示波器校准仪高精度稳幅正弦波模块设计

发布时间：2020-10-29 15:42

　　 科学的发展离不开测量技术的进步。示波器作为一种最基础的科研仪器,其性能指标的提升直接关系到电子科学及其应用领域的发展。示波器校准仪作为校准、测试示波器的主要设备,是保证示波器正常工作的基石。随着5G时代的来临,各应用领域中的电子信号要求频率更高、质量更好,这无疑对示波器提出了更高的要求,同时也要求示波器校准仪能够产生更高质量的校准信号。本课题主要内容是基于示波器校准仪,研究高精度稳幅正弦波信号的产生,为示波器提供带宽测试,幅度校准。本文设计的正弦波模块具有频率范围宽、频率稳定度高、功率平坦度高、谐波噪声低等特点。主要研究内容如下:1.正弦波信号的实现。本文设计的正弦波模块涵盖0.1Hz~4.4GHz的宽频带信号,通过分析指标要求和目前信号产生技术的发展现状,提出高低频分段设计的方案。低频正弦波信号的产生采用直接数字频率合成技术(DDS),高频正弦波信号则通过锁相环(PLL)频率合成方法来实现。2.正弦波信号的幅值调理。示波器校准仪要求正弦波信号幅度调节的动态范围大、分辨率高。为实现信号功率的大范围精确控制,设计高精度压控衰减、固定衰减、功率放大等信号调理电路。为保障器件的稳定性和系统的可靠性设计相应的电流、温度保护电路。3.正弦波信号的稳幅设计。示波器校准仪对正弦波信号的精度和平坦度要求严格,采用直接放大、衰减等幅度调理方法很难达到指标要求。因此本文研究了自动电平控制(ALC)技术,通过耦合、检波和积分运算实现负反馈控制,消除模拟通路中其他因素引入的幅值误差。为进一步提升幅度稳定性进行温度补偿。4.正弦波信号的滤波网络设计。信号在合成和放大的过程中会引入噪声,增大谐波分量,严重影响波形质量。由于信号频带宽,增加了滤波网络设计的复杂度。因此本文采用频率分段设计,并在通路中针对不同滤波需求设计不同的滤波网络,同时优化布局布线和滤波结构,最终达到要求的正弦波纯度指标。经过多次实验测试,本文设计的高精度稳幅正弦波模块的输出频率范围可达0.1Hz~4.4GHz,幅值精度可达±1%,平坦度可达±3%,二次谐波-40dBc,三次谐波、其他谐波和非谐波-45dBc,能满足4.4GHz带宽以下的示波器校准。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM935.3
【部分图文】：

电子科技大学硕士学位论文内部的 ROM 资源存储波形数据。内部锁相环提供 210MHz 的参考时钟，通过数字逻辑编程完成相位累加并产生相位地址用于 ROM 数据的周期性输出，最后经过DAC 完成波形数据到模拟波形的转换。每个波形数据的大小表征正弦信号对应相位点的幅度，其数据宽度和数模转换器的位数相关，本文波形数据的宽度为 14bit。若把一个周期的正弦波相位划分为 等分，就有 个波形数据，这里我们引入相位圆的概念直观地表示幅度和相位的关系，如图 3-7 所示，图中取 N=4。通过频率控制字控制着相位地址的累加，逐步输出对应相位地址的波形幅度数据，当累加计数大于 时则自动溢出，并保留后 N 比特数字于累加器中，由此实现正弦波相位的周期性循环同时完成其幅度的周期性更迭[32]。如图 3-7 右侧所示，最终产生阶梯状的正弦波信号。

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，根据相应参数计算得出的实际频率分辨率均高于本文要求有效数字分辨率指标，且相应频率的 5 位有效数字分辨率均为实际频率步进数倍，这样做可以防止频率量化误差导致的频率准确度降低。通过上文固定的相关参数，可得输出频率与其他参数的关系如下： = （ ） （3-其输出频率只和整数分频系数、小数分频系数、输出分频系数、小数分频基关。当 FPGA 收到相应的频率指令时，需要解析出上面提到的相关分频系数值后对 ADF4351 内部 6 个 32 位控制寄存器的相关参数进行配置，用于设置相频系数、相位调整、电荷泵电流、输出功率大小等。ADF4351 采用串行通信，包括时钟线 CLK，数据通信线 DATA，数据使能线 LE。ADF4351 串行通信序图如下。

文设计的高精度稳幅正弦波模块用于示波器带宽和幅值校准，能产度的扫频正弦波信号，因此本文的测试主要针对频率、幅值和谐了验证电路的合理性并保障电路正常工作，测试是电路设计过程为了全面验证本文设计的正弦波模块具有输出频率范围宽（4.4GH围大（56dB）、平坦度高（3%）、频谱纯的特点，需要多种测试仪波器（TektronixDPO70404C）、频谱仪（AgilentN9010A）、功率计），功率探头（E9304A，-60~20dBm，9kHz~8GHz，0.01dB）、通nt 53132A）等。根据本文的设计，电路测试需要按照一定的顺序产生电路是否正常输出相应频率的信号，然后测试滤波网络是否达波效果，最后测试自动稳幅电路，能否实现准确稳定的控制信号的号产生电路测试号产生电路的调试分为低频和高频两部分，低频信号产生电路的调GA 和高速 DAC，能否实现输出频率的精确控制。
【参考文献】

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本文编号：2861113