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激励信号产生

激励信号产生. 1 概述 2 频率合成技术 3 波形合成技术 4 调制波形产生技术 5 典型信号源. 1 概述. 信号 产生. 信号 传输. 信号 接收. 信号 处理. 信号产生 和信号分析并列为测试技术和电子系统的两大核心. 信号产生直接决定测试技术及电子装备的水平. 1 信号源在自动测试中的作用. 典型的自动测试系统. 1 信号产生的发展趋势. 电子系统频率范围提高. 新体制、新制式推出. 电子技术应用领域拓展. 复杂. 高速. 任意化特征加剧、细微特征丰富 输出信号数目增加. 极高的频率或带宽

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激励信号产生

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Presentation Transcript

  1. 激励信号产生 1 概述 2 频率合成技术 3 波形合成技术 4 调制波形产生技术 5 典型信号源

  2. 1 概述 信号 产生 信号 传输 信号 接收 信号 处理 信号产生和信号分析并列为测试技术和电子系统的两大核心 信号产生直接决定测试技术及电子装备的水平

  3. 1 信号源在自动测试中的作用 典型的自动测试系统

  4. 1 信号产生的发展趋势 电子系统频率范围提高 新体制、新制式推出 电子技术应用领域拓展 复杂 高速 • 任意化特征加剧、细微特征丰富 • 输出信号数目增加 • 极高的频率或带宽 • 极高的频率切换速度 高速复杂波形合成成为信号产生技术的主流和热点

  5. 1.1 信号的表征 • 规则波——可用函数表示的波形 • 不规则波——不可以或者不便于用函数表示的波形

  6. 1.1 信号的表征——时域基本参数 幅度：峰峰值/振幅、有效值或功率 频率：单位时间内完成周期性变化的次数 偏移：直流分量与零电平之间的差值 平均值？ 相位：反映交流信号任何时刻状态的物理量

  7. 1.1 信号的表征——脉冲参数 脉冲宽度/占空比、上升时间、下降时间

  8. 1.2 信号源的分类 2. 按输出波形 正弦波形发生器 脉冲信号发生器 函数/任意波发生器 随机信号发生器 噪声信号发生器 1. 按频率范围 低频信号发生器 1MHz 射频信号发生器 3～6GHz 微波信号发生器 20～50GHz 毫米波信号发生器 300GHz 3. 按应用特性 • 合成信号发生器 • 扫频信号发生器 • 合成扫频信号发生器 4. 按调制特性 • 连续波信号发生器 • 模拟调制信号发生器 • 矢量信号发生器

  9. 1.3 信号源的主要技术指标 1. 频率特性 • 频率范围、频率准确度、频率稳定度 • 频率分辨力 • 频率转换时间 2.幅度、电平/功率特性 • 幅度/功率范围、幅度/功率分辨力 • 幅度准确度、幅度平坦度 • 输出阻抗 3. 扫描特性 • 扫描范围、扫描时间、扫描准确度

  10. 电压 基波 非谐波 失真 相位 噪声 谐波 失真 分谐波 失真 频率 f0/2 2f0 f0 1.3 信号源的主要技术指标 4. 频谱特性 • 谐波失真 • 总谐波失真（THD） • 非谐波失真 • 杂散（SFDR） • 相位噪声 • 5. 调制特性 • 幅度调制：调制频率、调幅深度、调幅准确度、调幅灵敏度 • 频率调制：调制频率、最大频偏、频偏准确度、频偏灵敏度 • 相位调制：调制频率、最大相偏、相偏准确度、相偏灵敏度 • 脉冲调制：脉冲周期/频率、脉宽、上升下降时间

  11. 实际正弦信号的频谱图

  12. 1.4 信号源基本组成

  13. 2 频率合成技术 ⑴ 直接频率合成（ADS） • 混频、倍频和分频等方法，窄带滤波器选频 ⑵ 间接频率合成：PPL（Phase Lock Loop ） • 利用PLL把VCO的输出频率锁定在基准频率上，通过不同形式的锁相环在基准频率基础上合成不同频率 ⑶ 直接数字合成（DDS） • 基于取样技术和数字计算技术实现频率合成

  14. 2.1 直接频率合成 优点：频率切换迅速，相位噪声很低 缺点：电路复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化

  15. 2.2 锁相式频率合成 基本结构：锁相环（PLL） 组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控振 荡器（VCO）及基准晶振等 原理：负反馈控制系统，利用PLL把VCO的输出频率锁定在基准频率上，通过不同形式的锁相环在一个基准频率基础上合成不同频率 • 优点：易集成，体积小，结构简单，功耗低，价格低 • 缺点：频率切换时间较长，相位噪声较大

  16. PLL主要性能指标 • 环路带宽 对输入信号的相位而言，锁相环具有低通滤波器的传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。环路带宽越低，其滤波作用越好。 对输入信号整体而言，具有窄带滤波特性。只允许输入信号角频率附近的频率分量通过，阻止远离输入频率的频率分量传送到输出端，在一定范围内跟踪输入频率！ • 捕捉带宽 假设环路最初不处于锁定状态，环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许频差 。

  17. 1.倍频式锁相环 实现模型 锁相环的基本形式 等效模型

  18. 2.分频式锁相环 实现模型 锁相环的基本形式 等效模型

  19. 锁相环的基本形式 相加混频环 3.混频式锁相环 相减混频环

  20. 提高频率分辨力的锁相合成技术 • 后置分频器提高分辨力 输出频率范围减小 • 减小频率增量提高分辨力 频率增量越小，转换时间越长 • 保证转换时间和频率范围前提下提高频率分辨力的途径 多环频率合成法 小数分频法

  21. 多环频率合成

  22. 例：双环合成 环1进行频率粗调，内插振荡器实现频率精调，混频环实现频率求和例：输出为2153.5kHz

  23. 小数分频法 思想：可变分频和多次平均例如4.3分频，只要在10次分频中作7（即10-3）次除4，3次除5就可以得到。在输入信号的10个周期内，输出信号为43个周期（43=7*4+3*5） 。

  24. 小数分频电路的改进 • 小数分频时,输入输出频率之比不是整数,使得鉴相器的输出电压(相位误差)呈阶梯变化，这个电压加到VCO上会使得合成器频谱变差。 • 同时累加值（累加器ACCU中的存数）恰好也是与其一致的阶梯变化，因此将该数据进行D/A转换后加到PD的输出端就可以抵消该变化。

  25. 扩展频率上限的锁相合成技术 扩展频率上限的方法: 前置分频器法;多模分频器法 前置分频器法 在反馈回路加一个前置的固定分频器，固定分频可以做得较高，频率上限提高了M倍，但频率分辨力下降了M倍。

  26. 模值（分频比）可以在多个固定的值上改变的分频器 多模分频器的最高工作频率不如固定的前置分频器高，但比可变分频器高得多 多模分频锁相频率合成技术 1、变模分频器工作在V+1分频模式 2、N2计数器记满后停止记数，同时将变模分频器切换到V分频模式 3、N1计数器记满输出脉冲给PD，然后重置计数器，重新开始计数 Ｎ２变化１时，fo变化为fi，即输出频率分辨力为fi

  27. PLL实例：十进频率合成器 • 采用了十进锁相合成单元，输出频率是采用十进数字盘来选择，它可以提供更高的输出频率准确度。 （1）十进频率合成器组成 五个DS-1合成单元串接起来，其输出频率被送到合成单元DS-2，得到输出频率为(21～22)MHz DS-2的输出加到合成单元DS-4，得到输出频率为(101～122)MHz 合成单元DS-3输出为(101～92)MHz DS-3与DS-4的输出频率加到混频器M进行相减，最后得到200Hz～30MHz的输出频率

  28. 十进锁相式频率合成器组成框图 8个表盘，输出范围200Hz-30MHz，分辨率1Hz

  29. 1）DS-1合成单元 倍频、混频、分频 刻度盘选择倍频环的输出频率 输出范围：（1.2-1.3）MHz

  30. 2）DS-2合成单元

  31. 3）DS-3合成单元

  32. 4）DS-4合成单元

  33. 5)输出频率的连续调节 • 为了使输出频率连续可调，频率合成器中加入了一个内插振荡器 当选择开关S置于1时，内插振荡器是一个倍频环，它输出一个1.2MHz的固定点频，此时频率合成器只能输出离散频率。 当内插振荡器的开关S置于2时，VCO就作为一个频率连续可调的振荡器工作，调节电位器P，改变VCO的偏压，可使它的输出在1.2MHz～1.3MHz之间连续变化。

  34. 2.3 直接数字合成技术 • 1971年，美国学者J．Tierncy，C．M．Rader和B．Gold提出了直接数字频率合成（DDS）技术，它从相位概念出发直接合成所需波形 • 全数字控制、频率分辨率高、切换速度快、切换时相位连续 • Analog 公司、Qualcomm 公司和Stanford 公司一系列性能优良的DDS 器件不断出现, 工作频率可达GHz, 频率分辨率可到mHz

  35. DDS原理及主要问题 N M D 相位 累加器 数据 查找表 数模 转换器 低通 滤波器 输出 频率 控制字 N 采样时钟 输出频率

  36. 步进 点数 256 4096 65536 1048576 16777216 4294967296 281474976710656 N 8 12 16 20 24 32 48 数字相位圆 相位环 理解：可以将正弦波形看作一个矢量，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。

  37. 任意波形合成方法及采样模型 低通滤波器 数模转换器 地址发生器对波形查找表的抽样 保持系统 重构系统

  38. DDS的主要误差 1、相位截断误差 2、幅度量化误差 3、DAC保持、采样特性误差 4、DAC非线性误差 5、采样时钟误差

  39. DDS/PLL组合应用 此时输出频率为：

  40. 3 波形产生 • 模拟方法 • 数字方法 • 波形调理方法

  41. 3.1 模拟波形产生——振荡法 1.方波三角波产生 C 设充放电电流为I，输出三角波的频率为fsc，则：

  42. 震荡产生正弦波-文氏电桥 振荡条件R2=2R1

  43. 波形变换 • 积分产生三角波 • 比较产生方波、叠加、整流产生锯齿波 • 滤波产生正弦波

  44. 非线性变换产生正弦波

  45. 脉冲波形生成技术 • 常规脉冲生成 1、利用各种形式的多谐振荡器产生矩形波； 2、利用整形电路将现有的各种触发信号变换成符合要求的矩形脉冲波形。 • 快沿（纳秒/皮秒级别）脉冲生成 隧道二极管、雪崩晶体三极管、阶跃恢复二极管、耿式器件等分立元件； 水银开关、脉冲放电管、光导开关。

  46. 3.2 数字波形合成 • DDFS直接数字频率合成技术 • DDWS直接数字波形合成技术 • 数字脉冲合成技术

  47. 直接数字波形合成技术 直接数字波形合成——DDWS M D 地址 发生器 数据 查找表 数模 转换器 低通 滤波器 输出 采样时钟 可变时钟发生器 DDWS可看作是某一特定采样时钟下，频率控制字为2N-M的DDFS

  48. 数字脉冲合成技术 （1）序列式脉冲发生技术 （2）数字合成式脉冲发生技术 极窄脉冲/单脉冲发生 双脉冲发生 群脉冲发生

  49. 数字合成式脉冲发生技术 极窄脉冲/单脉冲发生

  50. 数字合成式脉冲发生技术 双脉冲发生

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