第7章 信號的產(chǎn)生

第7章信號的產(chǎn)生7.1信號源概述

7.2正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器

7.3鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生

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7.1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(biāo)一、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?！?/p>

信號仿真?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)信號源。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)框圖主振器：信號源的核心，產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號；緩沖：對信號放大、整形；調(diào)制：需要輸出調(diào)制波形時，對信號調(diào)頻、調(diào)幅等。不需要調(diào)制時，可以越過此部分。輸出：調(diào)節(jié)輸出信號的電平和輸出阻抗；監(jiān)測器：電壓表、頻率計等，用來監(jiān)測輸出信號。二、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。二、信號源的分類(續(xù))2.按照信號發(fā)生器的性能指標(biāo)可分為：一般信號發(fā)生器；標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器；3.按輸出波形,大致可分為：正弦波形發(fā)生器；產(chǎn)生正弦波或受調(diào)制的正弦信號，用途最廣。脈沖信號發(fā)生器；產(chǎn)生各種頻率、脈寬和占空比的重復(fù)脈沖。函數(shù)信號發(fā)生器；產(chǎn)生幅度隨時間變化的信號，如正弦波、三角波、方波等周期信號。3~15種，工作頻率一般在10MHz以下。噪聲信號發(fā)生器。三、正弦信號源的性能指標(biāo)1.頻率特性（1）頻率范圍（2）頻率準(zhǔn)確度（3）頻率穩(wěn)定度

2.輸出特性（1）輸出電壓范圍。

電平范圍：-60～+10dB（2）輸出電平平坦度在有效頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率時，電平的變化。（3）輸出電平準(zhǔn)確度（4）輸出阻抗低頻信號發(fā)生器：50?、75?、150?、600?、5k?（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)制特性的衡量指標(biāo)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

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7.2正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器一、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(xì)調(diào)電平指示低頻信號發(fā)生器組成原理RC正弦振蕩器每一分波段的頻率覆蓋系數(shù)為10。如1Hz-1MHz需要6個波段：1-10Hz、10-100Hz、100-1kHz、1kHz-10kHz、10kHz-100kHz、100kHz-1MHz2.

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，輸出電壓0.1uV～1V，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(xì)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)生器原理框圖主振器多采用LC高頻振蕩器，通過更換線圈的方式來變換頻段。緩沖級是為了保證主振級的振蕩頻率穩(wěn)定，避免寄生調(diào)制，提高信噪比。一般采用選頻放大器。二、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(fù)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)生器組成原理脈沖持續(xù)時間和過渡時間>1ns主振級：恒流源射極耦合自激多諧振蕩器，產(chǎn)生矩形波；延時級：將輸入信號轉(zhuǎn)為延時脈沖，控制脈沖形成電路；脈沖形成：形成寬度準(zhǔn)確、波形良好的矩形脈沖。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(luò)、寬帶元器件的時域測試中，脈沖信號發(fā)生器相當(dāng)于頻域測試中的掃頻信號源?？焖倜}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(fù)二極管脈沖發(fā)生器以及隧道二極管脈沖發(fā)生器等。VDRCROKRL水銀開關(guān)脈沖發(fā)生器原理脈沖過渡時間500ps同軸電纜傳輸線呈電容特性。開關(guān)打開，充電；開關(guān)閉合，放電，在負(fù)載上得到脈沖信號。50mV/DIV×30dB1ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)過度持續(xù)時間為1ns的脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜50mV/DIV100ps/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(dá)15ps，則其可用頻譜可以高達(dá)30GHz。三、函數(shù)信號發(fā)生器1.多波形信號發(fā)生原理⑴方波三角波發(fā)生器正弦波三角波方波C雙穩(wěn)態(tài)電路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波發(fā)生器原理框圖V1三角波/正弦波逼近網(wǎng)絡(luò)C-+三角波斜率：三角波周期：三角波頻率：⑵正弦波形成電路utiuiuot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-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BuiuoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B⑶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(luò)三角波緩沖器正弦波綜合及緩沖正恒流源負(fù)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)生器基本組成原理控制電流大小§7.3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)。一、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(zhǔn)頻率普通信號發(fā)生器（LC、RC）的矛盾：輸出頻率可調(diào)范圍和頻率穩(wěn)定度之間的矛盾。解決方法：頻率合成式信號發(fā)生器。頻率合成：由一個或多個高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率（石英晶體振蕩器），通過基本代數(shù)運算，得到一系列所需的頻率。二、直接頻率合成技術(shù)

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(fù)雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。三、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(zhǔn)頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個基準(zhǔn)頻率的基礎(chǔ)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。

1、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(fù)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(zhǔn)晶體振蕩器等部分組成。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖fiuiVCOPDLPFuofoud

PD：相位比較器（鑒相器）檢測輸入信號ui與反饋信號uo之間的相位差，其輸出為誤差電壓ud。鑒相過程：ucLPF：環(huán)路濾波器低通濾波器，用于濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以使uc能夠穩(wěn)定地控制VCO，是保證環(huán)路穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。VCO：壓控振蕩器振蕩頻率受控于外加控制電壓uc。（2）鎖相環(huán)的主要性能指標(biāo):跟蹤特性和同步帶寬★跟蹤特性：環(huán)路鎖定時，當(dāng)fi變化，fo也隨之變化，自動維持fo=fi的關(guān)系。若無法跟蹤，則環(huán)路“失鎖”?！锿綆挘烘i定條件下輸入頻率所允許的最大變化范圍。

捕捉和捕捉帶寬★

捕捉：環(huán)路處于“失鎖”狀態(tài)時，調(diào)整輸出電壓的頻率，當(dāng)環(huán)路輸入、輸出電壓的頻率差減小到一定程度，在環(huán)路自動相位負(fù)反饋作用下，從“失鎖”狀態(tài)進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)的過程。★捕捉帶寬：環(huán)路最終能夠自行進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)的最大允許的頻差。*“鎖定”→“失鎖”：同步帶寬；“失鎖”→“鎖定”：捕捉帶寬

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(jìn)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+fi23400～5110KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（－）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（100～110）KHz×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諧波形成實例分析：十進(jìn)頻率合成器

該頻率合成器中采用了十進(jìn)鎖相合成單元，輸出頻率是采用十進(jìn)數(shù)字盤來選擇，它可以提供更高的輸出頻率準(zhǔn)確度。目前十進(jìn)頻率合成器已作為一個標(biāo)準(zhǔn)頻率源而獲得廣泛應(yīng)用。（1）十進(jìn)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(jìn)行相減，最后得到200Hz～30MHz的輸出頻率。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≈內(nèi)插振蕩器0～1Hz1.2～1.3MHz9MHz100KHzM（-）101～92MHz101～122MHz200Hz～30MHz×÷5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5十進(jìn)鎖相式頻率合成器組成框圖

(2)十進(jìn)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(zhǔn)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2）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(zhǔn)“×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)fi4）DS-4合成單元PDLPFVCOM（－）DS-2的輸出0：80MHz加法混頻環(huán)21～22MHzDS-4原理框圖基準(zhǔn)倍頻環(huán)5MHzVCOPDLPF諧波形成1：90MHz2：100MHz1：111~112MHz2：121~122MHz0：101~102MHz（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(zhǔn)12S+P當(dāng)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(dāng)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。思考題：如何用十進(jìn)頻率合成器產(chǎn)生頻率為27.5641230MHz的信號。四、提高