信号发生器教学课件PPT.ppt

1 第四章 信号发生器 4.1 信号源概述 4.2 正弦、脉冲及函数发生器 4.3 锁相频率合成信号的产生 4.4 直接数字合成技术 4.5 任意波形发生器 2 4.1 信号源概述 v 信号源的作用和组成 v 信号源的分类 v 正弦信号源的性能指标 3 4.1.1 信号源的作用和组成 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。 4 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 4.1.2 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 0.0001hz1khz； 低频信号发生器 1hz1mhz； 视频信号发生器 20hz10mhz； 高频信号发生器 200khz30mhz； 甚高频信号发生器 30khz300mhz； 超高频信号发生器 300mhz以上。 6 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； 7 4.1.3 正弦信号源的性能指标 1. 频率特性 v（1）频率范围 v（2）频率准确度 v（3）频率稳定度 8 2. 输出特性 v（1）输出电平范围 v（2）输出电平的频响 v（3）输出电平准确度 v（4）输出阻抗 v（5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。 3. 调制特性 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。 9 1. 低频信号发 生器 v频率范围： 20hz20khz， 又称音频信号 发生器 4.2 正弦、脉冲及函数发生器 4.2.1 正弦信号发生器 10 主振级 缓冲 放大 电平 控制 功率 放大 衰减器 阻抗 变换 波段 调节 频率 细调 电平指示 低频信号发生器组成原理 产生低频正 弦信号 隔离后级电路的影响，使输 出电压达到技术指标 电平调节 匹配不同的负载， 获得最大输出功率 11 2. 高频信号发生器 v输出频率范围：300khz1ghz v大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能 12 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 产生高频等幅载 波信号 主振级：即载波信号发生器，也称为高频振荡器； 输出级：由放大器、滤波器、连续可调衰减器、步进衰 减器等组成； 产生内调制信号 13 4.2.2 脉冲信号发生器 v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 ： u to （a）矩形波 u to （b）锯齿波 u to （c）阶梯波 u to （d）钟形脉冲 u to （e）数字编码序列 常见的脉冲信号 14 4.2.2 脉冲信号发生器 脉冲发生器的分类：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。 15 1. 通用脉冲发生器 v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 16 4.2.3 函数信号发生器 1. 多波形信号发生原理 v方波三角波发生器 c 双稳态 电路 vc2v2vc1 a w r u1 i1 u2 b 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： 17 v 正弦波形成电路 u t i ust usc t 分段折线逼近波形综合 n其电路实现原理如下图所示。 分段逼近波形综合电路 +e -e r0 r1 r2r3r4r5r6 r1ar2ar3ar4a r5a r6ar7a r7br6br5br4br3br2br1b vi vo d1a d1b d2ad3ad4ad5ad6a d2bd3bd4bd5bd6b 18 v 锯齿波形成电路 u t （a） u t （b） t u （c） t u （d） 锯齿波的获得原理 锯齿波可以通过方波与三角波获得，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。 19 2. 函数发生器的性能和组成 v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 arp -a 20 4.3 锁相频率合成信号的产生 1.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 。 4.3.1 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 21 2. 频率合成分类及特点 v直接频率合成 通过混频、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 6mhz 6.28mhz 0.628mhz 3mhz 3.628mhz 直接式频率合成原理框图 1mhz 1mhz 9mhz 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。 22 锁相式频率合成 v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。 v优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低， 价格低等优点。 v缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。 23 直接数字合成（直接数字合成（ddsdds） uu 是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成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，产生所需频率的正弦信号 uu 优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体 积小积小 uu 缺点：频率上限较低，杂散也较大。缺点：频率上限较低，杂散也较大。 24 v3. 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。 25 4.3.2 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 fr vr vcopdlpf vo fo vd 26 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。 27 4. 直接数字合成技术 dds组成原理 直接数字合成（direct digital synthesis）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。 4. 直接数字合成基本原理 设取样时钟频率为，正弦波每一周期由个取样点构 成，则该正弦波的频率为： 28 vdds的实现原理如下图所示 地址计数器 （n） 正弦波rom 存储器 d/alpf fcfo dds组成原理 输出信号频率fo: 取决于两个因数：参考时钟频率； rom中存储的正弦波； 如果地址计数器以步进m（m=1)进行累加，则可在fc和rom 数据不变的情况下改变输出频率，此时fo为： 29 4.2 dds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 420 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/a m/ 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 ad9854 dds结构 + - 30 2 基于可编程芯片的dds频率合成信号源 v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 31 3 dds/pll组合的频率合成信号源 vdds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。 pdlp f vco k dds 混频器带通滤波 fr fc fo dds/pll混频式频率合成原理 fp fd 基 准 信 号 源 此时输出频率为： 32 v任意波发生器（aibitray wave generato