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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.作激励源 作为某些电气设备的激励信号。,2.信号仿真 在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特 性的信号，如对干扰信号进行仿真。,3.校准源 产生一些标准信号，用于对
2、一般信号源进行校准 （或比对）。,2. 信号源的组成,信号源的模型,低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600（或1k） 功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50、75、 150、600和5 k等档,高频信号发生器一般仅有50或75档。,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，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 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 1Hz1MHz； 视频信号发生器 20Hz10MHz； 高频信号发生器 200KHz30MHz； 甚
3、高频信号发生器 30KHz300MHz； 超高频信号发生器 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 ：,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
4、等。,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,C,设充放电电流为I，输出三角波的频率为fsc，则：, 正弦波形成电路,其电路实现原理如下图所示。, 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。,4.2.3 调制信号发生器,调制信号被广泛用于通信、传输和控制。调制方式分为模拟调制和数字调制两种。 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，然后被编码，最终用数字信号去调制
5、载波。有幅移键控（Amplitude Shift Keying）、频移键控和相移键控。,I-Q调制（正交调制）,首先将载波信号分解为相差90度的相互正交分量。用数字信号分别对其I信号和Q信号进行调制。最后合成已调波。,正交调幅（QuadratureAmplitudeModulation）星座图,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16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 （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
6、定度 测量方法：,4.3 信号源的技术指标,老化率：主要考虑系统误差影响。 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。,4.3 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：,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相对值：,阿伦方差测量方法,早期采用间隔测量法，
7、现在多采用连续取数法,P0为1mW时，功率电平单位就是dBm V0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,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。,对频率合成器的要求,2019/10/19,25,用相位噪声来表征,由噪声引起的信号相位起伏，等效于一个噪声源 的相位调制，因而称作相位噪声。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 称频率上、下两侧扩展(如图4-25所示)，使得信号频谱不纯 所以，在频域内可用各种谱密度来表征短期频率不
8、稳定度， 其中常用：,单边带(SSB)相位噪声L(f),在实际测量中，常用单边带SSB (Single Side Band)相位噪声来 表征短期频率稳定度。,2019/10/19,26,相位噪声的定义,SSB相位噪声L (f )定义为：偏离载频fo为f 处，在每赫兹带宽 的单边带功率PSSB与载波功率P0之比，通常用dB表示，见其示意图。,见课后习题4-13-（三版）,4.3 锁相频率合成信号的产生,频率合成原理 频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。,4.3.1 频率合成的基本概念,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
9、滤波器选出，下图是其实现原理。,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
10、成技术的发展 各种频率合成方式的综合: 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 。,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，所以锁相环通常用于闭环跟踪
11、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，其高频截止频率称为环路带宽。对
12、输入信号的相位具有低通特性，就意味着对输入信号的整体 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 环路滤波器,（1）混频式锁相环 混频环实现对频率的加减运算,2.
13、 常用基本锁相单元,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4-12的电路，fi1由石英晶体供给，频率为2340kHz，其日稳定度为10-610-9/日，取10-6/日。fi2为60 70kHz，日稳定度为10-4/日。经过一天后稳定度因素引起的输出频率变化为：,可见，fi2的引入使fo的稳定度受到一定影响，但它基本处于fi1的稳定度，比fi2的稳定度要好很多。,(2）倍频式锁相环 倍频环实现对输入频率进行乘法运算，主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环,(3)分频式锁相环 分频环实现对输入频率的除法运算，与倍
14、频环相似，也有两种基本形式。,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fi1=10kHz,N=330-500,则fi1在3300-5000kHz内间隔为10kHz离散可变。另外，使得fi2为100-110kHz，则双环合成单元在3400-5110kHz连续可调。,频率合成器实例,本例合成器被称为1.7MHz或1700kHz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,微机可控小数分频锁相环,2.小数分频环,2019/10/19,44,小数合成法,令 N=18,则 平均分频系数,18.9,若要平均分频系
15、数=18.6，怎么控制？,N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，则最小相位间隔为：
16、求出相应的正弦值，写入ROM中。构成一个正弦表。 把频率码变换成相位取样值 ，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,2019/10/19,50,正弦波：预存正弦函数表，如图3.18。,实例说明：,AD9850是美国Analog Devices公司生产的DDS单片频率合 成器，在DDFS的ROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按 二进制分辨率量化；其相位一个周期360按,的分辨率设立相位取样点，然后存入ROM的相应地址中。,2019/10/19,51,实用中，改变读取ROM的地址数目，即可改变输出频率。若 在系统时钟频率,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232相位点，点间 间隔时间为时钟周期Tc，则,Tout=2
