第八章 信号发生器.ppt

1、第八章 信号发生器,仪器科学与电气工程学院 ,吉 林 大 学,田宝凤,主要内容,8.1 信号源的作用和分类 8.2 函数信号发生器 8.3 频率合成器,吉 林 大 学,8.1 信号源的作用和分类,吉 林 大 学,1.信号源的作用 信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。 信号源的主要用途：为电子测量提供符合一定技术要求的电信号，主要以提供交流信号为主。,8.1 信号源的作用和分类,2.信号源的分类,吉 林 大 学,按频率范围，大致可分为六类： 超低频信号发生器 0.0001Hz1000Hz； 低频信号发生器 1Hz1MHz； 视频信号发生器 20Hz10MHz； 高频

2、信号发生器 200KHz30MHz； 甚高频信号发生器 30MHz300MHz； 超高频信号发生器 300MHz以上。,8.1 信号源的作用和分类,吉 林 大 学,按输出波形，大致可分为： 正弦波形发生器：产生正弦波或受调制的正弦波 ； 脉冲信号发生器：产生不同脉宽的重复脉冲或脉冲链。 函数信号发生器：产生幅度与时间成一定函数关系的信号。正逐渐取代正弦信号发生器，可产生正弦波、方波、脉冲、三角波、锯齿波等信号。 噪声信号发生器：产生各种模拟干扰的电信号。,8.2 函数信号发生器,函数信号发生器的性能和组成 函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波等波形，具有较宽的频率范围（0.1Hz几十M

3、Hz）及较稳定的频率。,吉 林 大 学,函数信号发生器的原理框图,三角波和方波的产生是难以分开的，方波形成电路通常是三角波发生器的组成部分。,提供一个直流补偿调整,8.2 函数信号发生器,多波形信号发生原理 方波三角波发生器 方波、三角波产生电路有多种构成方式，常用的有： A、恒流源控制式的 B、施密特触发器和线性积分电路构成的 C、运算放大器构成的等。,吉 林 大 学,8.2 函数信号发生器,下图为恒流源控制的方波、三角波产生电路。 由于恒流源对电容 C 的充电、放电，在电容 C 上产生线性变化的电压，从而在放大器输出端得到三角波。此三角波被送到电压比较器，在比较器的输出端得到方波，该方波又

4、反馈控制二极管开关电路，决定恒流源对电容 C 是充电还是放电。,吉 林 大 学,8.2 函数信号发生器,当正恒流源对电容 C 充电时，三角波电压线性上升，比较器输出为高电平，当三角波电压上升至上阈值电压时，比较器输出翻转为低电平，此低电平反馈给二极管开关，使正恒流源停止对 C 的充电，转而由 C 向负恒流源放电，三角波电压线性下降直到下阈值电压，比较器输出又翻转为高电平，此高电平又反馈给二极管开关，使正恒流源再次对 C 充电，如此循环形成三角波、方波。,方波、三角波产生 电路工作波形,吉 林 大 学,8.2 函数信号发生器,当正、负恒流源大小相等时，得到的是对称的三角波和方波。 调节恒流源控制

5、电路，改变正、负恒流源的大小，可得到非对称的三角波和矩形波。,非对称的矩形波和三角波波形,吉 林 大 学,8.2 函数信号发生器,(2)正弦波形成电路 正弦波可以由三角波获得，实现三角波到正弦波转换的电路很多，如二极管网络、差分放大器等，这里主要介绍二极管网络变换电路，电路实现原理如下图所示：,吉 林 大 学,8.2 函数信号发生器,其波形变换图如下:,吉 林 大 学,三角波变换正弦波波形图,8.2 函数信号发生器,吉 林 大 学, 锯齿波形成电路,锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（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（

6、d）所示的锯齿波。,8.3 频率合成器,吉 林 大 学,8.3.1 频率合成的基本概念 8.3.2 频率合成的分类及特点 8.3.3 频率合成技术的发展,8.3.1 频率合成的基本概念,频率合成定义 利用一个或数个晶振，通过加减乘除四则运算，最终得到频率准确度稳定在晶振量级上的一系列新频率。 频率合成的基本原理,吉 林 大 学,8.3.2 频率合成的分类和特点,直接频率合成 锁相式频率合成 直接数字合成（DDS）,吉 林 大 学,频率合成的分类：,8.3.2 频率合成的分类和特点,直接频率合成 直接频率合成是将晶体振荡器基准频率通过谐波发生器产生一系列谐波，将这些谐波接在开关上，通过开关的通断

7、来选出所需频率的各位数字，然后通过合成得到所需的频率。 例如，我们想要得到频率为4.735MHz，我们使用的基准频率为1MHz，通过谐波发生器产生十个谐波，将它们接在一系列纵横制开关上，请看下图。,吉 林 大 学,8.3.2 频率合成的分类和特点,吉 林 大 学,3.5MHz,7.35MHz,4.735MHz,1MHz,8.3.2 频率合成的分类和特点,直接频率合成的优缺点： 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。,吉 林 大 学,8.3.2 频率合成的分类和特点,锁相式频率合成,吉 林 大 学,一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（PL

8、L）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。 锁相式频率合成的优缺点：,优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低等优点。 缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。,8.3.2 频率合成的分类和特点,锁相环基本工作原理,吉 林 大 学,锁相环控制系统原理图,锁相环是一个相位环负反馈控制系统，英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL。锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压

9、与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。 锁相环由鉴相器（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 。,8.3.2 频率合成的分类和特点,锁相环的基本形式 （1）倍频式锁相环,吉 林 大 学,倍频环实现对输入频率进行乘法运算， 主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环。,谐波倍频环：加入鉴相器的输入信号是经过谐波发生器后产生的倍频信号。,8.3.2 频率合成的分类和特点,（1）倍频式锁相环(续）,数字倍频环,吉 林 大 学,数字倍频环：在基本锁相环反馈回路中加入数字分频器。,8.3.2 频率合成的分类和特点,分频式锁相环 分频环实现对输入频率的除法

10、运算，与倍频环相似，也有两种基本形式。,（c）分频环简化图,吉 林 大 学,8.3.2 频率合成的分类和特点,混频式锁相环,吉 林 大 学,混频环实现对输入频率的加减运算。,8.3.2 频率合成的分类和特点,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。,fo= Nfi1+ fi2,34005100 KHz,10KHz,吉 林 大 学,Nfi1,8.3.2 频率合成的分类和特点,吉 林 大 学,例：,为从上图双环合成单元获得输出频率在3400kHz5100kHz 连续可调，请问 和 N 应如何选择？,解：,取基准频率,则倍频环输出

11、为 33005000kHz,连续可调,使 具有10kHz的覆盖，插入到倍频环输出相邻两个 锁定点间,8.3.2 频率合成的分类和特点,(3)直接数字合成(DDS) DDS组成原理 直接数字合成（Direct Digital Synthesizer）的基本原理 是一种基于全数字技术，从相位概念出发,直接合成所需波 形的一种频率合成技术。 一个直接数字频率合成器由相位累加器、波形存储ROM（只 读存储器）、D/A转换器和低通滤波器（LPF）构成。,吉 林 大 学,8.3.2 频率合成的分类和特点,DDS的原理框图如图所示：,吉 林 大 学,DDS原理框图,8.3.2 频率合成的分类和特点,DDS的

12、基本工作原理： 相位累加器在时钟fc的控制下，以频率控制字K作相位累加，相位累加器输出的N位二进制码作为波形存储器ROM的地址，ROM表一般是生产商已经固化了的一个正弦数据表。对波形存储器ROM进行寻址，则ROM表中相应地址的正弦波数据的幅度值会输出给D/A，经D/A转换后变成阶梯波数据，再经过低通滤波器平滑后就得到合成的信号波形。,吉 林 大 学,8.3.2 频率合成的分类和特点,(1)频率预置与调节电路 作用：实现频率控制量的输入； 不变量K被称为相位增量，也叫频率控制字。 DDS的方程为：,吉 林 大 学,8.3.2 频率合成的分类和特点,吉 林 大 学,rad,即最小的相位增量，,8.

13、3.2 频率合成的分类和特点,吉 林 大 学,决定了合成信号,的频率，所以： 被称为频率控制字，习惯上用 表示。,8.3.2 频率合成的分类和特点,当K=1时，DDS输出最低频率（即频率分辨率）为： DDS最大输出频率取决于Nyquist采样定理，即 ，也就是说K的最大值为 。 要改变DDS的输出频率，只要改变频率控制字K即可。,吉 林 大 学,8.3.2 频率合成的分类和特点,(2)相位累加器,吉 林 大 学,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，完成一个周期性的动作。,相位累加器的组成= N位加法器+N位寄存器,8.3.2 频率合成的

14、分类和特点,(3)波形存储器ROM,吉 林 大 学,作用：进行波形的相位幅值转换。,原理： ROM的N位地址 把0O360O的正弦角度离散成具有2N个样值的序列 ROM的D位数据位 则2N个样值的幅值量化为D位二进制数据,8.3.2 频率合成的分类和特点,(4)D/A转换器,吉 林 大 学,D/A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。,8.3.2 频率合成的分类和特点,(5) 低通滤波器(LPF),吉 林 大 学,低通滤波器的作用： 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。,8.3.2 频率合成的分类和特点,直接数字合成的优缺点： 优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小 缺点：频率上限较低，杂散也较大。 由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差（由存储器有限字长引起）造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散。,吉 林 大 学,8.3.3 频率合成技术的发展,各种频率合成方式的综合: 直接式、间接（锁相环