1、第三章 信號發(fā)生器,一、基本概念 提供測試用電信號的裝置，統(tǒng)稱為信號發(fā)生器，也稱信號源。和示波器、電壓表、頻率計等儀器一樣，信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。 1、信號發(fā)生器的用途： 激勵源 ：作為某些電氣設(shè)備的激勵信號； 信號仿真 ：對一個設(shè)備的實際環(huán)境特性進(jìn)行仿真； 校準(zhǔn)源 ：對一般信號源進(jìn)行校準(zhǔn)。,2、信號發(fā)生器的分類 ： * 按頻率范圍分類 * 按輸出波形分類 * 按信號發(fā)生器的性能、等級和用途分類 3、信號發(fā)生器的基本構(gòu)成：,4、信號發(fā)生器的性能指標(biāo) （1） 頻率范圍 （2） 頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度 （3） 非線性失真和頻譜純度 （4） 輸出電平調(diào)節(jié)范圍 （5）

2、 輸出電平準(zhǔn)確度 （6） 輸出電平穩(wěn)定度和平坦度 （7） 輸出阻抗 （8） 調(diào)制類型 （9） 寄生調(diào)制,5、信號發(fā)生器的發(fā)展過程及趨勢 正弦信號發(fā)生器（高頻、低頻）； 射頻信號源（AM、FM）； 脈沖信號發(fā)生器； 函數(shù)信號發(fā)生器； 合成信號發(fā)生器； 任意信號發(fā)生器； 信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、高頻率精度、多功能、多用途、自動化和智能化方面發(fā)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、 合成信號發(fā)生器 1、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對信號發(fā)生器的要求 合成信號發(fā)生器是借助于電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)，將一個或幾個基準(zhǔn)頻率通過合成產(chǎn)生一系列滿足實際需要的頻率的信號發(fā)生器。 利用頻率合成技術(shù)，從一個或幾個標(biāo)準(zhǔn)頻率出發(fā)，對高穩(wěn)定度

5、的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行加、減、乘、除算術(shù)運(yùn)算，可以合成出大量的頻率，而且合成出來的頻率其準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定度都是和基準(zhǔn)頻率完全一樣。,目前比較常用的頻率合成器有三種，分別是：數(shù)字合成器（即查表合成器），直接合成器和間接合成器（即鎖相合成器）。 直接合成是直接利用混頻、倍頻和分頻進(jìn)行頻率的算術(shù)運(yùn)算。其優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換速度快、輸出頻譜純；缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，不易集成化，價格昂貴。 間接合成器通過鎖相法進(jìn)行頻率的算術(shù)運(yùn)算。受鎖相環(huán)鎖定過程的限制，頻率轉(zhuǎn)換速度較慢；但結(jié)構(gòu)簡化，易于集成化。,2、合成信號發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo) （1）頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度 （2）頻率分辨力 （3）相位噪聲 （4）相位雜散 （5）頻率轉(zhuǎn)換速度

6、,3、直接合成頻率法 直接合成法是借助電子線路直接對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，輸出各種需要的頻率。 固定頻率合成法 ：,可變頻率合成法： （1）諧波法： （2）連續(xù)混頻法,（3）連續(xù)混頻分頻法,輸入 ： 2.02.9 MHz 第一個合成單元輸出：2.002.09 MHz 第二個合成單元輸出： 2.002.099MHz 第三個合成單元輸出： 2.0002.0999MHz 第四個合成單元輸出： 2.000002.09999MHz,直接模擬合成有如下一些特點(diǎn)： 其一，從原理來說，頻率分辨力幾乎是無限的。增加一級基本運(yùn)算單元就可以使頻率分辨率提高一個量級。 其二，其頻率轉(zhuǎn)換時間主要由濾波器的響應(yīng)時間、頻率

7、轉(zhuǎn)換開關(guān)的響應(yīng)時間以及信號的傳輸延遲時間等決定。其轉(zhuǎn)換時間一般為us級 其三，由于采用混頻等電路會引入很多寄生頻率分量，帶來相位雜散，因此必須采用大量濾波器以改善輸出信號的頻譜純度。這些將導(dǎo)致電路龐大、復(fù)雜、不易集成。,4、 間接頻率合成法 間接合成法是基于鎖相環(huán)（PLL）的原理，鎖相環(huán)是一種能夠自動實現(xiàn)相位同步的自動控制系統(tǒng)。 當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定時，VCO的輸出頻率f o等于f r，即： f o = f r,倍頻式鎖相環(huán) ： f 0 = N f r 分頻式鎖相環(huán) ：,混頻式鎖相環(huán) ： 在合成信號源中，倍頻式數(shù)字環(huán)和混頻環(huán)獲得了更多的應(yīng)用。數(shù)字環(huán)的N值，還可以借助計算機(jī)實現(xiàn)程控設(shè)定。,間接合成法通過鎖

8、相環(huán)完成頻率的算術(shù)運(yùn)算，鎖相環(huán)可以看成是中心頻率能自動跟蹤輸入基準(zhǔn)頻率的窄帶濾波器，其頻帶可以做的很窄，其中心頻率便于調(diào)節(jié)，而且可以自動跟蹤輸入頻率，這樣可省去直接合成法中的濾波器，從而簡化結(jié)構(gòu)，便于集成。但受鎖相環(huán)鎖定過程的限制，頻率轉(zhuǎn)換速度較慢，一般在ms級。,5 、直接數(shù)字合成法 （ Direct Digital Synthesis，DDS） DDS從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。DDS以穩(wěn)定度高的參考時鐘為參考源，通過精密的相位累加器、數(shù)字信號處理器和高速D/A產(chǎn)生所需的波形（數(shù)字波形）。這個數(shù)字波形經(jīng)模擬濾波器后，得到最終的模擬信號波形。,（1）DDS的原理框圖,（2）正弦信號相位

9、幅度關(guān)系,（3）信號的頻率關(guān)系 假設(shè)控制時鐘頻率為fc，ROM地址碼的位數(shù)為n，輸出頻率為f0，則有： * k=kmin=1，f0=f0min=kminfc/2n= fc/2n * k=kmax=2n-2，f0=f0max= kmaxfc/2 n=fc /4 可輸出的頻率個數(shù) 頻率分辨率為,（4）實現(xiàn)方法 數(shù)字直接合成信號源的一種組成方案如下圖所示。,（5）噪聲分析 ： 在DDS中產(chǎn)生噪聲的原因有二： 一是量化噪聲，對于合成正弦波來說，相位和幅度的量化值都是相應(yīng)的相位和幅度的近似值，存在量化誤差，或稱為量化噪聲，在一定的電路中它一般是不變的； 另一是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的階梯波中的雜散頻率，通過非

10、線性低通濾波器而帶來的噪聲，這類噪聲將隨頻率增高而加大。,（6）DDS的特點(diǎn) DDS的一個顯著特點(diǎn)是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確、快速地處理頻率和相位，具有相當(dāng)好的頻率和相位分辨率，能夠進(jìn)行快速的信號變換。 （7）頻率合成技術(shù)的進(jìn)展 在頻率合成技術(shù)中，工作著重于研究提高頻率分辨力和頻率上限的方法。,三、 任意函數(shù)發(fā)生器 1、函數(shù)信號發(fā)生器 函數(shù)信號發(fā)生器的輸出信號可與時間呈多種函數(shù)關(guān)系，能夠同時獲得三角形、矩形（方波）及正弦波形的信號發(fā)生器稱為函數(shù)信號發(fā)生器。,函數(shù)發(fā)生器原理框圖,方波三角波正弦波形,2、任意函數(shù)發(fā)生器 （1） 任意函數(shù)發(fā)生器(AFG)是直接數(shù)字合成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，是由計算機(jī)

11、直接參與波形的產(chǎn)生。 AFG與普通函數(shù)發(fā)生器功能比較,（2）AFG的組成 AFG是在微機(jī)控制下進(jìn)行工作的。因此，一般有兩種結(jié)構(gòu)形成。 單機(jī)結(jié)構(gòu)：由微處理器系統(tǒng)和信號產(chǎn)生部分組成獨(dú)立儀器，可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口組成自動測試系統(tǒng)。 插卡結(jié)構(gòu)：AFG以插件形式插入PC機(jī)，或者將PC總線引出機(jī)外與插卡相連并控制插卡進(jìn)行工作，這屬于個人儀器形式。,單機(jī)結(jié)構(gòu)式的AFG的組成如下圖所示,（3）任意波形的產(chǎn)生方法： AFG輸出波形取決于波形存儲器的數(shù)據(jù)，因此，產(chǎn)生任意波形的方法取決于向該存儲器（RAM）提供數(shù)據(jù)的方法，目前有如下幾種方法： 表格法 將波形數(shù)據(jù)（經(jīng)量化的）按序放入存儲器，按序讀出； 數(shù)學(xué)方程法 先將描

12、述波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式存入計算機(jī)，使用時按輸入?yún)⒘浚?jīng)過運(yùn)算提供波形數(shù)據(jù)；,折線法 對于任意波形可以用若干線段來逼近，只要知道每一段的起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)位置，就可以按照多項式擬合計算波形各點(diǎn)的數(shù)據(jù)； 作圖法 通過CRT用移動光標(biāo)法作圖，生成所需波形的數(shù)據(jù)。將此數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)RAM。 輸入法 將其他儀器（例如數(shù)字存儲示波器，xy繪圖儀）獲得的波形數(shù)據(jù)通過微機(jī)系統(tǒng)總線或GPIB接口總線傳輸給波形數(shù)據(jù)存儲器。這種方法很適合于復(fù)制不再復(fù)現(xiàn)的信號波形。,（4）任意函數(shù)發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo) 幅度分辨力： 是指輸出電壓幅度的分辨力，在很大程度上取決于D/A轉(zhuǎn)換器的性能。 相位分辨力： 即波形的時間分辨力，通常是指波

13、形存儲器存儲樣點(diǎn)的參數(shù)，亦可定義為存儲器的深度或容量。波形的樣點(diǎn)越多，意味著產(chǎn)生波形的失真越小。 最高采樣速率 ： 是指輸出波形樣點(diǎn)的速率，它表征AFG輸出波形的最高頻率分量。,輸出通道數(shù)： AFG可單通道輸出，也可雙通道或多通道輸出，還可能是模擬信號通道及數(shù)字信號通道輸出。 輸出幅度： 指在波形不失真時的輸出峰峰值。 波形純度： 指在正弦波情況下的諧波和雜散信號的情況，應(yīng)比基波至少小2040dB。 直流偏移： 在輸出幅度不變的情況下，信號基線可移動的情況，通常與儀器輸出精度指標(biāo)有關(guān)，一般為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、 掃頻信號發(fā)生器 對網(wǎng)絡(luò)的阻抗和傳輸特性的測量時，需要用到掃頻測量技術(shù)。 在掃頻測量中，用一個頻率隨時間按一定規(guī)律，在一定頻率范圍內(nèi)掃描的掃頻信號代替以往使用的固定頻率信號，可以對被測網(wǎng)絡(luò)或信號頻譜進(jìn)行快速、定性或定量的動態(tài)測量，給出被測網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和傳輸特性的實時測量結(jié)果或信號的實時

18、頻譜分析。,1、掃頻信號發(fā)生器的工作原理 掃頻信號發(fā)生器是一種正弦信號發(fā)生器，其輸出信號頻率按一定規(guī)律，在一定范圍內(nèi)重復(fù)變化。 如圖為掃頻信號發(fā)生器的原理框圖。,（1）掃頻振蕩器 一般的掃頻振蕩器是LC振蕩器。它的振蕩回路中包含著電感和電容等電抗元件，振蕩器的振蕩頻率可由下式?jīng)Q定： 在掃頻振蕩器的振蕩回路里，采用了壓控電抗元件，在掃描信號控制下，電抗發(fā)生周期性變化，從而實現(xiàn)掃頻磁調(diào)制掃頻振蕩器 若控制變?nèi)荻壒艿钠秒妷海愿淖冋袷幓芈分须娙軨的容量，從而實現(xiàn)壓控掃頻 變?nèi)荻O管掃頻振蕩器,磁調(diào)制掃頻振蕩器原理圖 變?nèi)荻O管構(gòu)成的振蕩回路,（2） 頻率標(biāo)記 （頻標(biāo) ） 用來確定圖形上各點(diǎn)的頻率值 。 如圖是利用掃頻信號發(fā)生器和示波器測量頻率特性的原理方框圖,菱形頻標(biāo) 針形頻標(biāo),2、掃頻信號發(fā)生器的基本功能 典型的掃頻信號發(fā)生器應(yīng)該具備下述三個功能： （1）產(chǎn)生掃頻信號，掃頻信號通常是等幅正弦波； （2）產(chǎn)生同步輸出的掃描信號，掃描信號可以是三角波、正弦波、鋸齒波和其它形式的波形。 （3）產(chǎn)生同步輸出的頻率標(biāo)記。頻標(biāo)的種類有等頻率間隔的通用頻標(biāo)，為某項測量設(shè)置的專用頻標(biāo)，以及活動頻標(biāo)。,3、掃頻信號發(fā)生器的技術(shù)參數(shù) （1）掃描時間：掃描信號的周期。 （2）掃頻時間：掃頻寬度可覆蓋的時間間隔，且在此時間間隔內(nèi)完成