第五章信号的产生2015

1、电子测量原理电子测量原理第1页第第5 5章章 信号的产生信号的产生5.1 5.1 信号源概述信号源概述 5.2 5.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器 5.3 5.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生 5.4 5.4 直接数字合成技术直接数字合成技术 * *5.5 5.5 合成信号源简介合成信号源简介 （了解）（了解）电子测量原理电子测量原理第2页电子测量原理电子测量原理第3页1.1.信号源的作用信号源的作用 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。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

2、面：信号源的用途主要有以下三方面： 激励源。激励源。 信号仿真。信号仿真。 标准信号源。标准信号源。电子测量原理电子测量原理第4页信号信号输出输出主振器主振器缓冲缓冲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结构框图电子测量原理电子测量原理第5页电子测量原理电子测量原理第6页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； 电子测量原理电子测量原理第7页%100ooofffff%100minmaxofff电子测量原理电子测量原理第8页3. 3. 调制特性调制特性 调制特性的恒量

3、指标主要包括调制频率，调幅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。系数，最大频偏，调制线性等。电子测量原理电子测量原理第9页5.2.1 5.2.1 正弦信号发生器正弦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电子测量原理电子测量原理第10页输出输出主振级主振级波段波段选择选择频率频率细调细调缓冲缓冲调制级调制级输出级输出级调制振荡调制振荡器器监测器监测器外调制外调制输入输入高频信号发生器原理框图高频信号发

4、生器原理框图电子测量原理电子测量原理第11页u ut to o（a a）矩形波）矩形波u ut to o（b b）锯齿波）锯齿波u ut to o（c c）阶梯波）阶梯波u ut to o（d d）钟形脉冲）钟形脉冲u ut to o（e e）数字编码序列）数字编码序列 常见的脉冲信号常见的脉冲信号u 脉冲发生器的分类脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉通用脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器、数字可冲发生器、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编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。等。电子测量原理电子测量

5、原理第12页输出输出脉宽，上升脉宽，上升/ /下降沿下降沿控制控制主振主振级级同 步 放同 步 放大大延时延时级级脉 冲 形脉 冲 形成成输出输出级级同步脉冲输同步脉冲输出出外同步外同步触发输触发输入入外触发外触发同步脉冲输出同步脉冲输出脉冲信号发生器组成原理脉冲信号发生器组成原理电子测量原理电子测量原理第13页u 快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉生器、雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及隧道二极管脉冲发生器等。冲发生器以及隧道二极管脉冲发生器等。电子测量原理电子测量原理第14页5

6、0mV/DIV30dB1 ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)过渡持续时间为过渡持续时间为1ns的脉冲发生器前沿及其频谱的脉冲发生器前沿及其频谱50mV/DIV15 ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)隧道二极管脉冲发生器前沿及其频谱隧道二极管脉冲发生器前沿及其频谱 例如一个前沿上升时间为例如一个前沿上升时间为1ns1ns的脉冲，其可用频谱分量为的脉冲，其可用频谱分量为1GHz1GHz，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快达达15ps15ps，则其可用频谱可以高达，则其可用频谱可以高达30GHz30GH

7、z。电子测量原理电子测量原理第15页C双稳态双稳态电路电路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波发生器原理框图方波、三角波发生器原理框图V1-)(221VVCIfsc设充放电电流为设充放电电流为I I，输出三角波的频率为，输出三角波的频率为f fscsc，则：，则：运放组成的运放组成的积分电路积分电路电子测量原理电子测量原理第16页utiustusct分段折线逼近波形综合分段折线逼近波形综合n其电路实现原理如下图所示。其电路实现原理如下图所示。 分段逼近波形综合电路分段逼近波形综合电路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4

8、BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可以得到近似正弦波的折线化波形。采用比的比例衰减，就可以得到近似正弦波的折线化波形。采用比例系数可以自动调节的运算电路。利用二极管和电阻构成反例系数可以自动调节的运算电路。利用二极管和电阻构成反馈通路，可以随着输入电压的数值不同而改变电路的比例系馈通路，可以随着输入电压的数值不同而改变电路的比例系数。数。电子测量原理电子测量原理第17页ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）锯齿

9、波的获得原理锯齿波的获得原理 锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（a a）所）所示三角波与图（示三角波与图（b b）所示方波直接叠加就可得到图（）所示方波直接叠加就可得到图（c c）所）所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（d d）所示）所示的锯齿波。的锯齿波。电子测量原理电子测量原理第18页频率频率控制控制网络网络三角波三角波缓冲器缓冲器正弦波综正弦波综合及缓冲合及缓冲正恒正恒流源流源负恒负恒流源流源比较器比较器方波方波缓冲器缓冲器外外部部频频率率控控制制函数函数选择选择及其及其它波它波形

10、产形产生生输出输出放大放大输出输出滤波滤波直流直流补偿补偿积分积分电路电路函数发生器基本组成原理函数发生器基本组成原理电子测量原理电子测量原理第19页一、函数发生器与信号波形一、函数发生器与信号波形函数发生器（函数发生器（Function Generator）的功能：）的功能：输出频率和幅度可调的输出频率和幅度可调的:正弦波正弦波三角波三角波方波方波AM、FM调制调制电子测量原理电子测量原理第20页正弦波：失真度正弦波：失真度三角波：线性度三角波：线性度方波：上升与下降斜率方波：上升与下降斜率根据傅里叶级数，一个失真的正弦波根据傅里叶级数，一个失真的正弦波可以分解为一系列幅度不同、相位有可以分

11、解为一系列幅度不同、相位有别的基波和各别的基波和各 次谐波。因此次谐波。因此非线性失非线性失真度真度定义为全部谐波能量与基波能量定义为全部谐波能量与基波能量之比的量之比的平方根值。之比的量之比的平方根值。fVVmax-Vmint1t2一、函数发生器与信号波形一、函数发生器与信号波形电子测量原理电子测量原理第21页多种波形输出：正弦波、三角波、锯齿波、多种波形输出：正弦波、三角波、锯齿波、方波、脉冲波方波、脉冲波 0.1Hz20MHz频率范围频率范围输出频率及占空比可调输出频率及占空比可调输出电阻小至输出电阻小至0.1欧，输出电流欧，输出电流 20mA正弦波输出总谐波失真低至正弦波输出总谐波失真

12、低至0.75%电子测量原理电子测量原理第22页电子测量原理电子测量原理第23页电子测量原理电子测量原理第24页电子测量原理电子测量原理第25页电子测量原理电子测量原理第26页电子测量原理电子测量原理第27页电子测量原理电子测量原理第28页图图 MAX038的应用电路的应用电路19脚是波形输出端。脚是波形输出端。 利用恒定电流向利用恒定电流向CF充电和放电，形成充电和放电，形成振荡，产生三角波振荡，产生三角波和矩形波。和矩形波。 RP1的作用是调节的作用是调节振荡频率。振荡频率。RP2是调节占空比。是调节占空比。 电子测量原理电子测量原理第29页图图 5Hz5MHz函数发生器函数发生器电子测量原

13、理电子测量原理第30页5.3.1 5.3.1 频率合成的基本概念频率合成的基本概念频率频率1 1输出输出石英晶体石英晶体代数运算代数运算（加、减、乘、除（加、减、乘、除）频率合成原理频率合成原理频率频率n n输出输出基准频率基准频率电子测量原理电子测量原理第31页晶振晶振谐波发生器（倍频）谐波发生器（倍频）分频（分频（1010）8MHz8MHz混频（混频（+ +）混频（混频（+ +）2MHz2MHz滤波滤波分频（分频（1010）2.8MHz2.8MHz滤波滤波0.28MHz0.28MHz分频（分频（1010）混频（混频（+ +）滤波滤波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MH

14、z0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz优点：优点：频率切换迅速，相位噪声很低。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。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。电子测量原理电子测量原理第32页电子测量原理电子测量原理第33页电子测量原理电子测量原理第34页orfNf1orffN12orrfff电子测量原理电子测量原理第35页锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量原理电子测量

15、原理第36页电子测量原理电子测量原理第37页（a） 谐波倍频环谐波倍频环VCOPDLPFfO=Nfifi谐波谐波形成形成Nfifo=Nfi（b）数字倍频环）数字倍频环VCOPDLPFfiN倍频式锁相环原理图倍频式锁相环原理图fiNPLLNfi（c）倍频环简化图）倍频环简化图电子测量原理电子测量原理第38页分频式锁相环原理图分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b）数字分频环）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波谐波形成形成（a）谐波分频环）谐波分频环fiNPLLfo=fi/N（c）分频环简化图）分频环简化图电子测量原理电子测量原理第39页PDLPFVCOM（）（）

16、fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环）相减混频环PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2（a）相加混频环）相加混频环fo= fi1- fi2混频锁相环混频锁相环+PLLfi1fi2fo= fi1+ fi2-PLLfi1fi2fo= fi1- fi2（c）相加环简化图）相加环简化图（d）相减环简化图）相减环简化图电子测量原理电子测量原理第40页fo= Nfi1+ fi234005100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（）（）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1内插振荡内插振荡器器环环1环环2倍频环倍频环加法混频环加法混频环（a） 双环合成器原理结构框图

17、双环合成器原理结构框图100110KHzNPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=N fi1+ fi2（b） 双环合成器简化结构框图双环合成器简化结构框图双环合成器原理结构图双环合成器原理结构图VCO1PD1LPF1谐波谐波形成形成N=330500电子测量原理电子测量原理第41页（1 1）十进频率合成器组成）十进频率合成器组成 五个五个DS-1合成单元串接起来，其输出频率被送到合成合成单元串接起来，其输出频率被送到合成单元单元DS-2，得到输出频率为，得到输出频率为2122MHz , DS-2的输出加到的输出加到合成单元合成单元DS-4，得到输出频率为，得到输出频率为101122MHz ,合成

18、单元合成单元DS-3输出为输出为10192MHz， DS-3与与DS-4的输出频率加到混的输出频率加到混频器频器M进行相减，最后得到进行相减，最后得到200Hz30MHz的输出频的输出频 电子测量原理电子测量原理第42页DS-10-91HzDS-10-910HzDS-10-9100HzDS-10-91KHzDS-10-910KHzDS-20-9100KHzDS-40-210MHzDS-30-91MHz2122MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz内插振荡器内插振荡器01Hz1.21.3MHz9MHz100KHzM（-）10192MHz1

19、01122MHz200Hz30MHz5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5电子测量原理电子测量原理第43页VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz谐波谐波形成形成NfiDS-1原理框图原理框图M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基准基准后一位合成单元后一位合成单元10.210.3MHz101213MHz1.21.3MHz倍频环倍频环N=1827电子测量原理电子测量原理第44页VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz谐波谐波形成形成NfiDS-2原理框图原理框图M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基准基准“10KHz”10KH

20、z”单元输出单元输出19.219.3MHz2122MHz倍频环倍频环218MHz电子测量原理电子测量原理第45页VCOPDLPF10192MHz1MHz谐波谐波形成形成NfiDS-3原理框图原理框图倍频环倍频环fi0 -1011-1002-99.9-92电子测量原理电子测量原理第46页PDLPFVCOM（）（）DS-2的输出的输出0：80MHz加法混频环加法混频环2122MHz101122MHzDS-4原理框图原理框图基准基准倍 频倍 频环环5MHzVCOPDLPF谐波谐波形成形成1：90MHz2：100MHz倍频环的倍数：倍频环的倍数：N=16，18，20 0 1 2电子测量原理电子测量原理

21、第47页VCOPDLPF1.21.3MHz100KHz谐波谐波形成形成内插振荡器组成框图内插振荡器组成框图基准基准12S+P 当选择开关当选择开关S S置于置于1 1时，内插振荡器是一个倍频环，它输出一时，内插振荡器是一个倍频环，它输出一个个1.2MHz1.2MHz的固定点频，此时频率合成器只能输出离散频率。的固定点频，此时频率合成器只能输出离散频率。 当内插振荡器的开关当内插振荡器的开关S S置于置于2 2时，时，VCOVCO就作为一个频率连续可就作为一个频率连续可调的振荡器工作，调节电位器调的振荡器工作，调节电位器P P，改变，改变VCOVCO的偏压，可使它的输的偏压，可使它的输出在出在1

22、.2MHZ1.2MHZ1.3MHZ1.3MHZ之间连续变化。之间连续变化。 电子测量原理电子测量原理第48页5.4.1直接数字合成基本原理直接数字合成基本原理 设取样时钟频率为设取样时钟频率为fc，正弦波每一周期由个取样点构，正弦波每一周期由个取样点构成，则该正弦波的频率为：成，则该正弦波的频率为：NfNTfcco1电子测量原理电子测量原理第49页地址计数器地址计数器（N）正弦波正弦波ROM存储器存储器D/ALPFfcfoDDS组成原理组成原理输出信号频率输出信号频率fo: 取决于两个因数：取决于两个因数：参考时钟频率；参考时钟频率；ROMROM中存储的正弦波；中存储的正弦波；NMffco如果

23、如果地址计数器以步进地址计数器以步进M M（M=1)M=1)进行累加，进行累加，M M称为频率控制称为频率控制字，则可在字，则可在f fc c和和ROMROM数据不变的情况下改变数据不变的情况下改变输出频率，此时输出频率，此时fo为：为：相位累加器正弦表ROMD/A低通输出时钟A位D位N位频率码Kmin电子测量原理电子测量原理第50页相位相位锁存器锁存器频率控制字频率控制字M相位累加器相位累加器fr波形存储波形存储RAMD/A转换转换LPFfo2448位位1416位位相位累加器原理相位累加器原理电子测量原理电子测量原理第51页步进步进点数点数25640966553610485761677721

24、64294967296281474976710656N8121620243248数字相位圆数字相位圆电子测量原理电子测量原理第52页cNofMf2实际应用中一般取实际应用中一般取1M21M2N-2N-2 此处的此处的N不再是不再是取样点数，而是取样点数，而是累加器位数，取累加器位数，取样点数为样点数为2N电子测量原理电子测量原理第53页输出输出输出输出串串/ /并并选择选择6 6位地址或位地址或串行编程串行编程8 8位并位并行数据行数据FSK/BPSK/HOLDFSK/BPSK/HOLD数据数据输入输入4 42020参考时钟参考时钟倍乘倍乘频频率率累累加加器器相位偏移相位偏移及调制及调制 +

25、+相相位位累累加加器器相相位位转转换换器器300MHzDDS300MHzDDS参参考考时时钟钟滤波滤波器器滤波滤波器器1212位位D/AD/AM/M/DACDAC复位复位1212位位D/AD/A频率控制字频率控制字/ /相位字启停逻辑相位字启停逻辑I/OI/O更新更新读写读写可编程寄存器可编程寄存器4848位频率位频率控制字控制字1414位相位位相位偏移偏移/ /调制调制I/OI/O端口缓冲端口缓冲1212位位AMAM调制调制比较器比较器模拟输入模拟输入时钟输出时钟输出AD9854 DDSAD9854 DDS结构结构+ +- -电子测量原理电子测量原理第54页 AD9852功能结构框图AD98

26、52 DDSAD9852 DDS结构结构电子测量原理电子测量原理第55页AD9852AD9852内部包括一个具有内部包括一个具有4848位相位累加器、位相位累加器、一个可编程时钟倍频器、一个反一个可编程时钟倍频器、一个反sincsinc滤波器、滤波器、两个两个1212位位300MHz DAC300MHz DAC，一个高速模拟比较器以，一个高速模拟比较器以及接口逻辑电路。及接口逻辑电路。其主要性能特点如下：其主要性能特点如下：高达高达300MHz300MHz的系统时钟；的系统时钟；能输出一般调制信号，能输出一般调制信号，FSKFSK，BPSKBPSK，PSKPSK，CHIRPCHIRP，AMAM

27、等；等；100MHz100MHz时具有时具有80dB80dB的信噪比；的信噪比；内部有内部有4 4* *到到2020* *的可编程时钟倍频器；的可编程时钟倍频器；两个两个4848位频率控制字寄存器，能够实现很高的位频率控制字寄存器，能够实现很高的频率分辨率。频率分辨率。两个两个1414位相位偏置寄存器，提供初始相位设置。位相位偏置寄存器，提供初始相位设置。带有带有100MHz100MHz的的8 8位并行数据传输口或位并行数据传输口或10MHz10MHz的串的串行数据传输口。行数据传输口。电子测量原理电子测量原理第56页相位累相位累加器加器参参考考时时钟钟相位相位调制器调制器D/AD/A转转换换

28、滤波滤波CPUCPU接口接口输出输出频率控制频率控制字字波形波形存储存储器器SRAMSRAM 基于可编程芯片的基于可编程芯片的DDSDDS频率合成信号源频率合成信号源电子测量原理电子测量原理第57页PDLPFVCOKDDS混频器混频器带通滤波带通滤波frfcfoDDS/PLL混频式频率合成原理混频式频率合成原理fPfD基准信号基准信号源源此时输出频率为：此时输出频率为：NcrDPofMfKfff2电子测量原理电子测量原理第58页5.5.15.5.1任意波形发生器任意波形发生器波形存储器波形存储器D/AD/A转换器转换器滤波器滤波器f fs s输出输出任意波形发生器原理任意波形发生器原理电子测量原理电子测量原理第59页电子测量原理电子测量原理第60页电子测量原理电子测量原理第61页 图图5.22 5.22 任意波形发生器可产生的几种波形任意波形发生器可产生的几种波形(a) (a) 过冲；过冲； (b) (b) 尖脉冲；尖脉冲； (c) (c)