電子測量原理

電子測量原理8.1.1信號(hào)源在電子測量中的作用和組成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?！钚盘?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)測信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖8.1.2信號(hào)源的分類1.按頻率范圍大致可分為六類：超低頻信號(hào)發(fā)生器～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。2.按輸出波形,大致可分為：正弦波形發(fā)生器；脈沖信號(hào)發(fā)生器；函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；噪聲信號(hào)發(fā)生器。3.按照信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)可分為：一般信號(hào)發(fā)生器；標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器；1.

低頻信號(hào)發(fā)生器低頻信號(hào)發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz～20KHz，故又稱音頻信號(hào)發(fā)生器8.2.1正弦、函數(shù)發(fā)生器正弦信號(hào)發(fā)生器主振級(jí)緩沖放大電平控制功率放大衰減器阻抗變換電平調(diào)節(jié)波段調(diào)節(jié)頻率細(xì)調(diào)電平指示低頻信號(hào)發(fā)生器組成原理2.

高頻信號(hào)發(fā)生器高頻信號(hào)發(fā)生器輸出頻率范圍一般在300KHz～1GHz，大多數(shù)具有調(diào)幅，調(diào)頻及脈沖調(diào)制等功能輸出主振級(jí)波段選擇頻率細(xì)調(diào)緩沖調(diào)制級(jí)輸出級(jí)調(diào)制振蕩器監(jiān)測器外調(diào)制輸入高頻信號(hào)發(fā)生器原理框圖8.2.2脈沖信號(hào)發(fā)生器常見的脈沖信號(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)字編碼序列常見的脈沖信號(hào)脈沖發(fā)生器的分類（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。8.2.2通用脈沖發(fā)生器通用脈沖發(fā)生器能夠滿足一般測試的要求，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)生器組成原理函數(shù)發(fā)生器的性能和組成函數(shù)發(fā)生器能輸出方波，三角波，鋸齒波，正弦波等波形，具有較寬的頻率范圍（～幾十MHz）及較穩(wěn)定的頻率。頻率控制網(wǎng)絡(luò)三角波緩沖器正弦波綜合及緩沖正恒流源負(fù)恒流源比較器方波緩沖器外部頻率控制函數(shù)選擇及其它波形產(chǎn)生輸出放大輸出濾波直流補(bǔ)償積分電路函數(shù)發(fā)生器基本組成原理8.3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)算是通過倍頻、分頻及混頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。8.3.1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2.頻率合成分類及特點(diǎn)⑴直接頻率合成通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法來產(chǎn)生一系列頻率信號(hào)并用窄帶濾波器選出，下圖是其實(shí)現(xiàn)原理。晶振諧波發(fā)生器（倍頻）分頻（÷10）8MHz混頻（+）混頻（+）2MHz濾波分頻（÷10）2.8MHz濾波0.28MHz分頻（÷10）混頻（+）濾波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz9MHz優(yōu)點(diǎn)：頻率切換迅速，相位噪聲很低。缺點(diǎn)：電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價(jià)格昂貴，不便于集成化。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.優(yōu)點(diǎn)：易于集成化，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，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，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。8.3.2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)的主要性能指標(biāo):同步帶寬：鎖定條件下輸入頻率所允許的最大變化范圍捕捉帶寬：環(huán)路最終能夠自行進(jìn)入鎖定狀態(tài)的最大允許的頻差環(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，其高頻截止頻率稱為環(huán)路帶寬。2.鎖相環(huán)的基本形式

⑴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)。數(shù)字倍頻環(huán)在反饋回路加入數(shù)字分頻器,鎖相環(huán)路鎖定時(shí)，f0=Nfi.（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)簡化圖⑵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)簡化圖⑶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)簡化圖（d）相減環(huán)簡化圖2.多環(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fo=Nfi1+fi23400～5100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（－）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1內(nèi)插振蕩器環(huán)1環(huán)2倍頻環(huán)加法混頻環(huán)（a）雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)框圖100～110KHz×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2（b）雙環(huán)合成器簡化結(jié)構(gòu)框圖雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)圖VCO1PD1LPF1諧波形成8.４直接數(shù)字合成技術(shù)１DDS組成原理直接數(shù)字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對(duì)于固定的參考頻率可調(diào)的信號(hào)。8.４.１直接數(shù)字合成基本原理設(shè)取樣時(shí)鐘頻率為，正弦波每一周期由Ｎ個(gè)取樣點(diǎn)構(gòu)成，則該正弦波的頻率為：DDS的實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示地址計(jì)數(shù)器（÷N）正弦波ROM存儲(chǔ)器D/ALPFfcfoDDS組成原理輸出信號(hào)頻率fo:取決于兩個(gè)因數(shù)：⑴參考時(shí)鐘頻率；⑵ROM中存儲(chǔ)的正弦波；如果地址計(jì)數(shù)器以步進(jìn)M（頻率控制字)進(jìn)行累加，則可在fc和ROM數(shù)據(jù)不變的情況下改變輸出頻率，此時(shí)fo為：2相位累加器原理

當(dāng)改變地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)值（即以值M來進(jìn)行累加），同樣可以改變每周期采樣點(diǎn)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輸出頻率的改變。相位鎖存器頻率控制字M相位累加器fr波形存儲(chǔ)RAMD/A轉(zhuǎn)換LPFfo24～48位14～16位相位累加器原理N每來一個(gè)時(shí)鐘，N位相位累加器將頻率控制字M與相位寄存器的輸出累加。同時(shí)，相位寄存器序列的高M(jìn)位去尋址相位/幅度查找表RAM。３．ＤＤＳ性能：1.頻率合成器的頻率分辨力是：2.設(shè)相位累加器位數(shù)為N，頻率控制字為M，參考時(shí)鐘頻率為fc，則DDS輸出頻率為：實(shí)際應(yīng)用中一般取1≤M≤(N-2)截?cái)嗾`差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作為存儲(chǔ)器地址，使得相位的低位被截?cái)啵聪辔唤匚玻?。由于地址截?cái)喽鸬姆嫡`差，稱為截?cái)嗾`差。8.４.2DDS頻率合成信號(hào)源1單片集成化的DDS信號(hào)源

輸出輸出串/并選擇6位地址或串行編程8位并行數(shù)據(jù)FSK/BPSK/HOLD數(shù)據(jù)輸入4×～20×參考時(shí)鐘倍乘頻率累加器相位偏移及調(diào)制+相位累加器相位轉(zhuǎn)換器300MHzDDS參考時(shí)鐘濾波器濾波器12位D/AM/DAC復(fù)位12位D/A頻率控制字/相位字啟停邏輯I/O更新讀寫可編程寄存器48位頻率控制字14位相位偏移/調(diào)制I/O端口緩沖12位AM調(diào)制比較器模擬輸入時(shí)鐘輸出AD9854DDS結(jié)構(gòu)+-2基于可編程芯片的DDS頻率合成信號(hào)源

單片集成的DDS芯片合成信號(hào)波形的種類較少，靈活性較差，不便于任意波發(fā)生器等場合的應(yīng)用。基于可編程芯片實(shí)現(xiàn)的DDS信號(hào)合成可具有更大的靈活性。相位累加器參考時(shí)鐘相位調(diào)制器D/A轉(zhuǎn)換濾波CPU接口輸出頻率控制字波形存儲(chǔ)器SRAM基于可編程芯片的DDS頻率合成信號(hào)源DDS信號(hào)源的FPGA實(shí)現(xiàn)

1).單元模塊VerilogHDL設(shè)計(jì)與仿真32位累加器：moduleadds32(result,a,b);output[31:0]result;input[31:0]a,b;reg[31:0]result;reg[31:0]m,n,carry;integeri;always@(aorb)beginm=a^b;n=a&b;carry[0]=n[0]|m[0];result[0]=m[0];for(i=1;i<32;i=i+1)begincarry[i]=n[i]|(m[i]&carry[i-1]);result[i]=m[i]^carry[i-1];endendendmodule相位調(diào)制器（12）：moduleadds12(clk,A,B,result);inputclk;input[12:0]A,B;output[12:0]result;reg[12:0]result;累加器仿真reg[12:0]q;always@(posedgeclk)beginq=A+q;result=q+B;endendendmodule2).頂層文件3DSS/PLL組合的頻率合成信號(hào)源

DDS與PLL組合的合成信號(hào)源可以有多種形式，下圖是一種環(huán)外混頻式DDS/PLL頻率合成的原理。PDLPFVCO÷KDDS混頻器帶通濾波frfcfoDDS/PLL混頻式頻率合成原理fPfD基準(zhǔn)信號(hào)源此時(shí)輸出頻率為：8.5合成信號(hào)源簡介任意波發(fā)生器（AibitrayWaveGenerator）：能產(chǎn)生任意波形的信號(hào)發(fā)生器。

任意波形發(fā)生器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