電子測量第六章

1、第六章 信號源第六章 測量用信號源6-1、信號發(fā)生器的功用和分類一、信號源的作用一、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)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。則波形的信號發(fā)生器。 信號源的用途主要有以下三方面：信號源的用途主要有以下三方面： 激勵源。激勵源。 信號仿真。信號仿真。 標(biāo)準(zhǔn)信號源。標(biāo)準(zhǔn)信號源。第六章 信號源放大器放大倍數(shù)的測量放大器放大倍數(shù)的測量iOVUUA第六章 信號源1、按輸出波形分正弦信號發(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：二、信號發(fā)生器分類正弦信號發(fā)生器最具普遍性和廣泛性正弦信號發(fā)生器最具普遍性和廣泛性

2、第六章 信號源正弦信號源特點：正弦信號源特點：1、正弦測試信號的波形不受線形電路或系統(tǒng)的影響。、正弦測試信號的波形不受線形電路或系統(tǒng)的影響。2、在線形電路中，正弦激勵的響應(yīng)是同一頻率的正弦波。、在線形電路中，正弦激勵的響應(yīng)是同一頻率的正弦波。3、若已知線形系統(tǒng)對一切頻率的響應(yīng)，則可確定對任意、若已知線形系統(tǒng)對一切頻率的響應(yīng)，則可確定對任意輸入信號的響應(yīng)。輸入信號的響應(yīng)。例如：例如：HP3325A 合成器合成器/函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器第六章 信號源3. 按是否采用頻率合成技術(shù)分類按是否采用頻率合成技術(shù)分類頻率合成式非頻率合成式 超低頻信號發(fā)生器 0.0001Hz1000Hz； 低頻信號發(fā)生器 1H

3、z1MHz； 視頻信號發(fā)生器 20Hz10MHz； 高頻信號發(fā)生器 200KHz30MHz； 甚高頻信號發(fā)生器 30KHz300MHz； 超高頻信號發(fā)生器 300MHz以上。 2、按頻段分類(指信號的基頻)大致可分為六類：第六章 信號源射頻信號發(fā)生器第六章 信號源函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器第六章 信號源三、信號源的主要技術(shù)指標(biāo)1、關(guān)于頻率 頻率特性（1）范圍（2）準(zhǔn)確度（3）穩(wěn)定性%100ooofffff%100minmaxofff第六章 信號源2、關(guān)于電平 輸出特性（1）輸出信號的幅度（有效值、絕對電平）(2) 輸出電平的讀出(3) 輸出特性n輸出電平范圍。n輸出電平的頻響n輸出電平準(zhǔn)確度n輸出阻抗

4、n輸出信號的非線性失真系數(shù)和頻譜純度。第六章 信號源例如：某低頻信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)n（1）頻率范圍。1Hz20KHz或延伸到1MHzn（2）頻率穩(wěn)定度。（0.10.4）%/小時n（3）頻率的準(zhǔn)確度。 (12)%n（4）輸出電壓。010V連續(xù)可調(diào)n（5）輸出功率。0.55w連續(xù)可調(diào)n（6）輸出阻抗。50、75、150、600和5Kn（7）非線性失真系數(shù)。(0.11)%n（8）平衡輸出與不平衡輸出方式。第六章 信號源第六章第六章 測量用信號源測量用信號源一、概述：一、概述： 利用一個或數(shù)個晶振，通過加減乘除四則運算，最終利用一個或數(shù)個晶振，通過加減乘除四則運算，最終得到頻率準(zhǔn)確度穩(wěn)定在晶振量

5、級上的一系列新頻率。得到頻率準(zhǔn)確度穩(wěn)定在晶振量級上的一系列新頻率。6-2 頻率合成信號發(fā)生器頻率合成信號發(fā)生器頻率頻率1 1輸出輸出石英晶體石英晶體代數(shù)運算代數(shù)運算（加、減、乘、除）（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率合成原理頻率頻率n n輸出輸出基準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)頻率頻率要求：頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、分辨率、頻率要求：頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、分辨率、相位噪聲、諧波頻譜相位噪聲、諧波頻譜、及及雜散頻譜、頻率轉(zhuǎn)換時間雜散頻譜、頻率轉(zhuǎn)換時間等要求等要求1、原理、原理第六章 信號源2、優(yōu)點：、優(yōu)點：RCLCLCf 21 特點：頻率可調(diào)，準(zhǔn)確度低。特點：頻率可調(diào)，準(zhǔn)確度低。普通信號源：普通信號源：高準(zhǔn)確度的信號源：高

6、準(zhǔn)確度的信號源：頻率頻率 f=C特點：準(zhǔn)確度高，頻率不可調(diào)。特點：準(zhǔn)確度高，頻率不可調(diào)。頻率合成式信號發(fā)生器：頻率合成式信號發(fā)生器：取長補(bǔ)短。取長補(bǔ)短。第六章 信號源1、直接模擬合成法最早采用的方法二二. 頻率合成分類及特點頻率合成分類及特點 直接法直接法是將振蕩器基準(zhǔn)頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生一系列是將振蕩器基準(zhǔn)頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生一系列諧波，將這些諧波接在開關(guān)上，通過開關(guān)的通斷來選出所需諧波，將這些諧波接在開關(guān)上，通過開關(guān)的通斷來選出所需頻率的各位數(shù)字，然后通過合成得到所需的頻率。頻率的各位數(shù)字，然后通過合成得到所需的頻率。例如例如，我們想要得到頻率為，我們想要得到頻率為4.735MHz，我

7、們使用的基準(zhǔn)頻，我們使用的基準(zhǔn)頻率為率為1MHz，通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生十個諧波，將它們接在一，通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生十個諧波，將它們接在一系列縱橫制開關(guān)上，請看下圖。系列縱橫制開關(guān)上，請看下圖。優(yōu)點優(yōu)點：較快的頻率轉(zhuǎn)換速度：較快的頻率轉(zhuǎn)換速度缺點缺點：體積大、重量大、價格高、不易集成：體積大、重量大、價格高、不易集成第六章 信號源第六章第六章 測量用信號源測量用信號源4.735MHz1MHz3.5MHz3.5MHz1 101 101 10輸出頻率輸出頻率諧波發(fā)生器諧波發(fā)生器基準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)頻率4MHz0.735MHz7MHz0.35MHz3MHz0.5MHz1 2 3 4 5 6 7 8 9 05MHz

8、0.35MHz7.35MHz0.735MHz第六章 信號源2、間接合成法-鎖相合成法克服了直接合成法的缺點fiPDLPFVCOfo第六章 信號源3、直接數(shù)字頻率合成利用RAM和DAC結(jié)合，通過控制電路，從RAM單元中讀出數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到一定頻率的輸出波形。易實現(xiàn)頻率和相位的控制，易實現(xiàn)頻率和相位的控制， 第六章 信號源頻率合成技術(shù)的發(fā)展趨勢n 各種頻率合成方式的綜合:n 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 ，單獨使用任何一種方法，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,可以實現(xiàn)快捷變，小步進(jìn)及較高的頻率上限。第六章 信號源（1）

9、鎖相環(huán)的組成基本鎖相環(huán)是由基準(zhǔn)頻率源、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成的一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd1、鎖相環(huán)的基本概念三、鎖相式頻率合成器的工作原理 環(huán)路鎖定時，環(huán)路鎖定時，fo=fr。第六章 信號源 （2）、鎖相環(huán)的主要性能指標(biāo):n同步帶寬 ： 鎖定條件下輸入頻率輸入頻率所允許的最大變化范圍 n捕捉帶寬 ： 環(huán)路最終能夠自行進(jìn)入鎖定狀態(tài)的最大允許的固有頻差固有頻差 n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，其高頻截止頻率高頻截止頻率稱為環(huán)路帶寬。第六章 信號源2、 鎖相環(huán)的幾種基

10、本形式 （1）、混頻式鎖相環(huán)對輸入頻率進(jìn)行加減運算的鎖相環(huán)。對輸入頻率進(jìn)行加減運算的鎖相環(huán)。如圖如圖石英振蕩器輸出頻率石英振蕩器輸出頻率1 if輸出頻率輸出頻率of混頻器混頻器1 ioff 鑒相器鑒相器21iiofff21iiofff第六章 信號源第六章第六章 測量用信號源測量用信號源VCOPD石英振蕩器石英振蕩器內(nèi)插振蕩器內(nèi)插振蕩器fi2調(diào)諧調(diào)諧fi1fo(-)Mfo=fi1+fi2輸出輸出fo-fi1vivdv2fi2 (一一)混頻式鎖相環(huán)混頻式鎖相環(huán)第六章 信號源日日，日日/101602/101 ,2340146kHZfikHZfiHZf34. 81016010123400466106.

11、30ff分分析析誤誤差差210fifif210fifif第六章 信號源VCOPD 石英石英振蕩器振蕩器fifofo=Nfi輸出輸出vi 脈沖脈沖形成電路形成電路PDVCO Nfifo/Nfo=Nfi脈沖控制環(huán)脈沖控制環(huán)數(shù)字倍頻環(huán)數(shù)字倍頻環(huán)(2)、倍頻式鎖相環(huán)兩種形式：第六章 信號源PDVCO Nfifo/Nfo=fi/NPDVCOfifo/Nfo=fi/N(三三)分頻式鎖相環(huán)分頻式鎖相環(huán)脈沖控制環(huán)脈沖控制環(huán)數(shù)字分頻環(huán)數(shù)字分頻環(huán)兩種形式：第六章 信號源（1）、多環(huán)合成單元目的：滿足輸出頻率覆蓋范圍并連續(xù)可調(diào)，以及提高頻率分辨力3 3、提高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù)、提高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù)頻率

12、增量越小，轉(zhuǎn)換時間越長，為避免，通常采用以下：（2） 小數(shù)分頻法（3） 微差混頻法第六章 信號源例：實現(xiàn)例：實現(xiàn) f0=Nfi+fi2(1)多環(huán)合成單元多環(huán)合成單元VCOVCOPDPDfi2=100_110kHz鎖定指示鎖定指示Nfi1Nfi1S12 1 2p1fo=Nfi1+fi2f1(1)(2)(3)(4)(6)(5)(7)(8)(9)(10)fi1=10kHz第六章 信號源第六章第六章 測量用信號源測量用信號源引進(jìn)鎖定指示的原因：引進(jìn)鎖定指示的原因：N fr（N-1）fr（N+1）fr重疊部分重疊部分如同步帶寬太大，會出現(xiàn)假鎖。如同步帶寬太大，會出現(xiàn)假鎖。為防止假鎖，引入鎖定電路為防止假

13、鎖，引入鎖定電路 fH=1)M=1)進(jìn)行累加，則可在進(jìn)行累加，則可在f fc c和和ROMROM數(shù)據(jù)不變的情況下改變數(shù)據(jù)不變的情況下改變輸出頻率，此時輸出頻率，此時fo為：為：地址計數(shù)器地址計數(shù)器（N）正弦波正弦波ROM存儲器存儲器D/ALPFfcfoDDS組成原理組成原理第六章 信號源2 相位累加器原理相位累加器原理 n當(dāng)當(dāng)改變地址計數(shù)器計數(shù)步進(jìn)值改變地址計數(shù)器計數(shù)步進(jìn)值（即以值（即以值M來進(jìn)行累加），來進(jìn)行累加），并同時并同時改變每周期采樣點數(shù)改變每周期采樣點數(shù)，從而實現(xiàn)輸出頻率的改變，從而實現(xiàn)輸出頻率的改變 。地址計數(shù)器步進(jìn)值改變可以通過相位累加法來實現(xiàn)地址計數(shù)器步進(jìn)值改變可以通過相位累加法來實現(xiàn) 相位相位鎖存器鎖存器頻率控制字頻率控制字M相位累加器相位累加器fr波形存儲波形存儲RAMD/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換LPFfo2448位位1416位位相位累加器原理相位累加器原理第六章 信號源n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：cNofMf2實際應(yīng)用中一般取實際應(yīng)用中一般取