第8章信号的产生

1、电子测量电子测量第1页第第8 8章章 信号的产生信号的产生8.1 8.1 信号源概述信号源概述 8.2 8.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器 8.3 8.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生 8.4 8.4 直接数字合成技术直接数字合成技术 8.5 8.5 合成信号源简介合成信号源简介 电子测量电子测量第2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、不同波形的电压信号源是能够产生不同频率、不同波形的电压电流信号的电流信号的信号发生器信号发生器。测试信号发生器被测电路测试仪器输入激励输出响应电子测量电子测量第3页1.1.信号源的作用信号源的作用 信号

2、源的用途主要有以下三方面：信号源的用途主要有以下三方面： 激励源：作为某些电气设备的激励信号。激励源：作为某些电气设备的激励信号。 信号仿真信号仿真: :在设备测量中，常需要产生模拟在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特性的信号，如噪声信号、高频干实际环境相同特性的信号，如噪声信号、高频干扰等。扰等。 标准信号源标准信号源: :产生一些标准信号，用于产生一些标准信号，用于1) 1) 为设备测试提供标准信号；为设备测试提供标准信号；2) 2) 对一般信号源的对一般信号源的校准。校准。电子测量电子测量第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

3、信号发生器结构框图52022-5-1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核心部分，产生核心部分，产生不同的信号不同的信号对信号进行放对信号进行放大和整形大和整形需要调制时进需要调制时进行调幅、调频行调幅、调频调节输出电平调节输出电平与与输出输出阻抗阻抗监视输出信号：电压表、监视输出信号：电压表、频率计、功率计等，方频率计、功率计等，方便使用便使用电子测量电子测量第6页电子测量电子测量第7页表2.1 信号源按频率划分表 名名 称称频频 率率 范范 围围主要应用领域主要应用领域超低频信号发生器超低频信号发生器低频信号发生器低频信

4、号发生器视频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器超高频信号发生器30kHz30kHz以下以下30kHz300kHz30kHz300kHz300kHz6MHz300kHz6MHz6MHz30MHz6MHz30MHz30MHz300MHz30MHz300MHz300MHz3000MHz300MHz3000MHz电声学、声纳电声学、声纳电报通讯电报通讯无线电广播无线电广播广播、电报广播、电报电视、调频广播、导航电视、调频广播、导航雷达、导航、气象雷达、导航、气象92022-5-1ttttt电子测量电子测量第10页3. 3. 按照信号发生

5、器的性能指标可分为：按照信号发生器的性能指标可分为：电子测量电子测量第11页 电子测量电子测量第12页132.1.3 正弦信号发生器的性能指标 在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。 一. 频率特性 指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。 2.频率准确度 频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示 %100000fffff（2.1） 1. 频率范围 电子测量电子测量第14页%100ooofffff电子测量电子

6、测量第15页 频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情况下，在规定频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。 按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。频率稳定度。 16%1000minmaxfff短期：15分钟内 长期：3小时内 （8.2） 电子测量电子测量第17页1. 输出阻抗 低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600（或1k）功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50、75、150、600和5 k等档

7、高频信号发生器一般仅有50或75档。 信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。 2.1.3 正弦信号发生器的性能指标 二. 输出特性 电子测量电子测量第19页（5 5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。由于非线性）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。由于非线性失真而产生的谐波成分，混频器（差频器）输出的组合波失真而产生的谐波成分，混频器（差频器）输出的组合波以及噪声等因数，造成了频谱不纯，不能得到理想的正弦以及噪声等因数，造成了频谱不纯，不能得到理想的正弦波。波。 一般信号源的非线性失真小于一般信号源的非线性失真小于

8、1%1%，高稳定信号源甚至，高稳定信号源甚至要求优于要求优于0.1%0.1%。2.失真度与频谱纯度 定义 %100122322 UUUUn测量：低频信号发生器用失真系数高频信号发生器用频谱纯度 20lg80 100SnUdBUUSUnfAfAtU2.1.3 正弦信号发生器的性能指标 二. 输出特性 %100.2222122322nnUUUUUU电子测量电子测量第21页3. 3. 调制特性调制特性 高频信号发生器除了能输出正弦波，一般还能输出一种高频信号发生器除了能输出正弦波，一般还能输出一种或多种调制后的信号，如调幅、调频、调相、脉冲调制等。或多种调制后的信号，如调幅、调频、调相、脉冲调制等。

9、 调制特性的衡量指标主要包括调制频率，调幅系数，最调制特性的衡量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频偏，调制线性等。大频偏，调制线性等。电子测量电子测量第22页8.2.1 8.2.1 正弦信号发生器正弦信号发生器电子测量电子测量第23页8.2.1 8.2.1 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( (波段式）波段式）电子测量电子测量第24页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

10、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电子测量第25页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电子测量第26页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电子测量第27页差频式信

11、号发生器组成原理差频式信号发生器组成原理高频振荡高频振荡器器缓冲缓冲放大放大混频混频器器低通低通滤波滤波器器功放功放衰减衰减固定频率固定频率振荡器振荡器缓冲缓冲放大放大f2f1f差频式低频信号发生器优点：差频式低频信号发生器优点： 频率覆盖范围大，在整个低频段内频率连续可调而不用更频率覆盖范围大，在整个低频段内频率连续可调而不用更换频段，输出电平比较平稳。换频段，输出电平比较平稳。电子测量电子测量第28页 RC振荡电路形成低频信号的工作原理振荡电路形成低频信号的工作原理RC文氏电桥振荡电路 RC串并联选频网络 电子测量电子测量第29页在图在图a中，中，ui是网络的输入电压，是网络的输入电压，u

12、0是输出电压，是输出电压，Z1为为R、C串联阻抗，串联阻抗，Z2为为R、C并联阻抗。并联阻抗。u0uiRCCR(a)文氏桥式网络0.10.20.3=00.03501/3Kf/0(b)幅频特性0.03=050/0900-900(c)相频特性RC文氏桥网络文氏桥网络电子测量电子测量第30页A1A2衰减器电路表头电路电压放大器输出幅度微调振荡器输出放大器RCRtRfCR+-使用热敏电阻作为振荡器控制器件的文氏桥式振荡器方框图 图中负温度系数热敏电阻图中负温度系数热敏电阻R Rt t和电阻和电阻R Rf f就构成了电压负就构成了电压负反馈电路。热敏电阻反馈电路。热敏电阻R Rt t的阻值随环境温度升高

13、或流过的电的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减小，当由于各种原因引起输出电压增大时，由流增加而减小，当由于各种原因引起输出电压增大时，由于该电压也直接接在于该电压也直接接在R Rt t、R Rf f串联电路，流过串联电路，流过R Rt t的电流也随的电流也随之增加而导致之增加而导致R Rt t阻值降低，负反馈加大，放大器总增益降阻值降低，负反馈加大，放大器总增益降低，使输出电压减小，达到稳定输出信号振幅的目的。而低，使输出电压减小，达到稳定输出信号振幅的目的。而在振荡器起振阶段，由于在振荡器起振阶段，由于R Rt t温度低，阻值大，负反馈小，温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于放

14、大器实际总增益大于3 3，振荡器容易起振。，振荡器容易起振。电子测量电子测量第31页 1 XD1低频信号发生器电子测量电子测量第32页电子测量电子测量第33页1.高频信号发生器的基本组成高频信号发生器的基本组成 高频信号发生器是由主振级、缓冲级、调制级、输高频信号发生器是由主振级、缓冲级、调制级、输出级、衰减级、内调制振荡级、出级、衰减级、内调制振荡级、监监测级和电源等组成。测级和电源等组成。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器调制振荡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生器原理框图电子测量电子测量第34页

15、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器调制振荡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生器原理框图 各部分工作特点如下：各部分工作特点如下：电子测量电子测量第35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器调制振荡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生器原理框图36l)主振级 主振级通常是LC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率范围的正弦信号。 2)缓冲级 它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级的影响。 3)调制级 为了测试各

16、种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于 100kHz35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般采用正弦调制。调频主要用于30MHz1000MHz信号发生器中，脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号发生器中。4)输出级 输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到V数量级。输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。电子测量电子测量第37页XFC-6XFC-6型标准信号发生器能产生型标准信号发生器能产生4-300MHz4

17、-300MHz的高频信号，并可进行调幅、调的高频信号，并可进行调幅、调频频 以及调幅调频双重调制适用于相应频率范围的接收设备的校准与测以及调幅调频双重调制适用于相应频率范围的接收设备的校准与测试等。试等。电子测量电子测量第38页vEE1051EE1051高频信号发生器，频率覆盖高频信号发生器，频率覆盖100KHz 150MHz, 100KHz 150MHz, 电平连续可调，电平连续可调，并具有调频、调幅功能。输出频率采用四位数显示方式，频率显示精度并具有调频、调幅功能。输出频率采用四位数显示方式，频率显示精度较高；输出电平采用较高；输出电平采用ALCALC稳幅方式，输出稳定便于使用。稳幅方式，

18、输出稳定便于使用。电子测量电子测量第39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 脉冲发生器专门用于产生脉冲波型的信号源。分类（根据脉冲发生器专门用于产生脉冲波型的信号源。分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉冲发生器、快速（广谱）用途和产生脉冲的方法）：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、函数发生器、数字可编程脉冲发生器

19、及特种脉冲发生器等。脉冲发生器等。电子测量电子测量第40页电子测量电子测量第41页电子测量电子测量第42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级主振级同步放大同步放大延时级延时级脉冲形成脉冲形成输出级输出级同步脉冲输出同步脉冲输出外同步外同步触发输入触发输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电子测量第43页u 快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、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、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及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

20、冲发生器等。隧道二极管脉冲发生器等。V VD DR RC CR RO OK KR RL L水银开关脉冲发生器原理水银开关脉冲发生器原理电子测量电子测量第44页 函数信号发生器的三种组成方案：函数信号发生器的三种组成方案：第一种是施密特电路产生方波，然后经变换得第一种是施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波；到三角波和正弦波；第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波；第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波；第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波。 函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发

21、生器。三角波等多种波形的信号发生器。 8.2.3 8.2.3 函数信号发生器函数信号发生器电子测量电子测量第45页方波方波三角波三角波正弦波正弦波函数发生器一般以某种波形为第一波形函数发生器一般以某种波形为第一波形正弦波正弦波方波方波三角波三角波三角波三角波正弦波正弦波方波方波 函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。等多种波形的信号发生器。 电子测量电子测量第46页其基本原理是先由积分电路和双稳态触发电路其基本原理是先由积分电路和双稳态触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器将三产生三角波和方波，然后通过函数转换器将

22、三角波整形成正弦波。角波整形成正弦波。电子测量电子测量第47页C双稳态双稳态电路电路V2AWRU1I1U2B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)(2)(221121VVRCUVVCIfsc设充放电电流为I，输出三角波的频率为fsc，则：VC1VC2+_电子测量电子测量第48页函数信号发生器原理框图函数信号发生器原理框图其基本原理是先由积分电路和触发电路产生三角波和其基本原理是先由积分电路和触发电路产生三角波和方波，然后通过函数转换器将三角波整形成正弦波。方波，然后通过函数转换器将三角波整形成正弦波。触发电路比较器比较器放大器衰减器二级管整形网络波形选择积分器_+A输出FC

23、DRPR1R2QQ+UmK-Um电子测量电子测量第49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-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B电子测量电子测量第50页R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14D1D2D3D4D5D6E3E2E1-E1-E2-E3+E输入输入Ui(a)二极管整形网络输出

24、输出Uo-E0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t14tu0ufE1E2E3ui(b)正弦波的折线近似n 正弦波形成电路51utiuiuot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-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BUiUoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B输入三角波输出正弦波电子测量电子测量第52页2、三角波正弦波变换原理 上图为实际的正弦波形成网络。电路中使用了6对二极管。

25、正、负直流电源和电阻为二用管提供适当的偏压，以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置。直流稳压电源uiuoR0R1R2R3R4R5R6R7R1R2R3R4R5R6R7VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7VD8VD9VD10VD11VD12+-电子测量电子测量第53页TT2TUm0-Um00E-E0(Q)(Q非)(D)(F)(a)(Q)(Q非)(D)(b)函数发生器波形图电子测量电子测量第54页ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）锯齿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

26、（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。电子测量电子测量第55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电子测量第56页8.3.1 8.3.1

27、频率合成的基本概念频率合成的基本概念2.3 合成信号发生器 频率合成的方法 直接模拟频率合成法（DAFS ）直接数字频率合成法（DDS ） 间接锁相式合成法（ Direct Analog Frequency Synthesis）（ Direct Digital Frequency Synthesis ） 信号源 主振级 频率准确度 频率稳定度 通用信号源 RC、LC振荡器 10-2量级 10-310-4 合成信号源 晶体振荡器 10-8量级 10-7量级 电子测量电子测量第58页8.3.1 8.3.1 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（

28、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电子测量第59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6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图1MHz1MHz1MHz1MHz9

29、MHz9MHz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。输出输出3.628MHz3.628MHz电子测量电子测量第60页电子测量电子测量第61页电子测量电子测量第62页锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量电子测量第63页锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量电子测量第64页电子测量电子测量第65页（a） 谐波倍频环谐波倍频环VCOPDLPFfO=Nfifi谐波谐波形

30、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电子测量第66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电子测量第67页PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环）相减混频环PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2（a

31、）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电子测量第68页fo= Nfi1+ fi234005100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（）（）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1内插振荡器内插振荡器环环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VCO1P