CN109521385A

CN109521385A - 一种用于示波器检定的信号源模块及信号产生方法

Info

Publication number: CN109521385A
Application number: CN201811400231.6A
Authority: CN
Inventors: 徐圣法; 王鹏; 郭会平; 李树明; 李田甜; 崔玉妹
Original assignee: 514 Institute of China Academy of Space Technology of CASC
Current assignee: 514 Institute of China Academy of Space Technology of CASC; Beijing Dongfang Measurement and Test Institute
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2038-11-22
Also published as: CN109521385B

Abstract

本发明涉及一种用于示波器检定的信号源模块及信号产生方法，包括：包括频率合成器、分段滤波电路、可控增益放大器、调幅电路、数控衰减器、混频电路、固定衰减网络及FPGA控制模块。本专利提出的示波器标准信号源，突破了小型化高精度频率合成技术，在有限空间内实现了双通道高频率准确度，高幅度准确度的信号发生；突破了高精度时标信号产生技术，采用基于FPGA的占空比控制技术及边沿整形技术，时标信号上升沿基本满足指标要求。

Description

一种用于示波器检定的信号源模块及信号产生方法

技术领域

本发明属于测量测试技术领域，尤其涉及一种用于示波器检定的信号源模块及信号产生方法。

背景技术

在现代的电子产业的相关测试中，示波器是使用最频繁、结果最直观的电子计量测试设备之一，其计量结果的准确性和可靠性直接影响所测量电子设备和产品的稳定性。定期对示波器测量精度进行校准是保证其正常使用的前提，而对其众多测试指标校准又是一种复杂而又繁琐的工作。稳幅正弦波信号源模块是专门为示波器检定工作中带宽检定与时标检定而设计的标准信号源模块，主要为示波器校准提供可靠测试信号的标准源。示波器标准信号源模块作为示波器的调试、测试和校准专用模块，是检测、计量各种模拟式、数字式示波器的标准测试模块。示波器标准信号源模块作为现代测试领域的重要测试工具，已经是研发和正确使用示波器的前提。

从目前国内外的发展情况来看，先进的通道调理技术掌握在少量国外仪器生产厂商的手中，他们设计生产了多种系列的示波器校准仪、各种示波器专用信号源和信号检测设备，而国内仅有少量关于高频信号源的技术及相应产品，且和国外的同类产品性能指标相比有较大差距，示波器专用信号源对信号的质量和精度都有严格要求，所以国内少有示波器标准信号源系列产品。

在高频信号技术领域，美国的丹纳赫集团处于全球领先地位，其旗下的福禄克品牌(FLUKE)生产有多款示波器校准仪和高频信号源，它所使用的信号调理技术都处于世界领先水平。福禄克公司推出的射频信号源9640A与9640A-LPNX专为示波器校准而设计，具有非常简便的用户操作界面、准确度极高的输出信号电平与信号衰减、极低的相位噪声，优异的信号纯度、极低的信号失真度等特性。可提供输出信号频率范围10Hz～4GHz，且功率范围-130d Bm～+24d Bm(至50Ω阻抗)，0.05d B的功率准确度。而另一个系列96270A更可以输出高达27GHz的微波信号，最低可至1m Hz。

福禄克的5820A型示波器校准仪是在其经济型5800A的升级版，可以满足带宽2.1GHz以下的数字和模拟示波器的校准要求。该公司的9500B型示波器校准仪则是9500型的增强型，使用独立的先进技术，比其他示波器校准仪在程控性、通用性和准确度等方面表现更优异。其能输出连续可调的精密正弦波信号，频率范围为0.1Hz～6.4GHz(取决于有源信号头的类型)，频率平坦度＜±5％，且幅值范围为4.44mV～2.2V(取决于频率的范围)。

在国内具有领先技术的是北京普源精电科技有限公司(RIGOL)，该公司生产的高频信号源系列基本能够替代国外厂商的同类产品，比如DSG800系列产品可输出信号频率范围为9KHz～1.5/3GHz，功率范围为-110d Bm～+13d Bm，还有DSG3000系列可输出9KHz～3/6GHz，功率-130d Bm～+13d Bm的高频信号源。

国内在研究示波器信号源的主要有中国计量科学研究院、中国航天科工二院203所和电子科技大学等。示波器信号源由于其实现功能多，设置参数完整，整机性能指标以及对外观及操控性的要求高等原因，其研发和设计难度大，国内还未有可以和国外仪器厂商抗衡的产品，长期被国外垄断。国内最新的示波器信号源工程化样机BM1302-11是由中国航天科工二院203所研制成功，可以实现2.1GHz以下数字示波器的全自动校准。相比于国内其他示波器信号源在性能上有十足的进步，但市场上还没有其推出产品的信息，并且在主要性能指标上，国内的产品与国外的相比仍然有很大的距离。当前在国内使用的成熟示波器信号源基本都依赖于进口，而各科研院所都需要稳定高性能的示波器信号源来对示波器进行校准。

作为示波器检定工作中带宽检定与时标检定的标准信号源的研究设计对国防和科研也有重要的意义。国内在标定示波器的标准信号生成技术上还有所欠缺，主要因为标准信号需要其频带宽涵盖趋近于直流的低频信号和高频信号之间的所有频段，且对信号的输出精确度和波形质量等有较高要求。

发明内容

本发明鉴于上述的情况，提供一种能解决上述问题的信号源，具体而言本发明提供一种用于示波器检定的信号源模块，其特征在于：包括频率合成器、分段滤波电路、可控增益放大器、调幅电路、数控衰减器、混频电路、固定衰减网络及FPGA控制模块。

进一步地，其特征在于：集成频率合成器输出两种频率信号，其一，为频率范围为200MHz～1100MHz信号；其二，为频率范围为500.9MHz～700MHz信号。

进一步地，其特征在于：集成频率合成器内部的锁相频率为1500MHz～3000MHz，信号通过分频器生成200MHz～1100MHz频率信号。

进一步地，其特征在于：其中生成的200MHz～1100MHz信号的分频次数如下：750MHz～1100MHz：2分频，锁相频率1500MHz～2200MHz；375MHz～750MHz：4分频，锁相频率1500MHz～3000MHz；200MHz～375MHz：8分频，锁相频率1600MHz～3000MHz。

进一步地，其特征在于：500.9MHz～700MHz信号与500MHz固定本振外加相应的分段滤波电路生成900kHz～200MHz信号。

进一步地，其特征在于：所述分段滤波电路分为四段，分别为200MHz～310MHZ、310MHz～500MHZ、500MHz～850MHZ、850MHz～1100MHZ，采用8阶LC低通无源滤波电路实现的。

本发明还提供一种信号生成方法，其特征在于采用上述任意方案所述的信号源模块生成。

进一步地，其特征在于：外部信号参考晶振为频率合成器提供高精度的参考时钟，频率合成器利用参考时钟合成需要的频率信号，再将生产的信号送入分段滤波电路，进行滤波，使其输出系统要求的信号。

本专利提出的示波器标准信号源，突破了小型化高精度频率合成技术，在有限空间内(15cm*15cm)实现了双通道高频率准确度，高幅度准确度的信号发生；突破了高精度时标信号产生技术，采用基于FPGA的占空比控制技术及边沿整形技术，时标信号上升沿基本满足指标要求。该示波器标准信号源的成功实现不仅弥补了国内示波器校准方向上的部分空白，更加快高质量标准信号技术的发展，推动国内示波器校准仪技术发展与进步。

附图说明

图1是总体电路设计。

图2是200MHz～1100MHz输出信号设计电路。

图3是900KHz～200MHz输出信号设计电路。

图4是预稳幅和ALC幅度控制电路设计图。

图5是输出信号频率产生的流程设计图。

图6是输出信号幅度调节流程设计图。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方法对本发明作进一步的详细描述。

本发明的示波器标准信号源模块，包括频率合成器、分段滤波电路、可控增益放大器、调幅电路、数控衰减器、混频电路、固定衰减网络及FPGA控制模块，其中，外部晶振信号和FPGA控制信号输入到频率合成器，频率合成器通过切换开关与分段滤波电路连接，分段滤波器输出连接可控增益放大器，可控增益放大器由FPGA控制模块控制，其输出信号分为并联两路，一路经过调幅电路和数控衰减器到输出端。另一路通过混频电路和调幅电路，然后通过固定衰减网路到输出端。其中，调幅电路还有反馈信号返回给可控增益放大器。所述数控衰减器可由PFGA控制模块控制。所述固定衰减网络可以是开关控制的电阻网络，所述电阻网络包括多个不同组织的标准电阻组成，通过分压实现信号的调整。

其中，如图2所示，集成频率合成器包括R分频器、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、寄存器和N分频器。其中R分频器、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器依次连接，寄存器输出信号到R分频器和N分频器，N分频器还接收来自压控振荡器输出信号，并输出信号到鉴相器。所述鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和N分频器构成锁相环电路。

其中，外部晶振信号输送到R分频器，FPGA控制信号输入到寄存器。首先由外部100MHz的参考信号与压控振荡器反馈信号，在鉴相器中进行相位比较，产生不同的控制电压，然后控制压控振荡器的变容二极管来改变输出信号频率，从而实现不同信号频率输出，所述集成频率合成器输出的合成频率范围为200MHz～1100MHz，其中，生成的200MHz～1100MHz信号的分频次数如下：

750MHz～1100MHz：2分频，锁相频率1500MHz～2200MHz；

375MHz～750MHz：4分频，锁相频率1500MHz～3000MHz；

200MHz～375MHz：8分频，锁相频率1600MHz～3000MHz；

其具体的分频电路及方法如下，外部晶振向频率合成器输入参考信号100MHz，在内部2分频为50MHz后作为鉴相频率。锁相环分频比为N.F，则锁相环输出频率为Ffnout＝50MHz*N.F。

正弦波输出频率波段划分及计算公式：

①900kHz～200MHz参数关系

当输出频率f设置为900kHz～200MHz时，N分频器的分频数M需要设置为4，N.F的计算公式为：

N.F＝(4*(f_OUT+500))/50 (1)

②200MHz～375MHz参数关系

当输出频率f设置为200MHz～375MHz时，分频器分频数M需要设置为8，N.F的计算公式为：

N.F＝(8*f)/50 (2)

③375MHz～750MHz参数关系

当输出频率f设置为375MHz～750MHz时，分频器分频数M需要设置为4，N.F的计算公式为：

N.F＝(4*f)/50 (3)

④750MHz～1100MHz参数关系

当输出频率f设置为375MHz～750MHz时，分频器分频数M需要设置为2，N.F的计算公式为：

N.F＝(2*f)/50 (4)

锁相环分频比N.F计算出来后需要转化成16进制数据通过串口送至FPGA控制模块。输出频率、VCO频率、输入参考信号频率、整数分频比、小数分频比关系如下：

f_OUT＝f_VOC/k (6)

N_FRACround＝round(N_FRAC*2²⁴) (7)

注：round()为四舍五入计算

其中，fout为输出频率；

fvco为VCO输出频率；

f_XTAL为输入参考信号频率；

N_INT为整数分频比，取值范围20～524,284；

N_FRAC为小数分频比，取值范围0.0to 0.99999，NFRAC＝小数分频比寄存器值/2²⁴；

N_FRACround为N_FRA四舍五入后的整数值，

k为小数环输出分频器的分频比，k＝2,4,6,…58,60,62。

设R为参考输入分频比，f_PD为鉴相频率，f_PD＝f_XTAL/R

其中所述分段滤波器优选频率范围分为四段，分别是200MHz-310MHz、310MHz-500MHz、500MHz-850MHz、850MHz-1110MHz。

其中，对于900kHz～200MHz的生成，由集成频率合成器输出500.9MHz～700MHz信号，其与500MHz固定本振外加相应的分段滤波电路生成900kHz～200MHz信号。如图1、3所示，混频电路包括混频器、本地振荡器和滤波放大电路。其中，可控增益放大器输出的500.9MHz～700MHz的信号与500MHz本地振荡信号一起输入混频器混频，输出900kHz～200MHz信号，并经过滤波放大电路后输出到调幅电路。其中优选地，过滤波放大电路包括串联的两个低通滤波器设置一个低噪放大器，这样的结构不会给电路引入干扰，可实现最优滤波效果。

其中，由于系统采用了多级放大电路，产生的噪声和谐波分量较大，且要求输出信号的频带较宽，无法通过单一的滤波芯片滤除杂波，需选择分段滤波来滤除谐波和杂波。在滤波网络设计时，高频滤波部分，分为四个频段进行滤波，分别为200MHz～310MHZ、310MHz～500MHZ、500MHz～850MHZ、850MHz～1100MHZ，采用8阶LC低通无源滤波电路实现的；滤波网络的频段选择通过射频开关来切换选择，并由FPGA的高低电平来控制，可节省系统功耗。

如图1、4所示，调幅电路，包括耦合器、检波器、DAC等，其与可控增益放大器和混频电路、数控衰减器和固定衰减网路一起，具有预稳幅控制、大步进幅度控制和ALC控制等功能。具体来说，预稳幅是将频率合成器输出功率控制在合适的范围；幅值控制电路的大步进幅度控制对信号幅度在大范围进行调整，与ALC配合实现信号幅度在大范围内精确控制；ALC是在一定范围内对幅度进行精确调节。基本实现方式是在信号输出端，通过耦合器对部分输出信号进行检波，检波电压与DAC输出的参考电压进行比较，实现幅度控制，输出幅度大小由参考电压决定。由于检波器检波幅度范围有限，功率较小时无法进行检波及幅度控制，因此小功率时由固定衰减与ALC配合调幅。其中高频信号的大步进调幅是通过衰减器来实现的，低频信号的大步进调幅是通过固定衰减比例来实现的。900KHz～200MHz信号的幅度可调范围5mVpp～5.5Vpp，200MHz～1100MHz信号的幅度可调范围5mVpp～3.6Vpp。

A)预稳幅控制

FPGA控制模块通过控制DAC模块产生控制信号，用于实现晶振校准、调节通道增益、调节时标信号的直流偏置以及为检波器提供参考电压信号等，不同的信号频段提供的参考电压信号不同，分为4段，分别为[900kHz，200MHz)、[200MHz,375MHz)、[375MHz,750MHz)、[750MHz,1100MHz]，每一段对应一个DAC值。进行校准后需要保存为校准数据，根据波段进行调用。

B)大步进幅度档位控制

大步进幅度控制是根据不同的输出信号频率分段对其进行大步进调幅。在低频段[900kHz,200MHz)采用固定衰减网路的不同组合实现；在高频段[200MHz，1.1GHz)采用数控衰减器进行控制。

①低频段[900kHz,200MHz)控制

在低频段，通过控制开关导通，接入不同电阻，实现幅度1/2、1/4、8/1、1/16控制。

幅度值(V<sub>p-p</sub>)	档位
		[3.0，6.0)	1
[1.5，3.0)	1/2
		[0.75，1.5)	1/4
[0.375，0.75)	1/8
		[0.001，0.375)	1/16

②高频段[200MHz，1.1GHz)控制

在高频段，通过数控衰减器实现幅度控制。

数控衰减器为对数衰减器，需要进行对数运算转为线性。计算公式如8所示：

注：V1,V2表示电压值。

根据需要的幅度值，转为对数后控制衰减器衰减量。

C)ALC控制

ALC控制是由DAC输出的参考电压信号与耦合器输出的实际信号在检波器中进行比较，通过电压差来实现输出信号幅度精准控制，不同的DAC输出参考电压值对应着不同信号的微调幅度。如图4所示。输出的经过大步进调幅后的信号通过耦合器，一部分信号进入到检波器中，与DAC输出的参考电压信号进行比较，如果电压比值不相等，检波器会根据不同比较压差值产生不同调幅控制电压信号，并把信号传递给可控增益放大器，控制增益变化，从而调整输出信号的幅度，通过链路闭环，不断微调信号幅值，实现幅度的精准控制。幅度范围[2.5Vp-p,5.5Vp-p)，需要对2.5Vp-p及5.5Vp-p进行校准，分别对应最小参考DAC值与最大参考DAC值，中间各点由现行插值实现，最小分辨率0.1mV。如图4所示。

ALC控制范围(V<sub>p-p</sub>)	幅度值(V<sub>p-p</sub>)
		[3.0，6.0)	[3.0，6.0)
	[1.5，3.0)
			[0.75，1.5)
	[0.375，0.75)
			[0.001，0.375)

如图1所示，整个电路的工作原理为，外部信号参考晶振为频率合成器提供高精度的参考时钟，频率合成器利用参考时钟合成需要的频率信号，再将生产的信号送入分段滤波电路，进行滤波与调幅，使其输出系统要求的信号。由于频率合成器输出信号频率最小为25MHz，低于25MHz的信号无法通过单一的信号合成技术产生，需采用混频的方式生成。200MHz～1100MHz的高频信号通过频率合成器直接生成，900KHz～200MHz的低频信号通过频率合成器产生的500.9MHz～700MHz高频信号与本地振荡器产生的500MHz信号混频后生成，最后生成的信号通过相应的分段滤波电路，然后再经过后面电路的调幅控制，其中200MHz～1100MHz的高频信号和900KHz～200MHz分别通过不同的电路进行幅度控制，运用射频开关把信号整合输出。

下面说明本发明信号的频率产生流程，如图5所示

①设定输出信号的频率值f；

②对频率f值进行范围判断，根据不同频率范围选择不同的N.F对应的计算公式，并分解出频率合成器需要的整数分频比N_INT和小数分频比N_FRAC；

③将整数分频比N_INT转成十六进制数，并与频率合成器中的寄存器地址、锁相环片选合并为32位锁相环控制数据(4个字节)，锁相环控制数据与模块地址及数据包起始标志合并为一个数据包，通过串口送至FPGA控制模块中；

④根据公式7计算出小数分频比N_FRACround，将N_FRACround转成十六进制数与寄存器地址、锁相环片选合并为32位锁相环控制数据(4个字节)，锁相环控制数据与模块地址及数据包起始标志合并为一个数据包，通过串口送至FPGA控制模块中；

⑤对输出信号频率f的范围区间判断完成后,系统自动把频率范围对应的数据转化为32位，与模块地址及数据包起始标志合并为一个数据包，通过串口送至FPGA控制模块中；

⑥FPGA通过这些数据包进行内部计算，发出控制指令给频率合成器，产生所需的信号频率，并控制不同的射频开关，来完成信号的分段滤波、大步进调幅等操作，优化输出信号质量。

下面说明本发明信号的幅度控制流程，如图6所示

①系统获取输出信号的幅度值；

②系统根据幅度值对应的信号频率波段获取预稳幅DAC数值，将预稳幅DAC数值送至频率合成器的寄存器中；

③系统根据幅度值对应的信号频率波段判断大步进控制是在低频段[900kHz,50MHz)还是高频段[50MHz，1.1GHz)进行。若在低频段进行，则根据不同的输出幅度值获取大步进幅度对应的档位(1、1/2、1/4、1/8、1/16)；若在高频段进行，则根据幅度值获取大步进幅度对应的数控衰减器的衰减档位(0、6dB、12dB、18dB、24dB)，进行幅度粗调节；

④系统根据预输出信号的幅度值及信号频率波段大步进控制选择的衰减档位，计算出对应的输出信号预调节的ALC幅度值；

⑤系统根据ALC幅度计算出对应的DAC参考电压值，并在检波器中，与耦合器耦合的输出信号的幅值进行比较；

⑥通过比较得到的不同电压差值，产生不同的控制信号，控制可变增益放大器的增益，从而调整输出信号的幅度，实现信号幅度的精确控制。

其中，示波器标准信号源的时标原始信号由FPGA产生，时标信号的占空比控制在FPGA内部实现，原始信号经MC100EPT20D进行TTL到ECL电平变换后上升沿变陡，再经脉冲放大器后进行幅度控制，通过调节叠加在放大器偏置端的电压信号来调节方波信号的直流偏置。利用高速模拟开关控制放大器输出分压电阻网络，实现方波信号幅度500mV和1V的切换。

其中，电路中的多个低噪放是为了提高输出信号的幅度值，数控衰减器是为了在频率超过200MHz的时候对幅值进行大步进调节，由于原理较为简单，故不作详细说明。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种用于示波器检定的信号源模块，其特征在于：包括频率合成器、分段滤波电路、可控增益放大器、调幅电路、数控衰减器、混频电路、固定衰减网络及FPGA控制模块。

2.根据权利要求2所述的信号源模块，其特征在于：集成频率合成器输出两种频率信号，其一，为频率范围为200MHz～1100MHz信号；其二，为频率范围为500.9MHz～700MHz信号。

3.根据权利要求2所述的信号源模块，其特征在于：集成频率合成器内部的锁相频率为1500MHz～3000MHz，信号通过分频器生成200MHz～1100MHz频率信号。

4.根据权利要求3所述的信号源模块，其特征在于：其中生成的200MHz～1100MHz信号的分频次数如下：750MHz～1100MHz：2分频，锁相频率1500MHz～2200MHz；375MHz～750MHz：4分频，锁相频率1500MHz～3000MHz；200MHz～375MHz：8分频，锁相频率1600MHz～3000MHz。

5.根据权利要求2所述的信号源模块，其特征在于：500.9MHz～700MHz信号与500MHz固定本振外加相应的分段滤波电路生成900kHz～200MHz信号。

6.根据权利要求1所述的信号源模块，其特征在于：所述分段滤波电路分为四段，分别为200MHz～310MHZ、310MHz～500MHZ、500MHz～850MHZ、850MHz～1100MHZ，采用8阶LC低通无源滤波电路实现的。

7.一种信号生成方法，其特征在于采用上述权利要求任一项所述的信号源模块生成。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：外部信号参考晶振为频率合成器提供高精度的参考时钟，频率合成器利用参考时钟合成需要的频率信号，再将生产的信号送入分段滤波电路，进行滤波，使其输出系统要求的信号。