近代电子测量技术-信号源

信号源初步信号源概述信号源的作用和组成信号源的分类正弦信号源的性能指标频率合成的基本概念正弦信号源的典型应用调制信号源信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面：激励源。信号仿真。标准信号源。信号源的作用信号源的组成信号输出主振器缓冲调制输出电源监测信号发生器结构框图自激振荡源频率源可分为两大类,自激振荡源和合成频率源。常见的自激振荡源有晶体振荡器、腔体振荡器、介质振荡器、压控振荡器、YIG振荡器和波形产生器等。信号源的分类正弦波信号源；（RF～毫米波段含连续波扫描信号数字及模拟调制信号源——矢量信号源）函数信号源；（包括任意波形发生器(AWG)和函数发生器（AFG）。采用取样技术，可以构建和修改几乎任何形状可以想象的波形。）逻辑信号源噪声信号发生器。正弦波信号源正弦信号源在线性系统测试中具有特殊意义。众所周知，在正弦信号的激励下，线性电路内的所有电压和电流都是具有同一频率的正弦波，只是彼此之间的幅值和相位可起有所差别。此外，若己知线性系统对一切频率(或一组靠得很近的频率)的外加正弦信号的幅值和相位的响应，那么就能够完全确定该系统在其线性工作范围内对于任意输入信号的。也就是说：正弦波测试是线性系统频域分析的重要实验方法。（１）输出（功率）电平范围（２）输出电平准确度（３）输出电平的频率特性（带内平坦度）（４）输出阻抗正弦信号源的性能指标——幅度正弦信号源的性能指标——频率（一）（1）频率范围频率范围指频率合成器输出最低频率和输出最高频率之间的变化范围，也可以用覆盖系数k表示（k=fmax/fmin）。如果覆盖系数k2或3时，整个频段可以划分为几个分波段。（2）频率分辨率频率合成器需在指定的频率范围内产生大量离散的频率。频率分辨率是指两相邻频率点之间的间隔，故也称为频率间隔。不同用途的频率合成器的分辨率要求相差很大。作为标准信号源的合成器，则希望有尽可能精细的频率分辨率。（3）频率转换时间频率转换时间是指频率合成器从某一频率转换到另一个频率并达到稳定所需要的时间。不同类型的频率合成方式，此指标相差较大，一般要求频率转换时间小于几十毫秒。（4）频率精度（4）频率精度正弦信号源的性能指标——频率（二）频率稳定度频率稳定度是指在一定的时间间隔内，合成器输出频率变化的大小。一般可以分为长期稳定度、短期稳定度，但这种分法是相对而言的。长期稳定度：指在规定的外界条件下，在所要求的时间内工作频率的相对变化，主要由晶体和元器件的老化决定；长期稳定度是指一天以上时间内（一般按年、月、日计）合成器输出频率的漂移，常用该时间内频率的相对变化ΔFo/Fo来表示。它主要是由元器件老化及环境条件变化（如温度、湿度、压力等）引起的。频率合成器的长期稳定度一般取决于所使用的参考频率源的长期稳定度。正弦信号源的性能指标——频谱纯度指在规定的外界条件下，在所要求的时间内工作频率的相对变化，主要由晶体和元器件的老化决定；长期稳定度是指一天以上时间内（一般按年、月、日计）合成器输出频率的漂移，常用该时间内频率的相对变化ΔFo/Fo来表示。它主要是由元器件老化及环境条件变化（如温度、湿度、压力等）引起的。频率合成器的长期稳定度一般取决于所使用的参考频率源的长期稳定度。长期稳定度短期频稳度短期频稳度通常用时域和频域两种方法表征。时域频稳度除了用传统的标准差和阿仑方差表征外，目前更多的用抖动表征。频域频稳度除了用相位起伏的谱密度、频率起伏的谱密度表征外，典型的用相位噪声表征。标准差标准差描述的是采样时钟在一定的闸门时间内的平均频率围绕其平均值的起伏偏差。221011niifnffn标准差实际上是方差的估计值，可用贝塞尔公式计算。标称频率第i次测量所得的频率值n次频率测量值的均值阿仑方差式中，m为测量组数，相邻两次为一组；分别是在相邻两次闸门时间内测量的频率平均值。在测量阿仑方差时，两次相邻测量之间是无间歇时间的，使得由闪烁噪声引起的频率缓慢起伏来不及表现出来，因而阿仑方差是收敛的。'210()12miiifffm',iiff当存在闪烁噪声时，将对时钟信号产生直接的相位调制。由于闪烁相位噪声的存在，用标准差表征短期频稳度会出现发散问题，而采用阿仑方差可克服这一困难。阿仑方差的定义为：短期稳定度1.指由于电源起伏、振动等导致的（即在＜1s时间内的频率变化）；2.指各种随机噪声造成的瞬间频率或相位起伏，一般也称为相位噪声；两者在频域用单边带相位噪声（SSB）表示，以－dBc/Hz/1KHz（或MHz等）或rad2/Hz为单位；其定义为在偏离载频的频率f处，SSB功率谱密度PSSB与载频Pc之比，即：时域频稳度除了用传统的标准差和阿仑方差表征外，目前更多的用抖动表征。正弦信号源的性能指标——频谱纯度（三）()10lg(dB)SSBcPLfP频谱纯度－相位噪声（一）频谱纯度－相位噪声（二）更高的相位噪声指标意味着更高的频谱利用率！频谱纯度－相位噪声（三）信道外相位噪声使带内信号发生畸变频谱纯度－相位噪声（四）本振的相位噪声使混频器输入端的小信号隐藏于“裙”下，减小了接收灵敏度并减小了动态范围频率合成器的指标—频谱纯度影响频率合成器输出频谱纯度的因素主要有两个，一是相位噪声，二是寄生干扰。相位噪声是一种瞬间频率或相位的起伏；而寄生干扰分为谐波、次谐波和杂散（非谐波）杂散：是指频率合成器输出信号没有谐波关系的一些无用谱，在频谱上表现为若干对称边带或者信号谱线旁存在的非谐波关系的离散单根谱线谐波：是指与频率合成器输出频率有关系的信号，频谱上表现为合成器输出信号的整数倍频率处的单根谱线。AgilentE8257DPSGAnalogSignalGenerator频率合成的基本概念频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。频率1输出石英晶体代数运算（加、减、乘、除）频率合成原理频率n输出基准频率频率源性能是伴随着频率合成技术的进步而发展的，从20世纪30年代开始形成频率合成理论算起，频率合成技术的发展至今经历了三代：直接式频率合成（ＤＳ）间接式频率合成（ＰＬＬ）直接数字式频率合成（ＤＤＳ）频率合成技术的发展直接式频率合成其基本原理是利用一个或多个不同频率的晶体振荡器作为参考源，经过一系列混频、倍频、分频及滤波等操作直接产生所需要的各种离散输出频率。直接式频率合成（一）有多个参考频率源的叫做直接式非相关频率合成器，它的缺点在于制作多个具有相同频率稳定度和精度的参考频率源既复杂又困难，成本很高；晶振谐波发生器（倍频）分频（÷10）8MHz混频（+）混频（+）2MHz滤波分频（÷10）2.8MHz滤波0.28MHz分频（÷10）混频（+）滤波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图1MHz1MHz9MHz直接式频率合成（二）只有一个频率参考源的叫做直接式相关频率合成器，这种合成器由于只有一个参考源，它所需的所有频率都由这一个频率经过倍频、分频和混频后得到，这样，合成器所输出频率的稳定度和精度都与参考源一样，现在绝大多数都使用这种方法。直接式频率合成（三）优点频率转换速度快长期和短期频率稳定度高具有很好的近载频相位噪声性能。缺点但由于大量采用了倍频、分频、混频和滤波环节，因此：结构复杂、调试难度大杂散抑制较差，难以达到高的频率分辨率。在20世纪50年代出现的锁相式频率合成是一种间接的频率合成方法，它利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。间接式频率合成锁相环基本工作原理及性能锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、电压控制振荡器（VCO）及基准晶体振荡器等部分组成。锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd锁相环的基本形式－倍频式（一）（a）谐波倍频环VCOPDLPFfO=Nfifi谐波形成Nfifo=Nfi（b）数字倍频环VCOPDLPFfi÷N倍频式锁相环原理图fi×NPLLNfi（c）倍频环简化图倍频环实现对输入频率进行乘法运算，主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环锁相环的基本形式－倍频式（二）分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有两种基本形式。分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波形成（a）谐波分频环fi÷NPLLfo=fi/N（c）分频环简化图锁相环的基本形式－分频式混频环实现对频率的加减运算PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混频环fo=fi1-fi2混频锁相环+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加环简化图（d）相减环简化图锁相环的基本形式－混频式单环合成单元存在频率点数目较少，频率分辨率不高等缺点，所以一个合成式信号源都是由多环合成单元组成。fo=Nfi1+fi23400～5100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（－）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1内插振荡器环1环2倍频环加法混频环（a）双环合成器原理结构框图100～110KHz×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2（b）双环合成器简化结构框图双环合成器原理结构图VCO1PD1LPF1谐波形成锁相环的基本形式－多环合成（一）三环PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfi÷NB÷MVCOCPDCLPFC－BPFfoVCOAPDALPFA+÷NAfA×NAPLL+PLL÷M×NBPLLfifo三环合成器简化框图fBfA锁相环的基本形式－多环合成（二）iAAfNfiBBfNfMfffBAo/iBAofMNNf)/(小数分频式锁相环（一）随着微处理技术的发展，出现了小数分频锁相环，给频率分辨率的提高提供了较好的途径，因而在现代频率合成器中得到了较多地应用。VCOPDLPFfofiN/(N+1)小数分频器微处理器实际上数字分频器每次分频的系数仍是整数，所谓小数分频只是一种平均的效果。概括地讲，若希望分频系数有整数部分（N）也有小数部分（k），小数部分的位数为n，则需进行k次（N+1）分频，（10^n-k）次N分频循环进行即可，每次循环总分频次数为10^n次。小数分频式锁相环（二）VCOPDLPFfofiN/(N+1)小数分频器微处理器若希望分频系数有整数部分（N）也有小数部分（k），小数部分的位数为n，则需进行k次（N+1）分频，（（10^n）-k）次N分频循环进行即可，每次循环总分频次数为10^n次如希望得到18.9次分频：N=18，k＝9，n=19次19分频，(10^1)-9＝1次18分频，则平均分频系数为：（19*9+18*1）/（9+1）＝18.9如希望得到41.28次分频：N=41，k＝28，n=228次42分频，(10^2)-28＝72次41分频，则平均分频系数为：（42*28+41*72）/（28+72）＝18.9小数分频式锁相环（三）VCOPDLPFfofiN/(N+1)小数分频器微处理器N及N+1分频的进行是被“掺匀”了的，避免出现一段时间内完成的都是N分频而在另一段时间内都是N+1分频。这样的工作由微处理器控制完成。具体的方法可用小数部分k进行累加，若累加计数未达到10^n则取N分频，若达到则累加高位溢出，并取N+1分频。如希望得到18.7次分频：N=18，k＝7，n=1累加次数累加结果分频系数1718214→419311→1194818515→519612→2197918816→619913→3191010→019锁相环的基本形式－多环合成（三）毫米波CW信号源（多环/小数分频技术——解决频率分辨率与相位噪声指标间的矛盾）PLL相位噪声的特点PLL的相位噪声来源包括：参