电子测量 第4章 测量用信号源ppt课件

B
R0
Vi
Vo R1
A D1
AD1
RBB1ui
E
R1A
R2
R1A A
R7
A
uo ui R1A R1 R1A R1 R0
⑶ 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。
⑶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。
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 ：
u
u
u
o
t
（a〕矩形波
u
o
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fr 体Vr 振荡器P等D 部V分d 组L成PF 。
VCO
fO Vo
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。
I
fsc
2C(V1
V2)
i
usc
⑵ 正弦波形成电路
u
t
ust
t
分段折线逼近波形综合
其电路实现原理如下图所示。
R6 R5
R4
R3
R2
R1
R7 R6
R5
R4
R3
R2
+E A
A D6
AD5
AD4
AD3
DA2
-E
DA6
DA5
R7 BR6 BR5
DA4 DA3
AD2
BR4 BR3 BR2
B
B 分段B逼近波形B综合电路B
环路滤波器
2. 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
fi1
PD LPF
fi2
fo-fi2
M
（－）
fo= fi1+ VCO fi2
fi1 PD LPF
fi2
fo+fi2
M
（＋）
fo= fi1- fi2 VCO
（a〕相加混频环
（b〕相减混频环
fi1
+ fo= fi1+ fi2
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。
SSPN 10lgPsndB/cHz
P0
P 0
见课后习题4-13-（三版）
2021/5/30
:
SSB相位噪声示意图
26
4.3 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
代数运算 （加、减、乘、除）
频率合成原理
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。
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：
a()
1 f0
m
( fi2 fi1)2
i1
2m
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
10lg P P0
信
号 发
输入
被 测
输出
测 试
生
激励
设
响应
仪
器
备
器
信号源的功用
2. 信号源的组成
主振器
缓冲
调制
输出
电源
监测
信号发生器结构框图
信号 输出
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600Ω〔或1kΩ） 功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、 150Ω、600Ω和5 kΩ等档
t
（b〕锯齿波 u
o
t
（c〕阶梯波
o
t
（d〕钟形脉冲
o
t
（e〕数字编码序列
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测试的要求，能
够调节脉冲重复频率、脉冲宽度、输出幅
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
fi2 PLL
fi1
- fo= fi1- fi2
fi2 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4-12的电路，fi1由石英晶体供给，频 率为2340kHz，其日稳定度为10-6～10-9/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：
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
u
u
t
t
（a）
（c）
u
t
u
t
（b）
（d） 锯齿波的获得原理
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载波。有幅移键控 〔Amplitude Shift Keying）、频移键控和相移键控。
2. 频率合成分类及特点
⑴直接频率合成
通过频率的混频、倍频和分频等方法来产
谐波发生下生器一图〔倍系是频列其）81M频实Mz H率 现分晶频信 原振（号 理÷10并 。）用窄带2.8M 滤H波z 器选0出.28，MHz
1MHz
Hz 2MH
混频（+）
z 6MH
混频（+）
滤波
分频（÷10）
6.28MH
滤波 z 分频（÷10）
fofi1fi2(234 130 10 66 0130 10 4) Hz8.3H 4 z 可fo 得 的日稳3.定 51 度 0 6. 约为
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
z 3MH
混频（+）
9Mz H
滤波
3.628M 0.628MHz Hz
z直接式频率合成原理框图
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。
⑵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。
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，用于对一般信号源进行校准 （或比对）。
(dB)
v
20lgV V0
(dB)
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
对频率合成器的要求
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稳定度， 其中常用：
1. 频率特性 （1〕频率范围
（2〕输出频率的相f对0 误fc差
fc
（3〕频率稳定度
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。
K f f0
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：
2 (fi) fi1 fi1 2 fi2 2 fi2 fi1 2 fi2 2 1 2 (fi2 fi1 )2
fi 谐波 Nfi PD 形成
高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω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，假设 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 0.0001Hz～1000Hz； 低频信号发生器 1Hz～1MHz； 视频信号发生器 20Hz～10MHz； 高频信号发生器 200KHz～30MHz； 甚高频信号发生器 30KHz～300MHz； 超高频信号发生器 300MHz以上。
P
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。
2021/5/30
:
f0
f
图4-25 实际信号的频谱
25
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
i (t) 传输特性，其高频截止频率称为环路带Vi宽ms。in对it[输i(t)]
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
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
pllphasepllphaselockedloopslockedloops锁相环锁相环pdphasedetectorpdphasedetector相位比较器相位比较器lpflowlpflowpassfilterpassfilter低通滤波器低通滤波器vcovoltagecontrolledoscillatervcovoltagecontrolledoscillater压控振荡器压控振荡器ddfsdirectdigitalfrequencysynthesisddfsdirectdigitalfrequencysynthesis直接数直接数字频率合成字频率合成lfloopsfilterlfloopsfilter环路滤波器环路滤波器11混频式锁相环混频式锁相环混频环实现对频率的加减运算混频环实现对频率的加减运算pdlpfvcofi1fi2fofi2b相减混频环pdlpfvcofi1fi2fofi1fi2fofi2a相加混频环fofi1fi2混频锁相环pllfi1fi2fofi1fi2pllfi1fi2fofi1fi2c相加环简化图d相减环简化图常用基本锁相单元混频环基准频率混频环基准频率fi1fi1的频率稳定度是比较高的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而能产生连续可变频率的内插振荡器产生的fi2fi2的稳定度相对较差
度及极性等。
脉宽，上升/下降沿
控制
主振级
延时级
脉冲形成
输出 输出级
外同步 同步放大
外触发 触发输入
同步脉冲输出
同步脉冲输出
脉冲信号发生器组成原理
4.2.2 函数信号发生器
1. 多波形信号发生原理
⑴方波三角波发生器
A
C
双稳态 电路
R
W
U1 I1
பைடு நூலகம்
B
U2
V1 VC1
VC2
V2
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，那么：
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