōu)點(diǎn)：易于集成化，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：頻率切換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，相位噪聲較大。

⑶直接數(shù)字合成（DDS）

是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計(jì)算技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需頻率的正弦信號(hào)優(yōu)點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)快捷變和小步進(jìn)，且集成度高，體積小缺點(diǎn)：頻率上限較低，雜散也較大。3.頻率合成技術(shù)的發(fā)展

各種頻率合成方式的綜合:

直接式、間接（鎖相環(huán)）式和直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)使用任何一種方法，很難滿(mǎn)足要求。因此可將這幾種方法綜合應(yīng)用，特別是DDS與PLL的結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)快捷變，小步進(jìn)及較高的頻率上限。4.3.2鎖相環(huán)（PLL）的基本概念1.鎖相環(huán)基本工作原理及性能

鎖相環(huán)是一個(gè)相位環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。該環(huán)路由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、電壓控制振蕩器（VCO）及基準(zhǔn)晶體振蕩器等部分組成。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱(chēng)的由來(lái)。相位比較器，用來(lái)比較兩個(gè)輸入信號(hào)的相位，其輸出電壓正比于兩信號(hào)的相位差。壓控振蕩器，其振蕩頻率可用電壓控制，一般都利用變?nèi)荻O管（變?nèi)荻O管掃頻）。鎖相環(huán)的捕捉過(guò)程鎖相環(huán)的主要性能指標(biāo):鎖相環(huán)鎖定時(shí)鑒相器有三個(gè)特點(diǎn)：一是鑒相器兩輸入信號(hào)頻率相等；二是兩輸入信號(hào)的相位差為常數(shù)；三是鑒相器的輸出基本為直流（用于判斷鎖相環(huán)是否處于鎖定狀態(tài)）。環(huán)路帶寬

:鎖相環(huán)的頻率特性具有低通濾波器的傳輸特性，其高頻截止頻率稱(chēng)為環(huán)路帶寬。對(duì)輸入信號(hào)的相位具有低通特性，就意味著對(duì)輸入信號(hào)的整體具有帶通特性。即鎖相環(huán)只允許在輸入頻率fi附近的頻率成分通過(guò)，而阻止遠(yuǎn)離fi的頻率成分通過(guò)。關(guān)于鎖相環(huán)的一些縮略詞PLLPhase-lockedLoops鎖相環(huán)PDPhaseDetector相位比較器LPFLow-passFilter低通濾波器VCOVoltageControlledOscillater壓控振蕩器DDFSDirectDigitalFrequencySynthesis直接數(shù)字頻率合成LFLoopsFilter環(huán)路濾波器（1）混頻式鎖相環(huán)混頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的加減運(yùn)算PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環(huán)PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混頻環(huán)fo=fi1-fi2混頻鎖相環(huán)+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加環(huán)簡(jiǎn)化圖（d）相減環(huán)簡(jiǎn)化圖2.常用基本鎖相單元混頻環(huán)基準(zhǔn)頻率fi1的頻率穩(wěn)定度是比較高的，而能產(chǎn)生連續(xù)可變頻率的內(nèi)插振蕩器產(chǎn)生的fi2的穩(wěn)定度相對(duì)較差。實(shí)例：采用教材圖4-12的電路，fi1由石英晶體供給，頻率為2340kHz，其日穩(wěn)定度為10-6～10-9/日，取10-6/日。fi2為60～70kHz，日穩(wěn)定度為10-4/日。經(jīng)過(guò)一天后穩(wěn)定度因素引起的輸出頻率變化為：可見(jiàn)，fi2的引入使fo的穩(wěn)定度受到一定影響，但它基本處于fi1的穩(wěn)定度，比f(wàn)i2的穩(wěn)定度要好很多。(2）倍頻式鎖相環(huán)倍頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入頻率進(jìn)行乘法運(yùn)算，主要有兩種形式：諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)（a）諧波倍頻環(huán)VCOPDLPFfO=Nfifi諧波形成Nfifo=Nfi（b）數(shù)字倍頻環(huán)VCOPDLPFfi÷N倍頻式鎖相環(huán)原理圖fi×NPLLNfi（c）倍頻環(huán)簡(jiǎn)化圖(3)分頻式鎖相環(huán)分頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入頻率的除法運(yùn)算，與倍頻環(huán)相似，也有兩種基本形式。分頻式鎖相環(huán)原理圖VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）數(shù)字分頻環(huán)VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波形成（a）諧波分頻環(huán)fi÷NPLLfo=fi/N（c）分頻環(huán)簡(jiǎn)化圖⑷雙環(huán)合成單元單環(huán)合成單元存在頻率點(diǎn)數(shù)目較少，頻率分辨率不高等缺點(diǎn)，所以一個(gè)合成式信號(hào)源都是由多環(huán)合成單元組成如果fi1=10kHz,N=330-500,則fi1在3300-5000kHz內(nèi)間隔為10kHz離散可變。另外，使得fi2為100-110kHz，則雙環(huán)合成單元在3400-5110kHz連續(xù)可調(diào)。頻率合成器實(shí)例本例合成器被稱(chēng)為1.7MHz或1700kHz的合成器小數(shù)分頻式鎖相環(huán)1.利用多環(huán)合成單元提高頻率分辨力微機(jī)可控小數(shù)分頻鎖相環(huán)2.小數(shù)分頻環(huán)小數(shù)合成法LPFVCOPDfo=1890kHzfi=100kHz小數(shù)分頻器(N+1)和N次

=18.9控制電路令N=18

則平均分頻系數(shù)18.9若要平均分頻系數(shù)=18.6，怎么控制？2/6/202344N和N+1頻率摻勻兩種分頻都可能用到很多次，那么就應(yīng)該設(shè)法把兩種分頻混合均勻，而不要在一段時(shí)間內(nèi)都是N分頻，而在另一段時(shí)間內(nèi)都是N+1分頻。依靠計(jì)算機(jī)控制下的計(jì)數(shù)功能可以完成摻勻。用摻勻法從分頻器加給鑒相器的信號(hào)頻率，雖然有很小的變動(dòng)，但是只要用鑒相器輸出信號(hào)的平均值去控制壓控振蕩器，就能得到要求的輸出頻率。例:分頻比為.3的實(shí)現(xiàn)過(guò)程微機(jī)可控直接數(shù)字頻率合成1.DDFS的基本原理微機(jī)可控直接數(shù)字頻率合成1.DDFS的基本原理DDFS的基本原理首先，把一個(gè)單位振幅的正弦函數(shù)的相位在2∏弧度內(nèi)分成盡可能小的間隔點(diǎn)，若用A位二進(jìn)制表示，則最小相位間隔為：求出相應(yīng)的正弦值，寫(xiě)入ROM中。構(gòu)成一個(gè)正弦表。把頻率碼變換成相位取樣值，然后，查ROM表可以讀出相應(yīng)的正弦值。由于時(shí)鐘周期是定值且高穩(wěn)定，所以輸出頻率亦很穩(wěn)定。頻率分辨力為輸出頻率為正弦波：預(yù)存正弦函數(shù)表，如圖3.18。實(shí)例說(shuō)明：AD9850是美國(guó)AnalogDevices公司生產(chǎn)的DDS單片頻率合成器，在DDFS的ROM中已預(yù)先存入正弦函數(shù)表：其幅度按二進(jìn)制分辨率量化；其相位一個(gè)周期360°按的分辨率設(shè)立相位取樣點(diǎn)，然后存入ROM的相應(yīng)地址中。2/6/202350實(shí)用中，改變讀取ROM的地址數(shù)目，即可改變輸出頻率。若在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的控制下，依次讀取全部地址中的相位點(diǎn)，則輸出頻率最低。因?yàn)檫@時(shí)一個(gè)周期要讀取232相位點(diǎn)，點(diǎn)間間隔時(shí)間為時(shí)鐘周期Tc，則Tout=232Tc

因此這時(shí)輸出頻率為圖3.19AD9850內(nèi)部組成框圖頻率相位碼寄存器相位和控制字頻率碼32位高速DDS碼輸入寄存器并行8位×5輸入時(shí)鐘輸入復(fù)位頻率更新/寄存器復(fù)位碼輸入時(shí)鐘串行1位×40輸入比較器＋－方波輸出模擬輸入模擬輸出DAC復(fù)位地＋Vs2/6/202351（3.16）若隔一個(gè)相位點(diǎn)讀一次，則輸出頻率就會(huì)提高一倍。依次類(lèi)推可得輸出頻率的一般表達(dá)式（3.17）式中k為頻率碼，是個(gè)32位的二進(jìn)制值，可寫(xiě)成：（3.18）對(duì)應(yīng)于32位碼值（0或1）。為便于看出頻率碼的權(quán)值對(duì)控制頻率高低的影響，將（3.18）代入（3.17）式得：（3.19）2/6/202352按AD9850允許最高時(shí)鐘頻率fc=125MHz來(lái)進(jìn)行具體說(shuō)明，當(dāng)A0＝1，而A31，A30，…，A1均為0時(shí)，則輸出頻率最低，也是AD9850輸出頻率的分辨率：與上面從概念導(dǎo)出的結(jié)果一致。當(dāng)A31＝1，而A0，A1，…，A30均為0時(shí)，輸出頻率最高：應(yīng)當(dāng)指出，這時(shí)一周只有兩個(gè)取樣點(diǎn)，已到取樣定理的最小允許值，所以當(dāng)A31＝1后，以下碼值只能取0。實(shí)際應(yīng)用中，為了得到好的波形，設(shè)計(jì)最高輸出頻率小于時(shí)鐘頻率的1/3。這樣，只要改變32位頻率碼值，則可得到所需要的頻率，且頻率的準(zhǔn)確度與時(shí)鐘頻率同數(shù)量級(jí)。2/6/202353相位的控制所謂‘相位’控制，實(shí)際上指的是兩信號(hào)之間的相位差控制。通過(guò)改變一路信號(hào)的初相，可以達(dá)到控制兩個(gè)信號(hào)的相位差的目的。而初相可由初始相位碼來(lái)確定。相位的控制=初相碼（常量）+頻率碼（增量）2/6/202354頻率和相位控制原理2/6/202355頻率和相位控制原理該實(shí)例中相位碼有48位，而波形存儲(chǔ)器容量（地址）只有14位，對(duì)應(yīng)16384個(gè)地址。每個(gè)波形存儲(chǔ)單元有12位。當(dāng)相位碼高位變化時(shí)，波形存儲(chǔ)器地址才變化，相位碼位數(shù)的提高提高了頻率分辨率。2/6/2023564.5合成信號(hào)源簡(jiǎn)介任意波發(fā)生器（AibitrayWaveGenerator）：能產(chǎn)生任意波形的信號(hào)發(fā)生器。4.5.1任意波形發(fā)生器1

AWG的工作原理任意波形發(fā)生器的原理與DDS基本相同，如下圖所示波形存儲(chǔ)器D/A轉(zhuǎn)換器濾波器fs輸出任意波形發(fā)生器原理2AWG的主要技術(shù)指標(biāo)

①波形編輯功能。②輸出波形頻率。③相位分辨力。④幅度分辨率。⑤輸出通道數(shù)。函數(shù)、任意波形發(fā)生器4.5.2合成掃頻信號(hào)源1工作原理

頻率特性測(cè)試的方法：點(diǎn)頻法和掃頻法點(diǎn)頻法：逐點(diǎn)調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，并用電壓表等設(shè)備記錄被測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)。特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，但繁瑣費(fèi)時(shí)，頻率間隔較大。掃頻法：是利用掃頻信號(hào)發(fā)生器輸出自動(dòng)連續(xù)變化的頻率信號(hào)，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)式的掃頻測(cè)試。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單快捷，可以方便地測(cè)量系統(tǒng)的頻率特性及動(dòng)態(tài)特性。掃頻信號(hào)發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)：掃描電壓發(fā)生器正弦振蕩