測控技術(shù)第三章

測控技術(shù)第三章第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2、信號發(fā)生器的分類：*按頻率范圍分類*按輸出波形分類*按信號發(fā)生器的性能、等級和用途分類3、信號發(fā)生器的基本構(gòu)成：

第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一4、信號發(fā)生器的性能指標(biāo)

（1）頻率范圍（2）頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度（3）非線性失真和頻譜純度（4）輸出電平調(diào)節(jié)范圍（5）輸出電平準(zhǔn)確度（6）輸出電平穩(wěn)定度和平坦度（7）輸出阻抗（8）調(diào)制類型（9）寄生調(diào)制第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一5、信號發(fā)生器的發(fā)展過程及趨勢

正弦信號發(fā)生器（高頻、低頻）；射頻信號源（AM、FM）；脈沖信號發(fā)生器；函數(shù)信號發(fā)生器；合成信號發(fā)生器；任意信號發(fā)生器；信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、高頻率精度、多功能、多用途、自動化和智能化方面發(fā)展。第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一TEKArbitraryWaveformGenerators-——AWG2005第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一20MS/s(50

ns)ClockRateProvidesupto10

MHzWaveformsUptoFourChannelsof64kRecordLength12-Bit(1/4096)

VerticalResolutionDirectDSOWaveformTransfersRegionShiftProvides50

psEdgePlacement24-BitChannel,TTLDigitalDataGeneratorLinear,LogandUserDefinableSweepGenerationTBRBuilt-in1.44MB,3.5in.FloppyDiskFFTEditorFrequencyDomainEditingReal-timeWaveformSequencertoEasilyCreateAutomaticTestSequencesandExtremelyLongPatternsFormulaEntryWaveformsFullyProgrammablefromFrontPanel,RS-232andGPIB(IEEE488.2)第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一二、合成信號發(fā)生器1、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對信號發(fā)生器的要求

合成信號發(fā)生器是借助于電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)，將一個或幾個基準(zhǔn)頻率通過合成產(chǎn)生一系列滿足實際需要的頻率的信號發(fā)生器。利用頻率合成技術(shù)，從一個或幾個標(biāo)準(zhǔn)頻率出發(fā)，對高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行加、減、乘、除算術(shù)運算，可以合成出大量的頻率，而且合成出來的頻率其準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定度都是和基準(zhǔn)頻率完全一樣。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一

目前比較常用的頻率合成器有三種，分別是：數(shù)字合成器（即查表合成器），直接合成器和間接合成器（即鎖相合成器）。

直接合成是直接利用混頻、倍頻和分頻進(jìn)行頻率的算術(shù)運算。其優(yōu)點是頻率轉(zhuǎn)換速度快、輸出頻譜純；缺點是電路復(fù)雜，不易集成化，價格昂貴。間接合成器通過鎖相法進(jìn)行頻率的算術(shù)運算。受鎖相環(huán)鎖定過程的限制，頻率轉(zhuǎn)換速度較慢；但結(jié)構(gòu)簡化，易于集成化。第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2、合成信號發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度（2）頻率分辨力（3）相位噪聲（4）相位雜散（5）頻率轉(zhuǎn)換速度第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一3、直接合成頻率法

直接合成法是借助電子線路直接對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運算，輸出各種需要的頻率。固定頻率合成法：

第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一可變頻率合成法：（1）諧波法：（2）連續(xù)混頻法第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（3）連續(xù)混頻分頻法第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一

輸入：2.0～2.9MHz第一個合成單元輸出：2.00～2.09MHz第二個合成單元輸出：2.00～2.099MHz第三個合成單元輸出：2.000～2.0999MHz第四個合成單元輸出：2.00000～2.09999MHz第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一直接模擬合成有如下一些特點：其一，從原理來說，頻率分辨力幾乎是無限的。增加一級基本運算單元就可以使頻率分辨率提高一個量級。其二，其頻率轉(zhuǎn)換時間主要由濾波器的響應(yīng)時間、頻率轉(zhuǎn)換開關(guān)的響應(yīng)時間以及信號的傳輸延遲時間等決定。其轉(zhuǎn)換時間一般為us級其三，由于采用混頻等電路會引入很多寄生頻率分量，帶來相位雜散，因此必須采用大量濾波器以改善輸出信號的頻譜純度。這些將導(dǎo)致電路龐大、復(fù)雜、不易集成。

第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一4、間接頻率合成法

間接合成法是基于鎖相環(huán)（PLL）的原理，鎖相環(huán)是一種能夠自動實現(xiàn)相位同步的自動控制系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定時，VCO的輸出頻率fo等于fr，即：

fo=fr

第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一倍頻式鎖相環(huán)：f0=Nfr

分頻式鎖相環(huán)：第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一混頻式鎖相環(huán)：

在合成信號源中，倍頻式數(shù)字環(huán)和混頻環(huán)獲得了更多的應(yīng)用。數(shù)字環(huán)的N值，還可以借助計算機(jī)實現(xiàn)程控設(shè)定。第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一

間接合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的算術(shù)運算，鎖相環(huán)可以看成是中心頻率能自動跟蹤輸入基準(zhǔn)頻率的窄帶濾波器，其頻帶可以做的很窄，其中心頻率便于調(diào)節(jié)，而且可以自動跟蹤輸入頻率，這樣可省去直接合成法中的濾波器，從而簡化結(jié)構(gòu)，便于集成。但受鎖相環(huán)鎖定過程的限制，頻率轉(zhuǎn)換速度較慢，一般在ms級。第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一5、直接數(shù)字合成法（DirectDigitalSynthesis，DDS）

DDS從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。DDS以穩(wěn)定度高的參考時鐘為參考源，通過精密的相位累加器、數(shù)字信號處理器和高速D/A產(chǎn)生所需的波形（數(shù)字波形）。這個數(shù)字波形經(jīng)模擬濾波器后，得到最終的模擬信號波形。第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（1）DDS的原理框圖第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（2）正弦信號相位—幅度關(guān)系第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（3）信號的頻率關(guān)系

假設(shè)控制時鐘頻率為fc，ROM地址碼的位數(shù)為n，輸出頻率為f0，則有：*

k=kmin=1，f0=f0min=kmin×fc/2n=fc/2n*k=kmax=2n-2，f0=f0max=kmax×fc/2n=fc/4可輸出的頻率個數(shù)頻率分辨率為

第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（4）實現(xiàn)方法數(shù)字直接合成信號源的一種組成方案如下圖所示。第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（5）噪聲分析：在DDS中產(chǎn)生噪聲的原因有二：一是量化噪聲，對于合成正弦波來說，相位和幅度的量化值都是相應(yīng)的相位和幅度的近似值，存在量化誤差，或稱為量化噪聲，在一定的電路中它一般是不變的；另一是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的階梯波中的雜散頻率，通過非線性低通濾波器而帶來的噪聲，這類噪聲將隨頻率增高而加大。第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（6）DDS的特點

DDS的一個顯著特點是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確、快速地處理頻率和相位，具有相當(dāng)好的頻率和相位分辨率，能夠進(jìn)行快速的信號變換。（7）頻率合成技術(shù)的進(jìn)展

在頻率合成技術(shù)中，工作著重于研究提高頻率分辨力和頻率上限的方法。第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一三、任意函數(shù)發(fā)生器

1、函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器的輸出信號可與時間呈多種函數(shù)關(guān)系，能夠同時獲得三角形、矩形（方波）及正弦波形的信號發(fā)生器稱為函數(shù)信號發(fā)生器。第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一函數(shù)發(fā)生器原理框圖第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一方波－三角波－正弦波形第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2、任意函數(shù)發(fā)生器（1）任意函數(shù)發(fā)生器(AFG)是直接數(shù)字合成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，是由計算機(jī)直接參與波形的產(chǎn)生。

AFG與普通函數(shù)發(fā)生器功能比較

第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（2）AFG的組成

AFG是在微機(jī)控制下進(jìn)行工作的。因此，一般有兩種結(jié)構(gòu)形成。單機(jī)結(jié)構(gòu)：由微處理器系統(tǒng)和信號產(chǎn)生部分組成獨立儀器，可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口組成自動測試系統(tǒng)。插卡結(jié)構(gòu)：AFG以插件形式插入PC機(jī)，或者將PC總線引出機(jī)外與插卡相連并控制插卡進(jìn)行工作，這屬于個人儀器形式。第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一單機(jī)結(jié)構(gòu)式的AFG的組成如下圖所示第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（3）任意波形的產(chǎn)生方法：

AFG輸出波形取決于波形存儲器的數(shù)據(jù)，因此，產(chǎn)生任意波形的方法取決于向該存儲器（RAM）提供數(shù)據(jù)的方法，目前有如下幾種方法：表格法將波形數(shù)據(jù)（經(jīng)量化的）按序放入存儲器，按序讀出；數(shù)學(xué)方程法先將描述波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式存入計算機(jī)，使用時按輸入?yún)⒘?，?jīng)過運算提供波形數(shù)據(jù)；第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一折線法對于任意波形可以用若干線段來逼近，只要知道每一段的起點和終點的坐標(biāo)位置，就可以按照多項式擬合計算波形各點的數(shù)據(jù)；作圖法通過CRT用移動光標(biāo)法作圖，生成所需波形的數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)RAM。輸入法將其他儀器（例如數(shù)字存儲示波器，x－y繪圖儀）獲得的波形數(shù)據(jù)通過微機(jī)系統(tǒng)總線或GPIB接口總線傳輸給波形數(shù)據(jù)存儲器。這種方法很適合于復(fù)制不再復(fù)現(xiàn)的信號波形。第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（4）任意函數(shù)發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo)幅度分辨力：

是指輸出電壓幅度的分辨力，在很大程度上取決于D/A轉(zhuǎn)換器的性能。相位分辨力：即波形的時間分辨力，通常是指波形存儲器存儲樣點的參數(shù)，亦可定義為存儲器的深度或容量。波形的樣點越多，意味著產(chǎn)生波形的失真越小。最高采樣速率：是指輸出波形樣點的速率，它表征AFG輸出波形的最高頻率分量。第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一輸出通道數(shù)：

AFG可單通道輸出，也可雙通道或多通道輸出，還可能是模擬信號通道及數(shù)字信號通道輸出。輸出幅度：

指在波形不失真時的輸出峰－峰值。波形純度：指在正弦波情況下的諧波和雜散信號的情況，應(yīng)比基波至少小20～40dB。直流偏移：

在輸出幅度不變的情況下，信號基線可移動的情況，通常與儀器輸出精度指標(biāo)有關(guān)，一般為0～V。第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一TEKArbitraryWaveformGenerator(AWG710B)第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一4.2

GS/sSampleRateSimulatesReal-worldSignalsUpTo2.1

GHz2MarkersWith2.0

psRMS(@4.2GS/s,Typical)JitterDeliverstableTimingtotheDevice-under-test(DUT)32.4M(32,400,000)or64.8M(64,800,000)PointRecordLengthProvideLongerDataStreamsAnalogBandwidthto2

GHz(Option02,CalculatedBasedonRiseTime)ProvidestheHighestSignalFidelityofAllHigh-speedAWGsDirectExternalclockinputallowsJitteredandnon-jitteredsignalsforhigh-speeddatastreamtimingmargintestupto4.2Gb/s第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一SynchronousoperationmodesupportstwoAWG710Boutputs(2:analog,4:marker)synchronizationforhighdataratewirelessanddatacommunicationtestandopticalwritechannelstrategysignaltest.WaveformQuickEditorwith300fsEdgeTimingResolutionDeliversOutputEdgeControlwithNearReal-timePrecisionAllowstwo-signalmixfunctiondigitallytosupportdiskdrivenoiseperformancetestandPre/De-emphasisserialdatacommunicationtestReal-timeSequencingCreatesInfiniteWaveformLoops,Jumps,PatternsandConditionalBranches第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一四、掃頻信號發(fā)生器

對網(wǎng)絡(luò)的阻抗和傳輸特性的測量時，需要用到掃頻測量技術(shù)。在掃頻測量中，用一個頻率隨時間按一定規(guī)律，在一定頻率范圍內(nèi)掃描的掃頻信號代替以往使用的固定頻率信號，可以對被測網(wǎng)絡(luò)或信號頻譜進(jìn)行快速、定性或定量的動態(tài)測量，給出被測網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性的實時測量結(jié)果或信號的實時頻譜分析。第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一1、掃頻信號發(fā)生器的工作原理

掃頻信號發(fā)生器是一種正弦信號發(fā)生器，其輸出信號頻率按一定規(guī)律，在一定范圍內(nèi)重復(fù)變化。

如圖為掃頻信號發(fā)生器的原理框圖。第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（1）掃頻振蕩器一般的掃頻振蕩器是LC振蕩器。它的振蕩回路中包含著電感和電容等電抗元件，振蕩器的振蕩頻率可由下式?jīng)Q定：在掃頻振蕩器的振蕩回路里，采用了壓控電抗元件，在掃描信號控制下，電抗發(fā)生周期性變化，從而實現(xiàn)掃頻——磁調(diào)制掃頻振蕩器

若控制變?nèi)荻壒艿钠秒妷?，以改變振蕩回路中電容C的容量，從而實現(xiàn)壓控掃頻——變?nèi)荻O管掃頻振蕩器

第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一

磁調(diào)制掃頻振蕩器原理圖

變?nèi)荻O管構(gòu)成的振蕩回路

第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（2）頻率標(biāo)記（頻標(biāo)）用來確定圖形上各點的頻率值。如圖是利用掃頻信號發(fā)生器和示波器測量頻率特性的原理方框圖

第43頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一菱形頻標(biāo)

針形頻標(biāo)第44頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2、掃頻信號發(fā)生器的基本功能

典型的掃頻信號發(fā)生器應(yīng)該具備下述三個功能：（1）產(chǎn)生掃頻信號，掃頻信號通常是等幅正弦波；（2）產(chǎn)生同步輸出的掃描信號，掃描信號可以是三角波、正弦波、鋸齒波和其它形式的波形。（3）產(chǎn)生同步輸出的頻率標(biāo)記。頻標(biāo)的種類有等頻率間隔的通用頻標(biāo)，為某項測量設(shè)置的專用頻標(biāo)，以及活動頻標(biāo)。第45頁，共48頁，2023年，2月2