(电子测量)信号的产生

1、电子测量电子测量第1页第第8 8章章 信号的产生信号的产生8.1 8.1 信号源概述信号源概述 8.2 8.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器 8.3 8.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生 8.4 8.4 直接数字合成技术直接数字合成技术 8.5 8.5 合成信号源简介合成信号源简介 电子测量电子测量第2页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：信号源的用途主要有以下三方面： 激励源。激励源。 信号仿真。信号

2、仿真。 标准信号源。标准信号源。电子测量电子测量第3页测试信号发生器被测电路测试仪器输入激励输出响应电子测量电子测量第4页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电子测量电子测量第5页电子测量电子测量第6页3. 3. 按照信号发生器的性能指标可分为：按照信号发生器的性能指标可分为： 电子测量电子测量第7页8.2.1 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主振级

3、主振级 主振级是低频信号发生器的最重要的电路，通常有差频式的频率形成电路主振级是低频信号发生器的最重要的电路，通常有差频式的频率形成电路和和RCRC文氏电桥正弦振荡电路。文氏电桥正弦振荡电路。电子测量电子测量第8页差频信号发生器组成原理差频信号发生器组成原理高频振荡高频振荡器器缓冲缓冲放大放大混频混频器器低通低通滤波滤波器器功放功放衰减衰减固定频率固定频率振荡器振荡器缓冲缓冲放大放大f2f1f差频式低频信号形成电路的工作原理差频式低频信号形成电路的工作原理 其中一个振荡器产生固定频率的高频振荡信号其中一个振荡器产生固定频率的高频振荡信号f f1 1，另一个振荡器产生可变频率的高频振荡信号另一个

4、振荡器产生可变频率的高频振荡信号f f2 2，将频，将频率为率为f f1 1和和f f2 2的高频振荡信号同时送入混频器，混频后的高频振荡信号同时送入混频器，混频后的信号有的信号有f f1 1、f f2 2、f f1 1+ +f f2 2、f f1 1f f2 2 等等，可用低等等，可用低通滤波器滤掉其他频率的信号，最后得到差频信号通滤波器滤掉其他频率的信号，最后得到差频信号F F = = f f1 1f f2 2。 电子测量电子测量第9页 RC振荡电路形成低频信号的工作原理振荡电路形成低频信号的工作原理RC文氏电桥振荡电路 RC串并联选频网络 电子测量电子测量第10页在图在图a中，中，ui是

5、网络的输入电压，是网络的输入电压，u0是输出电压，是输出电压，Z1为为R、C串联阻抗，串联阻抗，Z2为为R、C并联阻抗。并联阻抗。u0uiRCCR(a)文氏桥式网络0.10.20.3=00.03501/3Kf/0(b)幅频特性0.03=050/0900-900(c)相频特性RC文氏桥网络文氏桥网络电子测量电子测量第11页A1A2衰减器电路表头电路电压放大器输出幅度微调振荡器输出放大器RCRtRfCR+-使用热敏电阻作为振荡器控制器件的文氏桥式振荡器方框图 图中负温度系数热敏电阻图中负温度系数热敏电阻R Rt t和电阻和电阻R Rf f就构成了电压负就构成了电压负反馈电路。热敏电阻反馈电路。热敏

6、电阻R Rt t的阻值随环境温度升高或流过的电的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减小，当由于各种原因引起输出电压增大时，由流增加而减小，当由于各种原因引起输出电压增大时，由于该电压也直接接在于该电压也直接接在R Rt t、R Rf f串联电路，流过串联电路，流过R Rt t的电流也随的电流也随之增加而导致之增加而导致R Rt t阻值降低，负反馈加大，放大器总增益降阻值降低，负反馈加大，放大器总增益降低，使输出电压减小，达到稳定输出信号振幅的目的。而低，使输出电压减小，达到稳定输出信号振幅的目的。而在振荡器起振阶段，由于在振荡器起振阶段，由于R Rt t温度低，阻值大，负反馈小，温度低，阻值

7、大，负反馈小，放大器实际总增益大于放大器实际总增益大于3 3，振荡器容易起振。，振荡器容易起振。电子测量电子测量第12页 1 XD1低频信号发生器电子测量电子测量第13页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电子测量电子测量第14页1.高频信号发生器的基本组成高频信号发生器的基本组成 高频信号发生器是由主振级、调制级、输出级、衰高频信号发生器是由主振级、调制级、输出级、衰减级、内调制振荡级、检测级和电源等组成。减级、内调制振荡级、检测级和电源等组成。电子

8、测量电子测量第15页主振级主振级通常采用连续可调的通常采用连续可调的LCLC振荡器，振荡器由以振荡器，振荡器由以下三部分组成：下三部分组成： 具有选频特性的储能元件。具有选频特性的储能元件。 控制能量补充的反馈控制电路。控制能量补充的反馈控制电路。 用于补充能量的直流电源和有源器件。用于补充能量的直流电源和有源器件。振荡器的结构常用：四端网络式振荡器振荡器的结构常用：四端网络式振荡器有源器件常用晶体三极管、场效应管，有源器件常用晶体三极管、场效应管，为了建立正反馈，必须有反馈电路。为了建立正反馈，必须有反馈电路。振荡频率低于振荡频率低于1GHz1GHz。电子测量电子测量第16页XFC-6XFC

9、-6型标准信号发生器能产生型标准信号发生器能产生4-300MHz4-300MHz的高频信号，并可进行调幅、调的高频信号，并可进行调幅、调频频 以及调幅调频双重调制适用于相应频率范围的接收设备的校准与测以及调幅调频双重调制适用于相应频率范围的接收设备的校准与测试等。试等。电子测量电子测量第17页vEE1051EE1051高频信号发生器，频率覆盖高频信号发生器，频率覆盖100KHz 150MHz, 100KHz 150MHz, 电平连续可调，电平连续可调，并具有调频、调幅功能。输出频率采用四位数显示方式，频率显示精度并具有调频、调幅功能。输出频率采用四位数显示方式，频率显示精度较高；输出电平采用较

10、高；输出电平采用ALCALC稳幅方式，输出稳定便于使用。稳幅方式，输出稳定便于使用。电子测量电子测量第18页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u 脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉冲发生器的分类（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、数脉冲发生器、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

11、器等。字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。电子测量电子测量第19页电子测量电子测量第20页电子测量电子测量第21页输出输出脉宽，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电子测量电子测量第22页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

12、道二极管脉冲发生器等。隧道二极管脉冲发生器等。V VD DR RC CR RO OK KR RL L水银开关脉冲发生器原理水银开关脉冲发生器原理电子测量电子测量第23页方波三角波正弦波函数发生器一般以某种波形为第一波形正弦波方波三角波三角波正弦波方波电子测量电子测量第24页函数信号发生器原理框图函数信号发生器原理框图其基本原理是先由积分电路和触发电路产生三角波和其基本原理是先由积分电路和触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器将三角波整形成正弦波。方波，然后通过函数转换器将三角波整形成正弦波。触发电路比较器比较器放大器衰减器二级管整形网络波形选择积分器_+A输出FCDRPR1R2QQ+Um

13、K-Um电子测量电子测量第25页TT2TUm0-Um00E-E0(Q)(Q非)(D)(F)(a)(Q)(Q非)(D)(b)函数发生器波形图电子测量电子测量第26页R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14D1D2D3D4D5D6E3E2E1-E1-E2-E3+E输入输入Ui(a)二极管整形网络输出输出Uo-E0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t14tu0ufE1E2E3ui(b)正弦波的折线近似电子测量电子测量第27页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

14、形综合电路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B电子测量电子测量第28页ut（a）ut（b）tu（c）tu（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（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

15、了图（d d）所示）所示的锯齿波。的锯齿波。电子测量电子测量第29页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电子测量电子测量第30页8.3.1 8.3.1 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

16、输出输出基准频率基准频率电子测量电子测量第31页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，相位噪声很低。频率切换迅速，相位

17、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。输出输出3.628MHz3.628MHz电子测量电子测量第32页电子测量电子测量第33页电子测量电子测量第34页锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量电子测量第35页锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量电子测量第36页电子测量电子测量第37页（a） 谐波倍频环谐波倍频环VCOPDLPFfO=Nfifi谐波谐波形成形成Nfifo=Nfi（b）数字倍频环）数字倍频环VCOPDLPFfi

18、N倍频式锁相环原理图倍频式锁相环原理图fiNPLLNfi（c）倍频环简化图）倍频环简化图电子测量电子测量第38页分频式锁相环原理图分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b）数字分频环）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波谐波形成形成（a）谐波分频环）谐波分频环fiNPLLfo=fi/N（c）分频环简化图）分频环简化图电子测量电子测量第39页PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环）相减混频环PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2（a）相加混频环）相加混频环fo= fi1- fi2混频锁相环混频锁相环+P

19、LLfi1fi2fo= fi1+ fi2-PLLfi1fi2fo= fi1- fi2（c）相加环简化图）相加环简化图（d）相减环简化图）相减环简化图电子测量电子测量第40页fo= Nfi1+ fi234005100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（）（）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1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100110KHzNPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=N fi1+ fi2（b） 双环合成器简化结构框图双环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VCO1PD1L

20、PF1谐波谐波形成形成电子测量电子测量第41页电子测量电子测量第42页电子测量电子测量第43页 （1）测量分辨率（）测量分辨率（1/0.1s） 10Hz（2）在）在0.1s的闸门时间内的计数值为：的闸门时间内的计数值为：10KHz0.1s1000， 则量化误差的相对值为：则量化误差的相对值为：1/10000.1（3）为了显示不溢出，则在）为了显示不溢出，则在10s的最大闸门的最大闸门时间内计得的值不能超过时间内计得的值不能超过105，由此可得测量，由此可得测量频率的上限值为：频率的上限值为：105/10s10KHz 电子测量电子测量第44页解：（解：（1）测频时，在）测频时，在1s的闸门时间内对被测信号的计数值为：的闸门时间内对被测信号的计数值为：200Hz1s200 则则量化误差为：量化误差为：1/2000.