相位相参信号源的设计--示波器上的信号不稳定，来回跑？

  在示波器的实际使用当中波形在示波器的时域上乱跑，左右移动，定不下来，这是什么原因呢？如何稳定住示波器的波形？什么是触发信号？什么是相位相参的触发信号？带着这些问题，本文和大家一起来走进信号的时域测量和相参信号源的设计。

乱跑的波形

  如图1所示，一个正弦波在示波器上乱跑，不稳定，就好像多个初始相位不同的正弦信号叠加在一起一样。

图1：乱跑的波形

  为什么会乱跑呢？其实示波器上每一个我们看到的波形都是示波器采样记录并叠加显示在屏幕上的，而什么时候获取单个周期是由一个信号触发的，这个信号我们就称之为触发信号。如果这个触发源本身不稳定，或者没有选择一个合适的触发源，那么示波器就会随机截取信号的周期，体现在屏幕上就是不同初始相位的波形，信号“乱跑”。

边沿触发

  很多时候这个触发阈值就是一个直流电平，当信号的边沿（通常可选择上、下边沿）达到这个电平值后触发成功，示波器就会显示第一个信号的周期，再次触发就显示第二个，以此类推，这样每个信号周期的起始点都是相同的，体现在示波器的屏幕上就是稳定的。

  这个触发阈值我们是可以设置的，在示波器上有一个名为“level”的旋钮，如图2所示，通过旋转它就可以设置触发电平的高低，从而稳定波形的显示。当然用户可以一键“AUTOSET”设置，让示波器自己选择合适的触发，方法简单但是对于有些波形并不是一直都有效。

图2：示波器的Level旋钮

  例如，当向右旋转Level旋钮后，图1中的图像变得稳定，如图3所示：

图3：通过level旋钮稳定后的波形

触发方式

  示波器有很多触发方式，除了上面说的边沿触发之外还有：

• 脉宽触发：当信号的脉宽超过设定阈值后才触发。
• 欠幅触发：欠幅触发有两个阈值，如图4所示，当信号大于下阈值且不超过上阈值时才被显示。另外不只欠幅触发，所有触发方式的阈值设置通常不是输入数值，而是通过旋钮和屏幕上的虚线来确定的，如图4所示。
• 斜率触发、超时触发：都是对时间满足一定条件下才触发。
• 外部触发：顾名思义使用外部信号触发，有时候对于一些高频信号和特殊信号，需要一个同步或者相参的外部信号作为触发，波形才可以稳定，下面一节我们着重讨论外部触发。
  

图4：欠幅触发波形

外部触发

  有客户在构建自己的测试系统时，提出了这样的问题，在系统中需要一个射频信号源，频率可以覆盖到6GHz，而且要求使用示波器测量该信号时波形能够稳定显示，在测试了几台信号源后发现均不能稳定显示波形，即使调整level旋钮也不能稳定。为此我们开始了这个相位相参信号源的设计。
  其实射频信号源产生的就是正余弦信号，按道理触发很简单，但是仔细分析发现，由于射频信号的频率太高，上下边沿距离很近，非常容易出现前面所说的波形“乱跑”的问题。
  解决办法就是需要设计一台抖动（jitter）很小的信号源，并且最好该信号源可以提供一个相参的时钟，这个时钟和射频信号同步或者是成固定线性关系，这样可以用这个相参的时钟信号作为外部触发信号，使得射频波形稳定显示。不过在开始设计之前我们先解释一下，刚刚提到的相参是什么意思？

相参与非相参

  相参又称为相干，在通信原理等课程中，我们都知道解调方式有相干解调和非相干解调；雷达系统也有相参雷达系统和非相参雷达系统。其实所谓相参是指信号之间的初始相位具有确定性，非相参是指信号之间的初始相位都是随机的，彼此不相关。图5展示了一组相位相参的方波和正弦波，在方波的上升沿正弦波开始穿越零点。

图5：相位相参的正弦波和方波如果是射频信号源，正弦波的频率会远高于方波的频率，两者的周期不同，方波的边沿和正弦波不是一一对应的，但是仍具有相位相参的特征，仍可以作为触发信号使用，如图6所示。

图6：周期不同但相位相参的正弦波和方波

  另外由于电子线路本身有延迟，没有图5、图6那样理想的正弦波和方波的上升沿在某一时刻重合的情况，比如会错开一段时间，如图7所示，但是这个延时是固定的常数，所以仍不改变两者之间的相位相参关系，现实中大多是这样的情况。

图7：与正弦波相位相参且有固定延迟的方波

  另外触发信号的稳定性也十分重要，任何信号都有一个稳定度的问题，以方波为例，上升沿存在一个抖动的问题（jitter），如图8所示。在时域中，我们用抖动表述，在频域中我们用相位噪声描述，请参考笔者博客《信号抖动jitter与相位噪声》。

图8：信号的抖动jitter

相位相参的射频信号源

  综上所述，一个带有相参触发信号的射频信号源出炉了，如图9所示，方案采用PLL+VCO的方案产生射频信号，可以覆盖15MHz - 6.4GHz的频率范围。从温补时钟振荡器（TCXO）中产生1MHz的触发信号，由于触发信号和射频信号的时钟源都是TCXO，两者的相位是相参的，所以图中的Trigger Out1可以用来做射频信号的外部触发源。

图9：相位相参的射频信号源方案

样机外观与内部设计

  在设计方案定下后，采用kicad软件绘制电路图，如下图所示，为ARM处理器电路板的3D图：

图10：ARM处理器电路板3D图

  射频电路采用屏蔽罩屏蔽电磁干扰，使用射频性能良好的SMA连接头，参见《选择SMA射频连接头的注意事项》https://blog.csdn.net/mzldxf/article/details/103093586
采用DCDC电源芯片、以及LDO构成电源管理模块，由ARM控制上电时序，内部布局如下图所示。

图11：射频信号源内部布局

  在机壳上配有USB接口，可以配合上位机软件实现改变射频频率、PWM占空比等性能。样机装配完成后如下图所示：

图12：射频信号源的前面板

图13：射频信号源的后面板

软件设计

  信号源具备：切换频率、切换PWM占空比、打开与关闭射频输出端口的功能，因此需要撰写状态机。有关状态机的一些经验，可以参考相关书籍和笔者的博客文章：《状态机编程笔记》https://blog.csdn.net/mzldxf/article/details/105130853

上位机软件

  下图为上位机软件的界面：

图14： 上位机软件的界面

信号源使用方法

（1） 外部接口的连接：随设备配有24V电源适配器，插入后，按下开关键设备即开始工作。另外两条橙黄色的同轴线用于PWM Trig信号的输出，除此之外还配有一条蓝色同轴线，鉴于蓝色同轴线的射频性能优于橙黄色线，建议使用蓝色线用于射频信号输出。
（2） 使用串口上位机软件设置：将USB连接后，双击打开“单频点信号源上位机V3 “上位机软件，按图15，点击刷新串口后，根据自己计算机的情况选择自己相应的串口（图中仅为示例，不同的计算机其串口编号不同），如不知道自己的串口编号，可以先拔下USB线，看一下自己有几个串口编号，插入后再点击刷新，新出现的编号就是GFSig051的编号。波特率等参数按照图15设置即可。设置完成后，点击Open键，旁边的指示灯变绿。

图15：串口上位机的参数配置

（3） 使用上位机配置射频信号频率：
  如图16所示，先点击频率设置按键，在发送数据框内输入15 ~ 6400之间的数值（默认的频率单位是MHz）然后点击发送按键即可，图8配置的是1000MHz，设置成功后，界面会显示相应的设置成功的提示，另外界面的左下角也有各种操作的提示，使用时请多留意，可以帮助您更好的操作软件。

图16：设置PWM的占空比

PWM触发信号

  不仅如此，该触发信号还可以修改其占空比，如图17、图18所示：

图17：50%占空比的触发信号

图18：占空比为25%的触发信号

射频信号的时域波形

  高速示波器采用外部触发源，即射频信号源的图10、图11的触发信号，然后对射频信号采样测量，如图19所示，时域波形很稳定，利用刚刚介绍的相参触发信号，可以获得稳定的射频信号的时域显示，图19中横轴每一格是200ps，可见图中的射频信号大于4GHz依旧很稳定。

图19：高速示波器对射频信号的测量

射频信号的频谱

  图20、图21展示了射频信号源的输出频谱，可见3次谐波抑制>40dBc。

图20：射频输出端窄带频谱

图21：射频输出端宽带频谱

输出功率

  射频信号源的输出功率如图22所示：

图22：输出功率实测

  至此，一款相位相参的射频信号源的设计就完成了，还在等什么，大家动起手来吧，喜欢的朋友也可以直接联系我入手哦~
  作者：潇洒的电磁波（专业：射频芯片设计、雷达系统、嵌入式。欢迎大家项目合作交流。）