第7章 信号的产生

第7章信号的产生7.1信号源概述

7.2正弦、脉冲及函数发生器

7.3锁相频率合成信号的产生

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7.1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一、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主振器：信号源的核心，产生不同频率、不同波形的信号；缓冲：对信号放大、整形；调制：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。输出：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。二、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。二、信号源的分类(续)2.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；3.按输出波形,大致可分为：正弦波形发生器；产生正弦波或受调制的正弦信号，用途最广。脉冲信号发生器；产生各种频率、脉宽和占空比的重复脉冲。函数信号发生器；产生幅度随时间变化的信号，如正弦波、三角波、方波等周期信号。3~15种，工作频率一般在10MHz以下。噪声信号发生器。三、正弦信号源的性能指标1.频率特性（1）频率范围（2）频率准确度（3）频率稳定度

2.输出特性（1）输出电压范围。

电平范围：-60～+10dB（2）输出电平平坦度在有效频率范围内调节频率时，电平的变化。（3）输出电平准确度（4）输出阻抗低频信号发生器：50Ω、75Ω、150Ω、600Ω、5kΩ（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。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

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7.2正弦、脉冲及函数发生器一、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RC正弦振荡器每一分波段的频率覆盖系数为10。如1Hz-1MHz需要6个波段：1-10Hz、10-100Hz、100-1kHz、1kHz-10kHz、10kHz-100kHz、100kHz-1MHz2.

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，输出电压0.1uV～1V，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主振器多采用LC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，提高信噪比。一般采用选频放大器。二、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；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。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/DIV×30dB1ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)过度持续时间为1ns的脉冲发生器前沿及其频谱50mV/DIV100ps/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。三、函数信号发生器1.多波形信号发生原理⑴方波三角波发生器正弦波三角波方波C双稳态电路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波发生器原理框图V1三角波/正弦波逼近网络C-+三角波斜率：三角波周期：三角波频率：⑵正弦波形成电路utiuiuot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-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BuiuoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B⑶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控制电流大小§7.3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。一、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输出基准频率普通信号发生器（LC、RC）的矛盾：输出频率可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

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。三、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。

1、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fiuiVCOPDLPFuofoud

PD：相位比较器（鉴相器）检测输入信号ui与反馈信号uo之间的相位差，其输出为误差电压ud。鉴相过程：ucLPF：环路滤波器低通滤波器，用于滤除误差电压中的高频成分和噪声，以使uc能够稳定地控制VCO，是保证环路稳定的重要环节。VCO：压控振荡器振荡频率受控于外加控制电压uc。（2）锁相环的主要性能指标:跟踪特性和同步带宽★跟踪特性：环路锁定时，当fi变化，fo也随之变化，自动维持fo=fi的关系。若无法跟踪，则环路“失锁”。★同步带宽：锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围。

捕捉和捕捉带宽★

捕捉：环路处于“失锁”状态时，调整输出电压的频率，当环路输入、输出电压的频率差减小到一定程度，在环路自动相位负反馈作用下，从“失锁”状态进入“锁定”状态的过程。★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。*“锁定”→“失锁”：同步带宽；“失锁”→“锁定”：捕捉带宽

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+fi23400～5110KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（－）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（100～110）KHz×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的输出频率。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2）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fi4）DS-4合成单元PDLPFVCOM（－）DS-2的输出0：80MHz加法混频环21～22MHzDS-4原理框图基准倍频环5MHzVCOPDLPF谐波形成1：90MHz2：100MHz1：111~112MHz2：121~122MHz0：101~102MHz（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。思考题：如何用十进频率合成器产生频率为27.5641230MHz的信号。四、提高