科學的發(fā)展離不開測量技術的進步。示波器作為一種最基礎的科研儀器,其性能指標的提升直接關系到電子科學及其應用領域的發(fā)展。示波器校準儀作為校準、測試示波器的主要設備,是保證示波器正常工作的基石。隨著5G時代的來臨,各應用領域中的電子信號要求頻率更高、質量更好,這無疑對示波器提出了更高的要求,同時也要求示波器校準儀能夠產(chǎn)生更高質量的校準信號。本課題主要內容是基于示波器校準儀,研究高精度穩(wěn)幅正弦波信號的產(chǎn)生,為示波器提供帶寬測試,幅度校準。本文設計的正弦波模塊具有頻率范圍寬、頻率穩(wěn)定度高、功率平坦度高、諧波噪聲低等特點。主要研究內容如下:1.正弦波信號的實現(xiàn)。本文設計的正弦波模塊涵蓋0.1Hz~4.4GHz的寬頻帶信號,通過分析指標要求和目前信號產(chǎn)生技術的發(fā)展現(xiàn)狀,提出高低頻分段設計的方案。低頻正弦波信號的產(chǎn)生采用直接數(shù)字頻率合成技術(DDS),高頻正弦波信號則通過鎖相環(huán)(PLL)頻率合成方法來實現(xiàn)。2.正弦波信號的幅值調理。示波器校準儀要求正弦波信號幅度調節(jié)的動態(tài)范圍大、分辨率高。為實現(xiàn)信號功率的大范圍精確控制,設計高精度壓控衰減、固定衰減、功率放大等信號調理電路。為保障器件的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性設計相應的電流、溫度保護電路。3.正弦波信號的穩(wěn)幅設計。示波器校準儀對正弦波信號的精度和平坦度要求嚴格,采用直接放大、衰減等幅度調理方法很難達到指標要求。因此本文研究了自動電平控制(ALC)技術,通過耦合、檢波和積分運算實現(xiàn)負反饋控制,消除模擬通路中其他因素引入的幅值誤差。為進一步提升幅度穩(wěn)定性進行溫度補償。4.正弦波信號的濾波網(wǎng)絡設計。信號在合成和放大的過程中會引入噪聲,增大諧波分量,嚴重影響波形質量。由于信號頻帶寬,增加了濾波網(wǎng)絡設計的復雜度。因此本文采用頻率分段設計,并在通路中針對不同濾波需求設計不同的濾波網(wǎng)絡,同時優(yōu)化布局布線和濾波結構,最終達到要求的正弦波純度指標。經(jīng)過多次實驗測試,本文設計的高精度穩(wěn)幅正弦波模塊的輸出頻率范圍可達0.1Hz~4.4GHz,幅值精度可達±1%,平坦度可達±3%,二次諧波-40dBc,三次諧波、其他諧波和非諧波-45dBc,能滿足4.4GHz帶寬以下的示波器校準。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM935.3
【部分圖文】：

電子科技大學碩士學位論文內部的 ROM 資源存儲波形數(shù)據(jù)。內部鎖相環(huán)提供 210MHz 的參考時鐘，通過數(shù)字邏輯編程完成相位累加并產(chǎn)生相位地址用于 ROM 數(shù)據(jù)的周期性輸出，最后經(jīng)過DAC 完成波形數(shù)據(jù)到模擬波形的轉換。每個波形數(shù)據(jù)的大小表征正弦信號對應相位點的幅度，其數(shù)據(jù)寬度和數(shù)模轉換器的位數(shù)相關，本文波形數(shù)據(jù)的寬度為 14bit。若把一個周期的正弦波相位劃分為 等分，就有 個波形數(shù)據(jù)，這里我們引入相位圓的概念直觀地表示幅度和相位的關系，如圖 3-7 所示，圖中取 N=4。通過頻率控制字控制著相位地址的累加，逐步輸出對應相位地址的波形幅度數(shù)據(jù)，當累加計數(shù)大于 時則自動溢出，并保留后 N 比特數(shù)字于累加器中，由此實現(xiàn)正弦波相位的周期性循環(huán)同時完成其幅度的周期性更迭[32]。如圖 3-7 右側所示，最終產(chǎn)生階梯狀的正弦波信號。

550MHz~999.99MHz 4 2500 10kHz 1kHz999.99MHz~1100MHz 4 2500 100kHz 1kHz1100MHz~2200MHz 2 500 100kHz 10kHz2200MHz~4400MHz 1 1000 100kHz 10kHz如表 3-1 所示，根據(jù)相應參數(shù)計算得出的實際頻率分辨率均高于本文要求有效數(shù)字分辨率指標，且相應頻率的 5 位有效數(shù)字分辨率均為實際頻率步進數(shù)倍，這樣做可以防止頻率量化誤差導致的頻率準確度降低。通過上文固定的相關參數(shù)，可得輸出頻率與其他參數(shù)的關系如下： = （ ） （3-其輸出頻率只和整數(shù)分頻系數(shù)、小數(shù)分頻系數(shù)、輸出分頻系數(shù)、小數(shù)分頻基關。當 FPGA 收到相應的頻率指令時，需要解析出上面提到的相關分頻系數(shù)值后對 ADF4351 內部 6 個 32 位控制寄存器的相關參數(shù)進行配置，用于設置相頻系數(shù)、相位調整、電荷泵電流、輸出功率大小等。ADF4351 采用串行通信，包括時鐘線 CLK，數(shù)據(jù)通信線 DATA，數(shù)據(jù)使能線 LE。ADF4351 串行通信序圖如下。

文設計的高精度穩(wěn)幅正弦波模塊用于示波器帶寬和幅值校準，能產(chǎn)度的掃頻正弦波信號，因此本文的測試主要針對頻率、幅值和諧了驗證電路的合理性并保障電路正常工作，測試是電路設計過程為了全面驗證本文設計的正弦波模塊具有輸出頻率范圍寬（4.4GH圍大（56dB）、平坦度高（3%）、頻譜純的特點，需要多種測試儀波器（TektronixDPO70404C）、頻譜儀（AgilentN9010A）、功率計），功率探頭（E9304A，-60~20dBm，9kHz~8GHz，0.01dB）、通nt 53132A）等。根據(jù)本文的設計，電路測試需要按照一定的順序產(chǎn)生電路是否正常輸出相應頻率的信號，然后測試濾波網(wǎng)絡是否達波效果，最后測試自動穩(wěn)幅電路，能否實現(xiàn)準確穩(wěn)定的控制信號的號產(chǎn)生電路測試號產(chǎn)生電路的調試分為低頻和高頻兩部分，低頻信號產(chǎn)生電路的調GA 和高速 DAC，能否實現(xiàn)輸出頻率的精確控制。
【參考文獻】

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本文編號：2861113