第五章信号的产生2015

第5章信号的产生5.1信号源概述5.2正弦、脉冲及函数发生器5.3锁相频率合成信号的产生5.4直接数字合成技术*5.5合成信号源简介（了解）5.1信号源概述信号源的作用和组成信号源的分类正弦信号源的性能指标5.1.1信号源在电子测量中的作用和组成1.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形的信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面：

☆

激励源。☆信号仿真。☆标准信号源。2.信号源的组成信号输出主振器缓冲调制输出电源监测信号发生器结构框图5.1.2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0.0001Hz～1000Hz；低频信号发生器1Hz～1MHz；视频信号发生器20Hz～10MHz；高频信号发生器200KHz～30MHz；甚高频信号发生器30KHz～300MHz；超高频信号发生器300MHz以上。2.按输出波形,大致可分为：正弦波形发生器；脉冲信号发生器；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；5.1.3正弦信号源的性能指标1.频率特性（1）频率范围：超低频，低频，高频等等（2）频率准确度

（3）频率稳定度

2.输出特性（1）输出电平范围（2）输出电平的频响（输出电平的平坦度）（3）输出电平准确度（输出电平的误差）（4）输出阻抗（5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。3.调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。1.

低频信号发生器低频信号发生器频率范围一般为20Hz～20KHz，故又称音频信号发生器5.2正弦、脉冲及函数发生器5.2.1正弦信号发生器主振级缓冲放大电平控制功率放大衰减器阻抗变换电平调节波段调节频率细调电平指示低频信号发生器组成原理2.

高频信号发生器高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz～1GHz，大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能输出主振级波段选择频率细调缓冲调制级输出级调制振荡器监测器外调制输入高频信号发生器原理框图5.2.2脉冲信号发生器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：uto（a）矩形波uto（b）锯齿波uto（c）阶梯波uto（d）钟形脉冲uto（e）数字编码序列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。1.通用脉冲发生器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。输出脉宽，上升/下降沿控制主振级同步放大延时级脉冲形成输出级同步脉冲输出外同步触发输入外触发同步脉冲输出脉冲信号发生器组成原理2.快速（广谱）脉冲发生器在时域测试中，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扫频信号源。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隧道二极管脉冲发生器等。50mV/DIV×30dB1ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)过渡持续时间为1ns的脉冲发生器前沿及其频谱50mV/DIV15ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)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1ns的脉冲，其可用频谱分量为1GHz，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快达15ps，则其可用频谱可以高达30GHz。5.2.3函数信号发生器(p66)1.多波形信号发生原理⑴方波三角波发生器C双稳态电路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波发生器原理框图V1-设充放电电流为I，输出三角波的频率为fsc，则：运放组成的积分电路⑵正弦波形成电路utiustusct分段折线逼近波形综合其电路实现原理如下图所示。分段逼近波形综合电路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可以得到近似正弦波的折线化波形。采用比例系数可以自动调节的运算电路。利用二极管和电阻构成反馈通路，可以随着输入电压的数值不同而改变电路的比例系数。⑶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可以通过方波与三角波而获得，将下图中（a）所示三角波与图（b）所示方波直接叠加就可得到图（c）所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（d）所示的锯齿波。2.函数发生器的性能和组成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。频率控制网络三角波缓冲器正弦波综合及缓冲正恒流源负恒流源比较器方波缓冲器外部频率控制函数选择及其它波形产生输出放大输出滤波直流补偿积分电路函数发生器基本组成原理实例函数发生器的原理和应用一、函数发生器与信号波形函数发生器（FunctionGenerator）的功能：输出频率和幅度可调的:

正弦波三角波方波AM、FM调制正弦波：失真度三角波：线性度方波：上升与下降斜率根据傅里叶级数，一个失真的正弦波可以分解为一系列幅度不同、相位有别的基波和各

次谐波。因此非线性失真度定义为全部谐波能量与基波能量之比的量之比的平方根值。fVVmax-Vmint1t2一、函数发生器与信号波形二、MAX038函数发生器的基本原理

1.MAX038的基本特性多种波形输出：正弦波、三角波、锯齿波、方波、脉冲波

0.1Hz~20MHz频率范围输出频率及占空比可调输出电阻小至0.1欧，输出电流20mA正弦波输出总谐波失真低至0.75%2.MAX038的结构框图和管脚排列波形发生部分：振荡器通过对CF的充放电来实现频率的控制产生三角波和一路差分信号。输出三角波的频率由流入Pin10的电流IIN和CF决定，具体关系为fo(MHz)=IIN(uA)÷CF(pF)其中IIN在2uA到750uA之间取值。FADJ上的电压（-2.4V~+2.4V）对输出频率起微调作用，范围在（Fo±70%）不需要时应通过12k的电阻拉到地。DADJ上的电压（-2.4V~+2.4V）对输出波形的对称性起调整作用。当输出方波时占空比调整率为15%~85%。同样在不需要利用该功能是应通过12k电阻拉到地正弦波形成和波形选择产生的三角波通过一个正弦波形成器被折成正弦波，差分信号通过比较器形成方波。连同原来的波形再通过模拟多路器（由Ao，A1）决定，输出缓冲器将多路器选出来的波形缓冲后输出鉴相器和同步信号的产生部分鉴相器将输出信号PDI和振荡器产生的差分信号进行鉴相，鉴相结果由PDO输出（与FADJ相连可使输出与外输入同步）。同步信号的产生部分用于为数字部分提供同步信号，其频率和振荡器输出频率相同。三、MAX038函数发生器的应用多功能函数发生器压控振荡器FM或PWM调制器锁相环路(PLL)FSK发生器MAX038的应用例子图MAX038的应用电路19脚是波形输出端。利用恒定电流向CF充电和放电，形成振荡，产生三角波和矩形波。RP1的作用是调节振荡频率。RP2是调节占空比。MAX038的应用例子图5Hz～5MHz函数发生器MAX038的应用例子5.3锁相频率合成信号的产生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。5.3.1频率合成的基本概念频率1输出石英晶体代数运算（加、减、乘、除）频率合成原理频率n输出基准频率2.频率合成分类及特点⑴直接频率合成

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选出，下图是其实现原理。晶振谐波发生器（倍频）分频（÷10）8MHz混频（+）混频（+）2MHz滤波分频（÷10）2.8MHz滤波0.28MHz分频（÷10）混频（+）滤波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图1MHz1MHz9MHz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。⑵锁相式频率合成

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。优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低等优点。缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。

⑶直接数字合成（DDS）是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：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小缺点：频率上限较低，杂散也较大。3.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。5.3.2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frVrVCOPDLPFVofOVd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环路带宽。2.锁相环的基本形式

⑴倍频式锁相环

倍频环实现对输入频率进行乘法运算，主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环（a）谐波倍频环VCOPDLPFfO=Nfifi谐波形成Nfifo=Nfi（b）数字倍频环VCOPDLPFfi÷N倍频式锁相环原理图fi×NPLLNfi（c）倍频环简化图⑵分频式锁相环分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有两种基本形式。分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波形成（a）谐波分频环fi÷NPLLfo=fi/N（c）分频环简化图⑶混频式锁相环

混频环实现对频率的加减运算PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混频环fo=fi1-fi2混频锁相环+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加环简化图（d）相减环简化图⑷多环合成单元单环合成单元存在频率点数目较少，频率分辨率不高等缺点，所以一个合成式信号源都是由多环合成单元组成fo=Nfi1+fi23400～5100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（－）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1内插振荡器环1环2倍频环加法混频环（a）双环合成器原理结构框图100～110KHz×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2（b）双环合成器简化结构框图双环合成器原理结构图VCO1PD1LPF1谐波形成N=330~500实例分析：十进频率合成器

该频率合成器中采用了十进锁相合成单元，输出频率是采用十进数字盘来选择，它可以提供更高的输出频率准确度。目前十进频率合成器已作为一个标准频率源而获得广泛应用。（1）十进频率合成器组成五个DS-1合成单元串接起来，其输出频率被送到合成单元DS-2，得到输出频率为21～22MHz,DS-2的输出加到合成单元DS-4，得到输出频率为101～122MHz,合成单元DS-3输出为101～92MHz，DS-3与DS-4的输出频率加到混频器M进行相减，最后得到200Hz～30MHz的输出频DS-10-9×1HzDS-10-9×10HzDS-10-9×100HzDS-10-9×1KHzDS-10-9×10KHzDS-20-9×100KHzDS-40-2×10MHzDS-30-9×1MHz21～22MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz≈内插振荡器0～1Hz1.2～1.3MHz9MHz100KHzM（-）101～92MHz101～122MHz200Hz～30MHz×÷5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5十进锁相式频率合成器组成框图

(2)十进锁相合成单元VCOPDLPF1.8～2.7MHz100KHz谐波形成NfiDS-1原理框图M1（＋）M2（＋）9MHz1.2～1.3MHz基准后一位合成单元10.2～10.3MHz÷1012～13MHz1.2～1.3MHz倍频环1）DS-1合成单元N=18~272）DS-2合成单元VCOPDLPF1.8～2.7MHz100KHz谐波形成NfiDS-2原理框图M1（＋）M2（＋）9MHz1.2～1.3MHz基准“×10KHz”单元输出19.2～19.3MHz21～22MHz倍频环×218MHz3）DS-3合成单元VCOPDLPF101～92MHz1MHz谐波形成NfiDS-3原理框图倍频环fi0-1011-1002-99….9-924）DS-4合成单元PDLPFVCOM（－）DS-2的输出0：80MHz加法混频环21～22MHz101～122MHzDS-4原理框图基准倍频环5MHzVCOPDLPF谐波形成1：90MHz2：100MHz倍频环的倍数：N=16，18，20

012（3）输出频率的连续调节为了使输出频率连续可调，频率合成器中加入了一个内插振荡器VCOPDLPF1.2～1.3MHz100KHz谐波形成内插振荡器组成框图基准12S+P当选择开关S置于1时，内插振荡器是一个倍频环，它输出一个1.2MHz的固定点频，此时频率合成器只能输出离散频率。当内插振荡器的开关S置于2时，VCO就作为一个频率连续可调的振荡器工作，调节电位器P，改变VCO的偏压，可使它的输出在1.2MHZ～1.3MHZ之间连续变化。5.４直接数字合成技术（p72）１DDS组成原理直接数字合成（DirectDigitalSynthesis）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。5.4.1

直接数字合成基本原理

设取样时钟频率为fc，正弦波每一周期由Ｎ个取样点构成，则该正弦波的频率为：DDS的实现原理如下图所示地址计数器（÷N）正弦波ROM存储器D/ALPFfcfoDDS组成原理输出信号频率fo:取决于两个因数：⑴参考时钟频率；⑵ROM中存储的正弦波；如果地址计数器以步进M（M>=1)进行累加，M称为频率控制字，则可在fc和ROM数据不变的情况下改变输出频率，此时fo为：2相位累加器原理

当改变地址计数器计数步进值（即以值M来进行累加），同样可以改变每周期采样点数，从而实现输出频率的改变。地址计数器步进值改变可以通过相位累加法来实现相位锁存器频率控制字M相位累加器fr波形存储RAMD/A转换LPFfo24～48位14～16位相位累加器原理为便于理解，可以将正弦波波形看作一个矢量沿相位圆转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。步进点数2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248数字相位圆设相位累加器位数为N，频率控制字为M，参考时钟频率为fc，则DDS输出频率为：截断误差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作为存储器地址，使得相位的低位被截断（即相位截尾）。当相位值变化小于1/2A时，波形幅值并不会发生变化，但输出频率的分辨率并不会降低，由于地址截断而引起的幅值误差，称为截断误差。实际应用中一般取1≤M≤2N-2

此处的N不再是取样点数，而是累加器位数，取样点数为2N5.４.2DDS频率合成信号源1单片集成化的DDS信号源

输出输出串/并选择6位地址或串行编程8位并行数据FSK/BPSK/HOLD数据输入4×～20×参考时钟倍乘频率累加器相位偏移及调制+相位累加器相位转换器300MHzDDS参考时钟滤波器滤波器12位D/AM/DAC复位12位D/A频率控制字/相位字启停逻辑I/O更新读写可编程寄存器48位频率控制字14位相位偏移/调制I/O端口缓冲12位AM调制比较器模拟输入时钟输出AD9854DDS结构+-1单片集成化的DDS信号源

5.４.2DDS频率合成信号源

AD9852功能结构框图AD9852DDS结构5.４.2DDS频率合成信号源1单片集成化的DDS信号源

AD9852内部包括一个具有48位相位累加器、一个可编程时钟倍频器、一个反sinc滤波器、两个12位300MHzDAC，一个高速模拟比较器以及接口逻辑电路。其主要性能特点如下：高达300MHz的系统时钟；能输出一般调制信号，FSK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等；100MHz时具有80dB的信噪比；内部有4*到20*的可编程时钟倍频器；两个48位频率控制字寄存器，能够实现很高的频率分辨率。两个14位相位偏置寄存器，提供初始相位设置。带有100MHz的8位并行数据传输口或10MHz的串行数据传输口。2基于可编程芯片的DDS频率合成信号源

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。相位累加器参考时钟相位调制器D/A转换滤波CPU接口输出频率控制字波形存储器SRAM基于可编程芯片的DDS频率合成信号源3DDS/PLL组合的频率合成信号源

DDS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。PDLPFVCO÷KDDS混频器带通滤波frfcfoDDS/PLL混频式频率合成原理fPfD基准信号源此时输出频率为：5.5合成信号源简介任意波发生器（AibitrayWaveGenerator）：能产生任意波形的信号发生器。5.5.1任意波形发生器1

AWG的工作原理任意波形发生器的原理与DDS基本相同，如下图所示波形存储器D/A转换器滤波器fs输出任意波形发生器原理2AWG的主要技术指标

①波形编辑功能。②输出波形频率。③相位分辨力。④幅度分辨率。⑤输出通道数。函数、任意波形发生器

图5.22任意波形发生器可产生的几种波形(a)