电子测量与仪器--第3章课件

本章要点,测量用信号发生器，通常称为信号源。,信号源的功用、种类和主要性能指标,通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用,合成信号源的组成原理、特性和应用,频率合成技术的发展状况,第3章信号发生器,3.1信号发生器概述,3.1.1信号发生器的功用,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）。,3.1.2信号发生器的分类,2.按波形分,正弦-,脉冲-,函数-产生函数通用波形,噪声-,t,4.按频率产生办法分,谐振-由频率选择回路控制正反馈产生振荡。,合成-由基准频率通过加、减、乘、除组合一系列频率。,5.按频率范围分,表3.1信号源按频率划分表,3.1.3正弦信号发生器的性能指标,在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。,1.频率范围,指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。,2.频率准确度,频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示,（3.1）,3.频率稳定度,频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率稳定度来保证的。频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。,4.失真度与频谱纯度,定义,测量：低频信号发生器用失真系数,高频信号发生器用频谱纯度,5.输出阻抗,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5k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。,6.输出电平,输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。,讨论：信号源输出100mv，示波器上显示却为200mv，为什么会这样？,信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波有效值标定的。,7.调制特性,高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅AM信号和调频FM信号，有些还带有调相和脉冲调制PM等功能,3.2通用信号发生器,本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，以区别后面介绍的合成信号发生器。,例：超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展，但框图原理未变。,3.2.1低频信号发生器,图3.3低频信号源组成框图,频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示：,（3.7）,以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器）为例，f1=3.3997MHz5.1000MHz，f2=3.4000MHz，则f0=300Hz1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数,而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为,可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。,2.主振荡器的特点,低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器，其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。,文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。其振荡频率决定于RC式反馈网络的谐振频率，表达式为：,（3.8）,振荡条件？,在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的LC振荡器呢？这是因为LC振荡器的频率决定于：,（3.9）,原因频率较低时，L、C数值大，相应的体积、重量也相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在RC振荡器中，频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。,原因在LC振荡器中,成反比，因而同一波段内频率,覆盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容器调节范围为40pF450pF，则频率覆盖系数为,而用RC振荡器，由（3.8）式可知，,成反比，频率,覆盖系数为,在一个波段内有较大的频率覆盖系数。,3.低频信号发生器的主要技术特性,目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下：,频率范围：1Hz1MHz分频段，均匀连续可调,频率稳定度：优于0.1%,非线性失真：0.1%1%,输出电压：0V10V,输出功率：0.5W5W连续可调,输出阻抗：50,75,600，5k,输出形式：平衡输出与不平衡输出,3.2.2高频信号发生器,1.高频信号发生器的组成原理,标准调制：F=1000Hzm=30%,若语音调制则成小电台,l)主振级,主振级通常是LC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率范围的正弦信号。,2)缓冲级,它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级与主振级。,3)调制级,为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于100kHz35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般采用正弦调制。调频主要用于30MHz1000MHz信号发生器中，脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号发生器中。,4)输出级,输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到V数量级。输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。,标准调制：F=1000Hzm=30%,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。,2.高频信号发生器使用中的问题,1)接收机的测量,测试接收机的性能，如选择性、灵敏度等指标，是高频信号发生器的典型应用。为了使接收机符合实际的工作情况，必须在接收机与仪器间接一个等效天线。等效天线接在电缆分压器的分压接线柱（有电位的一端）与接收机的天线接线柱之间。一般可采用如图3.6所示的接法。它适合于540kHz几十MHz的接收机测试。,2)波段划分,高频信号发生器主振级的LC振荡器，通常是固定电感L，通过改变电容C来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算：,例3.1XFC-6型高频信号发生器f=4MHz300MHz，试问应划分几个波段？,上式中0.9k的含义是让单回路覆盖系数取小些，这里取k=2，以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n=8，即要划分8个波段。这时相邻波段的电感值可按下式计算。,（3.11）,（3.10）,3）输出匹配,图3.8阻抗匹配,3.2.3脉冲信号发生器,3.2.4函数信号发生器,3.2.5噪声发生器,3.3合成信号发生器,频率合成的方法,直接模拟频率合成法（DAFS）,直接数字频率合成法（DDS）,间接锁相式合成法,（DirectAnalogFrequencySynthesis）,（DirectDigitalFrequencySynthesis）,3.3.1直接模拟频率合成法,利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成，且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。,1.固定频率合成法,图3.15为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供基准频率,，D为分频器的分频系数，N为倍频器的倍频系数。,因此，图3.15固定频率合成法输出频率,为,在式中，D和N均为给定的正整数。输出频率人为定值，所以称为固定频率合成法。,2.可变频率合成法,=216(2.02.9)MHz=(20.020.9)MHz,=（2.000002.09999）MHz,直接模拟合成技术特点：,1)频率分辨力高,2)频率切换快-用于跳频通信对抗（因频率点不太多）,3)电路庞大、复杂-现不用它做信号源（因信号源要求频率范围宽）,3.3.2直接数字频率合成法,直接数字合成法（DDS，DirectDigitalFrequencySynthests）。它突破了频率合成法的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至可以给出各种任意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无法实现的。这里先讨论正弦波的合成问题，关于任意波形将在后面进行讨论。,1.直接数字合成基本原理,三角波：+1、+1-1、-1,方波：0、0、1、1、,正弦波：预存正弦函数表，如图3.18。,2实例说明：,AD9850是美国AnalogDevices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。,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=232Tc因此这时输出频率为,（3.16）,若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推可得输出频率的一般表达式,（3.17）,式中k为频率码，是个32位的二进制值，可写成：,（3.18）,对应于32位码值（0或1）。为便于看,出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（3.18）代入（3.17）式得：,（3.19）,按AD9850允许最高时钟频率fc=125MHz来进行具体说明，当A01，而A31，A30，A1均为0时，则输出频率最低，也是AD9850输出频率的分辨率：,与上面从概念导出的结果一致。当A311，而A0，A1，A30均为0时，输出频率最高：,应当指出，这时一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允许值，所以当A311后，以下码值只能取0。实际应用中，为了得到好的波形，设计最高输出频率小于时钟频率的1/3。这样，只要改变32位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率的准确度与时钟频率同数量级。,3.任意波形的产生方法,直接数字频率合成技术重要的特色，它可以产生任意波形。从上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存储器的数据。因此，产生任意波形的方法取决于向该存储器（RAM）提供数据的方法。目前有以下几种方法：,1)表格法,将波形画在小方格纸上，纵坐标按幅度相对值进行二进制量化，横坐标按时间间隔编制地址，然后制成对应的数据表格，按序放入RAM。对经常使用的定了“形”的波形，可将数据固化于ROM或存入非易失性RAM中，以便反复使用。,2)数学方程法,3)折线法,4)作图法,通过计算机显示器CRT用移动光标作图，生成所需波形数据，将此数据送入RAM。,5)复制法,将其它仪器（例如数字存储示波器，XY绘图仪）获得的波形数据通过微机系统总线或GPIB接口总线传输给波形数据存储器。该法很适于复制不再复现的信号波形。,自然界中有很多无规律的现象，例如雷电、地震及机器运转时的振动等现象都是无规律的，甚至一去不复返。为了研究这些问题，就要模拟这些现象的产生。在过去只能采用很复杂的方法来实现，现在采用任意波形产生器则方便得多了。国内外已有多种型号的任意波形产生器可供选用。,例如HP33120A函数/任意波形发生器可以产生10种标准波形和任意波形，采样速率为40MS/s，输出最高频率15MHz（正弦波），波形幅度分辨力为12位。,HP33120A,3.3.3间接合成法,1.基本锁相环路,间接合成法即锁相合成法，它是利用锁相环（PLL）的频率合成方法。,基本锁相环路是由相位比较器（PD），压控振荡器（VCO）和环路滤波器（LPF）组成的闭合环路，如图3.22(a)所示。,相位比较器即鉴相器，它比较两个输入信号fo和fi的相位差,输出与相位差成比例的电压，这个电压称为误差电压ud其鉴相特性如图3.22(b)所示。,基本锁相环只能输出一个频率，而作为信号源必须要能输出一系列频率。,2.锁相环的几种基本形式,1)倍频锁相环,当环路锁定时，PD两输入信号的频率相等，即,根据PD两输入频率相等列出等式:,fo/Nfi,从等式中解出输出频率:,重点掌握,脉冲倍频环,根据PD两输入频率相等列出等式:,fiNfo,从等式中解出输出频率:,2)分频锁相环,脉冲分频环,3)混频锁相环,3.频率合成单元,1)组合环,一个典型的组合环及其输出频率，如图所示。,因为,所以,2)多环合成单元,由倍频环可得,由混频环可得:,因为,所以,(3.22),(3.23),3)十进合成单元,4)可程控合成单元,频率范围为1.200000MHz1.299999MHz,3.3.4频率合成技术的进展,1.三种合成方法的比较,2.提高频率分辨力的方法,1)微差混频法,该方法将两个频率相差甚微的信号源进行差频混频，如图3.31所示。混频器的输出频率为,在微差混频法中，由于参与混频的两个信号频率十分接近，所以分辨力得到提高。但是当这两个频率很接近时，在混频器工作中频率牵引现象也很严重，且很难解决。,2)多环合成法,3)小数合成法,令N=18,则平均分频系数,18.9,若要平均分频系数=18.6，怎么控制？,3.扩展频率上限的方法,前题条件：VCO能工作在很高频率（如GHz微波段），然后锁定。,1)前置分频法,前置分频法是在程序分频器之前设置一个固定分频器，如图3.34所示。图中D为固定分频器，其分频系数为D。因此，其输出频率fo为,2)倍频混频法,3)吞脉冲分频法,吞脉冲分频法是在锁相环的反馈支路中加入吞脉