电子测量第六章.ppt

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1、第六章 测量用信号源,6.1 引言,6.3 数字频率合成式信号发生器,6.2 频率合成器,6.1 信号源概述,一、信号源模型,输出电阻常50，75，150，600等数值，有的信号源还备有几种输出电阻可以切换，用户可根据需要选择。,信号源的两个输出端均未接仪器底盘，这称为信号源的输出端是浮置的。如果输出有一端接至底盘，并接至电源地线，则称为接地输出。很多信号源能提供浮地输出或接地输出两种方式供用户选择。只需通过开关或跳线就可以在两种方式中任意切换。输出是否需要接地与应用条件有关。若用信号激励双端均浮地的电路，例如，差分电路，则信号源必须使用浮地输出。,二、信号源的分类,（一）按信号的基波频率分类

2、,（1）超低频信号源，频率范围为0.00011000Hz；（2）低频信号源，频率范围为1Hz200kHz。其中使用较多的为20Hz20kHz，这时又称为间频信号源；（3）视频信号源，频率范围为10Hz10MHz；（4）高频信号源，频率范围为200kHz30MHz，有一些信号源频率略窄，例如，只有330MHz，亦称为高频信号源；（5）甚高频信号源，甚高频又称为特高频，频率范围为30300MHz；（6）超高频信号源，频率范围在300MHz以上。,（二）按信号的波形分类,1正弦信号发生器,2函数发生器,函数发生器通常至少包含正弦波、方波和三角波三种波形。有些还包括正负锯齿波（又称斜波）、脉冲波、阶梯

3、波等波形。其频率上限通常不是太高，大多为几十至上百MHz，有的还要更低。,由于任意形状的信号均可分解为若干个正弦信号，并且电子系统对正弦输入信号的稳态响应就是它的频率响应，因此正弦信号是比较重要的信号。有不少信号源就是专门产生正弦信号的，称为正弦信号发生器。,函数发生器信号的产生方法主要有两种，一种和后面还要讨论的任意波形发生器相同，即先存储了波形量化后的数据值，再经DAC输出要求的信号；另一种先产生一种波形，再变换为其它要求的波形。,由三角波产生方波和正弦波的方框图,正弦波变换器,在三角波为正电压时，二极管D1，D2等逐次导通，当三角波变为负电压时，二极管D1，D2等逐次导通。每导通一个二极

4、管，电阻R与二极管支路构成的分压比就发生变化，形成图所示的非线性输入-输出特性，致使输入的三角波变成输出的近似正弦波。,3扫频信号发生器,信号源输出信号的频率可以是固定的或在一定范围内任意设置为某固定值，也可以是频率在某频率区间有规律地扫动，后者称为扫频信号源，简称扫频源。多数扫频源是正弦信号的频率扫动，但也可以是方波、三角波等非正弦信号的基波频率在一定区间扫动。,4脉冲及数字信号发生器,脉冲信号发生器及数字信号发生器产生矩形或基本是矩形的信号，但两者也有一些差别。,脉冲发生器产生重复频率可以设定的脉冲信号，其脉冲的幅度、宽度、极性、占空比、上升及下降时间等脉冲参数一般均可在一定范围内设置。脉

5、冲发生器的输出通道数目通常不太多。它既可用于模拟电路又可用于数字电路。,数字信号发生器又称数据发生器、图形或模式（Pattern）发生器，它主要用于数字电路测试中作为激励源或仿真数据信号，它通常都是多路的。,5调制信号发生器,调制信号被广泛用于通信、传输和控制。它将语言、数据、音乐及图像等信号变成电信号，经过调制被高频电磁波或其他高频信号“携带”，以便远距离传输。携带信号的高频信号称为载波，被载波携带的频率较低的信号称为调制信号。将调制信号加于载波的过程称为调制，调制后的信号称为已调制信号。不少信号源都能产生已调制信号，称为调制信号发生器。,6噪声及伪随机信号发生器,7任意波形发生器,（三）按

6、是否采用频率合成技术分类,频率合成技术是利用一个或少数几个基准频率信号，产生往往是较多频率的信号，所产生信号的频率稳定度和频率准确度均与基准信号相同或相近。,（四）按其他特性分类,三、信号源的主要技术指标,（一）有关输出信号频率的技术指标,1、输出频率相对误差,2、频率稳定度、老化率和阿仑方差,频率稳定度是指在一定时间间隔内，信号源在规定的时间内频率的相对变化，所以实际上是频率不稳定度，它表征频率源维持其工作于恒定频率上的工作能力。,影响频率稳定度因素：系统误差和随机误差。,信号源厂商给出的频率稳定度所对应的统计时间为15min24h。,测量频率稳定度具体方法：首先规定频率变化对应的时段，在大

7、于或等于 的时间 内，以明显小于 的时间间隔 测出信号源的输出频率并绘出变化曲线。,频率稳定度,衡量频率稳定程度时还常用到基本上只考虑系统误差影响的老化率和基本上只考虑随机误差影响的阿仑方差。,老化率,通常用一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的表征，叫做“日老化率”。用一天内频率平均漂移的相对值表示。,阿仑（Allan）方差 阿仑（Allan）方差是反映频率在很短时间内变化的常用指标。由于考虑的时间间隔很短，以致系统误差引起的频率漂移可以忽略不计，所以它只考虑了频率的随机变化。,阿仑方差是讨论m组相邻测量时间为的频率值之差异。期中每组都是在两相邻时间内测得，因此又称为双取样测量。其测量值分别为

8、fi1及fi2，其中i表示第i组，fi1表示该组第一个时间内的测量值，实际上是第一个时间内频率的平均值，fi2是该组第二个时间内的测量值。根据第二章求方差估计值的公式（2-20a），代入条件n=2，可求得该组两数据的方差估计值,该方差越小，说明该组两数据离散性越小，即时间频率变化越小。但是讨论频率的随机变化不能用一组数据来说明，因此，定义阿仑方差为m组双取样方差平均值方根的相对值，即,（二）有关输出幅度的技术指标,有关信号源输出幅度的技术指标最主要的是输出幅度范围和输出幅度标称值的准确程度。,1、输出幅度范围,输出幅度范围是指信号源在保证波形失真度等技术指标的情况下，输出幅度的范围。所给输出的

9、幅度应在规定负载阻抗下校准。,输出幅度可以用规定负载上电压绝对值表示，通常可按峰值、峰-峰值、有效值等多种形式设置。输出幅度也可用分贝电平表示，这时有功率电平和电压电平两种形式，它们是以P0或V0为基础定义的，即,输出幅度标称值的准确程度常用输出幅度的绝对误差与标称值之比来衡量。亦可把这个比值转化为用dB表示。有些信号源还给出输出衰减器或其他因素变化对幅度准确程度的影响。,6.2 频率合成器,一、对频率合成技术的要求,1、相位噪声,相位噪声影响下的频谱讨论信号源的稳定度。频谱从f0向两边扩展范围越窄，谱值变化越陡，说明频率稳定度越好。或者换一种说法，在基本堆成的频谱内，从f0向任意一端偏离某确

10、定的频率f，若对应的频谱值越小，说明相位噪声越小，频率稳定度越好。,单边带相位噪声：从频域定义一个在噪声影响下频率 短期稳定度的指标。指在一侧边带 中，偏离载波f0一定频率f，在1Hz 带宽内噪声功率频谱的积分与载波 加边带功率之和的比值。,由于相位噪声的功率与载波功率相比是很小的，并从便于测量考虑，在实用中常将“与载波加边带功率之和的比值”改为“与载波功率之比”，通常也用分贝为单位，即,SSPN单边带相位噪声,Psn在一侧边带中偏离载波确定频率处，在1Hz带宽内 噪声功率频谱的积分,P0载波功率,2、谐波频谱及杂散频谱,谐波频谱是指基波整数倍频率处的频谱；杂散频谱是指谐波以外的离散频谱。谐波

11、通常由于输出信号为非标准正弦波而产生；杂散王万由于混频、分频及电源干扰等因素产生。他们通常是把谐波或非谐波功率之和与载波功率进行比较，用dBc表示。有时需要考虑分谐波，及基波的证书分之一频率的功率之影响，也要测分谐波功率。值得注意的是谐波频谱、杂散频谱都是考虑离散频谱或离散频谱之和，而相位噪声的频谱是连续的。,3、频率转换时间,频率转换时间时指信号源的输出，从一个频率转换到另一频率所需的时间。这个时间越小，频率转换速度越快，因此有时也把频率转换时间成为转换“速度”。通常频率转换时间是毫秒或微秒级的，这段时间对人工手动操作常可忽略，但对自动测试，若不注意转换时间则可能因未完成频率转换而导致频率错

12、误。因此，频率转换时间对可程控信号源是很重要的。,二、直接频率合成技术(第一阶段）,1、直接频率合成技术的过程,2、直接频率合成技术的特点,直接合成法的优点是工作可靠，频率转换速度快，但是需要大量的混频器、分频器和窄带滤波器，这样，造成体积大，难以集成化，所以价格昂贵。但是，直接频率合成切换频率的速度快，至今仍是一个特点。,三、锁相合成技术(第二阶段）,1、锁相环的组成,相位比较器PD：用来比较PD两个输入信号（频率分别为 和）的相位，其输出电压 比例 于两信号的相位差，叫“误差电压”。,压控振荡器，其振荡频率可用电压控制，一般都利用 变容二极管(变容管)作为回路电容，这 样，改变变容管的反向

13、偏压，其结电容 将改变，从而使振荡频率随反向偏压而 变，故名“压控”振荡器,环路滤波器：它是一个低通滤波器，用来滤掉相位比 较器输出的高频成分和噪声，以达到稳 定环路工作和改善环路性能的目的。,2、锁相合成法的原理,在锁相合成法中，输入频率 为基准频率 即。锁相环开始工作时，VCO的固有输出信号频率(即开环时VCO自由振荡频率)总是不等于基准信号频率,即存在固有频差 则两个信号 和 之间的相位差将随时间变化。,相位比较器将这个相位差变化鉴出，即输出与之相应 的误差电压，通过环路滤波器加到VCO上。,VCO受误差电压控制，其输出频率朝着减小 固有频差的方向变化，即 向 靠拢，这叫“频率牵引”现象

14、。在一定条件下，环路通过频率牵 引，愈来愈接近，直至，环路进入所 谓“锁定”状态。,环路从失锁状态进入锁定状态的上述过程，称为锁相 环的捕捉过程。锁相环处于锁定状态的一个基本特性 是，输入信号 和VCO输出信号 之间只存在一个 稳态相位差，而不存在频率差。锁相合成法正是利用 锁相环的这一特性，把VCO的输出频率稳定在基准频 率上。,3、锁相合成技术的特点,锁相合成法克服了直接合成法的许多缺点，特别是集成技术的发展，使锁相合成法的优点体积小、功耗小、价廉，且适合大规模生产更为突出，从而在频率合成中获得广泛应用。由于锁相式额率合成具有极宽的频率范围和十分良好的寄生信号抑制特性，从而输出频谱纯度很高

15、(密寄输出可优于140 dB)，而且输出频率易于用微机控制，锁相技术在频率合成器中的应用至今仍占重要地位。,四、直接数字频率合成技术（DDFS),DDFS标志着频率合成技术进入第三阶段，DDFS的主要特点是采用计算技术和微计算机参与频率合成。DDFS的优点是极易实现频率和相位控制，且切换时间快，尤其适用于合成任意波形。,五、有关锁相环的基本概念,1、锁相环的跟踪特性,当环路锁定时，VCO的输出频率(也称环路输出频率)等于环路输入频率，环路输出频率可以指明地跟踪上输入频率的变化，这就是环路的跟踪特性，所以环路的锁定状态又称跟踪状态或同步状态。,2、同步带宽,当输入频率 变化超过一定范围(即固有频

16、差的 大小 超过一定值)，输出频率 不再能跟踪输入频率 的变化，这时环路将“失锁”。在环路保持锁定的条件下，我们把输入频率所允许的最大变化范围定义为同步带宽。,在锁相合成法中，输入频率是基准频率，相对于输出频率，可认为 不变，那么同步带宽可理解为，在环路保持锁定的条件下，VCO频率 允许变化的最大范围。由此可知，若环路的同步带宽较宽，那么即使VCO本身的频率稳定度不太高，也可通过环路的作用把VCO的输出频率稳定在基准频率同一量级。,3、同步带宽的作用表征环路跟踪性能的重要参数,4、相环的捕捉与捕捉带宽,锁相环在失锁状态时有固有频差，若调谐VCO的输出频率，使它逐渐向基准额率 靠近，即减小固有频

17、差，只有当固有频差减小到一定值，环路才能从失锁状态进入锁定状态。环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的固有额差，叫做“捕捉带宽”。,5、捕捉过程,环路从失锁状态进入锁定状态的过程称捕捉过程。只要固有频差 小于环路的捕捉带宽，那么通过捕捉，环路总能进入锁定，当然捕捉过程是需要一定时间。一般锁相环的捕捉过程可分成两个阶段：频率牵引阶段和快捕阶段。,锁定,频率牵引阶段,快捕,6、锁相环的窄带滤波特性,锁相环只允许在输入频率 附近的频率成分通过，而阻止远离 频率成分通过。所以，锁相环具有窄带滤波特性，锁相环的这一特性是十分重要的。,7、锁相环中引入环路滤波器的目的,可滤除相位比较器输出的高频成分与噪

18、声。,可改善锁相环的性能，并在设计上带来灵活性。,六、锁相环的几种基本形式,1、混频式锁相环,朝着 的方向牵引。,2、倍频式锁相环,脉冲控制环,脉冲控制环的基本形式,加到相位比较器的输入信号是重复频率等于基准频率的窄脉冲，而不是正弦被。VCO被锁定在基准信号的高次谐波上，即当环路锁定后，基准频率由石英振荡器产生，并经过脉冲形成电路形成脉冲。,脉冲控制环的主要优点是能够利用最简单的电路来实现高达数百次，甚至千次以上的倍频，而且只要调谐的固有频率就可十分方便地改变倍频系数 N。由于脉冲控制环的这些优点，我们可利用这种倍频环来得到频率范围很宽的离散的输出频率。,数字倍频环的基本形式,数字倍频环,改变

19、数字分频器的分频系数，可以改变倍频系数 N。,3、分频式锁相环,脉冲控制环,数字环,4、多环合成单元,双环合成单元由一个倍频环 和一个加法混频环 组成。从混频环 的VCO(9)输出的频率为,双环合成单元由一个倍频环 和一个加法混频环 组成。,调谐倍频环的VCO(3)固有频率，使之锁定在 的N次谐波上，因此改变倍频系数N及调谐，即可实两个锁定点之间的连续可调。,工作在混频环和倍频环中的VCO，它们的可变电容器是同轴统调的，当调谐VCO(3)的频率从一个锁定点到另一个锁定点的同时，可使VCO(9)的固有振荡频率作相应改变，以进入混频环的捕捉带内。,5、应用举例,主混频器,三、小数分频式锁相环,如果

20、允许频率不连续可调，只要频率分辨力好，可输出的频率间隔足够小，也是非常有用的。因此，如何提高频率分辨力一直是频率合成器研究的重要课题。,例如i=100kHz，若只用单个倍频环分辨力亦为100kHz。若采用图4-17的电路，取N2=18，N1=9，则0=1890kHz，可把分辨力提高到10kHz。为了进一步提高频率分辨力，则需用类似方法把多个锁相环级联起来，这将使电路过于庞杂。若要求得到1Hz的分辨力，采用上述传统的分频和混频方法，其复杂程度是难以想像的，可以认为实际上是难于实现的。,小数分频锁相环中的小数分频器是在微处理器控制下工作的。实际上数字分频器每次分频的分频系数都是整数，所谓小数分频只

21、是一种平均的效果。,若希望分频系数有整数部分也有小数部分，其整数部分为N，小数部分为k，小数部分的位数为n，则需要进行k次（N+1）分频，（10n-k）次N分频并循环进行即可，每次循环总的分频次数为10n次。例如，想得到18.9次分频，只要进行9次19分频，101-9=1次18分频，则平均分频系数为（199+181）/（9+1）=18.9。又如，要求分频系数为41.28，则取28次42分频，（102-28）=72次41分频即可获得平均分频系数为41.28。,既然小数分频器中存在（N+1）及N两种分频，而且每种分频都可能进行很多次，那么就应该设法把两种分频混合均匀，而不要在一段时间内都是（N+1

22、）分频，而在另一段时间都是N分频，以免对应的输出频率不均匀。这种“掺匀”的工作是在微处理器控制下完成的。,6.3 直接数字频率合成及任意波形发生器,利用数字集成电路和计算技术的直接数字频率合成（DDFS或DDS）是频率合成器的重要发展方向，其推广应用速度也很快。在DDFS基础上发展起来的任意波形发生器（AWG）或称任意函数发生器（AFG）已成为电类和非电类测量的重要仪器。,一、直接数字频率合成,直接数字频率合成的基本思想:把需要的波形先量化为足够多采样点的数字量，存储于波形存储器中。在需要输出信号时，将数字量从存储器中读出，经DAC变成模拟量，按一定速率输出。,（一）DDFS的工作原理,目前常

23、用的方法是不改变输出时钟的周期，而改变每个输出波形的输出点数。当时钟周期不变时，如果输出一周信号所用点数减小一倍时，则输出信号的周期也减少一倍，即频率增加一倍，如图所示。,在波形存储器中存储了待输出波形对应的数据，这些数据合称检索表，它通常与输出波形的一个周期相对应。在需要输出波形时，应依次或按一定间隔寻址波形存储器地址，取出所存波形幅度数据码，经DAC输出。因各输出点间数据不变，也就是说输出波形是阶梯形的。因此，在DAC后面要加低通滤波器加以平滑。,典型直接数字频率合成法原理框图,（二）DDFS的频率分辨力和输出频率,在不少DDFS型频率合成器中，不用相位码而用相位码高位做为波形存储器地址，

24、这主要是为了进一步提高频率分辨力。如果相位码的位数为N，输出时钟的频率为CLK，则频率分辨力为,式中频率分辨力；CLKlw输出时钟频率；N相位码位数。,相位码数除了影响频率分辨力外，还影响输出频率,式中0输出频率；K相位码递增值，为正整数；CLK输出时钟频率；N相位码位数。,DDFS波形存储实例，该例中相位码有48位，但它的波形存储器容量（地址）只有14位，对应16384个地址，这对波形的分辨来说已经够细了。每个波形存储单元有12位，对应的量化级有4096个，幅度分辨也够细了。由图可见，波形存储器地址与所存波形的相位一一对应，所存数据则与幅值相对应。只有相位码高位变化时，波形存储器的地址才会变

25、化，但相位码位数的提高却改善了频率分辨力并有利于输出频率在更宽的范围内变化。,二、任意波形发生器,（一）对任意波形发生器的需求日益迫切,（二）任意波形产生器的常用技术指标,1最高采样率,2.幅度分辨率,3波形存储器容量,4通道数目,（三）建立任意波形数据的常用方法,1给出波形的数学表达式,2将示波器显示的波形直接输入,3直接绘图输入,4表格法,5点输入与内插法配合,第四节 频率合成器,频率合成器与上述锁相式合成信号发生器没有本质区别。在频率合成器中，由于采用了十进锁相合成单元，故输出频率是采用十进数字度盘来选择，这样可提供更高的输出频率准确定。,一、十进制频率合成器总体组成,合成器的输出频率范

26、围为200 Hz30 MHz，最高分辨力为1 Hz，输出频率在8个十进数字度盘上读出。,二、十进锁相合成单元,1、DS1 合成单元,基准,由倍频环 混频器 及分频器组成。,频率度盘的步位指 0 9 十个数字。,1、频率度盘的步位,2、步位的含义,0 9 十个数字对应倍频环 中 十个点频率(间隔为100kHz)，即分别对应倍频环 的十个倍频系数。,2、DS2 合成单元,3、DS3 合成单元,4、DS4 合成单元,三、输出频率的连续调节,当选择开关S置于1，内插振荡器构成一个倍频环，它输出一个1.2MHz点频率，即最后一个DS1的输入频率为一固定频率，这时频率合成器只能输出离散频率，其分辨力取决于内插振荡器的1.2MHz输出频率送到哪一位DS1单元。,当开关S置于2，则VCO作为一个频率连续可调的一般振荡器工作，利用电位器P(即频率连续可调度盘)，以改变她的变容管的偏压，使频率在 1.21.3 MHz 范围内连续可调。,