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 7.1 信号源概述信号源概述一、一、 信号源在电子测量中的作用和组成信号源在电子测量中的作用和组成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。2. 信号源

2、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。二、信

3、号源的分类二、信号源的分类按按频率范围频率范围 大致可分为六类：大致可分为六类：二、信号源的分类二、信号源的分类( (续续) )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；一般信号发生器； 标准信号发生器；标准信号发生器； 3. 按按输出波形输出波形,大致可分为：大致可分为：三、正弦信号源的性能指标三、正弦信号源的性能指标1. 1. 频率特性频率特性%100ooofffff%100minmaxofff2. 2. 输出特性输出特性（1 1）输出电压范围。）输出电压范围。 电平范围：电平范围：-60-60+10dB（2 2）输出电平平坦度）输出电

4、平平坦度在有效频率范围内调节在有效频率范围内调节频率时，电平的变化。频率时，电平的变化。（3 3）输出电平准确度）输出电平准确度（4 4）输出阻抗）输出阻抗低频信号发生器：低频信号发生器：5050、 7575、 150150、 600600、 5k5k（5 5）输出信号的非线性失）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度真系数和频谱纯度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。1. 1. 低频信号发生器低频信号发生器u 低频信号发生器频率范围一般为低频信号发生器频率范围一般为20

5、Hz20Hz20KHz20KHz，故又称音，故又称音频信号发生器频信号发生器 7.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器一、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、100-1kHz10

6、0-1kHz、1kHz-10kHz1kHz-10kHz、10kHz-100kHz10kHz-100kHz、100kHz-1MHz100kHz-1MHz2. 2. 高频信号发生器高频信号发生器u 高频信号发生器输出频率范围一般在高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz，输，输出电压出电压0.1uV1V，大多数具有调幅，调频及脉冲调制大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能。等功能。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LCL

7、C高频振荡器，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。二、二、 脉冲信号发生器脉冲信号发生器u 常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编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 t

8、o 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。1. 1. 通用脉冲发生器通用脉冲发生器u 通用脉冲发生器能够满足一般测试的要求，能够调节脉冲通用脉冲发生器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。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/

9、 /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。2. 2. 快速（广谱）脉冲发生器快速（广谱）脉冲发生器u

10、在时域测试中，快速脉冲信号发生器用来提供广谱的激励在时域测试中，快速脉冲信号发生器用来提供广谱的激励信号，尤其在微波网络、宽带元器件的时域测试中，脉冲信号，尤其在微波网络、宽带元器件的时域测试中，脉冲信号发生器相当于频域测试中的扫频信号源。信号发生器相当于频域测试中的扫频信号源。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 DR RC CR RO OK KR RL L水银开关脉冲发

11、生器原理水银开关脉冲发生器原理脉冲过渡时间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/DIV30dB1 ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(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/DIV100 ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(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升

12、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。三、三、 函数信号发生器函数信号发生器1. 1. 多波形信号发生原理多波形信号发生原理 方波三角波发生器方波三角波发生器正弦波三角波方波C双稳态双稳态电路电路VC2V2VC1AWRU1I1U2B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-+1122()scUfRC VV三角波斜率：1UkRC 三角波周期：121212()2scVVRC VVTkU三角波频率： 正弦波形成电路正弦波形成电路utiuiuot分段折线逼近波形

13、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-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BuiuoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B 锯齿波形成电路锯齿波形成电路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

14、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，就得到了图（d d）所示）所示的锯齿波。的锯齿波。2. 2. 函数发生器的性能和组成函数发生器的性能和组成u 函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波等波形，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（具有较宽的频率范围（0.1Hz0.1Hz几十几十MHzMHz）及较稳定的频）及较稳定的频率。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

15、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. 频率合成原理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。频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。 一、一、 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普通信号发生器（LC、RC）的矛盾：输出频率可

16、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。二、直接频率合成技术二、直接频率合成技术 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6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628

17、MHz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（1 1） 锁相环基本工作原理及性能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。该环路由鉴相器锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（PDPD）、环路滤波器（）、环路滤波器（LPFLPF）、电压控制振荡器（）、电压控制振荡器（VCOV

18、CO） 及基准晶体振荡器等部分组成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fiuiVCOPDLPFuofoudu 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：( )( )( )( )( )()( )doiddcodoidtttt dtdttdtdttuuf时，得到稳定输出sin()()ddddddduKKK较小时：锁相灵敏度，值越大，控制能力越强。ucuLPF：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

19、成分和噪声，以低通滤波器，用于滤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。ooddcooidiiddcooidfuuffffuufff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2. 2. 锁相环的基本形式锁相环的基本形式 （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

20、VCOPDLPFfiN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+PLLfi1fi2fo= fi

21、1+ 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fo= Nfi1+ fi234005110KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（）（）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（100110）KHzNPLLNfi1+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VCO1PD1LPF1谐波谐波形成形成12222330 500;

22、10;100110;10330:330 103400 3410;331:331 103410 3420;500:500 105100 5110;iioioioiNfkHzfkHzkHzkHzNfkHzfkHzkHzNfkHzfkHzkHzNfkHzfkHzkHz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

23、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-10-91HzDS-10-910HzDS-10-9100HzDS-10-91KHzDS-10-910KHzDS-20-9100KHzDS-40-210MHzDS-30-91MHz2122MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz内插振荡器01Hz1.21.3MHz9MHz100KHzM（-）10192MHz101122MHz200Hz30MHz5MHz9MHz1MHz1

24、00KHz2.5MHzS1S2S3S4S5十进锁相式频率合成器组成框图十进锁相式频率合成器组成框图VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz谐波谐波形成形成NfiDS-1原理框图原理框图M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基准基准后一位合成单元后一位合成单元10.210.3MHz101213MHz1.21.3MHz倍频环倍频环0123456789:18192021222324252627N度盘：VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz谐波谐波形成形成NfiDS-2原理框图原理框图M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基准基准“10KHz”单元输出单元输出19

25、.219.3MHz2122MHz倍频环倍频环218MHz0123456789:18192021222324252627N度盘：VCOPDLPF10192MHz1MHz谐波谐波形成形成NfiDS-3原理框图原理框图倍频环倍频环fi0123456789:101 1009998979695949392N度盘：PDLPFVCOM（）（）DS-2的输出的输出0：80MHz加法混频环加法混频环2122MHzDS-4原理框图原理框图基准基准倍 频倍 频环环5MHzVCOPDLPF谐波谐波形成形成1：90MHz2：100MHz1：111112MHz2：121122MHz0：101102MHz012:16182

26、0N度盘：VCOPDLPF1.21.3MHz100KHz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12S+P 当选择当选择开关开关S S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

27、.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。四、提高频率分辨力的锁相合成技术四、提高频率分辨力的锁相合成技术1 1 提高频率分辨力的技术途径提高频率分辨力的技术途径 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