电子测量原理第五章.ppt

第五章 信号源,一、引言1.用途(1)激励源例如:激励扬声器发出声音(2)信号仿真例如:高频干扰信号需要对干扰信号进行仿真(3)校准源,2.分类信号源分为通用和专用两大类,这里只讨论通用信号源,正弦信号源,函数信号源,脉冲信号源,任意波形信号源,按输出波形分,超低频信号源(0.00011000HZ),低频信号源(1HZ20K/1MHZ),视频信号源(20HZ10MHZ),高频信号源(200KHZ30MHZ),甚高频信号源(30M300MHZ),超高频信号源 300MHZ以上,射频信号源 1GHZ以上,按信号产生方法分,调幅（AM）,调频（FM）,脉冲调制（PM）,按调制类型分,谐振法,合成法,3.主要技术指标（正弦信号源）(1)频率范围(2)频率准确度和稳定度 低频信号源:(13)%,10-3；高频信号源:(0.51)%,10-310-4,(3)非线性失真和频谱纯度非线性失真表征低频信号源输出波形的好坏，(0.11)%频谱纯度表征高频信号源输出波形的质量(高次谐波，非谐波）(4)输出电平调节范围 一般输出电平不高，但调节范围较宽，可达(5)输出电平准确度 一般在（310）%(6)输出电平稳定度和平坦度 输出电平稳定度指输出电平随时间变化的情况，平坦度指调节频率时输出电平的变化情况。,(7)输出阻抗 低频信号源：50，600，5000 高频信号源：50，75(8)调制类型：AM,FM,PM,VM(9)调制频率及其范围：调幅：400Hz,1000Hz;调频：10110kHz(10)调制系数的有效范围：080%(11)调制系数的准确度:一般优于10%(12)调制线性度:1%5%(13)寄生调制：应低于-40dB,4、信号源的发展过程及现状：1928年，第一台射频信号源；20世纪30年代，低频信号源；20世纪40年代，脉冲信号源；1962年，函数发生器；20世纪60年代，合成信号发生器；20世纪80年代，任意波形发生器；,二、低频及高频信号源1.低频信号源 信号源由主振和和输出两部分组成。主振部分为RC振荡器，由文氏电桥和两级放大器组成（如图5-1所示）R1和R2用于细调频率，C1和C2用于粗调频率,2.高频信号源 高频信号的频率范围在30kHz1GHz之间；高频信号的组成如图5-2所示,其中主振级为LC振荡器,内调制振荡器用于产生调制信号3.脉冲信号源 通用脉冲信号源的组成如图5-3所示。,组成：主振极通常采用射极耦合自激多谐振荡器；延迟级使主脉冲产生延迟，可以使同步脉冲超前主脉冲一段时间；形成级用于调节输出脉冲的宽度。4.函数信号发生器1.原理 以某种波形为第一波形,然后导出其它波形。现在比较流形的方案是先产生三角波，然后产生其他波形，这种方案的框图如图5-4所示。,2.函数发生器的典型电路1)三角波产生电路,图5-5 三角波产生电路,图5-6 三角波产生原理,充电电流是I1,所以有:,三角波期从E上升到,三角波期从下降到E,三角波的周期为,对称三角波：,讨论：（）I1=I2 时可以得到对称三角波，改变可以实现粗调，改变可以实现细调;（）积分电容一定，越小，输出信号的频率越低;（）I1和I2不等时，调节I1（或I2）可以改变三角波的不对称度;（4）三角波的幅度取决于+E和E，若两者幅度相等，可得到幅度对称的波形。,2）正弦波形成电路（1）用二极管组成的正弦波形成电路 在图5-7中用二极管和电阻构成三角波的“限幅”电路，它实际上是由输入三角波控制的可变分压器。当三角波的瞬时电压上升到,时，,D1A 导通，这时输出电压为,随着三角波电压值不断上升 当 时,这时输出电压为,此时的分压比 小于 之前仅D1A导通时的分压比。随着Vi不断上升，二极管D3A、D4A相继导通,分压比进一步减小。,除了D1A导通，D2A也开始导通。,负半周：类似的，D1B、D2B、D3B、D4B 在输入逐步减小的过程中相继导通，输出与输入的分压比逐步减小；D1B、D2B、D3B、D4B 在输入逐步增大的过程中相继截止，输出与输入的分压比逐步增大。三角波-正弦波的变换：实际是用16条线段逼近,斜降期：随着三角波电压值不断下降，二极管D4A、D3A、D2A、D1A 又依次截止，输出与输入的分压比又逐步增大。,3.集成函数信号发生器 典型芯片是5G8038,电路组成如图5-8所示 该芯片产生的三角波的频率为:,其中设,如果RA=RB=RT，则,(1)如果改变RA和RB的比值,可以输出非对称三角波或锯齿波;(2)在RS触发器的输出Q端后接缓冲器2可以从引脚9输出方波或脉冲波;(3)三角波在缓冲器1后经过正弦波变换电路就可以输出正弦波;(4)在引脚7输入调频电压,引脚8外接适当控制信号（控制I1、I2）可以使输出信号实现扫频或调频.以5G8038为核心接入少量外部元件就可以构成一个实用的函数信号发生器，原理电路如图59所示。,三、合成信号源以RC、LC为主振的信号源：频率准确度：，频率稳定度：石英晶振：频率稳定度：频率合成技术：对一个或几个高稳定度频率进行加、减、乘、除的频率运算，得到一系列所要求的频率。合成信号源：采用频率合成技术的信号源。,合成信号源主要技术指标:（1）频率准确度和稳定度 取决于内部基准源,一般可达10-8/日（2）频率分辨力 合成信号源的分辨力较好,可达(0.0110)Hz（3）相位噪声：信号相位的随机变化（4）相位杂散：频率合成时产生的寄生频率分量（5）频率转换速度：直接合成：微秒级别；间接合成：毫秒级别；,四、间接合成信号源的基本原理 间接合成法是基于锁相环(PLL)的原理,锁相环,鉴相器 fr(PD),低通滤波器(LPF),压控振荡器(VCO),输出频率,环路稳定时,图5-11(a)中,反馈支路接入N分频器,所以环路稳定时,即:,图5-11(b)中基准频率首先被形成窄脉冲,再以N次谐波作用于锁相环,因此有分频式锁相环同样对图5-12(a)和图(b)都可以得到,倍频式锁相环(NPLL),混频式锁相环图5-13为混频式锁相环。混频器后加一带通滤波器以消除由于混频作用而引入的组合干扰,提高合成信号的频谱纯度。环路稳定时有 fo fr2=fr1即:fo=fr1fr2在图中混频器若取“”为和频混频,相应地“”为差频混频。小结:(1)锁相环的输出信号是基准频率经有关的数学表达式的运算结果;(2)表达式中的运算符号正好与运算电路的相反；(3)数字环的N值可以借助微处理器实现程控设定。,如果则输出频率的分辨力就是f。由于混频的两个频率很接近，所以分辨力得到提高。,2）多环合成法 在混频式锁相环中，如果混频器的输入信号频率fi2可变，且变化的增量很小，小于fi1，则可以提高频率分辨力。可变的fi2是由另一个锁相环产生的，如图5-26所示。由锁相环有：由锁相环有：所以,频率分辨力为 fr2/D，如果要进一步提高频率分辨力，可以采用三环等多环合成方法。例：设计一锁相频率合成器，输出频率范围为0.113099999.9Hz,步进频率为0.1Hz,基准频率为100kHz.,解:0 13000000 Hz(0130)100k,+0 99000 Hz(099)100k100,+0.1 9.9 Hz(099)100k1000000,0.1 13099999.9 Hz,+0 990 Hz(099)100k10000,PD1,M1,N1,(0130),VCO1,100kHz,PD2,M2,N2,(099),VCO2,D,(100),PD3,M3,N3,(099),VCO3,D,(100),PD4,N4,(099),VCO4,D,(100),3)小数合成法用具有小数部分的倍频锁相环实现 小数分频技术（图5-28）在锁相环中VCO至N之间插入一个脉冲删除电路，设F=0.1,累加器的起始值为0,则经过10次累加,全加器溢出,产生一次(N+1)分频,其它9次均为N分频,因此:,例:设F=0.32,相位累加器初值为零。第四个周期时，全加器溢出，余数为 0.3241=0.28 再经过三个周期,将有0.28+0.323=1+0.24,又产生一次溢出一共经过25个周期，全加器8次溢出，并且累加器存数为零。因此,F-NPLL和NPLL比较例：要求一频率合成器,输出频率为5082MHz,频率分辨力 为1Hz。NPLL 需要5个环路：3个NPLL和2个相加环，如图5-29所示。F-NPLL 需要3个环路：1个F-NPLL、1个NPLL和1个相加环。如图5-30所示。用F-NPLL比只用NPLL简洁得多，而且F-NPLL在频率分辨力、频率范围、噪声性能方面都比较优越。用F-NPLL的缺点是环路比较复杂。,2.扩展频率上限的方法1)前置分频法如下图5-31所示,在积分分频器前设置一个固定分频器,优点:可以提高频率上限,且电路结构简单缺点:频率分辨力下降,2)倍频混频法如图5-32所示,VCO的输出 在和 进行差频混频后,再进行N分频,以降低对程序分频器的要求。,图5-32 倍频-混频环,优点：频率上限的提高取决于 的大小，而其分辨力仍和单环倍频式锁相环一样,缺点：由于混频器引入寄生信号将要影响频谱纯度；其后的带通滤波器对寄生信号有抑制作用，但是滤波器的延时又有不利的影响。,3）吞脉冲分频法（如图5-33所示）吞脉冲分频器主要由双模分频器和吞食计数器组成。双模分频器分频系数有P和P+1两种模式。N分频器由N1（高位计数器）和N2（低位计数器）组成，N2还用于发出模式控制信号。工作过程：在一次计数循环开始时，计数器开始计数，模式控制信号为1，分频系数为11；当计数器溢出后模式控制信号为0，分频系数为10。若取P=10，则有：,例：若P=10，N1=1019，N2=09 则,例：P=100，N1=100199，N2=099,对吞脉冲分频器的小结：（1）双模分频器的分频系数为P/（P+1），对于N1和N2两个分频器，则必须N1大于N2。（2）由N1和N2可以求得N的范围。（3）吞脉冲分频器可以提高锁相环的输出频率上限。,六、直接合成法之一模拟直接合成法1、固定频率合成法（如图5-14）,石英晶体振荡器提供基准频率fr,D为分频器的分频系数,N为倍频器的倍频系数,因此 其中D和N都是给定的正整数,输出频率为定值。2、可变频率合成法 常见的电路形式是连续混频分频电路，见图5-15。,晶振,D,N,首先使用基准频率在辅助基准频率发生器中,产生各种辅助基准频率,然后借助混频器和分频器和分频器进行频率运算,实现频率合成.例如:从左边开始的第一单元,fi1和F进行混频,其结果再与f1进行混频,两次混频得 fi1+F+f1=2+16+(2.0 2.9)MHz=20.020.9MHz 经10分频得(2.002.09)MHz。从左到右经过四次运算,最后得输出信号的频率为 fo=(2.00002.09999)MHz,直接模拟合成的优点:(1)从原理来说,频率分辨力几乎是无限的.增加一级基本运算单元可以使频率分辨力提高一个量级(2)转换速度快,通常转换时间为微秒量级.缺点:采用混频等电路会引入很多寄生频率分量,带来相位杂散,必须采用大量滤波器以改善输出信号的频谱纯度。这些将导致电路庞大、复杂、不易集成。,七.直接合成法之二数字直接合成法原理（如图5-16所示）在标准时钟CLK的作用下,通过控制电路按照一定的地址关系从数据存储器ROM中读出数据,再进行数模转换,就可以得到一定频率的输出波形。以正弦波为例:一个周期内,按相位划分为若干等分,将各相位所对应的幅值按二进制编码并存入ROM。由于对称性，ROM中只需存入090范围的幅值码。若以=6 计算，在090之间共有15等分，其幅值在ROM中占16个地址单元，所以可按4位地址码对数据ROM进行寻址。,设幅度码为5位，则在 0-90范围内编码关系如表5-1所示。信号的频率关系 在CLK作用下，依次读出ROM中数据，其输出正弦信号的频率为fo1，如果每隔一个地址读一次数据，其输出信号的频率为fo2，则有f02=2fo1，这样就可以实现直接数字频率合成器的输出频率的调节。相位累加原理 输出波形的产生是相位逐渐累加的结果；这是由累加器实现，如图5-17所示。相位步进码为K，如果K=1，每次累加结果的增量为1，则依次从数据ROM中读取数据。如果K=2，则每隔一个ROM地址读一次数据，依次类推，因此K值越大，相位步进也越快，输出信号的频率也越高。,返回,改变输出信号频率，也可以调节控制时钟的频率fc。,频率分辨力两个相邻频率之间的间隔,时钟频率fc一定的情况下，,调节K值，可改变输出信号频率fc。,在fominfomax范围内，可输出 种频率。,杂散分量和噪声分析（简介）(1)采样信号的镜像频率分量根据采样理论，未经过滤波的DDS输出信号的频谱如图5-18所示由图可见，DDS输出信号中除了要求的 f0基频信号外，还有一系列镜像频率信号，其频率为，n=1,2,3,因为fo=fc/2时，第一镜像频率与fo重合，无法滤除，因此，通常选择fofc/3。()幅度量化噪声 正弦查阅表内存储的波形码是一个模拟信号被均匀化后的值。如果选用的DAC有D位，则模拟量在个离散区间内进行量化，由此造成的误差均匀分布在 之间。,(3)相位噪声 为了得到高的频率分辨率，相位累加器的位数L一般取得比较大，但实际上ROM容量有限，因此就要从L位相位累加字中，截取高n位来寻址ROM，这就导致相位噪声。(4)D/A转换器非线性引起的杂散分量 D/A转换器的非线性转换特性会使它的输出电压 产生失真，从而使DDS的输出信号频谱中增加杂散分量，这主要是 f0 的各次谐波分量。图5-19是DAC非线性引起输出电压失真。,图5-20 实际的DDS输出频谱,实际的DDS输出频谱，除fo外，还包括：fo的各次谐波；泄漏的fc；镜像频率fc-nfo；幅度及相位量化产生的噪声；其它未知杂散分量。,为减小DDS输出电压中的杂散和噪声，应采取下列措施：1）设计良好的低通滤波器，以滤除各种杂散及各种带外噪声；2）选用性能优良的D/A转换器，以减小非线性引起的杂散分量；3）减小fo/fc的比值（一般fo/fc1/3），以利于较好的滤除镜像频率；4）适当提高D/A位数及查询表的长度，以减小相位噪声；5）谨慎排板、布线，以减小各种泄漏和干扰；,数字直接合成器芯片AD9850芯片的内部组成 AD9850是美国AD公司于1996年推出的DDS频率合成器芯片。它内部包含可编程DDS系统、DAC及独立的高速比较器，能实现全数字程控的频率合成器和时钟发生器。图5-21是AD9850的功能框图。AD9850芯片的引脚功能 AD9850共有28条引脚，其排列如图5-22所示。控制字格式及并行发送次序 表5-2表示了AD9850芯片40位控制字的安排AD9850的典型应用 图5-23表示由AD9850构成的典型的时钟发生器框图。图5-24表示了AD9850在频率合成器中使用的两个例子。,三种合成方法的比较,模拟合成法转换速度快,但电路复杂,难以集成;数字直接合成法基于大规模集成电路和计算机技术,尤其适用于函数波形和任意波形的信号源;从“相位”概念出发进行频率合成，可以输出不同初始相位的信号；可以输出各种不同形状的波形。锁相频率合成转换速度慢,但输出频率范围很广、频率分辨力高（采用多环）、输出信号频谱纯度高。,八、任意波形发生器组成：传统的AWG原理框图如图5-34所示。,传统的AWG：采用可变时钟，存储器可分段；适于产生复杂波形,基于DDS的AWG：适于产生分辨率高、幅度简单的波形,两类,主要技术指标：1）幅度分辨力；2）相位分辨力；3）最高采样速率；4）输出通道数；5）输出幅度；6）波形纯度；7）直流偏移。,产生方法：1）图形编辑法2）数学方程法 直接利用输入的数学公式计算得到波形数据，时域描述。3）FFT编辑法 编辑每个信号的频谱（频率、幅度、相位值），频域描述。4）示波器数据传送法5）直接内存操作编辑法 利用外部程序对波形数据进行计算，然后将数据通过高速接口传送到AWG的波形存储器。,图5-1 RC振荡器原理电路,返回,图5-2 高频信号源的原理方框图,返回,图5-3 脉冲信号源原理框图,返回,图5-4 函数信号发生器原理图,返回,图5-7 用二极管组成的正弦波形成电路,返回,图5-10 三极管组成的正弦波形成电路,返回,图5-8 集成函数信号发生器（5G8038)芯片原理图,返回,图5-9 集成函数信号发生器的实现,返回,图5-11 倍频式锁相环,返回,图5-12 分频式锁相环,返回,图5-13 混频式锁相环,返回,图5-15 10进连续混频分频电路,返回,图5-16 直接数字合成原理图,返回,图5-17 相位累加原理,返回,返回,图5-18 未滤波的DDS输出典型频谱,返回,图5-19 DAC非线性引起输出误差失真,返回,图5-21 AD9850功能框图,返回,图5-22 AD9850引脚排列,返回,表5-2 AD9850控制字方式,返回,图5-23 时钟发生器,返回,图5-24 DDS在频率合成器中的应用,图5-25 微差混频原理,返回,图5-相位码至幅度码的转换,返回,图5-26 双环频率合成器,返回,图5-28 F-NPLL的组成,返回,图5-29 NPLL 5082Mhz频率合成器框图,返回,图5-30 F-NPLL 5082Mhz频率合成器框图,返回,图5-33 采用吞脉冲分频器的频率合成器框图,返回,图5-34 任意波形发生器的原理框图,返回,图5-正弦波算法,返回,图5-HP33120A信号源部分的组成,返回,