測量用信號發(fā)生器課件

第3章信號的產(chǎn)生3.1信號發(fā)生器的功能

3.2信號發(fā)生器的分類及工作特性

3.3函數(shù)信號發(fā)生器工作原理

3.4直接數(shù)字合成技術(shù)3.5合成信號源簡介3.1信號源概述信號源的作用和組成信號源的分類正弦信號源的性能指標(biāo)3.1.1信號源在電子測量中的作用和組成1.信號源的作用信號源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器。信號源的用途主要有以下三方面：☆激勵源?！钚盘柗抡??！顦?biāo)準(zhǔn)信號源。3.2信號源的分類1.按頻率范圍大致可分為六類：超低頻信號發(fā)生器0.0001Hz～1000Hz；低頻信號發(fā)生器1Hz～1MHz；視頻信號發(fā)生器20Hz～10MHz；高頻信號發(fā)生器200KHz～30MHz；甚高頻信號發(fā)生器30KHz～300MHz；超高頻信號發(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；脈沖信號發(fā)生器；函數(shù)信號發(fā)生器；噪聲信號發(fā)生器。3.按照信號發(fā)生器的性能指標(biāo)可分為：一般信號發(fā)生器；標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器；3.2正弦信號源的性能指標(biāo)1.頻率特性（1）頻率范圍（2）頻率準(zhǔn)確度

（3）頻率穩(wěn)定度

1.

低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz～20KHz，故又稱音頻信號發(fā)生器3.3

函數(shù)發(fā)生器3.2.1正弦信號發(fā)生器主振級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)電平指示低頻信號發(fā)生器組成原理2.

高頻信號發(fā)生器高頻信號發(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波段選擇頻率細(xì)調(diào)緩沖調(diào)制級輸出級調(diào)制振蕩器監(jiān)測器外調(diào)制輸入高頻信號發(fā)生器原理框圖3.2.2脈沖信號發(fā)生器常見的脈沖信號有矩形、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。2.快速（廣譜）脈沖發(fā)生器在時域測試中，快速脈沖信號發(fā)生器用來提供廣譜的激勵信號，尤其在微波網(wǎng)絡(luò)、寬帶元器件的時域測試中，脈沖信號發(fā)生器相當(dāng)于頻域測試中的掃頻信號源?？焖倜}沖信號的產(chǎn)生技術(shù)主要有：水銀開關(guān)脈沖發(fā)生器、雪崩晶體管脈沖發(fā)生器、階躍恢復(fù)二極管脈沖發(fā)生器以及隧道二極管脈沖發(fā)生器等。VDRCROKRL水銀開關(guān)脈沖發(fā)生器原理50mV/DIV×30dB1ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)過度持續(xù)時間為1ns的脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜50mV/DIV100ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)隧道二極管脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜例如一個前沿上升時間為1ns的脈沖，其可用頻譜分量為1GHz，而隧道二極管脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖前沿上升時間快達(dá)15ps，則其可用頻譜可以高達(dá)30GHz。3.2.3函數(shù)信號發(fā)生器1.多波形信號發(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）所示的交錯鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（d）所示的鋸齒波。2.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（0.1Hz～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3.４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于固定的參考頻率可調(diào)的信號。3.４.１直接數(shù)字合成基本原理

設(shè)取樣時鐘頻率為，正弦波每一周期由Ｎ個取樣點(diǎn)構(gòu)成，則該正弦波的頻率為：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。地址計(jì)數(shù)器步進(jìn)值改變可以通過相位累加法來實(shí)現(xiàn)相位鎖存器頻率控制字M相位累加器fr波形存儲RAMD/A轉(zhuǎn)換LPFfo24～48位14～16位相位累加器原理為便于理解，可以將正弦波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(diǎn)對應(yīng)相位圓上的一個相位點(diǎn)。步進(jìn)點(diǎn)數(shù)25640966553642949672962856N8121620243248數(shù)字相位圓設(shè)相位累加器位數(shù)為N，頻率控制字為M，參考時鐘頻率為fc，則DDS輸出頻率為：截?cái)嗾`差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作為存儲器地址，使得相位的低位被截?cái)啵聪辔唤匚玻?。?dāng)相位值變化小于1/2A時，波形幅值并不會發(fā)生變化，但輸出頻率的分辨率并不會降低，由于地址截?cái)喽鸬姆嫡`差，稱為截?cái)嗾`差。實(shí)際應(yīng)用中一般取1≤M≤(N-2)2基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源

單片集成的DDS芯片合成信號波形的種類較少，靈活性較差，不便于任意波發(fā)生器等場合的應(yīng)用?；诳删幊绦酒瑢?shí)現(xiàn)的DDS信號合成可具有更大的靈活性。相位累加器參考時鐘相位調(diào)制器D/A轉(zhuǎn)換濾波CPU接口輸出頻率控制字波形存儲器SRAM基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源3DSS/PLL組合的頻率合成信號源

DDS與PLL組合的合成信號源可以有多種形式，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)信號源此時輸出頻率為：3.5合成信號源簡介任意波發(fā)生器（AibitrayWaveGenerator）：能產(chǎn)生任意波形的信號發(fā)生器。3.5.1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器D/A轉(zhuǎn)換器濾波器fs輸出任意波形發(fā)生器原理函數(shù)、任意波形發(fā)生器3.5.2合成掃頻信號源1工作原理

頻率特性測試的方法：點(diǎn)頻法和掃頻法點(diǎn)頻法：逐點(diǎn)調(diào)整信號發(fā)生器的輸出頻率，并用電壓表等設(shè)備記錄被測系統(tǒng)的響應(yīng)。特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，但繁瑣費(fèi)時，頻率間隔較大。掃頻法：是利用掃頻信號發(fā)生器輸出自動連續(xù)變化的頻率信號，對被測系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)式的掃頻測試。特點(diǎn)：簡單快捷，可以方便地測量系統(tǒng)的頻率特性及動態(tài)特性。掃頻信號發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)：掃描電壓發(fā)生器正弦振蕩器放大器電平調(diào)制衰減ALC放大狀態(tài)控制可變移相顯示器頻率標(biāo)記電路輸出外部自動電平控制參考電平調(diào)制信號掃頻信號發(fā)生器原理框圖正弦振蕩器在掃描電壓作用下，按一定規(guī)律在一定頻率范圍內(nèi)反復(fù)掃描。掃描電壓為鋸齒波或三角波:其頻率掃描規(guī)律為線性；掃描電壓為對數(shù)變化:頻率掃描規(guī)律是對數(shù)，對數(shù)掃頻常用于寬帶掃頻。基于DDS的合成掃頻信號源輸出信號頻率為(M/2N)fc，當(dāng)M在1～2N-1之間變化時，輸出頻率可在(1/2N)fc～(1/2)fc范圍內(nèi)變化，當(dāng)M改變1時，fo的變化為(1/2N)fc。當(dāng)控制單元輸出的頻率控制字按一定規(guī)律變化時，則得到按相應(yīng)規(guī)律變化的掃頻信號。控制單元N位相位累加器相幅轉(zhuǎn)換D/A濾波輸出N頻率控制字MDDS合成掃頻信號源原理fcfo由于DDS的輸出頻率上限較低，可以采用DDS與PLL組合的方式構(gòu)成掃頻信號源。2合成掃頻信號源簡介

頻率合成式的掃頻信號源可實(shí)現(xiàn)寬帶掃頻，它具有頻率準(zhǔn)確度和分辨力高，寄生信號和相位噪聲低等特點(diǎn)，具有掃頻功能和多種調(diào)制方式，能夠取代掃頻信號發(fā)生器、頻率計(jì)數(shù)器、