1、第第4 4章章 測量用信號源測量用信號源4.1 4.1 信號源概述信號源概述 4.2 4.2 正弦、脈沖及函數發生器正弦、脈沖及函數發生器 4.3 4.3 鎖相頻率合成信號的產生鎖相頻率合成信號的產生 4.4 4.4 直接數字合成技術直接數字合成技術 4.5 4.5 合成信號源簡介合成信號源簡介 1.1.信號源的作用信號源的作用 信號源是能夠產生不同頻率、不同幅度的信號源是能夠產生不同頻率、不同幅度的規則或不規則波形的信號發生器。規則或不規則波形的信號發生器。 信號源的用途主要有以下三方面：信號源的用途主要有以下三方面： 激勵源。激勵源。 信號仿真。信號仿真。 標準信號源。標準信號源。1.1.

2、作激勵源作激勵源 作為某些電氣設備的激勵信號。作為某些電氣設備的激勵信號。 2.2.信號仿真信號仿真 在設備測量中，常需要產生模擬實際環境相同特在設備測量中，常需要產生模擬實際環境相同特性的信號，如對干擾信號進行仿真。性的信號，如對干擾信號進行仿真。 3.3.校準源校準源 產生一些標準信號，用于對一般信號源進行校準產生一些標準信號，用于對一般信號源進行校準（或比對）。（或比對）。 信號源的功用信號源的功用輸輸 入入激激 勵勵信信號號發發生生器器被被測測設設備備測測試試儀儀器器輸輸 出出響響 應應信號信號輸出輸出主振器主振器緩沖緩沖調制調制輸出輸出電電 源源監測監測信號發生器結構框圖信號發生器結

3、構框圖3. 按照信號發生器的性能指標 可分為： 一般信號發生器； 標準信號發生器； 的相對變化。包含系統誤差影響和隨機誤差影響。ccfff 0offfminmax0ffK212221222112)(2122)(iiiiiiiiifffffffff該方差越小，說明兩數據的離散性越小，即短時間頻率變化越小。阿倫方差定義的是m組雙取樣方差平均值方根的相對值：mfffmiiia2)(1)(12120)(lg100dBPPp)(lg200dBVVv3. 3. 輸出阻抗輸出阻抗 低頻信號發生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為低頻信號發生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600600或或1k1k）功率輸出端依輸出匹配變

4、壓器的設計而定，通常有功率輸出端依輸出匹配變壓器的設計而定，通常有5050、7575、150150、600600和和5 k5 k等檔等檔 高頻信號發生器一般僅有高頻信號發生器一般僅有5050或或7575檔。檔。 信號發生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下標定的，假設信號發生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下標定的，假設負載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數是不負載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數是不準確的。準確的。 u ut to o（a a矩形波矩形波u ut to o（b b鋸齒波鋸齒波u ut to o（c c階梯波階梯波u ut to o（d d鐘形脈沖鐘

5、形脈沖u ut to o（e e數字編碼序列數字編碼序列 常見的脈沖信號常見的脈沖信號u 脈沖發生器的分類根據用途和產生脈沖的方法）：通用脈沖發生器的分類根據用途和產生脈沖的方法）：通用脈沖發生器、快速廣譜脈沖發生器、函數發生器、數脈沖發生器、快速廣譜脈沖發生器、函數發生器、數字可編程脈沖發生器及特種脈沖發生器等。字可編程脈沖發生器及特種脈沖發生器等。輸出輸出脈寬，上升脈寬，上升/ /下降沿下降沿控制控制主振級主振級同步放大同步放大延時級延時級脈沖形成脈沖形成輸出級輸出級同步脈沖輸出同步脈沖輸出外同步外同步觸發輸入觸發輸入外觸發外觸發同步脈沖輸出同步脈沖輸出脈沖信號發生器組成原理脈沖信號發生器

6、組成原理C雙穩態雙穩態電路電路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波發生器原理框圖方波、三角波發生器原理框圖V1)(221VVCIfsc設充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，那么：utiustusct分段折線逼近波形綜合分段折線逼近波形綜合n其電路實現原理如下圖所示。其電路實現原理如下圖所示。 分段逼近波形綜合電路分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R 1AR 2AR 3AR 4AR 5AR 6AR 7AR 7BR 6BR 5BR 4BR 3BR 2BR 1BViVoD 1AD 1BD 2AD 3AD 4AD 5AD 6AD 2BD 3BD 4BD 5BD

7、6B011117211RRRRRuiuoRRRREuiAAAAAAut（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理鋸齒波的獲得原理 鋸齒波可以通過方波與三角波而獲得，將下圖中鋸齒波可以通過方波與三角波而獲得，將下圖中a a所所示三角波與圖示三角波與圖b b所示方波直接疊加就可得到圖所示方波直接疊加就可得到圖c c所所示的交錯鋸齒波，再經過全波整流，就得到了圖示的交錯鋸齒波，再經過全波整流，就得到了圖d d所示所示的鋸齒波。的鋸齒波。4.2.4 調制信號發生器調制信號發生器 調制信號被廣泛用于通信、傳輸和控制。調制方式分為調制信號被廣泛用于通信、傳輸和控制。調制方式分為模擬調制和數字調制

8、兩種。模擬調制和數字調制兩種。 模擬調制時載波信號的幅度、頻率和相位隨連續的模模擬調制時載波信號的幅度、頻率和相位隨連續的模擬調制信號而變化。擬調制信號而變化。 模擬信號先被采樣量化，變換為數字信號，然后被編模擬信號先被采樣量化，變換為數字信號，然后被編碼，最終用數字信號去調制載波。有幅移鍵控碼，最終用數字信號去調制載波。有幅移鍵控Amplitude Shift Keying）、頻移鍵控和相移鍵控。）、頻移鍵控和相移鍵控。I-Q調制正交調制）調制正交調制）首先將載波信號分解為相差首先將載波信號分解為相差90度的相互正交分量。用數字信度的相互正交分量。用數字信號分別對其號分別對其I信號和信號和Q

9、信號進行調制。最后合成已調波。信號進行調制。最后合成已調波。正交調幅正交調幅QuadratureAmplitudeModulation星座星座圖圖在通信中常把二進制調制信號分組編碼，如果四位在通信中常把二進制調制信號分組編碼，如果四位構成一組，調制信號就有構成一組，調制信號就有16種碼等。種碼等。 用相位噪聲來表征用相位噪聲來表征由噪聲引起的信號相位起伏，等效于一個噪聲源由噪聲引起的信號相位起伏，等效于一個噪聲源的相位調制，因而稱作相位噪聲。這樣，一個實際信號在頻的相位調制，因而稱作相位噪聲。這樣，一個實際信號在頻域中不再是一根離散的譜線，而是以調制邊帶的形式，在標域中不再是一根離散的譜線，而

10、是以調制邊帶的形式，在標稱頻率上、下兩側擴展稱頻率上、下兩側擴展( (如圖如圖4-254-25所示所示) )，使得信號頻譜不純，使得信號頻譜不純所以，在頻域內可用各種譜密度來表征短期頻率不穩定度，所以，在頻域內可用各種譜密度來表征短期頻率不穩定度，其中常用：其中常用： 單邊帶單邊帶(SSB)(SSB)相位噪聲相位噪聲L(f) L(f) 在實際測量中，常用單邊帶在實際測量中，常用單邊帶SSBSSB(Single Side Band)(Single Side Band)相位噪聲來相位噪聲來表征短期頻率穩定度。表征短期頻率穩定度。 圖圖4-25 4-25 實際信號的頻譜實際信號的頻譜P Pf ff0

11、f0相位噪聲的定義相位噪聲的定義 SSBSSB相位噪聲相位噪聲L (f )L (f )定義為：偏離載頻定義為：偏離載頻fofo為為f f 處，在每赫茲帶寬處，在每赫茲帶寬的單邊帶功率的單邊帶功率PSSBPSSB與載波功率與載波功率P0P0之比，通常用之比，通常用dBdB表示，見其示意圖。表示，見其示意圖。 SSB SSB相位噪聲示意圖相位噪聲示意圖P P0 0HzdBcPPSSPNsn/lg100見課后習題見課后習題4-13-（三版）（三版）4.3.1 4.3.1 頻率合成的基本概念頻率合成的基本概念頻率頻率1 1輸出輸出石英晶體石英晶體代數運算代數運算（加、減、乘、除）（加、減、乘、除）頻率

12、合成原理頻率合成原理頻率頻率n n輸出輸出基準頻率基準頻率晶振晶振諧波發生器倍頻）諧波發生器倍頻）分頻（分頻（1010）8MHz8MHz混頻（混頻（+ +）混頻（混頻（+ +）2MHz2MHz濾波濾波分頻（分頻（1010）2.8MHz2.8MHz濾波濾波0.28MHz0.28MHz分頻（分頻（1010）混頻（混頻（+ +）濾波濾波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz優點：頻率切換迅速，相位噪聲很低。優點：頻率切換迅速

13、，相位噪聲很低。缺陷：電路硬件結構復雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。缺陷：電路硬件結構復雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。鎖相環控制系統原理圖鎖相環控制系統原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd)(ti)(sinttViiimPDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b相減混頻環相減混頻環PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2（a相加混頻環相加混頻環fo= fi1- fi2混頻鎖相環混頻鎖相環+PLLfi1fi2fo= fi1+ fi2-PLLfi1fi2fo= fi1- fi2（c相加環簡化圖相加環簡化圖（d相減環簡化圖相減環簡化圖2.

14、 常用基本鎖相單元常用基本鎖相單元實例：采用教材圖實例：采用教材圖4-12的電路，的電路，fi1由石英晶體供給，頻由石英晶體供給，頻率為率為2340kHz，其日穩定度為，其日穩定度為10-610-9/日，取日，取10-6/日。日。fi2為為60 70kHz，日穩定度為，日穩定度為10-4/日。經過一天后穩定日。經過一天后穩定度因素引起的輸出頻率變化為：度因素引起的輸出頻率變化為：.105 . 3f34. 8)10106010102340(6o436321的日穩定度約為可得HzHzfffiio可見，可見，fi2的引入使的引入使fo的穩定度受到一定影響，但它基本處的穩定度受到一定影響，但它基本處于

15、于fi1的穩定度，比的穩定度，比fi2的穩定度要好很多。的穩定度要好很多。（a） 諧波倍頻環諧波倍頻環VCOPDLPFfO=Nfifi諧波諧波構成構成Nfifo=Nfi（b數字倍頻環數字倍頻環VCOPDLPFfiN倍頻式鎖相環原理圖倍頻式鎖相環原理圖fiNPLLNfi（c倍頻環簡化圖倍頻環簡化圖分頻式鎖相環原理圖分頻式鎖相環原理圖VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b數字分頻環數字分頻環VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波諧波構成構成（a諧波分頻環諧波分頻環fiNPLLfo=fi/N（c分頻環簡化圖分頻環簡化圖如果如果fi1=10kHz,N=330-500,則則fi1在在3300-5000

16、kHz內間內間隔為隔為10kHz離散可變。另外，使得離散可變。另外，使得fi2為為100-110kHz，則雙環合成單元在則雙環合成單元在3400-5110kHz連續可調。連續可調。本例合成器被稱為本例合成器被稱為1.7MHz或或1700kHz的合成器的合成器iofNNf)1 . 0(12小數合成法小數合成法 LPFLPFVCOVCOPDPDfo fo =1890kHz=1890kHzf i f i =100kHz=100kHz小數分頻器小數分頻器(N+1)(N+1)和和N N次次 =18.9=18.9控制電路控制電路 令令 N=18 N=18 那么那么 平均分頻系數平均分頻系數 19 9 18

17、 19 1 18.9 18.9 若要平均分頻系數若要平均分頻系數=18.6=18.6，怎么控制？，怎么控制？ 19 6 18 418.69 1 A22minminnNcoff2minNcoutfKf2 正弦波：預存正弦函數表，如圖正弦波：預存正弦函數表，如圖3.183.18。 實例說明：實例說明： AD9850AD9850是美國是美國Analog DevicesAnalog Devices公司生產的公司生產的DDSDDS單片頻率合單片頻率合成器，在成器，在DDFSDDFS的的ROMROM中已預先存入正弦函數表：其幅度按中已預先存入正弦函數表：其幅度按二進制分辨率量化；其相位一個周期二進制分辨率

18、量化；其相位一個周期360360按按 32min2/2的分辨率設立相位取樣點，然后存入的分辨率設立相位取樣點，然后存入ROMROM的相應地址中。的相應地址中。 實用中，改變讀取實用中，改變讀取ROMROM的地址數目，即可改變輸出頻率。假設的地址數目，即可改變輸出頻率。假設在系統時鐘頻率在系統時鐘頻率 cf的控制下，依次讀取全部地址中的相位點，的控制下，依次讀取全部地址中的相位點，則輸出頻率最低。因為這時一個周期要讀取則輸出頻率最低。因為這時一個周期要讀取232232相位點，點間相位點，點間間隔時間為時鐘周期間隔時間為時鐘周期TcTc，那么，那么Tout=232Tc Tout=232Tc 因此這

19、時輸出頻率為因此這時輸出頻率為圖圖3.19 AD98503.19 AD9850內部組成框圖內部組成框圖頻率相位碼寄存器頻率相位碼寄存器相位和相位和控制字控制字頻率碼頻率碼3232位位高速高速DDSDDS碼碼 輸輸 入入 寄寄 存存 器器并并 行行8 8位位5 5輸入輸入時鐘輸入時鐘輸入復位復位頻率更新頻率更新/ /寄存器復位寄存器復位碼輸入時鐘碼輸入時鐘串行串行1 1位位4040輸入輸入比較器比較器方波輸出方波輸出模擬輸入模擬輸入模擬輸出模擬輸出DACDAC復位復位地地VsVs322coutff（3.163.16） 若隔一個相位點讀一次，則輸出頻率就會提高一倍。依次類推若隔一個相位點讀一次，則

20、輸出頻率就會提高一倍。依次類推可得輸出頻率的一般表達式可得輸出頻率的一般表達式322coutfkf（3.173.17） 式中式中k k為頻率碼，是個為頻率碼，是個3232位的二進制值，可寫成：位的二進制值，可寫成： 0011303031312222AAAAk（3.183.18） 013031AAAA，對應于對應于3232位碼值位碼值0 0或或1 1）。為便于看）。為便于看出頻率碼的權值對控制頻率高低的影響，將出頻率碼的權值對控制頻率高低的影響，將3.183.18代入代入（3.173.17式得：式得： 0321313023112222AfAfAfAffccccout （3.193.19） 按按A

21、D9850AD9850允許最高時鐘頻率允許最高時鐘頻率fc=125MHzfc=125MHz來進行具體說明，來進行具體說明，當當A0A01 1，而，而A31A31，A30A30，A1A1均為均為0 0時，則輸出頻率最低，時，則輸出頻率最低，也是也是AD9850AD9850輸出頻率的分辨率：輸出頻率的分辨率： HzMHzffcout0291. 04294967296125232min與上面從概念導出的結果一致。當與上面從概念導出的結果一致。當A31A311 1，而，而A0A0，A1A1， A30A30均為均為0 0時，輸出頻率最高：時，輸出頻率最高：max12562.522coutffMHz應當指

22、出，這時一周只有兩個取樣點，已到取樣定理的最小允應當指出，這時一周只有兩個取樣點，已到取樣定理的最小允許值，所以當許值，所以當A31A311 1后，以下碼值只能取后，以下碼值只能取0 0。實際應用中，為。實際應用中，為了得到好的波形，設計最高輸出頻率小于時鐘頻率的了得到好的波形，設計最高輸出頻率小于時鐘頻率的1/31/3。這。這樣，只要改變樣，只要改變3232位頻率碼值，則可得到所需要的頻率，且頻率位頻率碼值，則可得到所需要的頻率，且頻率的準確度與時鐘頻率同數量級。的準確度與時鐘頻率同數量級。相位的控制 所謂相位控制，實際上指的是兩信號之間的相位差控制。 通過改變一路信號的初相，可以達到控制兩個信號的相位差的目的。 而初相可由初始相位碼來確定。 相位的控制=初相碼常量）+頻率碼增量）頻率和相位控制原理頻率和相位控制原理 該實例中相位碼有48位，而波形存儲器容量地址只有14位，對應16384個地址。每個波形存儲單元有12位。當相位碼高位變化時，波形存儲器地址才變化，相位碼位數的提高提高了頻率分辨率。4.5.14.5.1任意波形發生器任意波形發生器波形存儲器波形存儲器D/A轉換器轉換器濾波器濾波器fs輸出輸出任意波形發生器原理任意波形發