第8章 信号的产生

1、电子测量原理电子测量原理第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 电子测量原理电子测量原理第2页%100ooofffff%100minmaxofff电子测量原理电子测量原理第3页电子测量原理电子测量原理第4页8.2.1 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

2、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5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电子测量原理电子测量原理第6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

3、分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器、数脉冲发生器、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。字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。电子测量原理电子测量原理第7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原理电子测量原理第8页u 快速脉冲信号的产生

4、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原理电子测量原理第9页50mV/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/DIV100 ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)隧

5、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30GHz30GHz。电子测量原理电子测量原理第10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I，输出三角波的频率为fsc，则：电子测量原理电子

6、测量原理第11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电子测量原理电子测量原理第12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

7、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13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原理电子测量原理第14页8

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（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15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6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3M

9、Hz3MHz3.628MHz3.628MHz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16页电子测量原理电子测量原理第17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原理第18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）

10、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19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20页PDLPFVCOM（）（）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f

11、o= 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21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

12、环合成器原理结构图双环合成器原理结构图VCO1PD1LPF1谐波谐波形成形成电子测量原理电子测量原理第22页DS-10-91HzDS-10-910HzDS-10-9100HzDS-10-91KHzDS-10-910KHzDS-20-9100KHzDS-40-210MHzDS-30-21MHz2122MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz内插振荡器01Hz1.21.3MHz9MHz100KHzM（-）10192MHz101122MHz200Hz30MHz5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5电子测量原理电子测

13、量原理第23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倍频环倍频环电子测量原理电子测量原理第24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”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25页VCOPDLPF10192MHz1

14、MHz谐波谐波形成形成NfiDS-3原理框图原理框图倍频环倍频环fi电子测量原理电子测量原理第26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电子测量原理电子测量原理第27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.

15、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1.2MHZ1.2MHZ1.3MHZ1.3MHZ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28页频率增量越小，转换时间越长，转换时间的计算一般采频率增量越小，转换时间越长，转换时间的计算一般采用经验公式用经验公式: : ieft/25

16、 在保证转换时间不变的前提下，提高频率分辨力的途径主在保证转换时间不变的前提下，提高频率分辨力的途径主要有：要有：多环频率合成法；小数分频法。多环频率合成法；小数分频法。 电子测量原理电子测量原理第29页三环三环PLL合成器合成器VCOBPDBLPFBfBfiNBMVCOCPDCLPFCBPFfoVCOAPDALPFA+NAfANAPLL+PLLMNBPLLfifo三环合成器简化框图三环合成器简化框图fBfA电子测量原理电子测量原理第30页例如要实现例如要实现4.34.3的小数分频，只要在的小数分频，只要在1010次分频中作次分频中作7 7（即（即10-310-3）次除次除4 4，3 3次除次

17、除5 5就可以得到。又如，要实现就可以得到。又如，要实现7.327.32的小数分频，只的小数分频，只要在每要在每100100次分频中作次分频中作6868（100-32100-32）次除）次除7 7，3232次除次除8 8即可。即可。VCOPDLPFuifiNfoN存储器存储器F存储器存储器uo脉冲脉冲删除删除接口接口小数分频实现电路图小数分频实现电路图OVFACCU电子测量原理电子测量原理第31页表表8-1 8-1 输入信号每周期内的分频系数和累加值（分频比为输入信号每周期内的分频系数和累加值（分频比为4.34.3）电子测量原理电子测量原理第32页前置分频锁相频率合成器前置分频锁相频率合成器P

18、DLPFVCONM模数控制模数控制fifofd该方法使频率上限提高了该方法使频率上限提高了M倍，但频率分辨力下降了倍，但频率分辨力下降了M倍倍电子测量原理电子测量原理第33页PDLPFVCON1N2V/V+1fifo变模分频器变模分频器模式控制模式控制双模分频锁相频率合成器双模分频锁相频率合成器置初值置初值N N1 1输出到鉴相器的一个参考周期中，包含的输出到鉴相器的一个参考周期中，包含的VCOVCO输出信号输出信号的周期数的周期数N N为为: : 21212)() 1(NVNVNNVNN电子测量原理电子测量原理第34页iofNVNf)(21此时双模分频器的工作频率为：此时双模分频器的工作频率

19、为：fo分频器分频器的工作频率为：的工作频率为： fo v分频器分频器的工作频率为：的工作频率为： fo （v） 由上式可知，当由上式可知，当变化时，变化时，f fo o变化为变化为f fi i，即输出频，即输出频率分辨力为率分辨力为f fi i因此在保持频率分辨力不变的前提下提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。高了合成器的最大输出频率。电子测量原理电子测量原理第35页8.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 ，正弦波每一周期由个取样点，正弦波每一周期由个取样点构成，则该正弦波的频率为：构成，则该正弦波的频率为：NfNTfcco1cf电子测量原理电子

20、测量原理第36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，则可在进行累加，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：cf电子测量原理电子测量原理第37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

21、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38页步进步进点数点数2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248数字相位圆数字相位圆电子测量原理电子测量原理第39页cNofMf2实际应用中一般取实际应用中一般取1M(N-2) 1M(N-2) 电子测量原理电子测量原理第40页相位累相位累加器加器参考参考时钟时钟相位相位调制器调制器D/A转转换换滤波滤波CPU接口接口输出输出频率控制字频率控制字波形波形存储器存储器SRAM 基于可编程芯片的基于可编程芯片的DDS频率

22、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41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42页8.5.18.5.1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/A转换器转换器滤波器滤波器fs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43页电子测量原理电子测量原理第44页电子测量原理电子测量原理第45页点频法点频法 ：逐点调整信号发生器的输出频率，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