1、第4章 测量用信号源4.1 信号源概述4.2 正弦、脉冲及函数发生器4.3 锁相频率合成信号的产生4.4 直接数字合成技术4.5 合成信号源简介4.1 信号源概述?信号源的作用和组成?信号源的分类?信号源的性能指标4.1.1 信号源在电子测量中的作用和组成1.信号源的作用信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面：激励源。信号仿真。标准信号源。1.1.作激励源作激励源作为某些电气设备的激励信号。作为某些电气设备的激励信号。2.2.信号仿真信号仿真在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特性的信号，如对
2、干扰信号进行仿真。性的信号，如对干扰信号进行仿真。3.3.校准源校准源产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准（或比对）。（或比对）。信信号号发发生生器器被被测测设设备备测测试试仪仪器器输输 入入激激 励励输输 出出响响 应应信号源的功用信号源的功用2.信号源的组成主振器缓冲调制输出信号输出电 源信号发生器结构框图监测信号源的模型信号源的模型低频低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600600（或（或1k1k）功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有5050、75
3、75、150150、600600和和5 k5 k等档等档高频高频信号发生器一般仅有信号发生器一般仅有5050或或7575档。档。信号发生器输出电压的读数是信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的在匹配负载的条件下标定的，若，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。准确的。4.1.2 信号源的分类1.?按频率范围 大致可分为六类：超低频信号发生器0.0001Hz1000Hz；低频信号发生器视频信号发生器1Hz1MHz；20Hz10MHz；高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器200KHz30MHz；3
4、0KHz300MHz；300MHz以上。2.按输出波形,大致可分为：?正弦波形发生器；?脉冲信号发生器；?函数信号发生器；?噪声信号发生器。3.按照信号发生器的性能指标 可分为：?一般信号发生器；?标准信号发生器；4.2.1 脉冲信号发生器?常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等：uotouto（c）阶梯波ut（a）矩形波uoto（b）锯齿波ut（e）数字编码序列（d）钟形脉冲常见的脉冲信号?脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器、数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。1.通用脉冲发生器?通用脉冲发生器能够满足一般
5、测试的要求，能够调节脉冲重复频率、脉冲宽度、输出幅度及极性等。脉宽，上升/下降沿控制延时级脉冲形成输出级输出主振级外同步外触发同步放大同步脉冲输出触发输入脉冲信号发生器组成原理同步脉冲输出4.2.2 函数信号发生器1.多波形信号发生原理?方波三角波发生器A双稳态电路WRCI1BU2U1V1VC1VC2V2方波、三角波发生器原理框图设充放电电流为I，输出三角波的频率为fsc，则：fscI?2 C(VV1?2)i?正弦波形成电路ustuusctt?分段折线逼近波形综合R0R1R2AD2AD2BR2BR1AD1AD1BViVo其电路实现原理如下图所示。R6AR6R7A+ER5R4R5AD5AD5BR
6、3R4AD4AD4BR4BR2R3AD3AD3BR3B-ER7BD6AD6BR6BR5BR1B分段逼近波形综合电路ui?ER1AR1A?R2 A?R7 AR1A?R1R1A?R1?R0uo?ui?锯齿波形成电路锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（a）所示三角波与图（b）所示方波直接叠加就可得到图（c）所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（d）所示的锯齿波。uu（a）u（b）t（c）tutt锯齿波的获得原理（d）4.2.3 调制信号发生器调制信号发生器调制信号被广泛用于通信、传输和控制。调制方式分为调制信号被广泛用于通信、传输和控制。调制方式分为模拟调制和数字调制两种。模拟调制和
7、数字调制两种。模拟调制时载波信号的幅度、频率和相位随连续的模模拟调制时载波信号的幅度、频率和相位随连续的模拟调制信号而变化。拟调制信号而变化。模拟信号先被采样量化，变换为数字信号，然后被编模拟信号先被采样量化，变换为数字信号，然后被编码，最终用数字信号去调制载波。有幅移键控码，最终用数字信号去调制载波。有幅移键控（Amplitude Shift Keying）、频移键控和相移键控。）、频移键控和相移键控。I-Q调制（正交调制）调制（正交调制）首先将载波信号分解为相差首先将载波信号分解为相差90度的相互正交分量。用数字信度的相互正交分量。用数字信号分别对其号分别对其I信号和信号和Q信号进行调制。
8、最后合成已调波。信号进行调制。最后合成已调波。正交调幅（正交调幅（QuadratureAmplitudeModulation）星座）星座图图在通信中常把二进制调制信号分组编码，如果四位在通信中常把二进制调制信号分组编码，如果四位构成一组，调制信号就有构成一组，调制信号就有 16种码等。种码等。4.3 信号源的技术指标1.频率特性?（1）频率范围?（2）输出频率的相对误差f0?fc?fc?（3）频率稳定度是指在预热后，信号源在规定时间内频率的相对变化。包含系统误差影响和随机误差影响。4.3 信号源的技术指标?（3）频率稳定度fmax?fmin?fo测量方法：4.3 信号源的技术指标老化率：主要考
9、虑系统误差影响。通常在一周或更长时间内，在确定的时间间隔测一次信号源频率，用最小二乘法拟合直线。老化率一般指直线上一天频率的变化和标称值之比，称日老化率。?fK?f04.3 信号源的技术指标阿仑方差（Allan）：反映频率在很短时间内变化的常用指标。由于时间间隔很短，因此主要反映随机变化。阿仑方差是讨论m组相邻两测量时间为t的频率值的差异。称为双取样测量。在一组中，两个测量数据的方差估计值为：?2?f?f?f?1?f2i1i1(f)?f?f?(f?f)?ii1i2i2i12?2?2?2i22i2该方差越小，说明两数据的离散性越小，即短时间频率变化越小。阿伦方差定义的是m组双取样方差平均值方根的
10、相对值：1?a(?)?f0?(fi?1m?f)i2i12m2阿伦方差测量方法早期采用间隔测量法，现在多采用连续取数法2.输出幅度的指标分贝电平，有功率电平和电压电平两种形式。P?p?10lg(dB)P0V?v?20lg(dB)V0P0为1mW时，功率电平单位就是dBmV0取1V时，电压电平的单位就是dBv在规定负载为600欧时，也常取V0=0.775V，电压电平的单位为dBu。这时，功率电平和电压电平在数值上相等对频率合成器的要求对频率合成器的要求用相位噪声来表征用相位噪声来表征由噪声引起的信号相位起伏，由噪声引起的信号相位起伏，等效于一个噪声源等效于一个噪声源的相位调制，因而称作相位噪声的相
11、位调制，因而称作相位噪声。这样，一个实际信号在频。这样，一个实际信号在频域中不再是一根离散的谱线，而是以调制边带的形式，在标域中不再是一根离散的谱线，而是以调制边带的形式，在标称频率上、下两侧扩展称频率上、下两侧扩展(如图如图4-254-25所示所示)，使得，使得信号频谱不纯信号频谱不纯所以，在频域内可用各种谱密度来表征短期频率不稳定度，所以，在频域内可用各种谱密度来表征短期频率不稳定度，其中常用：其中常用：P P单边带单边带(SSB)(SSB)相位噪声相位噪声L(fL(f)在实际测量中，常用单边带在实际测量中，常用单边带SSBSSB(Single Side Band)(Single Side
12、 Band)相位噪声来相位噪声来表征短期频率稳定度。表征短期频率稳定度。2020/4/29f f0 0f f25图图4-254-25 实际信号的频谱实际信号的频谱相位噪声的定义相位噪声的定义SSBSSB相位噪声相位噪声L L(f f)定义为：偏离载频定义为：偏离载频f fo o为为f f 处，在每赫兹带宽处，在每赫兹带宽的单边带功率的单边带功率P PSSBSSB与载波功率与载波功率P P0 0之比，通常用之比，通常用dBdB表示，见其示意图表示，见其示意图Psn?SSPN?10lg?dBc/HzP0P P0 0见课后习题见课后习题4-13-（三版）（三版）SSBSSB相位噪声示意图相位噪声示意
13、图2020/4/29264.3 锁相频率合成信号的产生4.3.1 频率合成的基本概念1.频率合成原理石英晶体基准频率频率合成原理代数运算（加、减、乘、除）频率1输出频率n输出2.频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。2.频率合成分类及特点?直接频率合成通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。1MH晶振谐波发生器（倍频）z分频（10）8M2.8MHz0.28MHzHz滤波分频（10）混频（+）2MH6.28MHz滤波z 分频（10）6MH混频（+）0.628MHzz3.628M混频（+）滤波3MHHz9MHz1MHzz直接式频率合成原理
14、框图优点：频率切换迅速，相位噪声很低。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。?锁相式频率合成?一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。?优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低等优点。?缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。?直接数字合成（DDS）?是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所需频率的正弦信号?优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小?缺点：频率上限较低，杂散也较大。?3.频率合成技术的发展各种频率合成方式的综
15、合:直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成技术都有其优缺点，单独使用任何一种方法，很难满足要求。因此可将这几种方法综合应用，特别是DDS与PLL的结合,可以实现快捷变，小步进及较高的频率上限。4.3.2 锁相环（PLL）的基本概念?1.锁相环基本工作原理及性能?锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、电压控制振荡器（VCO）及基准晶体振荡器等部分组成。frPDLPFVCOVofOVrVd锁相环控制系统原理图?锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。?因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常
16、用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。?相位比较器，用来比较两个输入信号的相位，其输出电压正比于两信号的相位差。?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（变容二极管扫频）。锁相环的捕捉过程锁相环的捕捉过程?锁相环的主要性能指标:锁相环锁定时鉴相器有三个特点：一是鉴相器两输入信号频率相等；二是两输入信号的相位差为常数；三是鉴相器的输出基本为直流（用于判断锁相环是否处于锁定状态）。?环路带宽:锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性，其高频截止
17、频率称为环路带宽。对输入信号的相位?i(t)具有低通特性，就意味着对输入信号的整体V sin?t?t)imii(具有带通特性。即锁相环只允许在输入频率fi附近的频率成分通过，而阻止远离fi的频率成分通过。关于锁相环的一些缩略词?PLL Phase-locked Loops 锁相环?PD Phase Detector 相位比较器?LPF Low-pass Filter 低通滤波器?VCO Voltage Controlled Oscillater 压控振荡器?DDFS Direct Digital Frequency Synthesis 直接数字频率合成?LF Loops Filter 环路滤波
18、器2.常用基本锁相单元常用基本锁相单元?（1）混频式锁相环?混频环实现对频率的加减运算fi1fo=fi1+fi2fi1PDfi2M（）LPFfo-fi2VCOPDM（）LPFfo+fi2VCOfo=fi1-fi2fi2（a）相加混频环fi1fi2fo=fi1+fi2fi1fi2（b）相减混频环fo=fi1-fi2+PLL-PLL（c）相加环简化图混频锁相环（d）相减环简化图混频环基准频率fi1的频率稳定度是比较高的，而能产生连续可变频率的内插振荡器产生的 fi2的稳定度相对较差。实例：采用教材图实例：采用教材图4-12的电路，的电路，fi1由石英晶体供给，频由石英晶体供给，频率为率为2340k
19、Hz，其日稳定度为，其日稳定度为10-610-9/日，取日，取10-6/日。日。fi2为为60 70kHz，日稳定度为，日稳定度为10-4/日。经过一天后稳定日。经过一天后稳定度因素引起的输出频率变化为：度因素引起的输出频率变化为：?f?f?f?(2340?10?10?60?10?10)o?i1i2?Hz?8.34Hz可得f 的日稳定度约为3.5?10.o可见，可见，fi2的引入使的引入使fo的稳定度受到一定影响，但它基本处的稳定度受到一定影响，但它基本处于于fi1的稳定度，比的稳定度，比fi2的稳定度要好很多。的稳定度要好很多。?63?63?4?(2）倍频式锁相环倍频环实现对输入频率进行乘法
20、运算，主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环fi谐波NfiPD形成LPFVCOfO=NfifiPDLPFN（b）数字倍频环fiNNfiPLLVCOfo=Nfi（a）谐波倍频环（c）倍频环简化图倍频式锁相环原理图?(3)分频式锁相环分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有两种基本形式。fifo=fi/NPDLPF谐波形成（a）谐波分频环VCOfifo=fi/NNPDLPFVCOfiNPLLfo=fi/N（b）数字分频环（c）分频环简化图分频式锁相环原理图?双环合成单元?单环合成单元存在频率点数目较少，频率分辨率不高等缺点，所以一个合成式信号源都是由多环合成单元组成如果如果fi1=10k
21、Hz,N=330-500,则则fi1在在3300-5000kHz内间内间隔为隔为10kHz离散可变。另外，使得离散可变。另外，使得 fi2为为100-110kHz，则双环合成单元在则双环合成单元在3400-5110kHz连续可调。连续可调。?频率合成器实例本例合成器被称为本例合成器被称为1.7MHz或或1700kHz的合成器的合成器小数分频式锁相环?1.利用多环合成单元提高频率分辨力f?(N?0.1N)fo21i微机可控小数分频锁相环?2.小数分频环小数合成法小数合成法f fi iPDPDLPFLPF小数分频器小数分频器(N+1N+1)和和N N次次=18.9=18.9VCOVCO=100kH
22、z=100kHzf fo o=1890kHz1890kHz控制电路控制电路令令N N=181819?6?18?4?18.6若要平均分频系数若要平均分频系数=18.6=18.6，怎么控制？，怎么控制？?9?12020/4/294419?9?18?1则则平均分频系数平均分频系数?18.9 18.9 9?1N和N+1频率掺匀?两种分频都可能用到很多次，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分频，而在另一段时间内都是 N+1 分频。依靠计算机控制下的计数功能可以完成掺匀。?用掺匀法从分频器加给鉴相器的信号频率，虽然有很小的变动，但是只要用鉴相器输出信号的平均值去控制压控振荡器，就
23、能得到要求的输出频率。例:分频比为.3的实现过程微机可控直接数字频率合成?1.DDFS 的基本原理微机可控直接数字频率合成?1.DDFS 的基本原理DDFS的基本原理?首先，把一个单位振幅的正弦函数的相位在2 弧度内分成尽可能小的间隔点，若用A位二进制表示，则最小相位间2?隔为：?min?A2?求出相应的正弦值，写入ROM中。构成一个正弦表。?n?把频率码变换成相位取样值?min，然后，查ROM表可以读出相应的正弦值。?由于时钟周期是定值且高稳定，所以输出频率亦很稳定。?频率分辨力为输出频率为fominfcfout?KN2fc?N2正弦波：预存正弦函数表，如图正弦波：预存正弦函数表，如图3.1
24、83.18。实例说明：实例说明：AD9850AD9850是美国是美国Analog DevicesAnalog Devices公司生产的公司生产的DDSDDS单片频率合单片频率合成器，在成器，在DDFSDDFS的的ROMROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按中已预先存入正弦函数表：其幅度按32二进制分辨率量化；其相位一个周期二进制分辨率量化；其相位一个周期360360按按?2?/2min2020/4/29的分辨率设立相位取样点，然后存入的分辨率设立相位取样点，然后存入ROMROM的相应地址中。的相应地址中。50实用中，改变读取实用中，改变读取ROMROM的地址数目，即可改变输出频率。若的地址数目
25、，即可改变输出频率。若在系统时钟频率在系统时钟频率fc的控制下，依次读取全部地址中的相位点，的控制下，依次读取全部地址中的相位点，则输出频率最低。因为这时一个周期要读取则输出频率最低。因为这时一个周期要读取2 23232相位点，点间相位点，点间间隔时间为时钟周期间隔时间为时钟周期T Tc c，则，则T Toutout=2=23232T Tc c因此这时输出频率为因此这时输出频率为V Vs s地地DACDAC复位复位时钟输入时钟输入复位复位频率更新频率更新/寄存器复位寄存器复位码输入时钟码输入时钟串行串行高速高速DDSDDS3232位位频率码频率码模拟输出模拟输出相位和相位和控制字控制字比较器比
26、较器模拟输入模拟输入方波输出方波输出频率相位码寄存器频率相位码寄存器码码 输输 入入 寄寄 存存 器器并并 行行8 8位位5 5输入输入511 1位位4040输入输入2020/4/29图图3.193.19 AD9850AD9850内部组成框图内部组成框图fout若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推可得输出频率的一般表达式可得输出频率的一般表达式fc?322（3.163.16）fout式中式中k k为频率码，是个为频率码，是个3232位的二进制值，可写成：位的二进制值，可写成：fc?k322（3.173.17）k?A 2?A
27、 2?A2?A 2（3.183.18）对应于对应于3232位码值（位码值（0 0或或1 1）。为便于看）。为便于看A，A，?A，A313010313031301100出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（3.183.18）代入）代入（3.173.17）式得：）式得：2020/4/29ffffcccc（3.193.19）f?A?A?A?Aout101312303132222252按按AD9850AD9850允许最高时钟频率允许最高时钟频率f fc c=125MHz=125MHz来进行具体说明，来进行具体说明，当当A A0 01 1，而，而A A3131，
28、A A3030，A A1 1均为均为0 0时，则输出频率最低，时，则输出频率最低，也是也是AD9850AD9850输出频率的分辨率：输出频率的分辨率：f125MHzcf?0.0291Hzout32min24294967296与上面从概念导出的结果一致。当与上面从概念导出的结果一致。当A A31311 1，而，而A A0 0，A A1 1，A A3030均为均为0 0时，输出频率最高：时，输出频率最高：f25c1f?62.5MHzoutmax22应当指出，这时一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允应当指出，这时一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允许值，所以当许值，所以当A A31311 1
29、后，以下码值只能取后，以下码值只能取0 0。实际应用中，为。实际应用中，为了得到好的波形，了得到好的波形，设计最高输出频率小于时钟频率的设计最高输出频率小于时钟频率的1/31/3。这。这样，只要改变样，只要改变3232位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率的准确度与时钟频率同数量级。的准确度与时钟频率同数量级。2020/4/2953相位的控制?所谓相位控制，实际上指的是两信号之间的相位差控制。?通过改变一路信号的初相，可以达到控制两个信号的相位差的目的。?而初相可由初始相位码来确定。?相位的控制=初相码（常量）+频率码（增量）2020/4/2954频率
30、和相位控制原理2020/4/2955频率和相位控制原理?该实例中相位码有48位，而波形存储器容量（地址）只有14位，对应16384个地址。每个波形存储单元有12位。当相位码高位变化时，波形存储器地址才变化，相位码位数的提高提高了频率分辨率。2020/4/29564.5 合成信号源简介4.5.1任意波形发生器?任意波发生器（Aibitray Wave Generator）：能产生任意波形的信号发生器。?1 AWG的工作原理?任意波形发生器的原理与DDS基本相同，如下图所示波形存储器fs任意波形发生器原理D/A转换器滤波器输出2 AWG的主要技术指标?波形编辑功能。?输出波形频率。?相位分辨力。?
31、幅度分辨率。?输出通道数。函数、任意波形发生器函数、任意波形发生器4.5.2合成扫频信号源?1 工作原理?频率特性测试的方法：点频法和扫频法点频法：逐点调整信号发生器的输出频率，并用电压表等设备记录被测系统的响应。特点：准确度高，但繁琐费时，频率间隔较大。扫频法：是利用扫频信号发生器输出自动连续变化的频率信号，对被测系统进行动态式的扫频测试。特点：简单快捷，可以方便地测量系统的频率特性及动态特性。扫频信号发生器的原理结构：扫描电压发生器可变移相正弦振荡器显示器放大器电平调制ALC放大衰减输出参考电平调制信号状态控制外部自动电平控制频率标记电路扫频信号发生器原理框图正弦振荡器在扫描电压作用下，按
32、一定规律在一定频率范围内反复扫描。扫描电压为锯齿波或三角波:其频率扫描规律为线性；扫描电压为对数变化:频率扫描规律是对数，对数扫频常用于宽带扫频。基于DDS的合成扫频信号源控制单元M频率控制字fcN位相位累加器N相幅转换D/A滤波输出foDDS合成扫频信号源原理?输出信号频率为(M/2N)fc，当M在12N-1之间变化时，输出频率可在(1/2N)fc(1/2)fc范围内变化，当M改变1时，fo的变化为(1/2N)fc。?当控制单元输出的频率控制字按一定规律变化时，则得到按相应规律变化的扫频信号。由于DDS的输出频率上限较低，可以采用DDS与PLL组合的方式构成扫频信号源。2 合成扫频信号源简介
33、?频率合成式的扫频信号源可实现宽带扫频，它具有频率准确度和分辨力高，寄生信号和相位噪声低等特点，具有扫频功能和多种调制方式，能够取代扫频信号发生器、频率计数器、频率合成器等。合成扫频信号源的生产厂家和种类很多，其性能特点各不相同。?例如Agilent83630B具有连续、步进及斜波等多种工作方式，频率输出范围为 0.0126.5GHz，单频时的频率分辨力为14Hz，扫频时为扫频范围的0.1%，其长期稳定度为510-10/天，输出频率低于 20GHz时，谐波噪声低于-50dBc，单边带相位噪声小于-80dBc，达到了与其它频率合成信号发生器同样的水平。本章作业（第三版第四章信号源）?4-1，4-5，4-7，4-11，4-13，4-18，4-19，4-20，4-22(选作)
