第三章信号产生技术

1、1 第三章 信号发生器 3.1 3.1 信号发生器概述信号发生器概述 3.2 3.2 正弦信号发生器的性能指标正弦信号发生器的性能指标 3.3 3.3 低频信号发生器低频信号发生器 3.4 3.4 射频信号发生器射频信号发生器 3.5 3.5 扫频信号发生器扫频信号发生器 3.6 3.6 脉冲信号发生器脉冲信号发生器 3.7 3.7 噪声发生器噪声发生器 重点内容：锁相环技术，信号合成技术重点内容：锁相环技术，信号合成技术 2 3.1 信号发生器概述 一、信号源的作用 信号源是能够产生不同频率、不同幅度、规则或不信号源是能够产生不同频率、不同幅度、规则或不 规则波形的信号发生器。规则波形的信号

2、发生器。 3 二、信号发生器的分类 1. 1. 按频率范围按频率范围 大致可分为六类：大致可分为六类： 超低频信号发生器超低频信号发生器 0.0001Hz0.0001Hz1000Hz1000Hz； 低频信号发生器低频信号发生器 1Hz1Hz1MHz1MHz； 射频射频:300KHz:300KHz； 微波微波: :超高频信号发生器超高频信号发生器 300MHz300MHz以上。以上。 毫米波毫米波:30G-300GHZ :30G-300GHZ 4 2. 2. 按输出波形按输出波形, ,大致可分为：大致可分为： 正弦波形发生器正弦波形发生器 脉冲信号发生器脉冲信号发生器 函数信号发生器函数信号发生

3、器 噪声信号发生器噪声信号发生器 3. 3. 按照信号发生器的性能指标按照信号发生器的性能指标 可分为：可分为： 一般信号发生器一般信号发生器 标准信号发生器标准信号发生器 5 u u t to o （a a）矩形波）矩形波 u u t to o （b b）锯齿波）锯齿波 u u t to o （c c）阶梯波）阶梯波 u u t to o （d d）钟形脉冲）钟形脉冲 u u t to o （e e）数字编码序列）数字编码序列 典型信号波形典型信号波形 6 三、信号发生器的基本构成 信号信号 输出输出 主振器主振器变换器变换器调制调制输出输出 电电 源源监测监测 信号发生器结构框图信号发生器

4、结构框图 7 3.2 正弦信号发生器的性能指标 原因：原因： 容易产生，容易描述容易产生，容易描述 应用最广的载波信号应用最广的载波信号 任何线性双口网络，皆可用它对正弦信号的响任何线性双口网络，皆可用它对正弦信号的响 应来描述应来描述 正弦信号正弦信号：电子仪器和测量领域，正弦信号是应用：电子仪器和测量领域，正弦信号是应用 最广泛、最普通的一类信号。最广泛、最普通的一类信号。 8 1. 1. 频率特性频率特性 （1 1）频率范围）频率范围 (2) (2) 频率分辨率频率分辨率 （3 3）频率准确度）频率准确度 （4 4）频率稳定度）频率稳定度 100% o ff f ff 实际 实际实际 %

5、100 minmax o f ff 9 2. 2. 输出特性输出特性 （1 1）输出电平范围）输出电平范围 幅度表示：对于高频信号幅度表示：对于高频信号dbmdbm 幅度平坦度幅度平坦度 （2 2）输出电平的频响）输出电平的频响 （3 3）输出电平准确度）输出电平准确度 （4 4）输出阻抗）输出阻抗 （5 5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度 3. 3. 调制特性调制特性 调制特性的恒量指标主要包括调制频率，调幅系数，调制特性的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。最大频偏，调制线性等。 10 3.3 低频信号发生器 一、低频信号发生

6、器 低频信号发生器频率范围一般为低频信号发生器频率范围一般为20Hz20Hz20KHz20KHz，故，故 又称音频信号发生器又称音频信号发生器 主振级主振级 缓冲缓冲 放大放大 电平电平 控制控制 功率功率 放大放大 衰减器衰减器 阻抗阻抗 变换变换 电平调节电平调节 波段波段 调节调节 频率频率 细调细调 电平指示电平指示 低频信号发生器组成原理低频信号发生器组成原理 11 文式桥式振荡电路 T=AF 同相输入端接入文氏 电桥，起到选频网络 的作用。当 A达到最大且 A(f0)=1/3 负反馈 1 2 1 1 R R K F RC ff 2 1 0 T=A*F1起振 T=A*F=1稳幅 电路

7、设置得当电路启动阶段F3使电路指定频率起振， 输出电压到一定幅值后F=3电路实现稳幅 12 稳幅方案有热敏电阻 稳幅、场效应管稳幅、 二极管稳幅。 热敏电阻稳幅如上图 分析 二极管稳幅电路设计 输出指标UOM,输出频 率f： 13 起振要求T1 稳幅后要求R3部分变化使F=3。 假设输出为UOM RC ff 2 1 0 31 1 1 32 R RR K F 14 差频式信号发生器 固定频率固定频率 振荡器振荡器 混频器混频器 可变频率可变频率 振荡器振荡器 低通滤波器低通滤波器 放大与输放大与输 出电路出电路 f2 f1 15 二、超低频信号发生器 1 1，能产生，能产生1Hz1Hz以下频率的

8、信号发生器称为超低频以下频率的信号发生器称为超低频 信号发生器，常用两级由运放构成的积分器和信号发生器，常用两级由运放构成的积分器和 反相器构成。反相器构成。 2 2，函数信号发生器是一种多用信号源，它的振荡，函数信号发生器是一种多用信号源，它的振荡 级由积分电路和触发电路构成，同时产生方波级由积分电路和触发电路构成，同时产生方波 和三角波，再由二极管整形电路将三角波整形和三角波，再由二极管整形电路将三角波整形 成正弦波。成正弦波。 3 3，数字合成低频信号发生器的基本原理是利用阶，数字合成低频信号发生器的基本原理是利用阶 梯波近似正弦波，而阶梯波可用数据存储器和梯波近似正弦波，而阶梯波可用数

9、据存储器和 DADA模块实现，突出的优点是频率准确度和稳定模块实现，突出的优点是频率准确度和稳定 度高，并且幅频特性平坦。度高，并且幅频特性平坦。 16 3.4 射频(高频)信号发生器 三大类：三大类： 调谐信号发生器（早期，简单，略）调谐信号发生器（早期，简单，略） 锁相信号发生器锁相信号发生器 合成信号发生器合成信号发生器 射频信号发生器输出频率范围一般在射频信号发生器输出频率范围一般在300KHz300KHz1GHz1GHz， 大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能，也称为高大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能，也称为高 频信号发生器。频信号发生器。 17 基本结构：锁相环（PLL） 组成

10、：鉴相器（：鉴相器（PDPD）、环路滤波器（）、环路滤波器（LPFLPF）、压控振）、压控振 荡器（荡器（VCOVCO）及基准晶振等）及基准晶振等 原理：原理：负反馈控制系统，把负反馈控制系统，把VCOVCO的输出频率锁定在的输出频率锁定在 参考频率上参考频率上 2.2 2.2 锁相式频率合成锁相式频率合成 n优点：易集成，体积小，结构简单，功耗低，价格低优点：易集成，体积小，结构简单，功耗低，价格低 n缺点：频率切换时间较长，相位噪声较大缺点：频率切换时间较长，相位噪声较大 18 锁相环的相位模型 K( ) F KS )(tU VCO K )(tU F( ) o f t )( i tt i

11、)(t e )(tt oo ( )( )( ) eiFVCOe tttK K Kt ( )( ) eFVCOe tK K Kt 当输入输出存在频差时，环路瞬时角频率误差会通过反馈的当输入输出存在频差时，环路瞬时角频率误差会通过反馈的 作用逐渐减小，直到等于零，进入作用逐渐减小，直到等于零，进入“锁定锁定”状态！状态！ 19 PLLPLL主要性能指标主要性能指标 环路带宽环路带宽 对输入信号的相位而言，锁相环具有低通滤波对输入信号的相位而言，锁相环具有低通滤波 器的传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。器的传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。 环路带宽越低，其滤波作用越好。环路带宽越低，其滤波

12、作用越好。 对输入信号频率而言，具有窄带滤波特性。只对输入信号频率而言，具有窄带滤波特性。只 允许输入信号角频率附近的频率分量通过，阻止允许输入信号角频率附近的频率分量通过，阻止 远离输入频率的频率分量传送到输出端，在一定远离输入频率的频率分量传送到输出端，在一定 范围内跟踪输入频率！范围内跟踪输入频率！ 捕捉带宽捕捉带宽 假设环路最初不处于锁定状态，环路最终能够假设环路最初不处于锁定状态，环路最终能够 自行进入锁定状态的最大允许频差。自行进入锁定状态的最大允许频差。 同步带宽：在环路同步带宽：在环路保持锁定保持锁定的情况下，环路输入的情况下，环路输入 频率所允许的最大变化范围。频率所允许的最

13、大变化范围。 20 锁相环的基本形式锁相环的基本形式 1.1.倍频式锁相环倍频式锁相环 等效模型等效模型 实现模型实现模型 21 锁相环的基本形式锁相环的基本形式 2.2.分频式锁相环分频式锁相环 等效模型等效模型 实现模型实现模型 22 3.3.混频式锁相环混频式锁相环 锁相环的基本形式锁相环的基本形式 相加混频环相加混频环 相减混频环相减混频环 23 提高频率分辨力的锁相合成技术提高频率分辨力的锁相合成技术 n 减小频率增量提高分辨力减小频率增量提高分辨力 ieft/25 n 保证转换时间和频率范围前提下提高频率分辨力的途径保证转换时间和频率范围前提下提高频率分辨力的途径 多环频率合成法多

14、环频率合成法 小数分频法小数分频法 n 后置分频器提高分辨力后置分频器提高分辨力 输出频率范围减小输出频率范围减小 频率增量越小，转换时间越长频率增量越小，转换时间越长 24 多环频率合成多环频率合成 iAAfNf iBBfNf MfffBAo/ iBAo/M)fN(Nf 思路：粗调思路：粗调+精调精调 25 例：双环合成例：双环合成 环环1 1进行频率粗调，内插振荡器实现频率精调，混频环实现进行频率粗调，内插振荡器实现频率精调，混频环实现 频率求和频率求和 例：输出为例：输出为2153.5kHz2153.5kHz 26 三、合成信号发生器（） 直接式频率合成信号发生器直接式频率合成信号发生器

15、 27 内容摘要 信号发生器的功能信号发生器的功能 信号发生器的分类及工作特性信号发生器的分类及工作特性 函数信号发生器工作原理（略）函数信号发生器工作原理（略） DDS数字式频率和成信号发生器数字式频率和成信号发生器 DDS芯片的应用（略）芯片的应用（略） 28 3.4 DDS数字式频率合成信号发生 器 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。 29 3.4 DDS数字式频率合成信号发生器 相位量化相位量化: :将周期函数一周期将周期函数一周期(2(2）相位量化即（数字

16、化）相位量化即（数字化） 比如说比如说2 24 4量化量化 幅值量化幅值量化: :离散化的相位点对应的幅值进行量化。离散化的相位点对应的幅值进行量化。 -1-1到到1V1V进行进行2 24 4量化，则量化，则1000B1000B代表代表0V 10010V 1001代表代表0.125V 0111B-0.125V 0111B- 0.125V0.125V 30 DDS的基本实现原理框图如下图所示 ROMROM表的作用：量化相位点顺序编号并与表的作用：量化相位点顺序编号并与ROMROM表（存储器）的地址对表（存储器）的地址对 应，存储器顺序存放不同相位点对应的电压幅值的量化值。应，存储器顺序存放不同相

17、位点对应的电压幅值的量化值。 D/AD/A转换器作用：在时钟作用下定时按顺序读取转换器作用：在时钟作用下定时按顺序读取ROMROM表值，通过表值，通过D/AD/A 转换器将量化的电压幅值转为模拟输出电压。从而得到周期波形。转换器将量化的电压幅值转为模拟输出电压。从而得到周期波形。 31 一个简单的例子： 一个正弦波一周期相位24量化，并存放在ROM 中，在f=1Khz下，定时读取读取读取ROM表值，表值， 通过通过D/A转换器将量化的电压幅值转为模拟输转换器将量化的电压幅值转为模拟输 出电压。从而得到周期波形。则该周期信号的出电压。从而得到周期波形。则该周期信号的 周期为周期为1*24ms 如

18、何改变信号的周期（频率）如何改变信号的周期（频率） 改变定时时钟频率改变定时时钟频率 通过相位累加器：思路不是按地址顺序逐个读取通过相位累加器：思路不是按地址顺序逐个读取 ROM表数值，按顺序每隔表数值，按顺序每隔K个地址读取个地址读取ROM表数表数 值。则输出频率周期值。则输出频率周期1*K*24ms 32 3.4 DDS数字式频率合成信号发生 器 (1)频率预置与调节电路频率预置与调节电路 作用：实现频率控制量的输入；作用：实现频率控制量的输入； 不变量不变量K K被称为相位增量，也叫频率控制字。被称为相位增量，也叫频率控制字。 33 3.4 DDS数字式频率合成信号发生 器 (2)累加器

19、累加器 加法器加法器 寄存器寄存器 频率控制字频率控制字K K N N位位 N N位位 N N位位 相位量化序列相位量化序列 f fc c 相位累加器的作用：在时钟的作用下，进行相位累加相位累加器的作用：在时钟的作用下，进行相位累加 注意：当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一注意：当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一 个周期性的动作个周期性的动作。 相位累加器的组成相位累加器的组成= N= N位加法器位加法器+N+N位寄存器位寄存器 34 3.4 DDS数字式频率合成信号发生 器 1 1、产生的信号频率是多大？产生的信号频率是多大？ 2 2、产生的信号频率范围是多少？产生的

20、信号频率范围是多少？ DDSDDS的输出频率为：的输出频率为： f f0 0=f=fC CK/2K/2N N （f fC C为基准时钟频率，为基准时钟频率， N N为累加器的位数）为累加器的位数） DDS DDS输出的最低频率输出的最低频率 K=1K=1时时 f fC C/2/2N N DDS DDS输出的最高频率输出的最高频率 NyquistNyquist采样定理决定，即采样定理决定，即f fC C/2/2， K K的最大值为的最大值为2 2N-1 N-1 结论：只要结论：只要N N足够大，足够大，DDSDDS可以得到很细的频率间隔。可以得到很细的频率间隔。 要改变要改变DDSDDS的输出频

21、率，只要改变频率控制字的输出频率，只要改变频率控制字K K即可。即可。 35 3.4 DDS数字式频率合成信号发生 器 (3)波形存储器波形存储器 作用：进行波形的相位作用：进行波形的相位幅值转换。幅值转换。 波波形形R RO OM M 地地 址址 数数 据据 相相位位量量化化序序列列 正正弦弦幅幅度度量量化化序序列列 N N位位 D D位位 原理：原理： ROMROM的的N N位地址位地址 把把0 0O O360360O O的正弦角度离散成具有的正弦角度离散成具有2 2N N个样值的序列个样值的序列 ROMROM的的D D位数据位位数据位 则则2 2N N个样值的幅值量化为个样值的幅值量化为

22、D D位二进制数据位二进制数据 36 3.4 DDS数字式频率合成信号发生 器 (4)D/A转换器转换器 D/AD/A转换器的作用转换器的作用 把已经合成的正弦波的数字量转换成模拟量。把已经合成的正弦波的数字量转换成模拟量。 t t S Si in n( (t t) ) 37 3.4 DDS数字式频率合成信号发生 器 (5) 低通滤波器低通滤波器 滤除生成的阶梯形正弦波中的高频成分，将其变滤除生成的阶梯形正弦波中的高频成分，将其变 成光滑的正弦波。成光滑的正弦波。 t t Sin(t)Sin(t) t t Sin(t)Sin(t) 38 3.4 DDS数字式频率合成信号发生 器 地址计数器步进

23、值改变可以通过相位累 加器法来实现，其基本原理框图如下图 所示 39 3.4 DDS数字式频率合成信号发生 器 DDS优点： 频率分辨率高，2的N次方 频率切换速度快，可达us级 频率切换时相位连续。频率的改变，实际上是相位 增量的改变。 可以产生任意波形 DDS的局限性 速度限制。受DAC和ROM速度限制，工作频率一般 在几十兆到400MHz之间。 输出杂散大。三个来源：相位累加器的相位舍位误 差；幅度量化误差；DAC特性非理想。 40 3.5 扫频信号发生器 一、线性电路幅频特性的测量 频率特性测试的方法：点频法和扫频法：频率特性测试的方法：点频法和扫频法： 点频法点频法 ：逐点调整信号发

24、生器的输出频率，并用电压表等设逐点调整信号发生器的输出频率，并用电压表等设 备记录被测系统的响应。备记录被测系统的响应。 特点：特点：准确度高，但繁琐费时，频率间隔较大。准确度高，但繁琐费时，频率间隔较大。 扫频法：扫频法：是利用扫频信号发生器输出自动连续变化的频率信号，是利用扫频信号发生器输出自动连续变化的频率信号， 对被测系统进行动态式的扫频测试。对被测系统进行动态式的扫频测试。 特点：特点：简单快捷，可方便地测量系统的频率特性及动态特性。简单快捷，可方便地测量系统的频率特性及动态特性。 41 一、线性电路幅频特性的测量 点频法点频法 42 一、线性电路幅频特性的测量 扫频法扫频法 43

25、二、扫频仪的基本构成 为实现频率在一定范围内的扫动，必须要能够控制为实现频率在一定范围内的扫动，必须要能够控制 频率按照规律去变化。频率按照规律去变化。 对于振荡电路，调整对于振荡电路，调整L L或或C C来实现。来实现。 44 二、扫频仪的基本构成 （1 1）磁调电感法）磁调电感法 CL f 2 0 2 1 LL 02 45 二、扫频仪的基本构成 （2 2）变容二极管法）变容二极管法 r D j U U C C )1 ( 0 变容二极管特性 C Cj0 j0：零电压结电容 ：零电压结电容 U UD D：PNPN结势垒电压结势垒电压 U U： PNPN结反向电压结反向电压 46 3.6 脉冲信

26、号发生器 u 脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用通用 脉冲发生器脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器函数发生器、数数 字可编程脉冲发生器字可编程脉冲发生器及及特种脉冲发生器特种脉冲发生器等。等。 u u t to o （a a）矩形波）矩形波 u u t to o （b b）锯齿波）锯齿波 u u t to o （c c）阶梯波）阶梯波 u u t to o （d d）钟形脉冲）钟形脉冲 u u t to o （e e）数字编码序列）数字编码序列 典型脉冲信号典型脉冲信号 47 脉冲波形生成技术脉冲波

27、形生成技术 常规脉冲生成常规脉冲生成 1 1、利用各种形式的多谐振荡器产生矩形波；、利用各种形式的多谐振荡器产生矩形波； 2 2、利用整形电路将现有的各种触发信号变、利用整形电路将现有的各种触发信号变 换成符合要求的矩形脉冲波形。换成符合要求的矩形脉冲波形。 快沿（纳秒快沿（纳秒/ /皮秒级别）脉冲生成皮秒级别）脉冲生成 隧道二极管、雪崩晶体三极管、阶跃恢复二隧道二极管、雪崩晶体三极管、阶跃恢复二 极管极管、耿式器件等分立元件；耿式器件等分立元件； 水银开关、脉冲放电管、光导开关。水银开关、脉冲放电管、光导开关。 48 一、脉冲信号 脉冲幅度脉冲幅度U Um m 脉冲上升时间脉冲上升时间t t

28、r r 脉冲下降时间脉冲下降时间t tf f 脉冲宽度脉冲宽度 平顶降落平顶降落 脉冲过冲脉冲过冲b b 脉冲周期和重复频脉冲周期和重复频 率率 脉冲的占空系数脉冲的占空系数 T/ U 49 二、脉冲信号发生器分类 按照用途和产生脉冲的方法不同，脉冲信号发生器可分为：按照用途和产生脉冲的方法不同，脉冲信号发生器可分为： 通用脉冲发生器通用脉冲发生器 快沿脉冲发生器快沿脉冲发生器 函数发生器函数发生器 数字可编程脉冲信号发生器数字可编程脉冲信号发生器 特种脉冲发生器特种脉冲发生器 50 3.2 数字波形合成数字波形合成 DDFSDDFS直接数字频率合成技术直接数字频率合成技术 DDWSDDWS直

29、接数字波形合成技术直接数字波形合成技术 数字脉冲合成技术数字脉冲合成技术 51 采样时钟采样时钟 输出输出 地址地址 发生器发生器 数据数据 查找表查找表 数模数模 转换器转换器 低通低通 滤波器滤波器 M D 可变时钟发生器可变时钟发生器 直接数字波形合成直接数字波形合成DDWS 1 s o o f f Tn DDWS可看作是某一特定采样时钟下，频率控可看作是某一特定采样时钟下，频率控 制字为制字为2N-M的的DDFS 直接数字波形合成技术直接数字波形合成技术 52 数字脉冲合成技术数字脉冲合成技术 （1）序列式脉冲发生技术）序列式脉冲发生技术 （2 2）数字合成式脉冲发生技术）数字合成式脉冲发生技术 极窄脉冲极窄脉冲/单脉冲发生单脉冲发生 双脉冲发生双脉冲发生 群脉冲发生群脉冲发生 53 数字合成式脉冲发生技术数字合成式脉冲发生技术 极窄脉冲极窄脉冲/单脉冲发生单脉冲发生 54 数字合成式脉冲发生技术数字合成式脉冲发生技术 双脉冲发生双脉冲发生 55 56 57 数字合成式脉冲发生技术数字合成式脉冲发生技术 群脉冲发生群脉冲发生 58 3.3 信号调理技术信号调理技术幅度