第五章信號的產(chǎn)生2015

第5章信號的產(chǎn)生5.1信號源概述5.2正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器5.3鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生5.4直接數(shù)字合成技術(shù)*5.5合成信號源簡介（了解）5.1信號源概述信號源的作用和組成信號源的分類正弦信號源的性能指標5.1.1信號源在電子測量中的作用和組成1.信號源的作用信號源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器。信號源的用途主要有以下三方面：

☆

激勵源?！钚盘柗抡??！顦藴市盘栐?。2.信號源的組成信號輸出主振器緩沖調(diào)制輸出電源監(jiān)測信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖5.1.2信號源的分類1.按頻率范圍大致可分為六類：超低頻信號發(fā)生器0.0001Hz～1000Hz；低頻信號發(fā)生器1Hz～1MHz；視頻信號發(fā)生器20Hz～10MHz；高頻信號發(fā)生器200KHz～30MHz；甚高頻信號發(fā)生器30KHz～300MHz；超高頻信號發(fā)生器300MHz以上。2.按輸出波形,大致可分為：正弦波形發(fā)生器；脈沖信號發(fā)生器；函數(shù)信號發(fā)生器；噪聲信號發(fā)生器。3.按照信號發(fā)生器的性能指標可分為：

一般信號發(fā)生器；標準信號發(fā)生器；5.1.3正弦信號源的性能指標1.頻率特性（1）頻率范圍：超低頻，低頻，高頻等等（2）頻率準確度

（3）頻率穩(wěn)定度

2.輸出特性（1）輸出電平范圍（2）輸出電平的頻響（輸出電平的平坦度）（3）輸出電平準確度（輸出電平的誤差）（4）輸出阻抗（5）輸出信號的非線性失真系數(shù)和頻譜純度。3.調(diào)制特性調(diào)制特性的恒量指標主要包括調(diào)制頻率，調(diào)幅系數(shù)，最大頻偏，調(diào)制線性等。1.

低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz～20KHz，故又稱音頻信號發(fā)生器5.2正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器5.2.1正弦信號發(fā)生器主振級緩沖放大電平控制功率放大衰減器阻抗變換電平調(diào)節(jié)波段調(diào)節(jié)頻率細調(diào)電平指示低頻信號發(fā)生器組成原理2.

高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器輸出頻率范圍一般在300KHz～1GHz，大多數(shù)具有調(diào)幅，調(diào)頻及脈沖調(diào)制等功能輸出主振級波段選擇頻率細調(diào)緩沖調(diào)制級輸出級調(diào)制振蕩器監(jiān)測器外調(diào)制輸入高頻信號發(fā)生器原理框圖5.2.2脈沖信號發(fā)生器常見的脈沖信號有矩形、鋸齒形、階梯形、鐘形和數(shù)字編碼序列等：uto（a）矩形波uto（b）鋸齒波uto（c）階梯波uto（d）鐘形脈沖uto（e）數(shù)字編碼序列常見的脈沖信號脈沖發(fā)生器的分類（根據(jù)用途和產(chǎn)生脈沖的方法）：通用脈沖發(fā)生器、快速（廣譜）脈沖發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字可編程脈沖發(fā)生器及特種脈沖發(fā)生器等。1.通用脈沖發(fā)生器通用脈沖發(fā)生器能夠滿足一般測試的要求，能夠調(diào)節(jié)脈沖重復頻率、脈沖寬度、輸出幅度及極性等。輸出脈寬，上升/下降沿控制主振級同步放大延時級脈沖形成輸出級同步脈沖輸出外同步觸發(fā)輸入外觸發(fā)同步脈沖輸出脈沖信號發(fā)生器組成原理2.快速（廣譜）脈沖發(fā)生器在時域測試中，快速脈沖信號發(fā)生器用來提供廣譜的激勵信號，尤其在微波網(wǎng)絡、寬帶元器件的時域測試中，脈沖信號發(fā)生器相當于頻域測試中的掃頻信號源。快速脈沖信號的產(chǎn)生技術(shù)主要有：水銀開關(guān)脈沖發(fā)生器、雪崩晶體管脈沖發(fā)生器、階躍恢復二極管脈沖發(fā)生器以及隧道二極管脈沖發(fā)生器等。50mV/DIV×30dB1ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)過渡持續(xù)時間為1ns的脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜50mV/DIV15ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)隧道二極管脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜例如一個前沿上升時間為1ns的脈沖，其可用頻譜分量為1GHz，而隧道二極管脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖前沿上升時間快達15ps，則其可用頻譜可以高達30GHz。5.2.3函數(shù)信號發(fā)生器(p66)1.多波形信號發(fā)生原理⑴方波三角波發(fā)生器C雙穩(wěn)態(tài)電路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波發(fā)生器原理框圖V1-設充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，則：運放組成的積分電路⑵正弦波形成電路utiustusct分段折線逼近波形綜合其電路實現(xiàn)原理如下圖所示。分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B根據(jù)正弦波與三角波的差別，將三角波分成若干段，按不同的比例衰減，就可以得到近似正弦波的折線化波形。采用比例系數(shù)可以自動調(diào)節(jié)的運算電路。利用二極管和電阻構(gòu)成反饋通路，可以隨著輸入電壓的數(shù)值不同而改變電路的比例系數(shù)。⑶鋸齒波形成電路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理鋸齒波可以通過方波與三角波而獲得，將下圖中（a）所示三角波與圖（b）所示方波直接疊加就可得到圖（c）所示的交錯鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（d）所示的鋸齒波。2.函數(shù)發(fā)生器的性能和組成函數(shù)發(fā)生器能輸出方波，三角波，鋸齒波，正弦波等波形，具有較寬的頻率范圍（0.1Hz～幾十MHz）及較穩(wěn)定的頻率。頻率控制網(wǎng)絡三角波緩沖器正弦波綜合及緩沖正恒流源負恒流源比較器方波緩沖器外部頻率控制函數(shù)選擇及其它波形產(chǎn)生輸出放大輸出濾波直流補償積分電路函數(shù)發(fā)生器基本組成原理實例函數(shù)發(fā)生器的原理和應用一、函數(shù)發(fā)生器與信號波形函數(shù)發(fā)生器（FunctionGenerator）的功能：輸出頻率和幅度可調(diào)的:

正弦波三角波方波AM、FM調(diào)制正弦波：失真度三角波：線性度方波：上升與下降斜率根據(jù)傅里葉級數(shù)，一個失真的正弦波可以分解為一系列幅度不同、相位有別的基波和各

次諧波。因此非線性失真度定義為全部諧波能量與基波能量之比的量之比的平方根值。fVVmax-Vmint1t2一、函數(shù)發(fā)生器與信號波形二、MAX038函數(shù)發(fā)生器的基本原理

1.MAX038的基本特性多種波形輸出：正弦波、三角波、鋸齒波、方波、脈沖波

0.1Hz~20MHz頻率范圍輸出頻率及占空比可調(diào)輸出電阻小至0.1歐，輸出電流20mA正弦波輸出總諧波失真低至0.75%2.MAX038的結(jié)構(gòu)框圖和管腳排列波形發(fā)生部分：振蕩器通過對CF的充放電來實現(xiàn)頻率的控制產(chǎn)生三角波和一路差分信號。輸出三角波的頻率由流入Pin10的電流IIN和CF決定，具體關(guān)系為fo(MHz)=IIN(uA)÷CF(pF)其中IIN在2uA到750uA之間取值。FADJ上的電壓（-2.4V~+2.4V）對輸出頻率起微調(diào)作用，范圍在（Fo±70%）不需要時應通過12k的電阻拉到地。DADJ上的電壓（-2.4V~+2.4V）對輸出波形的對稱性起調(diào)整作用。當輸出方波時占空比調(diào)整率為15%~85%。同樣在不需要利用該功能是應通過12k電阻拉到地正弦波形成和波形選擇產(chǎn)生的三角波通過一個正弦波形成器被折成正弦波，差分信號通過比較器形成方波。連同原來的波形再通過模擬多路器（由Ao，A1）決定，輸出緩沖器將多路器選出來的波形緩沖后輸出鑒相器和同步信號的產(chǎn)生部分鑒相器將輸出信號PDI和振蕩器產(chǎn)生的差分信號進行鑒相，鑒相結(jié)果由PDO輸出（與FADJ相連可使輸出與外輸入同步）。同步信號的產(chǎn)生部分用于為數(shù)字部分提供同步信號，其頻率和振蕩器輸出頻率相同。三、MAX038函數(shù)發(fā)生器的應用多功能函數(shù)發(fā)生器壓控振蕩器FM或PWM調(diào)制器鎖相環(huán)路(PLL)FSK發(fā)生器MAX038的應用例子圖MAX038的應用電路19腳是波形輸出端。利用恒定電流向CF充電和放電，形成振蕩，產(chǎn)生三角波和矩形波。RP1的作用是調(diào)節(jié)振蕩頻率。RP2是調(diào)節(jié)占空比。MAX038的應用例子圖5Hz～5MHz函數(shù)發(fā)生器MAX038的應用例子5.3鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生頻率合成原理頻率的代數(shù)運算是通過倍頻、分頻及混頻技術(shù)來實現(xiàn)。5.3.1頻率合成的基本概念頻率1輸出石英晶體代數(shù)運算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準頻率2.頻率合成分類及特點⑴直接頻率合成

通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法來產(chǎn)生一系列頻率信號并用窄帶濾波器選出，下圖是其實現(xiàn)原理。晶振諧波發(fā)生器（倍頻）分頻（÷10）8MHz混頻（+）混頻（+）2MHz濾波分頻（÷10）2.8MHz濾波0.28MHz分頻（÷10）混頻（+）濾波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz9MHz優(yōu)點：頻率切換迅速，相位噪聲很低。缺點：電路硬件結(jié)構(gòu)復雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。⑵鎖相式頻率合成

一種間接式的頻率合成技術(shù)。它利用鎖相環(huán)（PLL）把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個基準頻率的基礎上合成不同的頻率。優(yōu)點：易于集成化，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，價格低等優(yōu)點。缺點：頻率切換時間相對較長，相位噪聲較大。

⑶直接數(shù)字合成（DDS）是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需頻率的正弦信號優(yōu)點：能實現(xiàn)快捷變和小步進，且集成度高，體積小缺點：頻率上限較低，雜散也較大。3.頻率合成技術(shù)的發(fā)展

各種頻率合成方式的綜合:

直接式、間接（鎖相環(huán)）式和直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)都有其優(yōu)缺點，單獨使用任何一種方法，很難滿足要求。因此可將這幾種方法綜合應用，特別是DDS與PLL的結(jié)合,可以實現(xiàn)快捷變，小步進及較高的頻率上限。5.3.2鎖相環(huán)（PLL）的基本概念1.鎖相環(huán)基本工作原理及性能

鎖相環(huán)是一個相位環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。該環(huán)路由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、電壓控制振蕩器（VCO）及基準晶體振蕩器等部分組成。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd鎖相環(huán)的主要性能指標:同步帶寬：鎖定條件下輸入頻率所允許的最大變化范圍捕捉帶寬：環(huán)路最終能夠自行進入鎖定狀態(tài)的最大允許的頻差環(huán)路帶寬:鎖相環(huán)的頻率特性具有低通濾波器的傳輸特性，其高頻截止頻率稱為環(huán)路帶寬。2.鎖相環(huán)的基本形式

⑴倍頻式鎖相環(huán)

倍頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率進行乘法運算，主要有兩種形式：諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)（a）諧波倍頻環(huán)VCOPDLPFfO=Nfifi諧波形成Nfifo=Nfi（b）數(shù)字倍頻環(huán)VCOPDLPFfi÷N倍頻式鎖相環(huán)原理圖fi×NPLLNfi（c）倍頻環(huán)簡化圖⑵分頻式鎖相環(huán)分頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率的除法運算，與倍頻環(huán)相似，也有兩種基本形式。分頻式鎖相環(huán)原理圖VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）數(shù)字分頻環(huán)VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波形成（a）諧波分頻環(huán)fi÷NPLLfo=fi/N（c）分頻環(huán)簡化圖⑶混頻式鎖相環(huán)

混頻環(huán)實現(xiàn)對頻率的加減運算PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環(huán)PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混頻環(huán)fo=fi1-fi2混頻鎖相環(huán)+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加環(huán)簡化圖（d）相減環(huán)簡化圖⑷多環(huán)合成單元單環(huán)合成單元存在頻率點數(shù)目較少，頻率分辨率不高等缺點，所以一個合成式信號源都是由多環(huán)合成單元組成fo=Nfi1+fi23400～5100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（－）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1內(nèi)插振蕩器環(huán)1環(huán)2倍頻環(huán)加法混頻環(huán)（a）雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)框圖100～110KHz×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2（b）雙環(huán)合成器簡化結(jié)構(gòu)框圖雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)圖VCO1PD1LPF1諧波形成N=330~500實例分析：十進頻率合成器

該頻率合成器中采用了十進鎖相合成單元，輸出頻率是采用十進數(shù)字盤來選擇，它可以提供更高的輸出頻率準確度。目前十進頻率合成器已作為一個標準頻率源而獲得廣泛應用。（1）十進頻率合成器組成五個DS-1合成單元串接起來，其輸出頻率被送到合成單元DS-2，得到輸出頻率為21～22MHz,DS-2的輸出加到合成單元DS-4，得到輸出頻率為101～122MHz,合成單元DS-3輸出為101～92MHz，DS-3與DS-4的輸出頻率加到混頻器M進行相減，最后得到200Hz～30MHz的輸出頻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≈內(nèi)插振蕩器0～1Hz1.2～1.3MHz9MHz100KHzM（-）101～92MHz101～122MHz200Hz～30MHz×÷5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5十進鎖相式頻率合成器組成框圖

(2)十進鎖相合成單元VCOPDLPF1.8～2.7MHz100KHz諧波形成NfiDS-1原理框圖M1（＋）M2（＋）9MHz1.2～1.3MHz基準后一位合成單元10.2～10.3MHz÷1012～13MHz1.2～1.3MHz倍頻環(huán)1）DS-1合成單元N=18~272）DS-2合成單元VCOPDLPF1.8～2.7MHz100KHz諧波形成NfiDS-2原理框圖M1（＋）M2（＋）9MHz1.2～1.3MHz基準“×10KHz”單元輸出19.2～19.3MHz21～22MHz倍頻環(huán)×218MHz3）DS-3合成單元VCOPDLPF101～92MHz1MHz諧波形成NfiDS-3原理框圖倍頻環(huán)fi0-1011-1002-99….9-924）DS-4合成單元PDLPFVCOM（－）DS-2的輸出0：80MHz加法混頻環(huán)21～22MHz101～122MHzDS-4原理框圖基準倍頻環(huán)5MHzVCOPDLPF諧波形成1：90MHz2：100MHz倍頻環(huán)的倍數(shù)：N=16，18，20

012（3）輸出頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)為了使輸出頻率連續(xù)可調(diào)，頻率合成器中加入了一個內(nèi)插振蕩器VCOPDLPF1.2～1.3MHz100KHz諧波形成內(nèi)插振蕩器組成框圖基準12S+P當選擇開關(guān)S置于1時，內(nèi)插振蕩器是一個倍頻環(huán)，它輸出一個1.2MHz的固定點頻，此時頻率合成器只能輸出離散頻率。當內(nèi)插振蕩器的開關(guān)S置于2時，VCO就作為一個頻率連續(xù)可調(diào)的振蕩器工作，調(diào)節(jié)電位器P，改變VCO的偏壓，可使它的輸出在1.2MHZ～1.3MHZ之間連續(xù)變化。5.４直接數(shù)字合成技術(shù)（p72）１DDS組成原理直接數(shù)字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和計算技術(shù)，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調(diào)的信號。5.4.1

直接數(shù)字合成基本原理

設取樣時鐘頻率為fc，正弦波每一周期由Ｎ個取樣點構(gòu)成，則該正弦波的頻率為：DDS的實現(xiàn)原理如下圖所示地址計數(shù)器（÷N）正弦波ROM存儲器D/ALPFfcfoDDS組成原理輸出信號頻率fo:取決于兩個因數(shù)：⑴參考時鐘頻率；⑵ROM中存儲的正弦波；如果地址計數(shù)器以步進M（M>=1)進行累加，M稱為頻率控制字，則可在fc和ROM數(shù)據(jù)不變的情況下改變輸出頻率，此時fo為：2相位累加器原理

當改變地址計數(shù)器計數(shù)步進值（即以值M來進行累加），同樣可以改變每周期采樣點數(shù)，從而實現(xiàn)輸出頻率的改變。地址計數(shù)器步進值改變可以通過相位累加法來實現(xiàn)相位鎖存器頻率控制字M相位累加器fr波形存儲RAMD/A轉(zhuǎn)換LPFfo24～48位14～16位相位累加器原理為便于理解，可以將正弦波波形看作一個矢量沿相位圓轉(zhuǎn)動，相位圓對應正弦波一個周期的波形。波形中的每個采樣點對應相位圓上的一個相位點。步進點數(shù)2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248數(shù)字相位圓設相位累加器位數(shù)為N，頻率控制字為M，參考時鐘頻率為fc，則DDS輸出頻率為：截斷誤差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作為存儲器地址，使得相位的低位被截斷（即相位截尾）。當相位值變化小于1/2A時，波形幅值并不會發(fā)生變化，但輸出頻率的分辨率并不會降低，由于地址截斷而引起的幅值誤差，稱為截斷誤差。實際應用中一般取1≤M≤2N-2

此處的N不再是取樣點數(shù)，而是累加器位數(shù)，取樣點數(shù)為2N5.４.2DDS頻率合成信號源1單片集成化的DDS信號源

輸出輸出串/并選擇6位地址或串行編程8位并行數(shù)據(jù)FSK/BPSK/HOLD數(shù)據(jù)輸入4×～20×參考時鐘倍乘頻率累加器相位偏移及調(diào)制+相位累加器相位轉(zhuǎn)換器300MHzDDS參考時鐘濾波器濾波器12位D/AM/DAC復位12位D/A頻率控制字/相位字啟停邏輯I/O更新讀寫可編程寄存器48位頻率控制字14位相位偏移/調(diào)制I/O端口緩沖12位AM調(diào)制比較器模擬輸入時鐘輸出AD9854DDS結(jié)構(gòu)+-1單片集成化的DDS信號源

5.４.2DDS頻率合成信號源

AD9852功能結(jié)構(gòu)框圖AD9852DDS結(jié)構(gòu)5.４.2DDS頻率合成信號源1單片集成化的DDS信號源

AD9852內(nèi)部包括一個具有48位相位累加器、一個可編程時鐘倍頻器、一個反sinc濾波器、兩個12位300MHzDAC，一個高速模擬比較器以及接口邏輯電路。其主要性能特點如下：高達300MHz的系統(tǒng)時鐘；能輸出一般調(diào)制信號，F(xiàn)SK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等；100MHz時具有80dB的信噪比；內(nèi)部有4*到20*的可編程時鐘倍頻器；兩個48位頻率控制字寄存器，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的頻率分辨率。兩個14位相位偏置寄存器，提供初始相位設置。帶有100MHz的8位并行數(shù)據(jù)傳輸口或10MHz的串行數(shù)據(jù)傳輸口。2基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源

單片集成的DDS芯片合成信號波形的種類較少，靈活性較差，不便于任意波發(fā)生器等場合的應用?；诳删幊绦酒瑢崿F(xiàn)的DDS信號合成可具有更大的靈活性。相位累加器參考時鐘相位調(diào)制器D/A轉(zhuǎn)換濾波CPU接口輸出頻率控制字波形存儲器SRAM基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源3DDS/PLL組合的頻率合成信號源

DDS與PLL組合的合成信號源可以有多種形式，下圖是一種環(huán)外混頻式DDS/PLL頻率合成的原理。PDLPFVCO÷KDDS混頻器帶通濾波frfcfoDDS/PLL混頻式頻率合成原理fPfD基準信號源此時輸出頻率為：5.5合成信號源簡介任意波發(fā)生器（AibitrayWaveGenerator）：能產(chǎn)生任意波形的信號發(fā)生器。5.5.1任意波形發(fā)生器1

AWG的工作原理任意波形發(fā)生器的原理與DDS基本相同，如下圖所示波形存儲器D/A轉(zhuǎn)換器濾波器fs輸出任意波形發(fā)生器原理2AWG的主要技術(shù)指標

①波形編輯功能。②輸出波形頻率。③相位分辨力。④幅度分辨率。⑤輸出通道數(shù)。函數(shù)、任意波形發(fā)生器

圖5.22任意波形發(fā)生器可產(chǎn)生的幾種波形(a)