电子测量第4章测量用信号源

f sc
?
I 2 C (V 1 ? V 2 )
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 R7A +E
-E R7B
R5 R6A
D6A D6B
R6B
R4 R5A
R3 R4A
R2 R3A
D5A D5B
D4A D4B
D3A D3B
R5B
R4B
R3B
分段逼近波形综合电路
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
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。
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。
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
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
fi 2
??2 ?
?
?? ?
fi 2
?
fi1 ? fi 2 ??2 ? 2?
1 2
(
fi 2
?
fi1 )2
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：
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。
谐波发生器（倍频）1Mz H 晶振 分频（÷10）
8M
2.8MHz
0.28MHz
1MHz
Hz 2MH
混频（+）
z 6MH
混频（+）
滤波
分频（÷10）
6.28MH
滤波 z 分频（÷10）
? 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
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 ：
fi1
+
fo= fi1+ fi2
fi2
PLL
（c）相加环简化图 混频锁相环
fi1
-
fo= fi1- fi2
fi2 PLL
（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：
? 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 。
fr Vr
PD Vd
LPF
VCO
锁相环控制系统原理图
fO Vo
? 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。
? 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。
? 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
u
u
u
o
t
（a）矩形波
u
o
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、输出幅度及极性等。
信
号 发 生
输入 激励
被 测 设
输出 响应
测 试 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
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。
2020/4/29
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，见其示意图
R1 R2A
D2A D2B
R2B
R0 Vi
Vo R1A
D1A D1B
R1Bui ? ? E
R1 A
R1A ? R2 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。
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：
主振级
外同步 同步放大
外触发 触发输入
脉宽，上升/下降沿 控制
延时级
脉冲形成
输出级
输出
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
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，则：
? 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Vim sin[?it ? ?i (t)]
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
1. 频率特性
? （1）频Hale Waihona Puke Baidu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
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，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 0.0001Hz ～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。
SSPN ? 10lg Psn ?dBc / Hz?
P0
P
0
见课后习题4-13-（三版）
2020/4/29
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。
? LF Loops Filter
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+ fi2 fi1
VCO
PD
LPF
fi2
fo+fi2
M
（＋）
fo= fi1- fi2 VCO
（a）相加混频环
（b）相减混频环
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
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）。
? 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）。
? a (?) ?
1 f0
m
? ( fi2 ? fi1)2
i?1
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
?
10 lg
P P0
(dB)
?v
?
20 lg
V 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
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。