測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器課件

第3章信號(hào)的產(chǎn)生3.1信號(hào)發(fā)生器的功能

3.2信號(hào)發(fā)生器的分類及工作特性

3.3函數(shù)信號(hào)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(hào)源簡(jiǎn)介3.1信號(hào)源概述信號(hào)源的作用和組成信號(hào)源的分類正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)3.1.1信號(hào)源在電子測(cè)量中的作用和組成1.信號(hào)源的作用信號(hào)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(hào)發(fā)生器。信號(hào)源的用途主要有以下三方面：☆激勵(lì)源?！钚盘?hào)仿真?！顦?biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。3.2信號(hào)源的分類1.按頻率范圍大致可分為六類：超低頻信號(hào)發(fā)生器0.0001Hz～1000Hz；低頻信號(hào)發(fā)生器1Hz～1MHz；視頻信號(hào)發(fā)生器20Hz～10MHz；高頻信號(hào)發(fā)生器200KHz～30MHz；甚高頻信號(hào)發(fā)生器30KHz～300MHz；超高頻信號(hào)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(hào)發(fā)生器；函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；噪聲信號(hào)發(fā)生器。3.按照信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)可分為：一般信號(hào)發(fā)生器；標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器；3.2正弦信號(hào)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(hào)發(fā)生器低頻信號(hào)發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz～20KHz，故又稱音頻信號(hào)發(fā)生器3.3

函數(shù)發(fā)生器3.2.1正弦信號(hào)發(fā)生器主振級(jí)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(hào)發(fā)生器組成原理2.

高頻信號(hào)發(fā)生器高頻信號(hào)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(jí)波段選擇頻率細(xì)調(diào)緩沖調(diào)制級(jí)輸出級(jí)調(diào)制振蕩器監(jiān)測(cè)器外調(diào)制輸入高頻信號(hào)發(fā)生器原理框圖3.2.2脈沖信號(hào)發(fā)生器常見的脈沖信號(hào)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(hào)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(shí)域測(cè)試中，快速脈沖信號(hào)發(fā)生器用來提供廣譜的激勵(lì)信號(hào)，尤其在微波網(wǎng)絡(luò)、寬帶元器件的時(shí)域測(cè)試中，脈沖信號(hào)發(fā)生器相當(dāng)于頻域測(cè)試中的掃頻信號(hào)源?？焖倜}沖信號(hào)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(shí)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(gè)前沿上升時(shí)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(shí)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(hào)發(fā)生器1.多波形信號(hào)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(cuò)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(duì)于固定的參考頻率可調(diào)的信號(hào)。3.４.１直接數(shù)字合成基本原理

設(shè)取樣時(shí)鐘頻率為，正弦波每一周期由Ｎ個(gè)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(chǔ)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(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)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(shí)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(chǔ)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(shí)，波形幅值并不會(huì)發(fā)生變化，但輸出頻率的分辨率并不會(huì)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(hào)源

單片集成的DDS芯片合成信號(hào)波形的種類較少，靈活性較差，不便于任意波發(fā)生器等場(chǎng)合的應(yīng)用。基于可編程芯片實(shí)現(xiàn)的DDS信號(hào)合成可具有更大的靈活性。相位累加器參考時(shí)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(chǔ)器SRAM基于可編程芯片的DDS頻率合成信號(hào)源3DSS/PLL組合的頻率合成信號(hào)源

DDS與PLL組合的合成信號(hào)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(hào)源此時(shí)輸出頻率為：3.5合成信號(hào)源簡(jiǎn)介任意波發(fā)生器（AibitrayWaveGenerator）：能產(chǎn)生任意波形的信號(hào)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(chǔ)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(hào)源1工作原理

頻率特性測(cè)試的方法：點(diǎn)頻法和掃頻法點(diǎn)頻法：逐點(diǎn)調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，并用電壓表等設(shè)備記錄被測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)。特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，但繁瑣費(fèi)時(shí)，頻率間隔較大。掃頻法：是利用掃頻信號(hào)發(fā)生器輸出自動(dòng)連續(xù)變化的頻率信號(hào)，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)式的掃頻測(cè)試。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單快捷，可以方便地測(cè)量系統(tǒng)的頻率特性及動(dòng)態(tài)特性。掃頻信號(hào)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(dòng)電平控制參考電平調(diào)制信號(hào)掃頻信號(hào)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(duì)數(shù)變化:頻率掃描規(guī)律是對(duì)數(shù)，對(duì)數(shù)掃頻常用于寬帶掃頻?；贒DS的合成掃頻信號(hào)源輸出信號(hào)頻率為(M/2N)fc，當(dāng)M在1～2N-1之間變化時(shí)，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(shí)，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(shí)，則得到按相應(yīng)規(guī)律變化的掃頻信號(hào)?？刂茊卧狽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(hào)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(hào)源。2合成掃頻信號(hào)源簡(jiǎn)介

頻率合成式的掃頻信號(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)數(shù)器、