第3章 信号发生器..

第3章测量用信号发生器第3章测量用信号发生器授课教师：张海辉Tel:13572501098QQ:4214012Email:[e-mail]第3章测量用信号发生器本章要点信号发生器的功能信号发生器的分类及工作特性函数信号发生器工作原理DDS数字式频率合成信号发生器第3章测量用信号发生器3.1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）。图3.1信号源的功用输入激励信号发生器被测设备测试仪器输出响应第3章测量用信号发生器3.2信号发生器的分类及工作特性1.按用途分专用----电视信号发生器、电平振荡器、误码仪通用----产生正弦波、脉冲、函数信号等通用波形3.按性能分普通----功率大，频率、电压刻度不大准确，用于天线测试等标准----频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用2.按波形分正弦----脉冲----函数----产生函数通用波形噪声----ttttt第3章测量用信号发生器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.按频率范围分无低频高频微波频段频率范围主振电路调制方式RC电路1Hz~1MHz磁控管、体效应管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC电路AM、FM、PMAM、FM第3章测量用信号发生器表3.1信号源按频率划分表名称频率范围主要应用领域超低频信号发生器低频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz电声学、声纳电报通讯无线电广播广播、电报电视、调频广播、导航雷达、导航、气象第3章测量用信号发生器3.2.2信号发生器的工作特性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%100000fffff（3.1）第3章测量用信号发生器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。%1000minmaxfff短期：15分钟内长期：3小时内（3.2）第3章测量用信号发生器4.失真度与频谱纯度定义%100122322UUUUn测量：低频信号发生器用失真系数2222322212100%nnUUUUUU高频信号发生器用频谱纯度20lg80~100SnUdBUUSUnfAfAtU第3章测量用信号发生器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600Ω（或1kΩ）功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等档高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω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。第3章测量用信号发生器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。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等功能第3章测量用信号发生器3.3函数信号发生器工作原理函数信号发生器实际上是一种多波形信号源，可以输出正弦波、方波、三角波、斜波、半波正弦波及指数波等。由于其输出波形均可用数学函数描述，故命名为函数发生器。目前函数发生器输出信号的频率低端可至几毫HZ，高端可达50MHZ。P66第3章测量用信号发生器3.4DDS数字式频率合成信号发生器直接数字合成法（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。1.直接数字合成基本原理三角波：+1、+1……-1、-1……方波：0、0、……1、1、……第3章测量用信号发生器正弦波：预存正弦函数表，如图。第3章测量用信号发生器直接数字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。设取样时钟频率为，正弦波每一周期由Ｎ个取样点构成，则该正弦波的频率为：NfNTfcco12DDS组成原理第3章测量用信号发生器△TTt0U正弦波由阶梯波合成，阶梯波的形成是由存储在只读存储器（ROM）中的数字信号经数模转换器形成的。我们将正弦波分成p个区域，每个区间间隔为△T=T/p，每个△T区间的电压值看作常数。将一个周期分为p=128，即可将阶梯波视为近似的正弦波。第3章测量用信号发生器DDS的实现原理如下图所示地址计数器（÷N）正弦波ROM存储器D/ALPFfcfoDDS组成原理输出信号频率fo:取决于两个因数：⑴参考时钟频率；⑵ROM中存储的正弦波；NMffco如果地址计数器以步进M（M=1)进行累加，则可在fc和ROM数据不变的情况下改变输出频率，此时fo为：第3章测量用信号发生器为便于理解，可以将正弦波波形看作一个矢量沿相位圆转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。步进点数2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248数字相位圆第3章测量用信号发生器设相位累加器位数为N，频率控制字为M，参考时钟频率为fc，则DDS输出频率为：cNofMf2截断误差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作为存储器地址，使得相位的低位被截断（即相位截尾）。当相位值变化小于1/2A时，波形幅值并不会发生变化，但输出频率的分辨率并不会降低，由于地址截断而引起的幅值误差，称为截断误差。实际应用中一般取1≤M≤(N-2)第3章测量用信号发生器单片集成化的DDS信号源输出输出串/并选择6位地址或串行编程8位并行数据FSK/BPSK/HOLD数据输入4×～20×参考时钟倍乘频率累加器相位偏移及调制+相位累加器相位转换器300MHzDDS参考时钟滤波器滤波器12位D/AM/DAC复位12位D/A频率控制字/相位字启停逻辑I/O更新读写可编程寄存器48位频率控制字14位相位偏移/调制I/O端口缓冲12位AM调制比较器模拟输入时钟输出AD9854DDS结构+-第3章测量用信号发生器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。图3.21表格法示意图0.20UAPQRST0.40.6t(s)第3章测量用信号发生器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，X—Y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。