測控技術第三章

1、測控技術第三章第1頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四2、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)生器的基本構成： 第2頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四4、信號發(fā)生器的性能指標 （1） 頻率范圍（2） 頻率準確度和穩(wěn)定度（3） 非線性失真和頻譜純度（4） 輸出電平調節(jié)范圍（5） 輸出電平準確度（6） 輸出電平穩(wěn)定度和平坦度（7） 輸出阻抗（8） 調制類型（9） 寄生調制第3頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四5、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

2、、低頻）； 射頻信號源（AM、FM）； 脈沖信號發(fā)生器； 函數信號發(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，2022年，5月20日，11點54分，星期四TEK Arbitrary Waveform Generators -AWG2005第5頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四20 MS/s (50ns) Clock Rate Provides up to 10MHz Waveforms Up to Four Channels of 64 k Record Len

3、gth 12-Bit (1/4096)Vertical Resolution Direct DSO Waveform Transfers Region Shift Provides 50ps Edge Placement 24-Bit Channel, TTL Digital Data Generator Linear, Log and User Definable Sweep Generation TBR Built-in 1.44 MB, 3.5 in. Floppy Disk FFT Editor Frequency Domain Editing Real-time Waveform S

4、equencer to Easily Create Automatic Test Sequences and Extremely Long Patterns Formula Entry Waveforms Fully Programmable from Front Panel, RS-232 and GPIB (IEEE 488.2) 第6頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四二、 合成信號發(fā)生器1、現(xiàn)代科學技術對信號發(fā)生器的要求 合成信號發(fā)生器是借助于電子技術及計算機技術，將一個或幾個基準頻率通過合成產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，從一個或幾

5、個標準頻率出發(fā)，對高穩(wěn)定度的基準頻率進行加、減、乘、除算術運算，可以合成出大量的頻率，而且合成出來的頻率其準確度和長期穩(wěn)定度都是和基準頻率完全一樣。 第7頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四 目前比較常用的頻率合成器有三種，分別是：數字合成器（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、倍頻和分頻進行頻率的算術運算。其優(yōu)點是頻率轉換速度快、輸出頻譜純；缺點是電路復雜，不易集成化，價格昂貴。 間接合成器通過鎖相法進行頻率的算術運算。受鎖相環(huán)鎖定過程的限制，頻率轉換速度較慢；但結構簡化，易于集成化。第8頁，共48頁，2022年，5月20日

6、，11點54分，星期四2、合成信號發(fā)生器的主要技術指標 （1）頻率準確度和穩(wěn)定度 （2）頻率分辨力 （3）相位噪聲 （4）相位雜散 （5）頻率轉換速度 第9頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四3、直接合成頻率法 直接合成法是借助電子線路直接對基準頻率進行算術運算，輸出各種需要的頻率。 固定頻率合成法 ： 第10頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四 可變頻率合成法：（1）諧波法：（2）連續(xù)混頻法第11頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（3）連續(xù)混頻分頻法第12頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四 輸入 ：

7、2.02.9 MHz 第一個合成單元輸出：2.002.09 MHz 第二個合成單元輸出： 2.002.099MHz 第三個合成單元輸出： 2.0002.0999MHz 第四個合成單元輸出： 2.000002.09999MHz 第13頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四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，其頻率轉換時間主要由濾波器的響應時間、頻率轉換開關的響應時間以及信號的傳輸延遲時間等決定。其轉換時間一般為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

8、采用大量濾波器以改善輸出信號的頻譜純度。這些將導致電路龐大、復雜、不易集成。 第14頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四4、 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)。 當環(huán)路穩(wěn)定時，VCO的輸出頻率f o等于f r，即： f o = f r 第15頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四倍頻式鎖相環(huán) ： f 0 = N f r 分頻式鎖相環(huán) ：第16頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四混頻式鎖相環(huán) ： 在合成信號源中，倍頻式數字環(huán)和混頻環(huán)獲得了更多的應用。數字環(huán)的N值，

9、還可以借助計算機實現(xiàn)程控設定。第17頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四 間接合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的算術運算，鎖相環(huán)可以看成是中心頻率能自動跟蹤輸入基準頻率的窄帶濾波器，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，從而簡化結構，便于集成。但受鎖相環(huán)鎖定過程的限制，頻率轉換速度較慢，一般在ms級。第18頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四5 、直接數字合成法 （ Direct Digital Synthesis，DDS） DDS從“相位”的概念出發(fā)進行頻率合成。DDS以穩(wěn)定度高的參考時鐘為參考源

10、，通過精密的相位累加器、數字信號處理器和高速D/A產生所需的波形（數字波形）。這個數字波形經模擬濾波器后，得到最終的模擬信號波形。第19頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（1）DDS的原理框圖第20頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（2）正弦信號相位幅度關系第21頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（3）信號的頻率關系 假設控制時鐘頻率為fc，ROM地址碼的位數為n，輸出頻率為f0，則有：* k=kmin=1，f0=f0min=kminfc/2n= fc/2n* k=kmax=2n-2，f0=f0max= kmaxfc/2

11、n=fc /4可輸出的頻率個數 頻率分辨率為 第22頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（4）實現(xiàn)方法 數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，2022年，5月20日，11點54分，星期四（5）噪聲分析 ： 在DDS中產生噪聲的原因有二： 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/模轉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，2022年，5月20日，11點54分，星

12、期四（6）DDS的特點 DDS的一個顯著特點是在數字處理器的控制下能夠精確、快速地處理頻率和相位，具有相當好的頻率和相位分辨率，能夠進行快速的信號變換。（7）頻率合成技術的進展 在頻率合成技術中，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，2022年，5月20日，11點54分，星期四三、 任意函數發(fā)生器 1、函數信號發(fā)生器 函數信號發(fā)生器的輸出信號可與時間呈多種函數關系，能夠同時獲得三角形、矩形（方波）及正弦波形的信號發(fā)生器稱為函數信號發(fā)生器。第26頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四函數發(fā)生器原理框圖第27頁，共48頁，2022年，5月20日，1

13、1點54分，星期四方波三角波正弦波形第28頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四 2、任意函數發(fā)生器 （1） 任意函數發(fā)生器(AFG)是直接數字合成技術的進一步發(fā)展，是由計算機直接參與波形的產生。 AFG與普通函數發(fā)生器功能比較 第29頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（2）AFG的組成 AFG是在微機控制下進行工作的。因此，一般有兩種結構形成。單機結構：由微處理器系統(tǒng)和信號產生部分組成獨立儀器，可以通過標準接口組成自動測試系統(tǒng)。插卡結構：AFG以插件形式插入PC機，或者將PC總線引出機外與插卡相連并控制插卡進行工作，這屬于個人儀器形式。 第30頁，

14、共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四單機結構式的AFG的組成如下圖所示 第31頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（3）任意波形的產生方法： AFG輸出波形取決于波形存儲器的數據，因此，產生任意波形的方法取決于向該存儲器（RAM）提供數據的方法，目前有如下幾種方法：表格法 將波形數據（經量化的）按序放入存儲器，按序讀出；數學方程法 先將描述波形的數學表達式存入計算機，使用時按輸入參量，經過運算提供波形數據；第32頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四折線法 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位置，就可以

15、按照多項式擬合計算波形各點的數據；作圖法 通過CRT用移動光標法作圖，生成所需波形的數據。將此數據送入數據RAM。輸入法 將其他儀器（例如數字存儲示波器，xy繪圖儀）獲得的波形數據通過微機系統(tǒng)總線或GPIB接口總線傳輸給波形數據存儲器。這種方法很適合于復制不再復現(xiàn)的信號波形。第33頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（4）任意函數發(fā)生器的主要技術指標幅度分辨力： 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，亦可定義為存儲器的深度或容量。波形的樣點越多，意味著產生波形的失真越小。最高采樣

16、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，2022年，5月20日，11點54分，星期四輸出通道數： 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，應比基波至少小2040dB。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有關，一般為0V。第35頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四TEK Arbitrary Waveform Generator (AWG710B)

17、第36頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四4.2GS/s Sample Rate Simulates Real-world Signals Up To 2.1GHz 2 Markers With 2.0psRMS ( 4.2GS/s, Typical) Jitter Deliver stable Timing to the Device-under-test (DUT) 32.4M (32,400,000) or 64.8M (64,800,000) Point Record Length Provide Longer Data Streams Analog Bandwi

18、dth to 2GHz (Option 02, Calculated Based on Rise Time) Provides the Highest Signal Fidelity of All High-speed AWGs Direct External clock input allows Jittered and non-jittered signals for high-speed data stream timing margin test up to 4.2Gb/s 第37頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四Synchronous operation mo

19、de supports two AWG710B outputs (2: analog, 4: marker) synchronization for high data rate wireless and data communication test and optical write channel strategy signal test. Waveform Quick Editor with 300 fs Edge Timing Resolution Delivers Output Edge Control with Near Real-time Precision Allows tw

20、o-signal mix function digitally to support disk drive noise performance test and Pre/De-emphasis serial data communication test Real-time Sequencing Creates Infinite Waveform Loops, Jumps, Patterns and Conditional Branches第38頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四四、 掃頻信號發(fā)生器 對網絡的阻抗和傳輸特性的測量時，需要用到掃頻測量技術。 在掃頻測量中，

21、用一個頻率隨時間按一定規(guī)律，在一定頻率范圍內掃描的掃頻信號代替以往使用的固定頻率信號，可以對被測網絡或信號頻譜進行快速、定性或定量的動態(tài)測量，給出被測網絡的阻抗特性和傳輸特性的實時測量結果或信號的實時頻譜分析。 第39頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四 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，在一定范圍內重復變化。 如圖為掃頻信號發(fā)生器的原理框圖。 第40頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（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

22、由下式決定： 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)掃頻磁調制掃頻振蕩器 若控制變容二級管的偏置電壓，以改變振蕩回路中電容C的容量，從而實現(xiàn)壓控掃頻 變容二極管掃頻振蕩器 第41頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四 磁調制掃頻振蕩器原理圖 變容二極管構成的振蕩回路 第42頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四（2） 頻率標記 （頻標 ） 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，2022年，5月20日，11點54分，星期四菱形頻標 針形頻標第44頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四2、掃頻信號發(fā)生器的基本功能 典型的掃頻信號發(fā)生器應該具備下述三個功能：（1）產生掃頻信號，掃頻信號通常是等幅正弦波；（2）產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）產生同步輸出的頻率標記。頻標的種類有等頻率間隔的通用頻標，為某項測量設置的專用頻標，以及活動頻標。第45頁，共48頁，2022年，5月20日，11點54分，星期四3、掃頻信號發(fā)生