第8章信号的产生

第8章信号的产生8.1信号源概述8.2正弦、脉冲及函数发生器8.3锁相频率合成信号的产生8.4直接数字合成技术8.5合成信号源简介8.1.1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、不同波形的电压电流信号的信号发生器。测试信号发生器被测电路测试仪器输入激励输出响应8.1.1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的用途主要有以下三方面：☆激励源：作为某些电气设备的激励信号。☆信号仿真:在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特性的信号，如噪声信号、高频干扰等。

☆标准信号源:产生一些标准信号，用于1)为设备测试提供标准信号；2)对一般信号源的校准。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52023/2/3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核心部分，产生不同的信号对信号进行放大和整形需要调制时进行调幅、调频调节输出电平与输出阻抗监视输出信号：电压表、频率计、功率计等，方便使用8.1.2信号源的分类

信号源应用领域广泛，种类繁多，性能指标各异，分类方法不一。按用途有专用、通用之分；按性能有一般和标准信号源之分；按调制类型可分为：调幅、调频、调相、脉冲调制及组合调制信号发生器等；按频率调节方式可分为：扫频、程控信号发生器等。8.1.2信号源的分类1.按频率范围大致可分为六类：主要用途超低频信号发生器0.0001Hz～1000Hz；电声学、声纳低频信号发生器1Hz～1MHz；电报通讯视频信号发生器20Hz～10MHz；无线电广播高频信号发生器200KHz～30MHz；广播、电报甚高频信号发生器30KHz～300MHz；电视、调频广播、导航超高频信号发生器300MHz以上。雷达、导航、气象表2.1信号源按频率划分表名称频率范围主要应用领域超低频信号发生器低频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz电声学、声纳电报通讯无线电广播广播、电报电视、调频广播、导航雷达、导航、气象92023/2/32.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ttttt3.按照信号发生器的性能指标可分为：一般信号发生器：功率大，对输出信号频率、幅值准确度和稳定度及失真要求不高，用于天线测试等；标准信号发生器：用于提供标准的校准信号，是高档信号发生器。要求输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且计数准确、稳定，屏蔽好。8.1.3正弦信号源的性能指标

在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。8.1.3正弦信号源的性能指标

原因是由于正弦信号是1、正弦信号最容易产生、描述，是应用最广泛应用的载波信号，2、分析线性系统频域特性的一种最基本的信号，因此正弦信号发生器的指标直接影响到被测系统各项性能参数的测量质量。对一个正弦信号源的基本要求是能够迅速准确地把信号的输出频率、电平调到指定的数值上，故表征一个正弦信号的特性可归结为频率特性、输出特性及调制特性。132.1.3正弦信号发生器的性能指标

在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。一.频率特性

指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。2.频率准确度

频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示（2.1）1.频率范围

8.1.3正弦信号源的性能指标1.频率特性（1）频率范围：指信号发生器输出信号的频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。

（2）频率准确度:指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示8.1.3正弦信号源的性能指标1.频率特性（3）频率稳定度(15min)

频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。16短期：15分钟内长期：3小时内（8.2）2.输出特性（1）输出电平范围。信号能提供的最大最小可调电压输出范围；标准高频信号发生器的输出电压为0.1μV～1V。（2）输出电平的频响在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化，亦称输出电平平坦度。（3）输出电平准确度指输出电平实际值对标称值的相对偏差。（4）输出阻抗低频信号发生器输出阻抗一般有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω及5kΩ等，高频信号发生器输出阻抗一般为50Ω或75Ω。1.输出阻抗

低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600Ω（或1kΩ）功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等档高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω档。信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。2.1.3正弦信号发生器的性能指标二.输出特性（5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。由于非线性失真而产生的谐波成分，混频器（差频器）输出的组合波以及噪声等因数，造成了频谱不纯，不能得到理想的正弦波。一般信号源的非线性失真小于1%，高稳定信号源甚至要求优于0.1%。2.失真度与频谱纯度

定义测量：低频信号发生器用失真系数高频信号发生器用频谱纯度USUnfAfAtU2.1.3正弦信号发生器的性能指标二.输出特性3.调制特性高频信号发生器除了能输出正弦波，一般还能输出一种或多种调制后的信号，如调幅、调频、调相、脉冲调制等。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。

正弦信号发生器可以产生正弦信号或受调制的正弦信号。它包括：低频信号发生器、高频信号发生器、微波信号发生器、合成信号发生器、扫频信号发生器等。这里对低频信号发生器和高频信号发生器作简单介绍。8.2正弦、脉冲及函数发生器8.2.1正弦信号发生器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。现在一般为1Hz～1MHz频段组成：图8-2为波段式，图8-3为差频式。8.2正弦、脉冲及函数发生器8.2.1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(波段式）1.

低频信号发生器波段式组成：低频信号发生器主要由主振级、缓冲放大器、衰减器、功率放大器、阻抗变换器、指示电压表及稳压电源等电路组成。

8.2正弦、脉冲及函数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

低频信号发生器主振级：主振级产生低频正弦波，是低频信号发生器的最重要的电路，通常由RC振荡电路产生低频正弦波。8.2正弦、脉冲及函数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

低频信号发生器由于RC振荡电路的频率覆盖范围小，故波段式信号发生器通常做成多波段的。8.2正弦、脉冲及函数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差频式信号发生器组成原理高频振荡器缓冲放大混频器低通滤波器功放衰减固定频率振荡器缓冲放大f2f1△f差频式低频信号发生器优点：

频率覆盖范围大，在整个低频段内频率连续可调而不用更换频段，输出电平比较平稳。

RC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

在图a中，ui是网络的输入电压，u0是输出电压，Z1为R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗。u0uiRCCR(a)文氏桥式网络0.10.20.3ω=ω00.03501/3Kfω/ω0(b)幅频特性0.03ω=ω050ω/ω0900φ-900(c)相频特性RC文氏桥网络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Rt和电阻Rf就构成了电压负反馈电路。热敏电阻Rt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，由于该电压也直接接在Rt、Rf串联电路，流过Rt的电流也随之增加而导致Rt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。而在振荡器起振阶段，由于Rt温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于3，振荡器容易起振。低频信号发生器简介

1．XD1低频信号发生器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，能输出等幅正弦波和调制波信号，大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能基本组成和原理框图1.高频信号发生器的基本组成

高频信号发生器是由主振级、缓冲级、调制级、输出级、衰减级、内调制振荡级、监测级和电源等组成。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主振级主振级通常是LC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率范围的正弦信号，是信号发生器的核心。缓冲级：主要作用是阻抗变换，用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级振荡频率稳定，避免寄生调制和提高信噪比，缓冲一般采用选频放大器。

各部分工作特点如下：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调制级：正弦信号到调制级后，根据调制要求进行相应的调制，调制信号可以由内部调制振荡器产生，也可由外部输入。输出级：进一步控制输出信号幅值，使最小电压达微伏数量级，对输出级的要求：输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。监测器用于监测载波电平和调制系数等。36l)主振级主振级通常是LC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率范围的正弦信号。2)缓冲级它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级的影响。3)调制级

为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于100kHz～35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般采用正弦调制。调频主要用于30MHz～1000MHz信号发生器中，脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号发生器中。4)输出级

输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到μV数量级。输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。XFC-6型标准信号发生器能产生4-300MHz的高频信号，并可进行调幅、调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试等。2.3.2高频信号发生器简介EE1051高频信号发生器，频率覆盖100KHz~150MHz,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，频率显示精度较高；输出电平采用ALC稳幅方式，输出稳定便于使用。8.2.2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专门用于产生脉冲波型的信号源。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。脉冲信号源XC16A

XC16A型脉冲发生器，可以输出大幅度（±20V）双脉冲，有三种脉冲方式可选择。除功率放大外，主要线路部分采用CMOS集成电路，因而具有可靠性高，功耗小、无噪声（机内无风机）等特点；还具有输出幅度大、波形失真小，前后沿快及脉冲周期、延迟、宽度调节范围大等特点。适用于脉冲电路、计数电路的研究及无线电工程与电子工业设备配套；在PMOS、CMOS、HTL集成电路的测试、研究等需用大幅度脉冲信号源的领域里尤为适用。

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，可以产生频率、脉宽、极性、上升、下降时间可任意调节的矩形脉冲、窄脉冲。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。VDRCROKRL水银开关脉冲发生器原理

函数信号发生器的三种组成方案：第一种是施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波；第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波；第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波。

函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。8.2.3函数信号发生器8.2.3函数信号发生器1.多波形信号发生原理方波→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

函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。1.多波形信号发生原理⑴方波、三角波发生器8.2.3函数信号发生器其基本原理是先由积分电路和双稳态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。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V2AWRU1I1U2B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：VC1VC2+_8.2.3函数信号发生器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Ⅰ比较器Ⅱ放大器衰减器二级管整形网络波形选择积分器_+A输出FCDRPR1R2QQ+UmK-Um⑵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-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6BR0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14D1D2D3D4D5D6E3E2E1-E1-E2-E3+E输入Ui(a)二极管整形网络输出Uo-E0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t14tu0ufE1E2E3ui(b)正弦波的折线近似⑵正弦波形成电路51utiuiuot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-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BUiUoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B输入三角波输出正弦波二极管依次导通2、三角波——正弦波变换原理

上图为实际的正弦波形成网络。电路中使用了6对二极管。正、负直流电源和电阻为二用管提供适当的偏压，以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置。直流稳压电源uiuoR0R1R2R3R4R5R6R7R1’R2’R3’R4’R5’R6’R7’VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7VD8VD9VD10VD11VD12+-TT2TUm0-Um00E-E0(Q)(Q非)(D)(F)(a)(Q)(Q非)(D)(b)函数发生器波形图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8.3锁相频率合成信号的产生8.3.1频率合成的基本概念2.3合成信号发生器频率合成的方法直接模拟频率合成法（DAFS）直接数字频率合成法（DDS）间接锁相式合成法（DirectAnalogFrequencySynthesis）（DirectDigitalFrequencySynthesis）信号源主振级频率准确度频率稳定度通用信号源RC、LC振荡器10-2量级10-3～10-4合成信号源晶体振荡器10-8量级10-7量级8.3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。8.3.1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。输出3.628MHz⑵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。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

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谐波形成函数、任意波形发生器课堂习题

用一台5位十进电子计数器测量频率，选用0.1s的闸门时间。若被测频率为10KHz，则测频分辨力为多少？量化误差（相对误差值）为多少？如果该计数器的最大闸门时间为10s，则在显示不溢出的情况下，测量频率的上限为何值？

（1）测量分辨率＝（1/0.1s）＝10Hz

（2）在0.1s的闸门时间内的计数值为：10KHz×0.1s＝1000，则量化误差的相对值为：1/1000＝0.1％

（3）为了显示不溢出，则在10s的最大闸门时间内计得的值不能超过105，由此可得测量频率的上限值为：105/10s＝10KHz欲用电子计数器测量一个fx=200Hz的信号频率，采用测频（选闸门时间为1s）和测周（选时标为0.1μs）两种方法。

（1）试比较这两种方法由±1误差所引起的测量误差；

（2）从减少±1误差