第4章 測(cè)量用信號(hào)源

第4章測(cè)量用信號(hào)源本章主要內(nèi)容信號(hào)發(fā)生器的作用與分類通用信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器性能指標(biāo)信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)頻率合成技術(shù)第4章測(cè)量用信號(hào)源

信號(hào)產(chǎn)生直接決定測(cè)試技術(shù)及電子裝備的水平

信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)分析并列為測(cè)試技術(shù)和電子系統(tǒng)的兩大核心

信號(hào)產(chǎn)生

信號(hào)傳輸

信號(hào)接收

信號(hào)處理

1概述1信號(hào)源在自動(dòng)測(cè)試中的作用典型的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)

信號(hào)是可以以某種方式感知的客觀現(xiàn)象信號(hào)可以按照其物理和數(shù)學(xué)特征分類信號(hào)具備可以被感知和描述的特征信號(hào)可以提供或探索信息信號(hào)發(fā)生器是信號(hào)的產(chǎn)生裝置物理特征分類聲信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)數(shù)學(xué)特征分類正弦信號(hào)脈沖信號(hào)隨機(jī)信號(hào)高低強(qiáng)弱明暗顏色場(chǎng)強(qiáng)波形振幅頻率周期脈寬均值方差信息大多數(shù)電路要求某種幅度隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)提供特定參數(shù)的電測(cè)試參數(shù)的儀器信號(hào)發(fā)生器電子測(cè)量中最基本、應(yīng)用最廣的電子測(cè)量?jī)x器之一作用分類鎖相環(huán)技術(shù)頻率合成技術(shù)語(yǔ)音信號(hào)如何傳送到很遠(yuǎn)的地方？手機(jī)、收音機(jī)選臺(tái)本質(zhì)上是調(diào)節(jié)什么？1、信號(hào)發(fā)生器的作用

作激勵(lì)源作為某些電氣設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。

信號(hào)仿真在設(shè)備測(cè)量中，常需要產(chǎn)生模擬實(shí)際環(huán)境相同特 性的信號(hào)，如對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行仿真。

校準(zhǔn)源產(chǎn)生一些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用于對(duì)一般信號(hào)源進(jìn)行校對(duì)。在音頻信號(hào)的作用下，揚(yáng)聲器發(fā)聲；在電視信號(hào)的作用下顯示屏呈現(xiàn)圖像飛機(jī)測(cè)試過(guò)程中，用噪聲信號(hào)、干擾信號(hào)來(lái)仿真模擬實(shí)際飛行過(guò)程中氣流、雷擊等情況下的反應(yīng)

信號(hào)源的作用輸入激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器被測(cè)設(shè)備測(cè)試儀器輸出響應(yīng)2、信號(hào)發(fā)生器的分類

按用途分

專用----電視信號(hào)發(fā)生器、電平振蕩器、誤碼儀通用----產(chǎn)生正弦波等通用波形

按應(yīng)用分

混合----任意波形發(fā)生器、任意/函數(shù)發(fā)生器邏輯----脈沖發(fā)生器、碼型發(fā)生器

按波形特性分

正弦----脈沖----函數(shù)----產(chǎn)生函數(shù)通用波形噪聲----tttt2、信號(hào)發(fā)生器的分類

按頻率產(chǎn)生方法分

諧振----由頻率選擇回路控制正反饋產(chǎn)生振蕩。合成----由基準(zhǔn)頻率通過(guò)加、減、乘、除組合一系列頻率。

按頻率覆蓋范圍分

無(wú)低頻高頻微波頻段頻率范圍主振電路調(diào)制方式RC電路1Hz~1MHz磁控管、體效應(yīng)管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC電路AM、FM、PMAM、FM無(wú)低頻高頻微波頻段頻率范圍主振電路調(diào)制方式RC電路1Hz~1MHz磁控管、體效應(yīng)管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC電路AM、FM、PMAM、FM1.按頻率范圍低頻信號(hào)發(fā)生器1MHz射頻信號(hào)發(fā)生器3～6GHz微波信號(hào)發(fā)生器20～50GHz毫米波信號(hào)發(fā)生器300GHz2.按輸出波形正弦波形發(fā)生器脈沖信號(hào)發(fā)生器函數(shù)/任意波發(fā)生器隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器噪聲信號(hào)發(fā)生器3.按應(yīng)用特性合成信號(hào)發(fā)生器掃頻信號(hào)發(fā)生器合成掃頻信號(hào)發(fā)生器4.按調(diào)制特性連續(xù)波信號(hào)發(fā)生器模擬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器矢量信號(hào)發(fā)生器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3、通用信號(hào)發(fā)生器信號(hào)頻率范圍：音頻（20Hz~20kHz）和視頻（1Hz~10MHz

）信號(hào)波形形式：正弦波、方波和三角波等（1）低頻信號(hào)發(fā)生器

組成原理

3、通用信號(hào)發(fā)生器（1）低頻信號(hào)發(fā)生器主振器信號(hào)發(fā)生器的核心部件產(chǎn)生與輸出信號(hào)頻率一致的正弦信號(hào)電路結(jié)構(gòu)：RC文氏橋式振蕩器、差頻式振蕩器3、通用信號(hào)發(fā)生器（1）低頻信號(hào)發(fā)生器主振器—RC文氏橋式振蕩器電壓反饋式振蕩器取R1=R2=R，C1=C2=C，起振頻率f0滿足

組成原理

R1與R2、C1與C2組成具有選頻功能的串-并聯(lián)正反饋支路3、通用信號(hào)發(fā)生器（1）低頻信號(hào)發(fā)生器電壓放大器低頻信號(hào)發(fā)生器的放大器包含電壓放大器和功率放大器，以實(shí)現(xiàn)輸出一定電壓幅度和功率的要求。

組成原理

把振蕩器產(chǎn)生的微弱信號(hào)進(jìn)行放大隔離器（緩沖放大器）：將功率放大器、輸出衰減器、負(fù)載與振蕩器隔離，以防止對(duì)振蕩信號(hào)產(chǎn)生影響3、通用信號(hào)發(fā)生器（1）低頻信號(hào)發(fā)生器輸出衰減器改變輸出電壓或輸出功率

組成原理

由連續(xù)調(diào)節(jié)和步進(jìn)調(diào)節(jié)兩級(jí)衰減組成衰減器分貝數(shù)與電壓衰減倍數(shù)的關(guān)系功率放大器保證儀器有足夠的輸出功率：一般采用三級(jí)放大電路阻抗轉(zhuǎn)換器用于匹配不同阻抗的負(fù)載，從而獲得最大的輸出功率低頻信號(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。保護(hù)電路晶體三極管的過(guò)載能力較差，當(dāng)工作狀態(tài)超過(guò)極限時(shí)很容易燒毀，信號(hào)發(fā)生器輸出端短路時(shí)經(jīng)常發(fā)生的，如果沒(méi)有可靠的保護(hù)電路，就會(huì)燒毀放大電路，進(jìn)而損壞儀器。啟動(dòng)保護(hù)：過(guò)載保護(hù)：由一個(gè)BJT與繼電器組成第一延時(shí)啟動(dòng)電路：開(kāi)機(jī)時(shí)延時(shí)5s左右才有功率輸出；另一只繼電器與電容組成第二延時(shí)電路，在第一延時(shí)啟動(dòng)電路動(dòng)作后延時(shí)2s左右動(dòng)作，使第一只繼電器腹圍，以完成啟動(dòng)保護(hù)電路的自動(dòng)恢復(fù)。由一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和延時(shí)繼電器組成。在功率放大器出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，觸發(fā)器動(dòng)作，與延時(shí)繼電器配合，完成保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)過(guò)載指示燈亮。3、通用信號(hào)發(fā)生器（1）低頻信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)：P1173、通用信號(hào)發(fā)生器信號(hào)頻率范圍：100kHz~30MHz和30~300MHz

信號(hào)波形形式：等幅正弦波和調(diào)制波信號(hào)（2）高頻信號(hào)發(fā)生器

組成原理

3、通用信號(hào)發(fā)生器主要包括任意/函數(shù)發(fā)生器和任意波形發(fā)生器（3）混合信號(hào)發(fā)生器

任意波形發(fā)生器組成原理

幅度：峰峰值/振幅、有效值或功率頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)偏移：直流分量與零電平之間的差值

平均值？相位：反映交流信號(hào)任何時(shí)刻狀態(tài)的物理量信號(hào)的表征——時(shí)域基本參數(shù)1.1信號(hào)的表征——脈沖參數(shù)脈沖寬度/占空比、上升時(shí)間、下降時(shí)間4、信號(hào)發(fā)生器的綜合性能指標(biāo)主要包括有效頻率范圍、頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度（1）頻率特性主要包括輸出阻抗、輸出電平及其平坦度、輸出形式、輸出波形及諧波失真（2）輸出特性4、信號(hào)發(fā)生器的綜合性能指標(biāo)高頻信號(hào)發(fā)生器能輸出調(diào)幅波和調(diào)頻波，有的還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制功能（3）調(diào)制特性電子系統(tǒng)頻率范圍提高高速?gòu)?fù)雜波形合成成為信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)的主流和熱點(diǎn)新體制、新制式推出電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展高速極高的頻率或帶寬極高的頻率切換速度復(fù)雜任意化特征加劇、細(xì)微特征豐富輸出信號(hào)數(shù)目增加

5、信號(hào)產(chǎn)生的發(fā)展趨勢(shì)5、信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)補(bǔ)償傳輸線的頻率特點(diǎn)，提高接收機(jī)的信號(hào)保真度（1）生成預(yù)加重/去加重信號(hào)將多電平看做一個(gè)信號(hào)的多個(gè)離散幅度簡(jiǎn)稱為脈沖幅度調(diào)制或PAM（2）生成多電平信號(hào)數(shù)字RF技術(shù)會(huì)超出當(dāng)前測(cè)試設(shè)備的功能，要求生成在諸多無(wú)線應(yīng)用中日益常見(jiàn)的寬帶寬和快速變化的信號(hào)（3）生成寬帶RF信號(hào)（4）生成無(wú)線I/Q和IF信號(hào)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)。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頻率合成技術(shù)⑴直接頻率合成（ADS）混頻、倍頻和分頻等方法，窄帶濾波器選頻⑵間接頻率合成：PLL（PhaseLockLoop）利用PLL把VCO的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，通過(guò)不同形式的鎖相環(huán)在基準(zhǔn)頻率基礎(chǔ)上合成不同頻率⑶直接數(shù)字合成（DDS）

基于取樣技術(shù)和數(shù)字計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率合成2頻率合成技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：頻率切換迅速，相位噪聲很低缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，體積大，價(jià)格昂貴，不便于集成化2.1直接頻率合成2.2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?；窘Y(jié)構(gòu)：鎖相環(huán)（PLL）組成：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、壓控振 蕩器（VCO）及基準(zhǔn)晶振等原理：負(fù)反饋控制系統(tǒng)，利用PLL把VCO的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，通過(guò)不同形式的鎖相環(huán)在一個(gè)基準(zhǔn)頻率基礎(chǔ)上合成不同頻率2.2鎖相式頻率合成優(yōu)點(diǎn)：易集成，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，價(jià)格低缺點(diǎn)：頻率切換時(shí)間較長(zhǎng)，相位噪聲較大PLL主要性能指標(biāo)環(huán)路帶寬

對(duì)輸入信號(hào)的相位而言，鎖相環(huán)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。環(huán)路帶寬越低，其濾波作用越好。

對(duì)輸入信號(hào)整體而言，具有窄帶濾波特性。只允許輸入信號(hào)角頻率附近的頻率分量通過(guò)，阻止遠(yuǎn)離輸入頻率的頻率分量傳送到輸出端，在一定范圍內(nèi)跟蹤輸入頻率！捕捉帶寬 假設(shè)環(huán)路最初不處于鎖定狀態(tài)，環(huán)路最終能夠自行進(jìn)入鎖定狀態(tài)的最大允許頻差。鎖相環(huán)的基本形式1.倍頻式鎖相環(huán)

等效模型

實(shí)現(xiàn)模型鎖相環(huán)的基本形式2.分頻式鎖相環(huán)

等效模型

實(shí)現(xiàn)模型3.混頻式鎖相環(huán)鎖相環(huán)的基本形式相加混頻環(huán)相減混頻環(huán)提高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù)減小頻率增量提高分辨力保證轉(zhuǎn)換時(shí)間和頻率范圍前提下提高頻率分辨力的途徑

多環(huán)頻率合成法 小數(shù)分頻法

后置分頻器提高分辨力

輸出頻率范圍減小

頻率增量越小，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)1971年，美國(guó)學(xué)者J．Tierncy，C．M．Rader和B．Gold提出了直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，它從相位概念出發(fā)直接合成所需波形全數(shù)字控制、頻率分辨率高、切換速度快、切換時(shí)相位連續(xù)Analog公司、Qualcomm公司和Stanford公司一系列性能優(yōu)良的DDS器件不斷出現(xiàn),工作頻率可達(dá)GHz,頻率分辨率可到mHz2.3直接數(shù)字合成技術(shù)DDS原理及主要問(wèn)題采樣時(shí)鐘輸出相位累加器數(shù)據(jù)查找表數(shù)模轉(zhuǎn)換器低通濾波器頻率控制字NNMD

輸出頻率

理解：可以將正弦波形看作一個(gè)矢量，沿相位圓轉(zhuǎn)動(dòng)，相位圓對(duì)應(yīng)正弦波一個(gè)周期的波形。波形中的每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)相位圓上的一個(gè)相位點(diǎn)。

步進(jìn)點(diǎn)數(shù)2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248數(shù)字相位圓相位環(huán)保持系統(tǒng)重構(gòu)系統(tǒng)地址發(fā)生器對(duì)波形查找表的抽樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器低通濾波器任意波形合成方法及采樣模型DDS的主要誤差1、相位截?cái)嗾`差2、幅度量化誤差3、DAC保持、采樣特性誤差4、DAC非線性誤差5、采樣時(shí)鐘誤差6、頻率合成技術(shù)（P130）頻率合成技術(shù)直接模擬頻率合成技術(shù)（DAFS）直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）間接鎖相式合成技術(shù)鎖相環(huán)類型頻率范圍頻率分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率穩(wěn)定度頻譜純度設(shè)備結(jié)構(gòu)直接合成大較高快好一般復(fù)雜間接合成較大一般慢好好簡(jiǎn)單易集成直接數(shù)字合成一般極高極快好一般簡(jiǎn)單易集成6、頻率合成技術(shù)—鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)

可以是一根導(dǎo)線典型鎖相環(huán)fofr頻率參考鑒相器低通濾波器壓控振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)

fofr=fo6、頻率合成技術(shù)—間接數(shù)字頻率合成技術(shù)

改變N可以產(chǎn)生不同頻率的輸出信號(hào)fofr頻率參考數(shù)字鑒相器低通濾波器壓控振蕩器數(shù)字分頻器（÷N）

fo數(shù)字類型的整數(shù)間接數(shù)字頻率合成6、頻率合成技術(shù)—直接數(shù)字頻率合成技術(shù)

S(t)變?yōu)殡A梯波N位二進(jìn)制碼基本原理合成的波形形狀取決于波形存儲(chǔ)器中存放的幅度碼實(shí)際輸出頻率帶寬可以達(dá)到40%fs（1）輸出頻率相對(duì)帶寬較寬頻率時(shí)間等于頻率控制字