第7章 信号的产生

1、第第7 7章章 信号的产生信号的产生 7.1 7.1 信号源概述信号源概述 7.2 7.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器 7.3 7.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生 1.1.信号源的作用信号源的作用 信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波 形的形的信号发生器信号发生器。 信号源的用途主要有以下三方面：信号源的用途主要有以下三方面： 激励源。激励源。 信号仿真。信号仿真。 标准信号源。标准信号源。 信号信号 输出输出 主振器主振器缓冲缓冲调制调制输出输出 电电 源源监测监测 信号发生器结构框图信号发生

2、器结构框图 主振器：信号源的核心，产生不同频率、不同波形的信号；主振器：信号源的核心，产生不同频率、不同波形的信号； 缓冲：缓冲： 对信号放大、整形；对信号放大、整形； 调制：调制： 需要输出调制波形时，对信号调频、调幅等。不需要调需要输出调制波形时，对信号调频、调幅等。不需要调 制时，可以越过此部分。制时，可以越过此部分。 输出：输出： 调节输出信号的电平和输出阻抗；调节输出信号的电平和输出阻抗； 监测器：电压表、频率计等，用来监测输出信号。监测器：电压表、频率计等，用来监测输出信号。 2. 2. 按照信号发生器的按照信号发生器的性能指标性能指标 可分为：可分为： 一般信号发生器；一般信号发

3、生器； 标准信号发生器；标准信号发生器； %100 oo o f f f ff %100 minmax o f ff 3. 3. 调制特性调制特性 调制特性的衡量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频调制特性的衡量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频 偏，调制线性等。偏，调制线性等。 一、一、 正弦信号发生器正弦信号发生器 主振级主振级 缓冲缓冲 放大放大 电平电平 控制控制 功率功率 放大放大 衰减器衰减器 阻抗阻抗 变换变换 电平调节电平调节 波段波段 调节调节 频率频率 细调细调 电平指示电平指示 低频信号发生器组成原理低频信号发生器组成原理 RCRC正弦振荡器每一分波段正弦振荡器每一

4、分波段 的频率覆盖系数为的频率覆盖系数为1010。 如如1Hz-1MHz1Hz-1MHz需要需要6 6个波段：个波段： 1-10Hz1-10Hz、10-100Hz10-100Hz、 100-1kHz100-1kHz、1kHz-10kHz1kHz-10kHz、 10kHz-100kHz10kHz-100kHz、 100kHz-1MHz100kHz-1MHz 输出输出 主振级主振级 波段波段 选择选择 频率频率 细调细调 缓冲缓冲调制级调制级输出级输出级 调制振荡器调制振荡器 监测器监测器 外调制外调制 输入输入 高频信号发生器原理框图高频信号发生器原理框图 主振器多采用主振器多采用LCLC高频振

5、荡器，通过更换线圈的方式来变换频段。高频振荡器，通过更换线圈的方式来变换频段。 缓冲级是为了保证主振级的振荡频率稳定，避免寄生调制，提缓冲级是为了保证主振级的振荡频率稳定，避免寄生调制，提 高信噪比。一般采用选频放大器。高信噪比。一般采用选频放大器。 u u t to o （a a）矩形波）矩形波 u u t to o （b b）锯齿波）锯齿波 u u t to o （c c）阶梯波）阶梯波 u u t to o （d d）钟形脉冲）钟形脉冲 u u t to o （e e）数字编码序列）数字编码序列 常见的脉冲信号常见的脉冲信号 脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉脉冲发生器

6、的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉 冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器、数字可冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器、数字可 编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。 输出输出 脉宽，上升脉宽，上升/ /下降沿下降沿 控制控制 主振级主振级 同步放大同步放大 延时级延时级脉冲形成脉冲形成输出级输出级 同步脉冲输出同步脉冲输出 外同步外同步 触发输入触发输入 外触发外触发 同步脉冲输出同步脉冲输出 脉冲信号发生器组成原理脉冲信号发生器组成原理 脉冲持续时间和过渡时间1ns 主振级：恒流源射极耦合自激多谐振荡器，产生矩形波；主振级：恒流源射极耦合

7、自激多谐振荡器，产生矩形波； 延时级：将输入信号转为延时脉冲，控制脉冲形成电路；延时级：将输入信号转为延时脉冲，控制脉冲形成电路； 脉冲形成：形成宽度准确、波形良好的矩形脉冲。脉冲形成：形成宽度准确、波形良好的矩形脉冲。 u 快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、 雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及 隧道二极管脉冲发生器等。隧道二极管脉冲发生器等。 V VD D R RC C R RO O K K R RL L 水银开关脉冲发生器原理水银开关脉冲发生器原理 脉冲过渡时

8、间500ps 同轴电缆传输线呈电容特性。开关打开，充电；开关闭合，放电，在负载上得到脉 冲信号。 50mV/DIV 30dB 1 ns/DIV (a) 0 -40dB 012 3GHz (b) 过度持续时间为过度持续时间为1ns的脉冲发生器前沿及其频谱的脉冲发生器前沿及其频谱 50mV/DIV 100 ps/DIV (a) 0 -40dB 0102030GHz (b) 隧道二极管脉冲发生器前沿及其频谱隧道二极管脉冲发生器前沿及其频谱 例如一个前沿上升时间为例如一个前沿上升时间为1ns1ns的脉冲，其可用频谱分量为的脉冲，其可用频谱分量为 1GHz1GHz，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上

9、升时间快，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快 达达15ps15ps，则其可用频谱可以高达，则其可用频谱可以高达30GHz30GHz。 正弦波 三角波方波 C 双稳态双稳态 电路电路 VC2V2VC1 A W R U1 I1 U2 B 方波、三角波发生器原理框图方波、三角波发生器原理框图 V1 三角波/正弦 波逼近网络 C - + 1 12 2() sc U f RC VV 三角波斜率： 1 U k RC 三角波周期： 1212 1 2() 2 sc VVRC VV T kU 三角波频率： u t i ui uo t 分段折线逼近波形综合分段折线逼近波形综合 n其电路实现原理如下图所

10、示。其电路实现原理如下图所示。 分段逼近波形综合电路分段逼近波形综合电路 +E -E R0 R1 R2R3R4R5R6 R1AR2AR3AR4A R5A R6AR7A R7BR6BR5BR4BR3BR2BR1B ui uo D1A D1B D2AD3AD4AD5AD6A D2BD3BD4BD5BD6B u t （a） u t （b） t u （c） t u （d） 锯齿波的获得原理锯齿波的获得原理 锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（a a）所）所 示三角波与图（示三角波与图（b b）所示方波直接叠加就可得到图（）所示方波直接叠加就可得到图（

11、c c）所）所 示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（d d）所示）所示 的锯齿波。的锯齿波。 频率频率 控制控制 网络网络 三角波三角波 缓冲器缓冲器 正弦波综正弦波综 合及缓冲合及缓冲 正恒正恒 流源流源 负恒负恒 流源流源 比较器比较器 方波方波 缓冲器缓冲器 外外 部部 频频 率率 控控 制制 函数函数 选择选择 及其及其 它波它波 形产形产 生生 输出输出 放大放大 输出输出 滤波滤波 直流直流 补偿补偿 积分积分 电路电路 函数发生器基本组成原理函数发生器基本组成原理 控制电 流大小 一、一、 频率合成的基本概念频率合成的基本概念

12、频率频率1 1输出输出 石英晶体石英晶体 代数运算代数运算 （加、减、乘、除）（加、减、乘、除） 频率合成原理频率合成原理 频率频率n n输出输出 基准频率基准频率 普通信号发生器（LC、RC）的矛盾：输出频率可调范围和 频率稳定度之间的矛盾。 解决方法：频率合成式信号发生器。 频率合成：由一个或多个高稳定度的基准频率（石英晶体振 荡器），通过基本代数运算，得到一系列所需的频率。 晶振晶振 谐波发生器（倍频）谐波发生器（倍频） 分频（分频（1010） 8MHz8MHz 混频（混频（+ +） 混频（混频（+ +） 2MHz2MHz 滤波滤波分频（分频（1010） 2.8MHz2.8MHz 滤波滤

13、波 0.28MHz0.28MHz 分频（分频（1010） 混频（混频（+ +）滤波滤波 6MHz6MHz 6.28MHz6.28MHz 0.628MHz0.628MHz 3MHz3MHz 3.628MHz3.628MHz 直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图 1MHz1MHz 1MHz1MHz9MHz9MHz 优点：优点：频率切换迅速，相位噪声很低。频率切换迅速，相位噪声很低。 缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。 1 1、锁相环（、锁相环（PLLPLL）的基本概念）的基本概念 锁相环控制系统原理图锁相环控制系

14、统原理图 fi ui VCOPDLPF uo fo ud u PD：相位比较器（鉴相器）：相位比较器（鉴相器） u检测输入信号检测输入信号ui与反馈信号与反馈信号uo之间的相位差，其输出为误差电压之间的相位差，其输出为误差电压ud。 u鉴相过程：鉴相过程： ( ) ( )( )( ) ( )() ( ) doi ddco doi dt ttt dt dt tdtdt tuuf 时，得到稳定输出 sin()() dddddd d uKK K 较小时 ：锁相灵敏度，值越大，控制能力越强。 uc uLPF：环路滤波器：环路滤波器 u低通滤波器，用于滤除误差电压中的高频成分和噪声，以低通滤波器，用于滤

15、除误差电压中的高频成分和噪声，以 使使uc能够稳定地控制能够稳定地控制VCO，是保证环路稳定的重要环节。，是保证环路稳定的重要环节。 uVCO：压控振荡器：压控振荡器 u振荡频率受控于外加控制电压振荡频率受控于外加控制电压uc。 ooddcooid iiddcooid fuufff fuufff 环路相位锁定 环路相位锁定 （2 2）锁相环的主要性能指标）锁相环的主要性能指标: : 跟踪特性和同步带宽跟踪特性和同步带宽 （a） 谐波倍频环谐波倍频环 VCOPDLPF fO=Nfi fi谐波谐波 形成形成 Nfifo=Nfi （b）数字倍频环）数字倍频环 VCOPDLPF fi N 倍频式锁相环

16、原理图倍频式锁相环原理图 fi N PLL Nfi （c）倍频环简化图）倍频环简化图 分频式锁相环原理图分频式锁相环原理图 VCOPDLPF fo=fi/N fi N （b）数字分频环）数字分频环 VCOPDLPF fo=fi/N fi 谐波谐波 形成形成 （a）谐波分频环）谐波分频环 fi N PLL fo=fi/N （c）分频环简化图）分频环简化图 PDLPFVCO M （）（） fi1 fi2 fo+fi2 （b）相减混频环）相减混频环 PDLPFVCO M （）（） fi1 fi2 fo= fi1+ fi2 fo-fi2 （a）相加混频环）相加混频环 fo= fi1- fi2 混频锁相

17、环混频锁相环 + PLL fi1 fi2 fo= fi1+ fi2 - PLL fi1 fi2 fo= fi1- fi2 （c）相加环简化图）相加环简化图 （d）相减环简化图）相减环简化图 fo= Nfi1+ fi2 34005110 KHz 10KHz PD2LPF2VCO2 M （）（） fi2 fi1 fo-Nfi1 Nfi1 内插振荡器内插振荡器 环环1 环环2 倍频环倍频环 加法混频环加法混频环 （a） 双环合成器原理结构框图双环合成器原理结构框图 （100110）KHz N PLL Nfi1 + PLL fi1 fi2 fo=N fi1+ fi2 （b） 双环合成器简化结构框图双环

18、合成器简化结构框图 双环合成器原理结构图双环合成器原理结构图 VCO1PD1LPF1 谐波谐波 形成形成 1 2 2 2 2 330 500;10; 100110;10 330:330 103400 3410; 331:331 103410 3420; 500:500 105100 5110; i i oi oi oi NfkHz fkHzkHzkHz NfkHzfkHzkHz NfkHzfkHzkHz NfkHzfkHzkHz 连续可调，间隔； （1）十进频率合成器组成 五个五个DS-1合成单元串接起来，其输出频率被送到合成合成单元串接起来，其输出频率被送到合成 单元单元DS-2，得到输出频

19、率为，得到输出频率为2122MHz , DS-2的输出加的输出加 到合成单元到合成单元DS-4，得到输出频率为，得到输出频率为101122MHz ,合成合成 单元单元DS-3输出为输出为10192MHz， DS-3与与DS-4的输出频率的输出频率 加到加到混频器混频器M进行相减，最后得到进行相减，最后得到200Hz30MHz的输的输 出频率。出频率。 DS-1 0-9 1Hz DS-1 0-9 10Hz DS-1 0-9 100Hz DS-1 0-9 1KHz DS-1 0-9 10KHz DS-2 0-9 100 KHz DS-4 0-2 10MHz DS-3 0-9 1MHz 2122 M

20、Hz 1.21.3 MHz 1.21.3 MHz 1.21.3 MHz 1.21.3 MHz 1.21.3 MHz 内插振荡器 01Hz 1.21.3MHz 9MHz 100KHz M （-） 10192MHz101122 MHz 200Hz30MHz 5MHz 9MHz 1MHz 100KHz 2.5MHz S1 S2 S3S4S5 VCOPDLPF 1.8 2.7 MHz 100KHz 谐波谐波 形成形成 Nfi DS-1原理框图原理框图 M1 （）（） M2 （）（） 9MHz 1.21.3MHz 基准基准 后一位合成单元后一位合成单元 10.2 10.3MHz 10 1213 MHz

21、1.21.3 MHz 倍频环倍频环 0123456789 :18192021222324252627N 度盘： VCOPDLPF 1.82.7 MHz 100KHz 谐波谐波 形成形成 Nfi DS-2原理框图原理框图 M1 （）（） M2 （）（） 9MHz 1.21.3MHz 基准基准 “10KHz”单元输出单元输出 19.219.3MHz 2122MHz 倍频环倍频环 2 18MHz 0123456789 :18192021222324252627N 度盘： VCOPDLPF 10192 MHz 1MHz 谐波谐波 形成形成 Nfi DS-3原理框图原理框图 倍频环倍频环 fi 0123

22、456789 :101 1009998979695949392N 度盘： PDLPFVCO M （）（） DS-2的输出的输出 0：80MHz 加法混频环加法混频环 2122MHz DS-4原理框图原理框图 基准基准 倍 频倍 频 环环 5MHz VCO PD LPF 谐波谐波 形成形成 1：90MHz 2：100MHz 1：111112MHz 2：121122MHz 0：101102MHz 012 :161820N 度盘： VCO PDLPF 1.21.3 MHz 100KHz 谐波谐波 形成形成 内插振荡器组成框图内插振荡器组成框图 基准基准 1 2 S + P 当选择当选择开关开关S S

23、置于置于1 1时，内插振荡器是一个时，内插振荡器是一个倍频倍频环，它输出一环，它输出一 个个1.2MHz1.2MHz的固定点频，此时频率合成器只能输出离散频率。的固定点频，此时频率合成器只能输出离散频率。 当内插振荡器的当内插振荡器的开关开关S S置于置于2 2时时，VCOVCO就作为一个频率连续可就作为一个频率连续可 调的振荡器工作，调节电位器调的振荡器工作，调节电位器P P，改变，改变VCOVCO的偏压，可使它的输的偏压，可使它的输 出在出在1.2MHZ1.2MHZ1.3MHZ1.3MHZ之间连续变化之间连续变化。 思考题：如何用十进频率合成器产生频率为思考题：如何用十进频率合成器产生频率为27.5641230MHz27.5641230MHz的信号。的信号。 对于倍频环而言，输出频率以增量对于倍频环而言，输出频率以增量fifi变化，即合成器的变化，即合成器的 频率分辨率等于频率分辨率等于fifi。 合成器频率转换时间为合成器频率转换时间为 频率增量越小，转换时间越长。频率增量越小，转换时间越长。 ieft/25 在保证转换时间不便的前提下，提高频率分辨力的途径主在保证转换时间不便的前提下，提高频率分辨力的途径主 要有：要有： 多环频率合成法；多环频率合成法； 小数分频法。小数分频法。 矛盾 VCOPDLPF fo fi N M 提高频