科學的發(fā)展離不開測量技術(shù)的進步。示波器作為一種最基礎(chǔ)的科研儀器,其性能指標的提升直接關(guān)系到電子科學及其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。示波器校準儀作為校準、測試示波器的主要設(shè)備,是保證示波器正常工作的基石。隨著5G時代的來臨,各應(yīng)用領(lǐng)域中的電子信號要求頻率更高、質(zhì)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(zhì)量的校準信號。本課題主要內(nèi)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(shè)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(nèi)容如下:1.正弦波信號的實現(xiàn)。本文設(shè)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,提出高低頻分段設(shè)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(shù)(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(diào)理。示波器校準儀要求正弦波信號幅度調(diào)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(shè)計高精度壓控衰減、固定衰減、功率放大等信號調(diào)理電路。為保障器件的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性設(shè)計相應(yīng)的電流、溫度保護電路。3.正弦波信號的穩(wěn)幅設(shè)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(diào)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(shù),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(luò)設(shè)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(zhì)量。由于信號頻帶寬,增加了濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復雜度。因此本文采用頻率分段設(shè)計,并在通路中針對不同濾波需求設(shè)計不同的濾波網(wǎng)絡(luò),同時優(yōu)化布局布線和濾波結(jié)構(gòu),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(shè)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(nèi)部的 ROM 資源存儲波形數(shù)據(jù)。內(nèi)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(zhuǎn)換。每個波形數(shù)據(jù)的大小表征正弦信號對應(yīng)相位點的幅度，其數(shù)據(jù)寬度和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)相關(guān)，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(guān)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(yīng)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(cè)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(yīng)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(yīng)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(guān)參數(shù)，可得輸出頻率與其他參數(shù)的關(guān)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(guān)。當 FPGA 收到相應(yīng)的頻率指令時，需要解析出上面提到的相關(guān)分頻系數(shù)值后對 ADF4351 內(nèi)部 6 個 32 位控制寄存器的相關(guān)參數(shù)進行配置，用于設(shè)置相頻系數(shù)、相位調(diào)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(shè)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(shè)計過程為了全面驗證本文設(shè)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(shè)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(yīng)頻率的信號，然后測試濾波網(wǎng)絡(luò)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(diào)試分為低頻和高頻兩部分，低頻信號產(chǎn)生電路的調(diào)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