电子测量原理_王厚军_信号的产生

1、第8章信号的产生本章介绍：介绍了信号源在电子测量中的作用、组成原理、种类及正弦信号源的性能指标；阐述了正弦信号发生器和脉冲发生器的原理与组成结构，多波形信号发生原理， 函数发生器的基本组成结构等；详细阐述频率合成的基本概念，频率合成的基本方式，锁相环的工作原理及基本形式，介绍提高频率分辨力和频率上限的锁相合成技术以及直接数字合成的基本原理，对任意波形发生器和合成扫频信号源作了简单介绍。信号发生器用途主要是：提供激励信号、信号仿真和用作标准信号源，可以按照频率范 围、输出波形、性能指标以及用途、调制类型、频率调节方式等进行分类。信号源的主要组 成部分包括：主振器、缓冲放大、调制、输出级以及电源等

2、，正弦信号的性能指标主要包括 频率特性、输出特性以及调制特性。 由于正弦信号是分析线性系统频域特性的一种最基本的 信号，而且也是最容易产生、 描述和广泛应用的载波信号，因此正弦信号发生器具有特殊地位，它包括低频信号发生器和高频信号发生器。脉冲信号发生器是专门用于产生脉冲波形的信号源，而函数发生器可以产生多种波形， 如正弦波、三角波、方波和锯齿波等。正弦信号也可以通过频率合成的方式产生，频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率，通过基本的代数运算得到一系列所需的频率。锁相频率合成技术是一种最常用的频率合成技术，锁相环实际上是一个负反馈相位控制系统，通过相位比较实现频率的锁定。锁相频率合成可以实现小

3、步进，但切换时间长，而直接数字合成(DDS)可以在实现小步进的同时实现频率的快速切换，但它具有频率上限低、杂散较大等缺点。将几种频率合成技术综合应用，可以取长补短，同时实现快捷变，小步进及较高的频 率上限。1信号源概述本节要求：了解信号源的作用、分类，掌握信号源的组成原理。掌握正弦信号源的主要性能指标的含义。8. 1. 1信号源的作用和组成.作用信号源的用途主要有以下三方面：(1)激励源；(2)信号仿真；(3)标准信号源。.组成信号源的组成结构如下图所示：信号发生器结构框图8. 1. 2信号源的分类按照输出信号的频率来分，大致可分为六类超低频信号发生器，频率范围为0.0001Hz 1000Hz

4、;1Hz 1MHz 20Hz 10MHz;200KHz30MHz30KHz 300MHz 300MHz以上低频信号发生器，频率范围为 视频信号发生器，频率范围为 高频信号发生器，频率范围为 甚高频信号发生器，频率在 超高频信号发生器，频率在按输出波形可以分为正弦波形发生器，产生正弦波或受调制的正弦信号；脉冲信号发生器，产生脉冲宽度不同的重复脉冲；函数信号发生器，产生幅度与时间成一定函数关系的信号；噪声信号发生器，产生模拟各种干扰的电压信号。按照信号发生器的性能指标可分为：一般信号发生器和标准信号发生器。8. 1. 3正弦信号源的性能指标.频率特性正弦信号源的频率特性可以用以下几项指标来表征：

5、(1)频率范围。(2)频率准确度。二=ffo = 100% fo fo(8-1 )其中Af = f - f。-频率绝对偏差。(3)频率稳定度。 短期稳定度：f_ 3“：= 2mx_Lmin_ 100% fo(8-2)其中：fmax-15 分钟内信号频率的最大值。fmin-15 分钟内信号频率的最小值。f。-预调频率(标称频率)。长期稳定度是指信号源经过规定预热时间后，在任意3小时内信号频率发生的最大变化，同样可由式(8-2)表不。.输出特性正弦信号源的输出特性指标主要有：(1)输出电平范围。(2)输出电平的频响。(3)输出电平准确度。(4)输出阻抗。(5)输出信号的非线性失真系数和频谱纯度.调

6、制特性调制特性的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。思考题与习题：.什么叫信号源？按输出波形的不同可分为哪几类？.正弦信号源的主要性能指标有那些？各有什么含义？8. 2正弦、脉冲及函数发生器要求：了解正弦信号发生器的组成原理了解脉冲信号发生器的原理与分类掌握多波形信号发生原理，了解函数发生器的组成。8. 2. 1正弦信号发生器.低频信号发生器低频信号发生器频率范围一般为20Hz20KHz,故又称音频信号发生器。图8-2低频信号发生器组成原理主振级一般采用 RC正弦振荡器，其每一分波段的频率覆盖系数通常为10。因此要覆盖较宽的频率范围，需要多个分波段，而差频式低频信号发生器

7、可以在不分波段的情况下得到 较宽的频率覆盖范围。差频式低频信号发生器原理框图高频振荡器输出频率为 f ,固定频率振荡器输出频率为 fo ,设f变化范围为f1f2 , 则差频信号的频率范围为鲂=fl-f。 f= f2-f。，如果f与f0的值都很高，则差频的频率覆盖系数 *f2 / Afi可以达到很大的值，因此对f进行调频指数不大的调频也可以使f具有很宽的范围。.高频信号发生器高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz;稳定度一般优于104/15分，输出电压在0.1 11 V1V左右，输出阻抗为标准的50a （或75Q）。高频信号发生器原理框图输出8. 2. 2脉冲信号发生器常见的脉冲信

8、号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等。常见的脉冲信号根据脉冲发生器的用途和产生脉冲的方法，可以分为通用脉冲发生器、 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。1.通用脉冲发生器脉冲发生器的基本原理如下图所示。快速(广谱)脉脉冲信号发生器组成原理通用脉冲发生器产生的脉冲持续时间和过渡时间一般在1ns以上，有的过渡时间虽然可到300ps ,但参数固定不能调节。2 .快速(广谱)脉冲发生器快速脉冲发生器可用于数字通信、雷达、时域特征测试等场合。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，脉冲信号发生器相当于频域测试中的

9、扫频信号源。8. 2. 3函数发生器函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号发生器。.多波形信号发生原理函数发生器一般以某种波形为第一波形，然后在该波形基础上转换导出其它波形。(1)方波三角波发生器其原它最基本的部分是由一个双稳态电路与密勒积分器构成的方波一一三角波发生器，方波、三角波发生器原理框图(2)正弦波形成电路正弦波可以由三角波获得，其方法是分段折线逼近的波形综合法。分段折线逼近的实现电路如下图所示。R7BR6BR5BR0R4BR3BR2B Rib -分段逼近波形综合电路（3）锯齿波形成电路将下图（a）所示三角波与图（b）所示方波直接叠加就可得到图（ c）所

10、示的交错锯齿锯齿波的获得原理2.函数发生器的组成函数发生器的典型原理框图如下图所示。函数发生器基本组成原理思考题与习题：.简述函数信号发生器的多波形形成原理？.差频式低频信号源与一般低频信号源的区别?8. 3锁相频率合成信号的产生要求：掌握频率合成的基本原理掌握锁相频率合成原理及其基本方式了解提高频率分辨力及频率上限的锁相合成技术8. 3. 1频率合成的基本概念.频率合成原理应采用频率合成当要获得许多稳定的信号频率时，不能采用很多个晶体振荡器来产生,的方法来得到。石英晶体基准频率代数运算（加、减、乘、除）频率1输出频率n输出频率控制频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率（一般由高稳定的石英晶体

11、振荡器产生） 通过基本的代数运算（加、减、乘、除） ，得到一系列所需的频率。.频率合成分类及特点当前主要的频率合成方式有：直接频率合成、锁相式频率合成（间接式频率合成） 及直接数字合成（DDS等方式。（1）直接频率合成。它是通过频率的混频、 倍频和分频等方法来产生一系列频率信 号并用窄带滤波器将其选出，下图是其实现原理。直接式频率合成原理框图优点：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。（2）锁相式频率合成。它是一种间接式的频率合成技术，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

12、的基础上合成不同的频率。优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低。缺点：频率切换时间相对较长。（3）直接数字合成（DDS。基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生 所需频率的正弦信号。优点：能够解决快捷变和小步进之间的矛盾，且集成度高，体积小。 缺点：频率上限较低，杂散也较大。8. 3. 2锁相环(PLL)的基本概念1.锁相环基本工作原理及性能PD、环路滤波器(LPF)、电锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器( 压控制振荡器(VCO及基准晶体振荡器等部分组成。基准晶振O锁相环控制系统原理图锁相环是一个相位环反馈控制系统，系统的信息是相位,述锁相环的特性，锁相环的闭环

13、相位传递函数为H(s)=3(s):Xs)因此可以用相位传递函数来描(8-5 )式(8-5)中 。-输出相位*o(t)的拉氏变换;i (S)-输入相位巴的拉氏变换； 若取s = jeo ,则可得到锁相环的频率特性，即H(j )3(j )(j-)式(8-6 )中切-输入相位的调制角频。环路带宽：锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性,(8-6)其高频截止频率称为环路带宽。2.锁相环的基本形式常用的锁相环形式主要有以下几种：(1)倍频式锁相环。倍频环主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环。(c)倍频环简化图倍频式锁相环原理图(2)分频式锁相环。分频环实现对输入频率的除法运算，也有两种基本形式。fi

14、(c)分频环简化图 分频式锁相环原理图(3)混频式锁相环。混频环实现对频率的加减运算。(a)相加混频环(b)相减混频环fiifiifo= fii + f i2fo= fii- f i2fi2 *PLLfi2PLL(c)相加环简化图(d)相减环简化图图 8-17混频锁相环(4)多环合成单元。单环型锁相环存在频率点数目少，频率分辨率不高等缺点，因 此一个合成式信号源都是由多环合成单元组成。下图是一个双环合成单元。fo=N f ii+ f i2+X NPLLfii NfiiPLL(b)双环合成器简化结构框图双环合成器原理结构图8. 3. 3提高频率分辨力的锁相合成技术1.提高频率分辨力的技术途径提高

15、频率分辨力的途径之一如下图所示，在锁相环后设置一分频器，则输出频率,在不加长转换时间的前提下使分辨1/M。fo =(N/M )fi ,当N改变i时，fo变化量为fi/M力提高了 M倍，但相应地输出频率范围也减小到原来的后置分频器的PLL合成器为了在提高频率分辨力的同时， 输出频率范围不发生变化， 可以采用多环频率合成方法,F图是一个三环锁相频率合成器原理框图。fi三环合成器简化框图fB Nbfo = fA =(Na) fi合成器的输出频率为：MM2.小数分频技术另一种提高分辨力的途径是使分频器能够提供小数的分频比。脉冲O . . OVF ACCU foUoF存储器N存储器接口小数分频实现电路图

16、例如要求环路输出为fo =43 fi即分频比为4.3,在十个参考频率周期内7次除4, 3F存储器 N存储器次除5即可。每一次循环过程中，在 Ui的各周期内，累加器的值和其分频系数见表8-1。表8-1输入信号每周期内的分频系数和累加值(分频比为4.3 )序号12345678910累加值0.30.60.90.20.50.80.10.40.70分频系数4445445445由于鉴相器的输出出现阶梯电压变化， 使得合成器频谱变差。从表8-1中可以发现累加 值恰好也是与其一致的阶梯变化，因此将该数据进行 D/A转换后加到PD的输出端就可以抵 消该变化，环路稳定后使得经环路滤波器后送给 VCO勺是一直流电平

17、，改进后的小数分频实 现电路见下图。8. 3. 4扩展频率上限的锁相合成技术.扩展频率上限的方法为了提高合成器的输出频率，可以采用前置分频器、多模分频器以及下变频等方法。前置分频法原理框图如下图所示。模数控制前置分频锁相频率合成器.多模分频锁相频率合成技术多摸分频器是指其模值（分频比）可以在多个固定的值上改变的分频器，例如双模分频器的模值可以在 V和V+1两个值上改变。采用双模分频的锁相频率合成器如下图所示。双模分频锁相频率合成器此时双模分频器的工作频率为fo,而两个可变分频器 N1和N2的工作频率分别为 %或f%书），但合成器的频率分辨力仍保持为fi,因此在保持频率分辨力不变的前提下提高了合

18、成器的最大输出频率。思考题与习题：.频率合成方式有哪几种，简述直接频率合成的原理？.锁相环有哪几个基本组成部分，各起什么作用？.在小数分频方法中要实现5.7倍分频，则在10个参考频率周期中要几次除5,几次除6?.简述多模分频锁相频率合成器的工作原理。8. 4直接数字合成技术要求：掌握相位累加器的基本原理了解DDSI率合成信号源8. 4. 1直接数字合成基本原理1. DDsta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。设取样时钟频率为九，正弦波每一周期由fofcNTc N

19、N个取样点构成，则该正弦波的频率为:(8-16)其中Tc为取样时钟周期。DDS的基本实现原理框图如下图所示。f o地址计数器正弦波ROM(+N)匚？ 存储器图8-32 DDS组成原理输出信号频率取决于两个因数：参考时钟频率2.相位累加器原理改变上图中的地址计数器计数步进值(即以值频率fc和RO瞰据不变的情况下，也能实现输出频率fc ;ROW存储的正弦波。M(M之1球进行累加)，则在保持时钟fo的改变。例如：设存储器中存储了N个数据(一个周期的采样数据),则地址计数器步进为1时，输出频率fofcN ,如果地址计数步进为M ,则每周期取样点数为n/M ,输出频率fo =(M/N)fc。地址计数器步

20、进值改变可以通过相位累加器法来实现，其基本原理框图如下图所示。相位累加器原理LPF8. 4. 2 DDS频率合成信号源.单片集成化的 DDS言号源一种单片集成 DDSK片AD9854的内部组成如下图所示，它包含了相位累加器、波形存 储器、D/A及时钟源等部件。参 考 时 钟外部输入的参考时钟经 420倍倍频，为DDS提供最高可到300MHz的时钟频率。通 过可编程寄存器，可以设置48位频率控制字和 14位相位控制字，实现频率和相位控制。D/A之前加入了一个数字乘法器，以实现幅度调制。另外该芯片还设置了一个高速比较器， 可以将DDS输出的正弦波信号变为方波信号。该芯片的48位频率控制字使得输出频

21、率分辨 力可达1dHz , 14位相位控制字可以提供分辨力为0.022的相位控制。在内部参考时钟选择为最大即300MHz时，输出频率最大可达 100MHz。.基于可编程芯片的 DDS频率合成信号源基于可编程芯片实现的 DDS言号合成具有更大的灵活性，其基本原理结构如下图所示。相位累加与控制逻辑采用 CPLD FPGA等高速可编程芯片来实现，波形存储器也采用高 速RAM滤波输出: SRAMI I 参考 相位累加相位 ： 波形 D/A转时钟 j 器t调制器 存储器匚力 换基于可编程芯片的DDS频率合成信号源. DDS/PLL组合的频率合成信号源DDSM有极高的频率分辨率和极短的转换时间，但其输出频

22、率上限较低；而锁相环具有 很高的工作频率及较窄的带宽，但频率分辨率较低，转换时间较长。因此，两者优缺点互补，可以将两者组合起来，从而使频率合成信号源的性能大幅提高。DDS 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。PD* LPFVCO*带通滤波-O基惟信号海DDS+ KfDDDS/PLL混频式频率合成原理合成器的输出频率为:fo = fP _ fD = K fr _M fc2n(8-17)思考题与习题：1 .简述相位累加器的工作原理。2. DDS中如果参考频率为100MHz相位累加器宽度 N为40位，频率控制字 则输出频率为多少？M为 01000

23、0H,8. 5合成信号源简介要求：了解任意波形发生器工作原理 了解合成扫频信号源工作原理8. 5. 1任意波形发生器1 . AWG勺工作原理任意波形发生器的原理与 DDS基本相同，如下图所示。任意波形发生器原理AWG勺主要技术指标任意波形发生器的种类很多，性能各异，其基本的功能及性能指标有：波形编辑功能； 输出波形频率； 相位分辨力； 幅度分辨率； 输出通道 数。AWG勺简介F图是某种任意波形发生器的系统结构框图。RS232GP-IBZ DAC某任意波形发生器系统结构8. 5. 2合成扫频信号源.工作原理频率特性测试可以采用点频法和扫频法，点频法是逐点调整信号发生器的输出频率，然后描绘出被测系

24、统的频率特性。扫频法是利用扫频信号发生器输出自动连续变化的频率信 号，对被测系统进行动态式的扫频测试，普通扫频信号发生器的原理结构如下图所示。扫频信号发生器原理框图.合成扫频信号源简介频率合成式的扫频信号源可实现宽带扫频，它具有频率准确度和分辨力高，寄生信号和相位噪声低等特点，具有扫频功能和多种调制方式，能够取代扫频信号发生器、 频率计数器、频率合成器等，可以用于手动和自动测试系统中。合成扫频信号源的生产厂家和种类很多， 其性能特点各不相同。思考题与习题：1 .简述任意波形发生器的工作原理。2.频率特性的测试方法主要有哪几种？本章小结.信号发生器是电子测量中不可缺少的仪器，它的用途主要有：提供

25、激励信号，信号 仿真，用作标准信号源。信号源可以按照频率范围、输出波形、性能指标以及用途、调制类 型、频率调节方式等进行分类，目前应用最广泛的仍然是正弦信号发生器和脉冲发生器。.信号源的主要组成部分包括：主振器、缓冲放大、调制、输出级以及电源等。振荡 器产生信号，需要调制信号时由调制部分对振荡器产生的信号进行相应的调制，输出级完成对信号的电平调节以及阻抗匹配等。.正弦信号的性能指标主要包括频率特性、输出特性以及调制特性。频率特性指标主 要有：频率范围、频率准确度、 频率稳定度等，频率准确度不仅受主振器的影响而且还要受 到频率读出装置的影响。输出特性包括输出电平范围、输出电平平坦度（频响）、输出

26、电平准确度、输出阻抗以及输出信号的频谱纯度等。调制特性主要包括调制频率、调幅系数、最 大频偏及调制线性等。.正弦信号发生器包括低频信号发生器和高频信号发生器，低频信号发生器指频率范 围在1Hz1MHz的信号发生器，多数低频信号发生器采用RC正弦振荡器，为得到较宽的频率覆盖范围，有的也采用差频式的方法。高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz,大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能。.脉冲信号发生器是专门用于产生脉冲波形的信号源，它常用于测试宽带放大器的振 幅特性、过度特性，数字系统的开关特性，示波器、雷达及通信机等。它包括通用脉冲发生 器、快速（广谱）脉冲发生器等。其中应用最广泛的是通用矩形脉冲发生器，它可以产生宽 度可变，且上升、下降沿极短的矩形脉冲。.函数发生器是一种多波形发生器，一般能够产生正弦波、三角波、方波和锯齿波等 波形，函数发生器最基本的部分是由一个双稳态电路与密勒积分器构成的方波一一三角波发 生器，通过分段折线逼近的波形综合法在三角波的基础上产生正弦波，而锯齿波是将方波与三角波叠加整流而得。.正弦信号也可以通过频率合成的方式产生，频率合成是由一个或多个高稳定的基准 频率，通过基本的代数运算得到一系列所需的频率。频率合成包括直接频率合成、间接式（锁相）频率合成及直接数字频率合成 （D