电子测量教案chapter5.ppt

第5章信号源 1 引言2 信号源的基本原理3 信号源中的关键技术3 1直接数字频率合成3 2直接数字波形合成3 3锁相环4 典型信号源及其应用 1 引言 1 1基本测量功能 信号源是指能够产生电子测量用激励信号的仪器 通常也称为信号发生器 信号源的用途 激励源信号仿真校准源 1 2信号源产生的信号类型 1 信号的基本参数 三个基本参数 幅度 频率和相位 此外 还有一些其它参数 1 偏置 偏置 电压是电路接地和信号幅度中心之间的电压 偏置电压描述了同时包含AC值和DC值的信号中的DC成分 2 差分信号与单端信号 差分信号使用两条路径产生幅度相同 极性相反 相对于接地 的两路波形 单端信号只有一条路径接地 3 上升时间和下降时间 4 脉宽和占空比 脉宽是指脉冲前沿和后沿的50 幅度点之间的时间间隔 占空比 用来描述脉冲的高低 开 关 时间的相对比例 2 正弦信号 真实正弦信号的频谱 3 扫频信号 定义 信号频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号 根据扫频信号频率的产生规律 分为线性扫频和对数扫频两种扫频模式 扫频信号的主要参数包括 1 有效扫频宽度 2 扫频起始 终止频率两者差就是扫频宽度 3 扫频时间 4 扫频线性 式中 K0 max VCO的最大控制灵敏度 K0 min 最小控制灵敏度 A1和A2分别表示波形垂直方向上的最大和最小长度 5 振幅平稳性 4 噪声信号 多数环境噪声是服从高斯分布的 高斯分布的密度函数公式如下 理想高斯噪声的频谱是从直流到无限大频率的一条水平线 有无限带宽 这也称为 白噪声 5 任意波形 任意波形发生器可以根据测试需求 以特定的信号特征形成的任意波形信号 6 伪随机码流PRBS 序列的结构可以预先确定 可以重复产生和复制序列具有随机特性 对于n阶PRBS码 每个周期的序列长度为 在每个周期内 0和1是随机分布的 并且0和1的个数相等 连 1 的最大数目为n 连 0 的最大数目为n 1 PRBS通常可以使用带反馈的移位寄存器来产生 1 3信号源的分类 1 按照输出波形种类分类 1 正弦信号发生器几 Hz至几十GHz2 函数信号发生器几mHz或几 Hz到几十MHz3 扫频信号发生器产生线性扫频或对数扫频信号4 脉冲信号发生器产生矩形脉冲5 数字信号发生器产生0 1逻辑电平6 矢量信号发生器射频信号发生器7 噪声信号发生器产生白噪声或者有色噪声8 任意波形发生器产生任意波形 2 按照基波频率分类 1 超低频信号源0 0001 1000Hz2 低频信号源1Hz 200kHz 3 视频信号源10Hz 10MHz4 高频信号源200kHz 30MHz5 甚高频信号源30 300MHz6 超高频信号源300MHz以上 例 Agilent33250能够输出频率为1 Hz 80MHz正弦 3 按照合成方法分类 1 非频率合成式 波形变换2 频率合成式按是否接受编程控制分为程控和非程控信号发生器 按系统使用方式分为便携式 台式 机架安装式等 2信号源的基本原理 2 1信号产生的基本方法 1 传统的非频率合成式信号源 传统信号源的基本结构 1 源 核心部分 能够产生幅度恒定 频率可调 频率稳定度较高的正弦或者其他波形信号 a 可调正弦频率源 Colpitts电容三点式电路 通常用改变L来改变频段 改变C进行频段内频率细调 谐振回路频率也决定了输出主信号的频率 表达式为 其中 C是C1与C2两个电容的并联值频率约在几MHz到几百MHz的范围 频率稳定度约为1E 3 1E 4量级 b 固定正弦频率源 利用石英谐振器组成振荡电路 可获得比LC振荡器高很多的频率稳定性 c 正弦扫频源 变容二极管特性曲线 原理 改变谐振电路中电容量C的大小 也能使谐振频率随之改变 磁调制扫频 a 磁调电感式结构 b 扫描电流 谐振回路的谐振频率 d 可调非正弦频率源 e 噪声源 2 变换电路 a 正弦波的折线近似 b 二极管整形网络 由三角波整形成正弦波 基本功能 对源信号进行处理 生成各种需要的信号波形 3 输出电路 基本功能是调节输出信号的电平和输出阻抗 2 频率合成式信号源 1 频率合成器 频率合成方法 直接合成法 间接合成法 锁相环合成法 模拟直接合成法 数字直接合成法 a 直接频率合成技术DAFS DirectAnalogFrequencySynthesis 优点 原理简单 频率转换时间短 分辨率高缺点 设备复杂 噪声及杂散频率难以抑制 b 间接频率合成技术基于锁相环 PLL PhaseLockedLoop 的原理实现优点 结构简单 易于集成 具有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制干扰能力缺点 频率转换速度慢 频率分辨率低 c 直接数字频率合成技术DDFS DirectDigitalFrequencySynthesis 优点 频率切换时间短 频率分辨率高 相位变化连续 易实现对输出信号的多种调制 全数字化 便于集成缺点 输出带宽较窄 杂散抑制较差 2 频率合成式信号源中的晶振 2 2信号源的主要技术指标 1 频率特性 a 频率范围 b 频率准确度 c 频率稳定度 d 频率分辨力 e 频率转换时间 扫描速率 f 频率纯度 影响因素 一是相位噪声 二是杂散分量 杂散分量又称寄生信号 分为谐波分量和非谐波分量两种谐波抑制是指载波整数倍频率处的单根谱线的功率与载波功率之比 单位是dBc 杂散抑制是指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功率之比 即无杂散动态范围SFDR来表示 单位是dBc相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示 是衡量输出信号相位抖动大小的参数 在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声相位噪声的标准定义是载波功率相对于给定的频率偏移处 通常为1kHz 1Hz的带宽上的功率单位为 dBc Hz 偏移频率 2 幅度 电平 1 输出幅度范围2 幅度稳定度3 幅度平坦度4 输出幅度精度5 输出幅度分辨力6 输出幅度的频响 3 输出阻抗 常见的信号源输出阻抗有50 75 等 如 10Hz 10MHz 0 5dB 1Hz 50MHz 1dB 如 1mV 1Vrms 50 负载 136dBm至 13dBm 3 信号源中的关键技术 3 1直接数字频率合成 1 DDFS的原理 1971年 美国学者J Tierncy C M Rader和B Gold提出的一种新的频率合成原理DDFS芯片能够合成波形的频率已大数百MHz近20年间 成为现代频率合成技术中的佼佼者 广泛运用于军事和民用领域 1 DDFS的基本结构 相位累加器是实现DDFS的核心 是N比特的模2加法器 相位累加器 实现相位 幅度转换的功能LUT DDFS的输出频率表达式 fo为输出信号的频率 fc为时钟频率 N为累加器的位数 频率控制字是K时 每2N K个时钟周期输出一个周期的正弦波 此时有 当K为最小值1时 是输出信号的最小频率 满足Nyquist采样定理的条件下 DDFS输出信号的最大频率为 实际的DDFS输出信号的最大频率通常为 DDFS的理想输出频谱 理想状态时的DDFS应满足以下3个条件 无相位截断误差 即P N 波形存储器存储的幅度值没有量化误差 DAC不存在转换误差 并具有理想的DAC转换特性 理想DDFS输出的波形序列为 S n 经DAC后就得到了连续的输出波形信号S t 根据傅里叶变换的时域卷积定理 得到理想DDFS的频谱函数S 为 理想DDFS输出的频谱图 fo为30MHz fc为100MHz DDFS的技术特点 优点 a 极快的频率切换速度b 极高的频率分辨力c 连续的相位变化d 强大的数字调制功能e 易于集成 易于调整 缺点 a 工作频带的限制b 功耗限制c 杂散抑制差d 相位噪声性能 2 提高DDFS性能的技术方法 DDFS存在的相位截断对无杂散动态范围SFDR的影响 将频谱中最大失真成分与载波频率在谱线幅度上的差值以dB表示 P是波形存储器的地址位数 增加P值 增大波形存储器的容量 但将导致成本和功耗的大幅增加 P通常限制在12 19比特正弦查找表压缩算法 压缩正弦查表占用的存储器空间直接采用杂散消减技术 减少DDFS输出正弦波的杂散 1 正弦查找表压缩算法 用0 2来表示整个0 2 区间的波形幅度值 使用最高两位地址线来选择所属象限 实现的4 1的压缩比 进一步提高压缩比 研究对0 2内正弦波的压缩算法 以P 12比特为例 设1 4象限正弦函数的相位 其中 所对应的字长位数分别为 A B C 由于 均很小接近于0 第一个LUT容量为28 11比特 第二个LUT容量为28 4比特 与未压缩之前的存储容量212 11比特相比 这种方法的存储量压缩比近似为12 1 2 优化设计相位累加器 简介 相位累加器输出的重复周期为 GCD x y 表示x和y的最大公约数 如果K为奇数 导致SFDR较高 如果K为偶数 导致SFDR减小 Nicholas发现DDFS的杂散幅度与输出频率和时钟频率的比密切相关 无杂散动态范围约为77dBc 有效SFDR提高到了94dBc 改善的Nicholas相位累加器 输出0 1交替方波 3 随机扰动技术 简介 相位扰动原理 扰动技术有相位扰动和幅度扰动两种技术 3 基于DDFS的调制信号产生方法 用DDFS完成相位 频率和振幅数字调制方框图 4 DDFS集成芯片及应用 例如AD7008 AD9830 AD9854 AD9858等 3 2直接数字波形合成 1 DDWS基本原理 1 DDWS的结构及分类 根据参考时钟的种类不同 DDWS可以分为以下两种类型 a 固定时钟的DDWS b 可变时钟的DDWS 如果需要改变信号输出的频率 仅能通过对任意波形信号进行重新采样 重新配置波形存储器中的波形数据来实现 通过改变时钟频率 控制波形数据输出速率来改变信号频率 而产生波形的点数不变 2 DDWS与DDFS的比较 DDFS跳过某些样点来提高输出频率 缺点 DDFS产生任意波形时 容易产生波形失真 优点 方便改变信号输出频率 结论 在产生常规函数波形时 采用DDFS 产生复杂的任意波形时 采用DDWS 2 任意波形发生器的技术指标 1 采样时钟频率 理论上采样率fs与信号最高频率fmax之比大于2即可在实际应用时 通常选用fs与fmax为2 5 3 2 垂直 幅度 分辨力 垂直 幅度 分辨力与DDWS的DAC位数有关 位越多 幅度分辨力越高 3 存储深度 记录长度 存储深度决定着可以存储的最大样点数量 4 频率转换时间 通常与DAC的上升 下降时间 输出带宽 和时钟速度等有关 5 带宽指输出电路的模拟带宽 输出电路的设计应足以满足其采样率支持的最大信号输出频率 6 数字输出 数字标记输出和并行数据输出 7 序列 如果目标信号虽然复杂 但是可以划分为多个子波形 用户可以使用该模式创建更为复杂的波形 3 3锁相环 1 锁相环的基本原理 1 基本锁相环 基本锁相环由三部分组成 鉴相器 PD PhaseDetector 低通环路滤波器 LPF Lowpassfilter 压控振荡器 VCO Voltage ControlledOscillator 2 锁相环的组成单元 a 鉴相器 对输入的参考信号信号和反馈回路的信号进行频率和相位的比较 输出一个代表两者差异的信号至环路低通滤波器 例 模拟乘法器形式的鉴相器 输入信号 忽略经乘法器输出信号的高频分量 可得 鉴相器的的输出uPD t 为 根据余弦函数的特性 鉴相器的两个输入信号存在 2相位差时 才能达到锁定状态 b 环路低通滤波器 用来滤除鉴相器输出信号中的交流高频分量 并提供一个缓慢变化的直流电压作为VCO的输入 一阶无源滤波器 二阶无源滤波器 三阶无源滤波器一种有源比例积分滤波器 无源滤波器有简单 噪声低等优点 但其输出电压范围是固定的 有源滤波器的输出电压范围可调 但是其结构复杂且噪声大 c 压控振荡器 理想的压控振荡器表达式 一种根据输入电压的变化来控制输出相应频率信号的振荡器 K称为压控灵敏度 称为VCO的固有振荡频率 实际的VCO线性特性 构成VCO的基本方法是在LC振荡电路上加入可变电抗元件来实现对振荡频率的控制 西勒压控LC振荡电路 3 锁相环的工作过程及特性分析 a 锁相环的频率范围和带宽 锁相环动态工作过程四个频率范围的大小关系 b 锁相环的锁定时间 定义 锁相环的锁定时间指锁相环输出频率 o从一个设定频率 1变化为另一个设定频率 2时 o达到 2 tol 锁相环锁定时的允许频率误差围内所需的时间 决定了锁相频率合成器的频率切换速度 c 锁相环的其他性能参数 锁定工作状态下 相位噪声 杂散 衡量锁相环稳定性 环路带宽 相位裕度 2 频率合成器中的锁相环 分频器DIV的分频系数为N时 fout N fref 分频系数为整数的锁相环通常称为 整数分频锁相环 Integer NPLL 分频系数为小数的锁相环通常称为 小数分频锁相环 Fractional NPLL 1 整数分频锁相环 a 基本形式的整数分频锁相环 通常 分频器由低功耗的CMOS计数器实现 在输出频率fout为200MHz以下是易实现的 如果希望得到更高的输出频率 需要采用预分频器 b 单模预分频器 优点 将锁相环的输出频率扩展到微波频段 6GHz 缺点 只能合成V fref整数倍的若干频点 c 双模预分频器 加入双模预分频器的整数分频锁相环 能够同时实现P次和P 1次分频 以P P 1 表示 双模预分频器在一个循环计得的计数值为 N被P除的余数 双模预分频器工作的前提条件是 如果不满足该条件 两个计数器会在计数器A输出为0之前就被复位 这样将导致错误N值 双模分频器存在一个最小连续分频系数的极限值 如果N大于该值 N连续取任意正整数时就不会出现非法的分频系数 1 可以实现更大范围的N值 同时不降低频率分辨力 2 分频系数N不变 预分频器通常对锁相环的相位噪声 参考杂散或锁定时间等性能没有影响 2 小数分频锁相环 a 小数分频锁相环的结构和原理 可控制选择分频因子的小数分频锁相环 设目标达到的分频因子为m N F其中 N表示整数部分 F表示小数部分 且有效位数是n位则小数分频比的一般通式可表示为 例如 要实现N 5 3次分频 可以采用3次6分频和7次5分频来实现 例 b 小数分频锁相环的特点 在上面的例子中 在相对低分频系数下和高参考频率下得到更好的频率分辨力 参考频率增长了4倍 导致环路带宽增加 并缩短了锁定时间 分频系数N降低了4倍意味着PD和DIV带来的噪声将会降低12dB 更多的VCO噪声随着环路带宽的增大而被通频带滤除 分频系数从N到N 1的突然变化会产生量化噪声 因此需要通过杂散补偿措施能够实现噪声的补偿 但效果并不总是很理想 较好的解决方案是使用Sigma Delta变换器 通过噪声整形机制来消除量化噪声 3 多环频率合成器 加法