测控技术 第三章.ppt

1、第三章 信号发生器,一、基本概念 提供测试用电信号的装置，统称为信号发生器，也称信号源。和示波器、电压表、频率计等仪器一样，信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。 1、信号发生器的用途： 激励源 ：作为某些电气设备的激励信号； 信号仿真 ：对一个设备的实际环境特性进行仿真； 校准源 ：对一般信号源进行校准。,2、信号发生器的分类 ： * 按频率范围分类 * 按输出波形分类 * 按信号发生器的性能、等级和用途分类 3、信号发生器的基本构成：,4、信号发生器的性能指标 （1） 频率范围 （2） 频率准确度和稳定度 （3） 非线性失真和频谱纯度 （4） 输出电平调节范围 （5）

2、 输出电平准确度 （6） 输出电平稳定度和平坦度 （7） 输出阻抗 （8） 调制类型 （9） 寄生调制,5、信号发生器的发展过程及趋势 正弦信号发生器（高频、低频）； 射频信号源（AM、FM）； 脉冲信号发生器； 函数信号发生器； 合成信号发生器； 任意信号发生器； 信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方面发展。,TEK Arbitrary Waveform Generators -AWG2005,20 MS/s (50ns) Clock Rate Provides up to 10MHz Waveforms Up to Four Channels o

3、f 64 k Record Length 12-Bit (1/4096)Vertical Resolution Direct DSO Waveform Transfers Region Shift Provides 50ps Edge Placement 24-Bit Channel, TTL Digital Data Generator Linear, Log and User Definable Sweep Generation TBR Built-in 1.44 MB, 3.5 in. Floppy Disk FFT Editor Frequency Domain Editing Rea

4、l-time Waveform Sequencer to Easily Create Automatic Test Sequences and Extremely Long Patterns Formula Entry Waveforms Fully Programmable from Front Panel, RS-232 and GPIB (IEEE 488.2),二、 合成信号发生器 1、现代科学技术对信号发生器的要求 合成信号发生器是借助于电子技术及计算机技术，将一个或几个基准频率通过合成产生一系列满足实际需要的频率的信号发生器。 利用频率合成技术，从一个或几个标准频率出发，对高稳定度

5、的基准频率进行加、减、乘、除算术运算，可以合成出大量的频率，而且合成出来的频率其准确度和长期稳定度都是和基准频率完全一样。,目前比较常用的频率合成器有三种，分别是：数字合成器（即查表合成器），直接合成器和间接合成器（即锁相合成器）。 直接合成是直接利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算。其优点是频率转换速度快、输出频谱纯；缺点是电路复杂，不易集成化，价格昂贵。 间接合成器通过锁相法进行频率的算术运算。受锁相环锁定过程的限制，频率转换速度较慢；但结构简化，易于集成化。,2、合成信号发生器的主要技术指标 （1）频率准确度和稳定度 （2）频率分辨力 （3）相位噪声 （4）相位杂散 （5）频率转换速度

6、,3、直接合成频率法 直接合成法是借助电子线路直接对基准频率进行算术运算，输出各种需要的频率。 固定频率合成法 ：,可变频率合成法： （1）谐波法： （2）连续混频法,（3）连续混频分频法,输入 ： 2.02.9 MHz 第一个合成单元输出：2.002.09 MHz 第二个合成单元输出： 2.002.099MHz 第三个合成单元输出： 2.0002.0999MHz 第四个合成单元输出： 2.000002.09999MHz,直接模拟合成有如下一些特点： 其一，从原理来说，频率分辨力几乎是无限的。增加一级基本运算单元就可以使频率分辨率提高一个量级。 其二，其频率转换时间主要由滤波器的响应时间、频率

7、转换开关的响应时间以及信号的传输延迟时间等决定。其转换时间一般为us级 其三，由于采用混频等电路会引入很多寄生频率分量，带来相位杂散，因此必须采用大量滤波器以改善输出信号的频谱纯度。这些将导致电路庞大、复杂、不易集成。,4、 间接频率合成法 间接合成法是基于锁相环（PLL）的原理，锁相环是一种能够自动实现相位同步的自动控制系统。 当环路稳定时，VCO的输出频率f o等于f r，即： f o = f r,倍频式锁相环 ： f 0 = N f r 分频式锁相环 ：,混频式锁相环 ： 在合成信号源中，倍频式数字环和混频环获得了更多的应用。数字环的N值，还可以借助计算机实现程控设定。,间接合成法通过锁

8、相环完成频率的算术运算，锁相环可以看成是中心频率能自动跟踪输入基准频率的窄带滤波器，其频带可以做的很窄，其中心频率便于调节，而且可以自动跟踪输入频率，这样可省去直接合成法中的滤波器，从而简化结构，便于集成。但受锁相环锁定过程的限制，频率转换速度较慢，一般在ms级。,5 、直接数字合成法 （ Direct Digital Synthesis，DDS） DDS从“相位”的概念出发进行频率合成。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器、数字信号处理器和高速D/A产生所需的波形（数字波形）。这个数字波形经模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。,（1）DDS的原理框图,（2）正弦信号相位

9、幅度关系,（3）信号的频率关系 假设控制时钟频率为fc，ROM地址码的位数为n，输出频率为f0，则有： * k=kmin=1，f0=f0min=kminfc/2n= fc/2n * k=kmax=2n-2，f0=f0max= kmaxfc/2 n=fc /4 可输出的频率个数 频率分辨率为,（4）实现方法 数字直接合成信号源的一种组成方案如下图所示。,（5）噪声分析 ： 在DDS中产生噪声的原因有二： 一是量化噪声，对于合成正弦波来说，相位和幅度的量化值都是相应的相位和幅度的近似值，存在量化误差，或称为量化噪声，在一定的电路中它一般是不变的； 另一是数/模转换器输出的阶梯波中的杂散频率，通过非

10、线性低通滤波器而带来的噪声，这类噪声将随频率增高而加大。,（6）DDS的特点 DDS的一个显著特点是在数字处理器的控制下能够精确、快速地处理频率和相位，具有相当好的频率和相位分辨率，能够进行快速的信号变换。 （7）频率合成技术的进展 在频率合成技术中，工作着重于研究提高频率分辨力和频率上限的方法。,三、 任意函数发生器 1、函数信号发生器 函数信号发生器的输出信号可与时间呈多种函数关系，能够同时获得三角形、矩形（方波）及正弦波形的信号发生器称为函数信号发生器。,函数发生器原理框图,方波三角波正弦波形,2、任意函数发生器 （1） 任意函数发生器(AFG)是直接数字合成技术的进一步发展，是由计算机

11、直接参与波形的产生。 AFG与普通函数发生器功能比较,（2）AFG的组成 AFG是在微机控制下进行工作的。因此，一般有两种结构形成。 单机结构：由微处理器系统和信号产生部分组成独立仪器，可以通过标准接口组成自动测试系统。 插卡结构：AFG以插件形式插入PC机，或者将PC总线引出机外与插卡相连并控制插卡进行工作，这属于个人仪器形式。,单机结构式的AFG的组成如下图所示,（3）任意波形的产生方法： AFG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，目前有如下几种方法： 表格法 将波形数据（经量化的）按序放入存储器，按序读出； 数学方程法 先将描

12、述波形的数学表达式存入计算机，使用时按输入参量，经过运算提供波形数据；,折线法 对于任意波形可以用若干线段来逼近，只要知道每一段的起点和终点的坐标位置，就可以按照多项式拟合计算波形各点的数据； 作图法 通过CRT用移动光标法作图，生成所需波形的数据。将此数据送入数据RAM。 输入法 将其他仪器（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。这种方法很适合于复制不再复现的信号波形。,（4）任意函数发生器的主要技术指标 幅度分辨力： 是指输出电压幅度的分辨力，在很大程度上取决于D/A转换器的性能。 相位分辨力： 即波形的时间分辨力，通常是指波

13、形存储器存储样点的参数，亦可定义为存储器的深度或容量。波形的样点越多，意味着产生波形的失真越小。 最高采样速率 ： 是指输出波形样点的速率，它表征AFG输出波形的最高频率分量。,输出通道数： AFG可单通道输出，也可双通道或多通道输出，还可能是模拟信号通道及数字信号通道输出。 输出幅度： 指在波形不失真时的输出峰峰值。 波形纯度： 指在正弦波情况下的谐波和杂散信号的情况，应比基波至少小2040dB。 直流偏移： 在输出幅度不变的情况下，信号基线可移动的情况，通常与仪器输出精度指标有关，一般为0V。,TEK Arbitrary Waveform Generator (AWG710B),4.2GS

14、/s Sample Rate Simulates Real-world Signals Up To 2.1GHz 2 Markers With 2.0psRMS ( 4.2GS/s, Typical) Jitter Deliver stable Timing to the Device-under-test (DUT) 32.4M (32,400,000) or 64.8M (64,800,000) Point Record Length Provide Longer Data Streams Analog Bandwidth to 2GHz (Option 02, Calculated Ba

15、sed on Rise Time) Provides the Highest Signal Fidelity of All High-speed AWGs Direct External clock input allows Jittered and non-jittered signals for high-speed data stream timing margin test up to 4.2Gb/s,Synchronous operation mode supports two AWG710B outputs (2: analog, 4: marker) synchronizatio

16、n for high data rate wireless and data communication test and optical write channel strategy signal test. Waveform Quick Editor with 300 fs Edge Timing Resolution Delivers Output Edge Control with Near Real-time Precision Allows two-signal mix function digitally to support disk drive noise performan

17、ce test and Pre/De-emphasis serial data communication test Real-time Sequencing Creates Infinite Waveform Loops, Jumps, Patterns and Conditional Branches,四、 扫频信号发生器 对网络的阻抗和传输特性的测量时，需要用到扫频测量技术。 在扫频测量中，用一个频率随时间按一定规律，在一定频率范围内扫描的扫频信号代替以往使用的固定频率信号，可以对被测网络或信号频谱进行快速、定性或定量的动态测量，给出被测网络的阻抗特性和传输特性的实时测量结果或信号的实时

18、频谱分析。,1、扫频信号发生器的工作原理 扫频信号发生器是一种正弦信号发生器，其输出信号频率按一定规律，在一定范围内重复变化。 如图为扫频信号发生器的原理框图。,（1）扫频振荡器 一般的扫频振荡器是LC振荡器。它的振荡回路中包含着电感和电容等电抗元件，振荡器的振荡频率可由下式决定： 在扫频振荡器的振荡回路里，采用了压控电抗元件，在扫描信号控制下，电抗发生周期性变化，从而实现扫频磁调制扫频振荡器 若控制变容二级管的偏置电压，以改变振荡回路中电容C的容量，从而实现压控扫频 变容二极管扫频振荡器,磁调制扫频振荡器原理图 变容二极管构成的振荡回路,（2） 频率标记 （频标 ） 用来确定图形上各点的频率值 。 如图是利用扫频信号发生器和示波器测量频率特性的原理方框图,菱形频标 针形频标,2、扫频信号发生器的基本功能 典型的扫频信号发生器应该具备下述三个功能： （1）产生扫频信号，扫频信号通常是等幅正弦波； （2）产生同步输出的扫描信号，扫描信号可以是三角波、正弦波、锯齿波和其它形式的波形。 （3）产生同步输出的频率标记。频标的种类有等频率间隔的通用频标，为某项测量设置的专用频标，以及活动频标。,3、扫频信号发生器的技术参数 （1）扫描时间：扫描信号的周期。 （2）扫频时间：扫频宽度可覆盖的时间间隔，且在此时间间隔内完成