第4章 測量用信號源

第4章測量用信號源本章主要內(nèi)容信號發(fā)生器的作用與分類通用信號發(fā)生器信號發(fā)生器性能指標信號發(fā)生器的發(fā)展趨勢頻率合成技術(shù)第4章測量用信號源

信號產(chǎn)生直接決定測試技術(shù)及電子裝備的水平

信號產(chǎn)生和信號分析并列為測試技術(shù)和電子系統(tǒng)的兩大核心

信號產(chǎn)生

信號傳輸

信號接收

信號處理

1概述1信號源在自動測試中的作用典型的自動測試系統(tǒng)信號

信號是可以以某種方式感知的客觀現(xiàn)象信號可以按照其物理和數(shù)學(xué)特征分類信號具備可以被感知和描述的特征信號可以提供或探索信息信號發(fā)生器是信號的產(chǎn)生裝置物理特征分類聲信號光信號電信號數(shù)學(xué)特征分類正弦信號脈沖信號隨機信號高低強弱明暗顏色場強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間變化的輸入信號提供特定參數(shù)的電測試參數(shù)的儀器信號發(fā)生器電子測量中最基本、應(yīng)用最廣的電子測量儀器之一作用分類鎖相環(huán)技術(shù)頻率合成技術(shù)語音信號如何傳送到很遠的地方？手機、收音機選臺本質(zhì)上是調(diào)節(jié)什么？1、信號發(fā)生器的作用

作激勵源作為某些電氣設(shè)備的激勵信號。

信號仿真在設(shè)備測量中，常需要產(chǎn)生模擬實際環(huán)境相同特 性的信號，如對干擾信號進行仿真。

校準源產(chǎn)生一些標準信號，用于對一般信號源進行校對。在音頻信號的作用下，揚聲器發(fā)聲；在電視信號的作用下顯示屏呈現(xiàn)圖像飛機測試過程中，用噪聲信號、干擾信號來仿真模擬實際飛行過程中氣流、雷擊等情況下的反應(yīng)

信號源的作用輸入激勵信號發(fā)生器被測設(shè)備測試儀器輸出響應(yīng)2、信號發(fā)生器的分類

按用途分

專用----電視信號發(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----由基準頻率通過加、減、乘、除組合一系列頻率。

按頻率覆蓋范圍分

無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發(fā)生器1MHz射頻信號發(fā)生器3～6GHz微波信號發(fā)生器20～50GHz毫米波信號發(fā)生器300GHz2.按輸出波形正弦波形發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器函數(shù)/任意波發(fā)生器隨機信號發(fā)生器噪聲信號發(fā)生器3.按應(yīng)用特性合成信號發(fā)生器掃頻信號發(fā)生器合成掃頻信號發(fā)生器4.按調(diào)制特性連續(xù)波信號發(fā)生器模擬調(diào)制信號發(fā)生器矢量信號發(fā)生器2.信號源的組成信號輸出主振器緩沖調(diào)制輸出電源監(jiān)測信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖3、通用信號發(fā)生器信號頻率范圍：音頻（20Hz~20kHz）和視頻（1Hz~10MHz

）信號波形形式：正弦波、方波和三角波等（1）低頻信號發(fā)生器

組成原理

3、通用信號發(fā)生器（1）低頻信號發(fā)生器主振器信號發(fā)生器的核心部件產(chǎn)生與輸出信號頻率一致的正弦信號電路結(jié)構(gòu)：RC文氏橋式振蕩器、差頻式振蕩器3、通用信號發(fā)生器（1）低頻信號發(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、通用信號發(fā)生器（1）低頻信號發(fā)生器電壓放大器低頻信號發(fā)生器的放大器包含電壓放大器和功率放大器，以實現(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)生的微弱信號進行放大隔離器（緩沖放大器）：將功率放大器、輸出衰減器、負載與振蕩器隔離，以防止對振蕩信號產(chǎn)生影響3、通用信號發(fā)生器（1）低頻信號發(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)和步進調(diào)節(jié)兩級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：一般采用三級放大電路阻抗轉(zhuǎn)換器用于匹配不同阻抗的負載，從而獲得最大的輸出功率低頻信號發(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)計而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等檔高頻信號發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω檔。信號發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負載的條件下標定的，若負載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數(shù)是不準確的。保護電路晶體三極管的過載能力較差，當工作狀態(tài)超過極限時很容易燒毀，信號發(fā)生器輸出端短路時經(jīng)常發(fā)生的，如果沒有可靠的保護電路，就會燒毀放大電路，進而損壞儀器。啟動保護：過載保護：由一個BJT與繼電器組成第一延時啟動電路：開機時延時5s左右才有功率輸出；另一只繼電器與電容組成第二延時電路，在第一延時啟動電路動作后延時2s左右動作，使第一只繼電器腹圍，以完成啟動保護電路的自動恢復(fù)。由一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和延時繼電器組成。在功率放大器出現(xiàn)過載時，觸發(fā)器動作，與延時繼電器配合，完成保護動作，同時過載指示燈亮。3、通用信號發(fā)生器（1）低頻信號發(fā)生器的主要性能指標：P1173、通用信號發(fā)生器信號頻率范圍：100kHz~30MHz和30~300MHz

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

組成原理

3、通用信號發(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：單位時間內(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：反映交流信號任何時刻狀態(tài)的物理量信號的表征——時域基本參數(shù)1.1信號的表征——脈沖參數(shù)脈沖寬度/占空比、上升時間、下降時間4、信號發(fā)生器的綜合性能指標主要包括有效頻率范圍、頻率準確度和頻率穩(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、信號發(fā)生器的綜合性能指標高頻信號發(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)頻率范圍提高高速復(fù)雜波形合成成為信號產(chǎn)生技術(shù)的主流和熱點新體制、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、細微特征豐富輸出信號數(shù)目增加

5、信號產(chǎn)生的發(fā)展趨勢5、信號發(fā)生器的發(fā)展趨勢補償傳輸線的頻率特點，提高接收機的信號保真度（1）生成預(yù)加重/去加重信號將多電平看做一個信號的多個離散幅度簡稱為脈沖幅度調(diào)制或PAM（2）生成多電平信號數(shù)字RF技術(shù)會超出當前測試設(shè)備的功能，要求生成在諸多無線應(yīng)用中日益常見的寬帶寬和快速變化的信號（3）生成寬帶RF信號（4）生成無線I/Q和IF信號頻率合成原理頻率的代數(shù)運算是通過倍頻、分頻及混頻技術(shù)來實現(xiàn)。頻率1輸出石英晶體代數(shù)運算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準頻率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頻率上，通過不同形式的鎖相環(huán)在基準頻率基礎(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)字計算技術(shù)實現(xiàn)頻率合成2頻率合成技術(shù)優(yōu)點：頻率切換迅速，相位噪聲很低缺點：電路復(fù)雜，體積大，價格昂貴，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頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個基準頻率的基礎(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）及基準晶振等原理：負反饋控制系統(tǒng)，利用PLL把VCO的輸出頻率鎖定在基準頻率上，通過不同形式的鎖相環(huán)在一個基準頻率基礎(chǔ)上合成不同頻率2.2鎖相式頻率合成優(yōu)點：易集成，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，價格低缺點：頻率切換時間較長，相位噪聲較大PLL主要性能指標環(huán)路帶寬

對輸入信號的相位而言，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。

對輸入信號整體而言，具有窄帶濾波特性。只允許輸入信號角頻率附近的頻率分量通過，阻止遠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)換時間越長1971年，美國學(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原理及主要問題采樣時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矢量，沿相位圓轉(zhuǎn)動，相位圓對應(yīng)正弦波一個周期的波形。波形中的每個采樣點對應(yīng)相位圓上的一個相位點。

步進點數(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、相位截斷誤差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單易集成直接數(shù)字合成一般極高極快好一般簡單易集成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位二進制碼基本原理合成的波形形狀取決于波形存儲器中存放的幅度碼實際輸出頻率帶寬可以達到40%fs（1）輸出頻率相對帶寬較寬頻率時間等于頻率控制字