电子测量原理_王厚军_第8章信号的产生

1、第8章 信号的产生本章介绍：介绍了信号源在电子测量中的作用、组成原理、种类及正弦信号源的性能指标；阐述了正弦信号发生器和脉冲发生器的原理与组成结构，多波形信号发生原理，函数发生器的基本组成结构等；详细阐述频率合成的基本概念，频率合成的基本方式，锁相环的工作原理及基本形式，介绍提高频率分辨力和频率上限的锁相合成技术以及直接数字合成的基本原理，对任意波形发生器和合成扫频信号源作了简单介绍。信号发生器用途主要是：提供激励信号、信号仿真和用作标准信号源，可以按照频率范围、输出波形、性能指标以及用途、调制类型、频率调节方式等进行分类。信号源的主要组成部分包括：主振器、缓冲放大、调制、输出级以及电源等，正

2、弦信号的性能指标主要包括频率特性、输出特性以及调制特性。由于正弦信号是分析线性系统频域特性的一种最基本的信号，而且也是最容易产生、描述和广泛应用的载波信号，因此正弦信号发生器具有特殊地位，它包括低频信号发生器和高频信号发生器。脉冲信号发生器是专门用于产生脉冲波形的信号源，而函数发生器可以产生多种波形，如正弦波、三角波、方波和锯齿波等。正弦信号也可以通过频率合成的方式产生，频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率，通过基本的代数运算得到一系列所需的频率。锁相频率合成技术是一种最常用的频率合成技术，锁相环实际上是一个负反馈相位控制系统，通过相位比较实现频率的锁定。锁相频率合成可以实现小步进，但切换时

3、间长，而直接数字合成（DDS）可以在实现小步进的同时实现频率的快速切换，但它具有频率上限低、杂散较大等缺点。将几种频率合成技术综合应用，可以取长补短，同时实现快捷变，小步进及较高的频率上限。81 信号源概述本节要求： 了解信号源的作用、分类，掌握信号源的组成原理。 掌握正弦信号源的主要性能指标的含义。811 信号源的作用和组成1作用信号源的用途主要有以下三方面：（1）激励源；（2）信号仿真；（3）标准信号源。2组成信号源的组成结构如下图所示：输出主振器缓冲调制输出电 源监测信号发生器结构框图812 信号源的分类按照输出信号的频率来分，大致可分为六类：超低频信号发生器，频率范围为0.0001Hz

4、1000Hz；低频信号发生器，频率范围为1Hz1MHz；视频信号发生器，频率范围为20Hz10MHz；高频信号发生器，频率范围为200KHz30MHz；甚高频信号发生器，频率在30KHz300MHz；超高频信号发生器，频率在300MHz以上按输出波形可以分为：正弦波形发生器，产生正弦波或受调制的正弦信号；脉冲信号发生器，产生脉冲宽度不同的重复脉冲；函数信号发生器，产生幅度与时间成一定函数关系的信号；噪声信号发生器，产生模拟各种干扰的电压信号。按照信号发生器的性能指标可分为：一般信号发生器和标准信号发生器。813 正弦信号源的性能指标1频率特性正弦信号源的频率特性可以用以下几项指标来表征：（1）

5、频率范围。（2）频率准确度。 （8-1）其中-频率绝对偏差。（3）频率稳定度。短期稳定度： （8-2） 其中： -15分钟内信号频率的最大值。 -15分钟内信号频率的最小值。 -预调频率（标称频率）。长期稳定度是指信号源经过规定预热时间后，在任意3小时内信号频率发生的最大变化，同样可由式（8-2）表示。2输出特性正弦信号源的输出特性指标主要有：（1）输出电平范围。（2）输出电平的频响。（3）输出电平准确度。（4）输出阻抗。（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。思考题与习题：1什么叫信号源？按输出波形的不同可分为哪几

6、类？2正弦信号源的主要性能指标有那些？各有什么含义？82 正弦、脉冲及函数发生器要求： 了解正弦信号发生器的组成原理 了解脉冲信号发生器的原理与分类 掌握多波形信号发生原理，了解函数发生器的组成。821 正弦信号发生器1低频信号发生器低频信号发生器频率范围一般为20Hz20KHz，故又称音频信号发生器。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输出图8-2 低频信号发生器组成原理主振级一般采用RC正弦振荡器，其每一分波段的频率覆盖系数通常为10。因此要覆盖较宽的频率范围，需要多个分波段，而差频式低频信号发生器可以在不分波段的情况下得到较宽的频率覆盖范围。高频振

7、荡器缓冲混频器固定频率振荡器缓冲低通滤波器功放衰减输出差频式低频信号发生器原理框图ff0f高频振荡器输出频率为，固定频率振荡器输出频率为，设变化范围为，则差频信号的频率范围为，如果与的值都很高，则差频的频率覆盖系数/可以达到很大的值，因此对进行调频指数不大的调频也可以使具有很宽的范围。2高频信号发生器高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz，稳定度一般优于10-4/15分，输出电压在0.1V1V左右，输出阻抗为标准的50（或75）。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822 脉冲信号发生器常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟

8、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根据脉冲发生器的用途和产生脉冲的方法，可以分为通用脉冲发生器、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通用脉冲发生器脉冲发生器的基本原理如下图所示。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脉宽，上升/下降沿控制输出同步脉冲输出脉冲信号发生器组成原理通用脉冲发生器产生的脉冲持续时间和过渡时间一般在1ns以上，有的过渡时间虽然可到300ps， 但参数固定不能调节。2快速（广谱）脉冲发生器快速脉冲发生器可用

9、于数字通信、雷达、时域特征测试等场合。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。823 函数发生器函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号发生器。1多波形信号发生原理函数发生器一般以某种波形为第一波形，然后在该波形基础上转换导出其它波形。（1）方波三角波发生器方波、三角波发生器原理框图V1AC双稳态电路V2WRU1I1+-U2BVC2VC1（a）原理框图（b）工作波形图B端波形toA端波形to它最基本的部分是由一个双稳态电路与密勒积分器构成的方波三角波发生器，其原理框图

10、如下所示。（2）正弦波形成电路utiustusct分段折线逼近波形综合正弦波可以由三角波获得，其方法是分段折线逼近的波形综合法。分段折线逼近的实现电路如下图所示。 分段逼近波形综合电路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B （3） 锯齿波形成电路将下图（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。ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）锯齿波的获得原理2函数发

11、生器的组成函数发生器的典型原理框图如下图所示。频率控制网络三角波缓冲器正弦波形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输出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 思考题与习题：1简述函数信号发生器的多波形形成原理？2差频式低频信号源与一般低频信号源的区别？83 锁相频率合成信号的产生要求： 掌握频率合成的基本原理 掌握锁相频率合成原理及其基本方式 了解提高频率分辨力及频率上限的锁相合成技术831 频率合成的基本概念1频率合成原理当要获得许多稳定的信号频率时，不能采用很多个晶体振荡器来产生，应采用频率合成的方法来得到。代数运算（加、减、乘、除）

12、石英晶体基准频率频率1输出频率n输出频率控制字频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率（一般由高稳定的石英晶体振荡器产生），通过基本的代数运算（加、减、乘、除），得到一系列所需的频率。2频率合成分类及特点当前主要的频率合成方式有：直接频率合成、锁相式频率合成（间接式频率合成）及直接数字合成（DDS）等方式。（1）直接频率合成。它是通过频率的混频、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将其选出，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028MHz分频（10）混频（+）滤波6MHz6.28MHz0.628MH

13、z3MHz3.628MHz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。（2）锁相式频率合成。它是一种间接式的频率合成技术，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。缺点：频率切换时间相对较长。 （3）直接数字合成（DDS）。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。优点：能够解决快捷变和小步进之间的矛盾，且集成度高，体积小。缺点：频

14、率上限较低，杂散也较大。832 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fiViVCOPDLPFVofOVd基准晶振锁相环是一个相位环反馈控制系统，系统的信息是相位，因此可以用相位传递函数来描述锁相环的特性，锁相环的闭环相位传递函数为 （8-5）式（8-5）中 -输出相位的拉氏变换； -输入相位的拉氏变换；若取，则可得到锁相环的频率特性，即 （8-6）式（8-6）中 -输入相位的调制角频。环路带宽：锁相环的频率特性具有低通滤波器的

15、传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。2锁相环的基本形式常用的锁相环形式主要有以下几种：（1）倍频式锁相环。倍频环主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环。（a） 谐波倍频环VCOPDLPFfO=Nfifi谐波形成Nfi（b） 数字倍频环VCOPDLPFfo=NfifiN 倍频式锁相环原理图fiNPLLfo=Nfi（c） 倍频环简化图（2）分频式锁相环。分频环实现对输入频率的除法运算，也有两种基本形式。分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波形成（a）谐波分频环fiNPLLfo=fi/N（c）分频环简化图（3）混频式锁相环。混频

16、环实现对频率的加减运算。图8-17 混频锁相环PDLPFVCOM（）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环PDLPFVCOM（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2（a）相加混频环fo= fi1- fi2+PLLfi1fi2fo= fi1+ fi2-PLLfi1fi2fo= fi1- fi2（c）相加环简化图（d）相减环简化图（4）多环合成单元。单环型锁相环存在频率点数目少，频率分辨率不高等缺点，因此一个合成式信号源都是由多环合成单元组成。下图是一个双环合成单元。PD2LPF2VCO2M（）fi2fi1fo= Nfi1+ fi2fo-Nfi1Nfi1内插振荡器环1环2倍频环加法混

17、频环（a） 双环合成器原理结构框图10KHz100110KHz34005100KHzNPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=N fi1+ 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833 提高频率分辨力的锁相合成技术1提高频率分辨力的技术途径提高频率分辨力的途径之一如下图所示，在锁相环后设置一分频器，则输出频率，当N改变1时，变化量为，在不加长转换时间的前提下使分辨力提高了倍，但相应地输出频率范围也减小到原来的。后置分频器的PLL合成器VCOPDLPFNfifiNMfo为了在提高频率分辨力的同时，输出频率范围不发生变化，可以采用多环频率合成方法，下

18、图是一个三环锁相频率合成器原理框图。三环PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfiMVCOCPDCLPFCBPFfoVCOAPDALPFA+NAfANAPLL+PLLMNBPLLfifo三环合成器简化框图fBfA合成器的输出频率为： 2小数分频技术另一种提高分辨力的途径是使分频器能够提供小数的分频比。 VCOPDLPFuifiNfoN存储器F存储器uo脉冲删除接口小数分频实现电路图OVFACCU例如要求环路输出为即分频比为4.3，在十个参考频率周期内7次除4，3次除5即可。每一次循环过程中，在的各周期内，累加器的值和其分频系数见表8-1。表8-1 输入信号每周期内的分频系数和累加值（分频比为4

19、.3）序号12345678910累加值0.30.60.90.20.50.80.10.40.70分频系数4445445445由于鉴相器的输出出现阶梯电压变化，使得合成器频谱变差。从表8-1中可以发现累加值恰好也是与其一致的阶梯变化，因此将该数据进行D/A转换后加到PD的输出端就可以抵消该变化，环路稳定后使得经环路滤波器后送给VCO的是一直流电平，改进后的小数分频实现电路见下图。VCOPDLPFurfrNDACfoN存储器F存储器uo脉冲删除接口改进的小数分频实现电路图+OVFACCU-834 扩展频率上限的锁相合成技术1扩展频率上限的方法为了提高合成器的输出频率，可以采用前置分频器、多模分频器以

20、及下变频等方法。前置分频法原理框图如下图所示。前置分频锁相频率合成器PDLPFVCONM模数控制fifofd2多模分频锁相频率合成技术多摸分频器是指其模值（分频比）可以在多个固定的值上改变的分频器，例如双模分频器的模值可以在V和V+1两个值上改变。采用双模分频的锁相频率合成器如下图所示。PDLPFVCON1N2V/V+1fifo变模分频器模式控制双模分频锁相频率合成器置初值此时双模分频器的工作频率为，而两个可变分频器和的工作频率分别为或，但合成器的频率分辨力仍保持为，因此在保持频率分辨力不变的前提下提高了合成器的最大输出频率。思考题与习题：1频率合成方式有哪几种，简述直接频率合成的原理？2锁相

21、环有哪几个基本组成部分，各起什么作用？3在小数分频方法中要实现5.7倍分频，则在10个参考频率周期中要几次除5，几次除6？4简述多模分频锁相频率合成器的工作原理。84 直接数字合成技术要求： 掌握相位累加器的基本原理 了解DDS频率合成信号源 841 直接数字合成基本原理1DDS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。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： （8-16）其中为取样时钟周期。DDS的基本实现原理框图如下图所示。地址计数器（N）

22、正弦波ROM存储器D/ALPFfcfo图8-32 DDS组成原理输出信号频率取决于两个因数：参考时钟频率；ROM中存储的正弦波。2相位累加器原理改变上图中的地址计数器计数步进值（即以值来进行累加），则在保持时钟频率和ROM数据不变的情况下，也能实现输出频率的改变。例如：设存储器中存储了个数据（一个周期的采样数据），则地址计数器步进为1时，输出频率，如果地址计数步进为，则每周期取样点数为，输出频率。地址计数器步进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。相位锁存器频率控制字 M相位累加器fr波形存储RAMD/A转换LPFfo2448位1416位相位累加器原理842 DDS频率合

23、成信号源1单片集成化的DDS信号源一种单片集成DDS芯片AD9854的内部组成如下图所示，它包含了相位累加器、波形存储器、D/A及时钟源等部件。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/AM/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输出输出AD9854 DDS结构外部输入的参考时钟经420倍倍频，为DDS提供最高可到300MHz的

24、时钟频率。通过可编程寄存器，可以设置48位频率控制字和14位相位控制字，实现频率和相位控制。D/A之前加入了一个数字乘法器，以实现幅度调制。另外该芯片还设置了一个高速比较器，可以将DDS输出的正弦波信号变为方波信号。该芯片的48位频率控制字使得输出频率分辨力可达1Hz，14位相位控制字可以提供分辨力为0.0220的相位控制。在内部参考时钟选择为最大即300MHz时，输出频率最大可达100MHz。2基于可编程芯片的DDS频率合成信号源基于可编程芯片实现的DDS信号合成具有更大的灵活性，其基本原理结构如下图所示。相位累加与控制逻辑采用CPLD、FPGA等高速可编程芯片来实现，波形存储器也采用高速R

25、AM。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n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3DDS/PLL组合的频率合成信号源DDS具有极高的频率分辨率和极短的转换时间，但其输出频率上限较低；而锁相环具有很高的工作频率及较窄的带宽，但频率分辨率较低，转换时间较长。因此，两者优缺点互补，可以将两者组合起来，从而使频率合成信号源的性能大幅提高。DDS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。PDLPFVCOKDDS混频器带通滤波frfcfoDDS/PLL混频式频率合成原理fPfD合成器的输出频率为： （8

26、-17）思考题与习题：1简述相位累加器的工作原理。2 DDS中如果参考频率为100MHz，相位累加器宽度N为40位，频率控制字M为010000H，则输出频率为多少？85 合成信号源简介要求： 了解任意波形发生器工作原理 了解合成扫频信号源工作原理851 任意波形发生器1AWG的工作原理任意波形发生器的原理与DDS基本相同，如下图所示。波形存储器D/A转换器滤波器fs输出任意波形发生器原理2AWG的主要技术指标任意波形发生器的种类很多，性能各异，其基本的功能及性能指标有： 波形编辑功能； 输出波形频率； 相位分辨力； 幅度分辨率； 输出通道数。3 AWG的简介下图是某种任意波形发生器的系统结构框

27、图。RS232GP-IBDDSASIC波形RAMDAC调制RAMDAC滤波同步信号电路方波电路衰减调幅输出电路某任意波形发生器系统结构同步输出输出852 合成扫频信号源1工作原理频率特性测试可以采用点频法和扫频法，点频法是逐点调整信号发生器的输出频率，然后描绘出被测系统的频率特性。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，对被测系统进行动态式的扫频测试，普通扫频信号发生器的原理结构如下图所示。扫描电压发生器正弦振荡器放大器电平调制衰减ALC放大状态控制可变移相显示器频率标记电路输出外部自动电平控制参考电平调制信号扫频信号发生器原理框图2合成扫频信号源简介频率合成式的扫频信号源可实现

28、宽带扫频，它具有频率准确度和分辨力高，寄生信号和相位噪声低等特点，具有扫频功能和多种调制方式，能够取代扫频信号发生器、频率计数器、频率合成器等，可以用于手动和自动测试系统中。合成扫频信号源的生产厂家和种类很多，其性能特点各不相同。思考题与习题：1简述任意波形发生器的工作原理。2频率特性的测试方法主要有哪几种？本章小结1信号发生器是电子测量中不可缺少的仪器，它的用途主要有：提供激励信号，信号仿真，用作标准信号源。信号源可以按照频率范围、输出波形、性能指标以及用途、调制类型、频率调节方式等进行分类，目前应用最广泛的仍然是正弦信号发生器和脉冲发生器。2信号源的主要组成部分包括：主振器、缓冲放大、调制

29、、输出级以及电源等。振荡器产生信号，需要调制信号时由调制部分对振荡器产生的信号进行相应的调制，输出级完成对信号的电平调节以及阻抗匹配等。3正弦信号的性能指标主要包括频率特性、输出特性以及调制特性。频率特性指标主要有：频率范围、频率准确度、频率稳定度等，频率准确度不仅受主振器的影响而且还要受到频率读出装置的影响。输出特性包括输出电平范围、输出电平平坦度（频响）、输出电平准确度、输出阻抗以及输出信号的频谱纯度等。调制特性主要包括调制频率、调幅系数、最大频偏及调制线性等。4正弦信号发生器包括低频信号发生器和高频信号发生器，低频信号发生器指频率范围在1Hz1MHz的信号发生器，多数低频信号发生器采用R

30、C正弦振荡器，为得到较宽的频率覆盖范围，有的也采用差频式的方法。高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz，大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能。5脉冲信号发生器是专门用于产生脉冲波形的信号源，它常用于测试宽带放大器的振幅特性、过度特性，数字系统的开关特性，示波器、雷达及通信机等。它包括通用脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器等。其中应用最广泛的是通用矩形脉冲发生器，它可以产生宽度可变，且上升、下降沿极短的矩形脉冲。6函数发生器是一种多波形发生器，一般能够产生正弦波、三角波、方波和锯齿波等波形，函数发生器最基本的部分是由一个双稳态电路与密勒积分器构成的方波三角波发生器，通过分段折线逼近的波形综合法在三角波的基础上产生正弦波，而锯齿