第4章_信号发生器-114

1、1第四章 信号发生器4.1 4.1 信号源概述信号源概述 4.2 4.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器 4.3 4.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生 4.4 4.4 直接数字合成技术直接数字合成技术 4.5 4.5 任意波形发生器任意波形发生器24.1 信号源概述v 信号源的作用和组成v 信号源的分类v 正弦信号源的性能指标34.1.1 信号源的作用和组成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信号发生器。或不规则波形的信号发生器。 信号源的用途主要有以下三方面：信号源的用途

2、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。42. 2. 信号源的组成信号源的组成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器结构框图54.1.2 信号源的分类1. 按频率范围 大致可分为六类： 超低频信号发生器 0.0001Hz1KHz； 低频信号发生器 1Hz1MHz； 视频信号发生器 20Hz10MHz； 高频信号发生器 200KHz30MHz； 甚高频信号发生器 30KHz300MHz； 超高频信号发生器 300MHz以上。 62. 按输出波形,大致可分为： 正弦波形发生器； 脉冲信号发生器；

3、 函数信号发生器； 噪声信号发生器。 3. 按照信号发生器的性能指标可分为： 一般信号发生器； 标准信号发生器； 74.1.3 正弦信号源的性能指标1. 频率特性v（1）频率范围v（2）频率准确度 v（3）频率稳定度 %100ooofffff%100minmaxofff82. 输出特性v（1）输出电平范围v（2）输出电平的频响v（3）输出电平准确度v（4）输出阻抗v（5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。3. 调制特性恒量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频偏，调制线性等。91. 低频信号发生器v频率范围：20Hz20KHz，又称音频信号发生器 4.2 4.2 正弦、脉冲及函数发生器4.2

4、.1 正弦信号发生器10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产生低频正弦信号隔离后级电路的影响，使输出电压达到技术指标电平调节电平调节匹配不同的负载，获得最大输出功率112. 高频信号发生器v输出频率范围：300KHz1GHzv大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能12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调制振荡器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产生高频

5、等幅载波信号主振级：即载波信号发生器，也称为高频振荡器；输出级：由放大器、滤波器、连续可调衰减器、步进衰减器等组成；产生内调制信号134.2.2 脉冲信号发生器v常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等 ：u ut to o（a a）矩形波）矩形波u ut to o（b b）锯齿波）锯齿波u ut to o（c c）阶梯波）阶梯波u ut to o（d d）钟形脉冲）钟形脉冲u ut 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144.2.2 脉冲信号发生器脉冲发生器的分类：通用脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发脉冲发生器的分类：通用脉冲发生器、快速

6、（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。器等。151. 通用脉冲发生器v能够满足一般测试的要求，能够调节脉冲重复频率、脉冲宽度、输出幅度及极性等。 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164.2.3 函数信号发生器1. 多波形信号发生原理v方波三角波发生器C双稳态双稳态电路电路VC2V2VC1AW

7、RU1I1U2B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)(221VVCIfsc设充放电电流为I，输出三角波的频率为fsc，则：17v 正弦波形成电路utiustusct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-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B18v 锯齿波形成电路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）锯齿波的获得原理

8、锯齿波的获得原理 锯齿波可以通过方波与三角波获得，将下图中（锯齿波可以通过方波与三角波获得，将下图中（a a）所示）所示三角波与图（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（c c）所示）所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（d d）所示的）所示的锯齿波。锯齿波。192. 函数发生器的性能和组成v函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波等波形，具有较宽的频率范围（0.1Hz几十MHz）及较稳定的频率。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

9、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arp -a 204.3 4.3 锁相频率合成信号的产生1.频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。 4.3.1 4.3.1 频率合成的基本概念频率合成的基本概念频率频率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212. 频率合成分类及特点v直接频率合成 通过混频

10、、倍频和分频等方法来产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。 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滤波滤波0.28MHz0.28MHz分频（分频（1010）混频（混频（+ +）滤波滤波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz优点：优点：频率切换迅速，相

11、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。22锁相式频率合成 v一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。 v优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低等优点。v缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。 2324v3. 频率合成技术的发展 各种频率合成方式的综合: 直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成技术都有其优缺点 ，单独使用任何一种方法，很难

12、满足要求。因此可将这几种方法综合应用，特别是DDS与PLL的结合,可以实现快捷变，小步进及较高的频率上限。254.3.2 锁相环（PLL）的基本概念1. 锁相环基本工作原理及性能 锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、电压控制振荡器（VCO）及基准晶体振荡器等部分组成 。锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd26锁相环的主要性能指标:同步带宽 ：锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围 捕捉带宽 ：环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的频差 环路带宽 : 锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性，其高频截止频率称为

13、环路带宽。274.4. 直接数字合成技术 DDS组成原理直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。4.直接数字合成基本原理 设取样时钟频率为，正弦波每一周期由个取样点构设取样时钟频率为，正弦波每一周期由个取样点构成，则该正弦波的频率为：成，则该正弦波的频率为：NfNTfcco128vDDS的实现原理如下图所示地址计数器地址计数器（N）正弦波正弦波ROM存储器存储器D/ALPFfcfoDDS组成原理组成原理输出信号频率输出信号频率fo: 取决于两个因数：参考时钟频率；取决于两个因数

14、：参考时钟频率；ROMROM中存储的正弦波；中存储的正弦波；NMffco如果如果地址计数器以步进地址计数器以步进M M（M=1)M=1)进行累加，则可在进行累加，则可在f fc c和和ROMROM数据不变的情况下改变数据不变的情况下改变输出频率，此时输出频率，此时fo为：为：294.2DDS频率合成信号源1 单片集成化的DDS信号源 输出输出输出输出串串/并并选择选择6位地址或位地址或串行编程串行编程8位并位并行数据行数据FSK/BPSK/HOLD数据输入数据输入420参考时钟参考时钟倍乘倍乘频频率率累累加加器器相位偏移相位偏移及调制及调制 +相相位位累累加加器器相相位位转转换换器器300MH

15、zDDS参参考考时时钟钟滤波滤波器器滤波滤波器器12位位D/AM/DAC复位复位12位位D/A频率控制字频率控制字/相位字启停逻辑相位字启停逻辑I/O更新更新读写读写可编程寄存器可编程寄存器48位频率位频率控制字控制字14位相位位相位偏移偏移/调制调制I/O端口缓冲端口缓冲12位位AM调制调制比较器比较器模拟输入模拟输入时钟输出时钟输出AD9854 DDS结构结构+-302 基于可编程芯片的DDS频率合成信号源 v单片集成的DDS芯片合成信号波形的种类较少，灵活性较差，不便于任意波发生器等场合的应用。基于可编程芯片实现的DDS信号合成可具有更大的灵活性。 相位累相位累加器加器参考参考时钟时钟相位相位调制器调制器D/A转转换换滤波滤波CPU接口接口输出输出频率控制字频率控制字波形波形存储器存储器SRAM 基于可编程芯片的基于可编程芯片的DDS频率合成信号源频率合成信号源313 DDS/PLL组合的频率合成信号源 vDDS与PLL组合的合成信号源可以有多种形式，下图是一种环外混频式DDS/PLL频率合成的原理。PDLPFVCOKDDS混频器混频器带通滤波带通滤波frfcfoD