第4章_信號(hào)發(fā)生器-114

1、1第四章 信號(hào)發(fā)生器4.1 4.1 信號(hào)源概述信號(hào)源概述 4.2 4.2 正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器 4.3 4.3 鎖相頻率合成信號(hào)的產(chǎn)生鎖相頻率合成信號(hào)的產(chǎn)生 4.4 4.4 直接數(shù)字合成技術(shù)直接數(shù)字合成技術(shù) 4.5 4.5 任意波形發(fā)生器任意波形發(fā)生器24.1 信號(hào)源概述v 信號(hào)源的作用和組成v 信號(hào)源的分類v 正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)34.1.1 信號(hào)源的作用和組成1.1.信號(hào)源的作用信號(hào)源的作用 信號(hào)源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則信號(hào)源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號(hào)發(fā)生器?；虿灰?guī)則波形的信號(hào)發(fā)生器。 信號(hào)源的用途主要有以下三方面：信號(hào)源的用途

2、主要有以下三方面： 激勵(lì)源。激勵(lì)源。 信號(hào)仿真。信號(hào)仿真。 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。42. 2. 信號(hào)源的組成信號(hào)源的組成信號(hào)信號(hào)輸出輸出主振器主振器緩沖緩沖調(diào)制調(diào)制輸出輸出電電 源源監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖54.1.2 信號(hào)源的分類1. 按頻率范圍 大致可分為六類： 超低頻信號(hào)發(fā)生器 0.0001Hz1KHz； 低頻信號(hào)發(fā)生器 1Hz1MHz； 視頻信號(hào)發(fā)生器 20Hz10MHz； 高頻信號(hào)發(fā)生器 200KHz30MHz； 甚高頻信號(hào)發(fā)生器 30KHz300MHz； 超高頻信號(hào)發(fā)生器 300MHz以上。 62. 按輸出波形,大致可分為： 正弦波形發(fā)生器； 脈沖信號(hào)發(fā)生器；

3、 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器； 噪聲信號(hào)發(fā)生器。 3. 按照信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)可分為： 一般信號(hào)發(fā)生器； 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器； 74.1.3 正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)1. 頻率特性v（1）頻率范圍v（2）頻率準(zhǔn)確度 v（3）頻率穩(wěn)定度 %100ooofffff%100minmaxofff82. 輸出特性v（1）輸出電平范圍v（2）輸出電平的頻響v（3）輸出電平準(zhǔn)確度v（4）輸出阻抗v（5）輸出信號(hào)的非線性失真系數(shù)和頻譜純度。3. 調(diào)制特性恒量指標(biāo)主要包括調(diào)制頻率，調(diào)幅系數(shù)，最大頻偏，調(diào)制線性等。91. 低頻信號(hào)發(fā)生器v頻率范圍：20Hz20KHz，又稱音頻信號(hào)發(fā)生器 4.2 4.2 正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器4.2

4、.1 正弦信號(hào)發(fā)生器10主振級(jí)主振級(jí)緩沖緩沖放大放大電平電平控制控制功率功率放大放大衰減器衰減器阻抗阻抗變換變換波段波段調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)頻率頻率細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)電平指示電平指示低頻信號(hào)發(fā)生器組成原理低頻信號(hào)發(fā)生器組成原理產(chǎn)生低頻正弦信號(hào)隔離后級(jí)電路的影響，使輸出電壓達(dá)到技術(shù)指標(biāo)電平調(diào)節(jié)電平調(diào)節(jié)匹配不同的負(fù)載，獲得最大輸出功率112. 高頻信號(hào)發(fā)生器v輸出頻率范圍：300KHz1GHzv大多數(shù)具有調(diào)幅，調(diào)頻及脈沖調(diào)制等功能12輸出輸出主振級(jí)主振級(jí)波段波段選擇選擇頻率頻率細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)緩沖緩沖調(diào)制級(jí)調(diào)制級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)調(diào)制振蕩調(diào)制振蕩器器監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)器外調(diào)制外調(diào)制輸入輸入高頻信號(hào)發(fā)生器原理框圖高頻信號(hào)發(fā)生器原理框圖產(chǎn)生高頻

5、等幅載波信號(hào)主振級(jí)：即載波信號(hào)發(fā)生器，也稱為高頻振蕩器；輸出級(jí)：由放大器、濾波器、連續(xù)可調(diào)衰減器、步進(jìn)衰減器等組成；產(chǎn)生內(nèi)調(diào)制信號(hào)134.2.2 脈沖信號(hào)發(fā)生器v常見的脈沖信號(hào)有矩形、鋸齒形、階梯形、鐘形和數(shù)字編碼序列等 ：u ut to o（a a）矩形波）矩形波u ut to o（b b）鋸齒波）鋸齒波u ut to o（c c）階梯波）階梯波u ut to o（d d）鐘形脈沖）鐘形脈沖u ut to o（e e）數(shù)字編碼序列）數(shù)字編碼序列 常見的脈沖信號(hào)常見的脈沖信號(hào)144.2.2 脈沖信號(hào)發(fā)生器脈沖發(fā)生器的分類：通用脈沖發(fā)生器、快速（廣譜）脈沖發(fā)脈沖發(fā)生器的分類：通用脈沖發(fā)生器、快速

6、（廣譜）脈沖發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字可編程脈沖發(fā)生器及特種脈沖發(fā)生生器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字可編程脈沖發(fā)生器及特種脈沖發(fā)生器等。器等。151. 通用脈沖發(fā)生器v能夠滿足一般測(cè)試的要求，能夠調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、輸出幅度及極性等。 輸出輸出脈寬，上升脈寬，上升/ /下降沿下降沿控制控制主振級(jí)主振級(jí)同步放大同步放大延時(shí)級(jí)延時(shí)級(jí)脈沖形成脈沖形成輸出級(jí)輸出級(jí)同步脈沖輸出同步脈沖輸出外同步外同步觸發(fā)輸入觸發(fā)輸入外觸發(fā)外觸發(fā)同步脈沖輸出同步脈沖輸出脈沖信號(hào)發(fā)生器組成原理脈沖信號(hào)發(fā)生器組成原理164.2.3 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1. 多波形信號(hào)發(fā)生原理v方波三角波發(fā)生器C雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)電路電路VC2V2VC1AW

7、RU1I1U2B方波、三角波發(fā)生器原理框圖方波、三角波發(fā)生器原理框圖V1)(221VVCIfsc設(shè)充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，則：17v 正弦波形成電路utiustusct分段折線逼近波形綜合分段折線逼近波形綜合n其電路實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示。其電路實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示。 分段逼近波形綜合電路分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B18v 鋸齒波形成電路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理

8、鋸齒波的獲得原理 鋸齒波可以通過方波與三角波獲得，將下圖中（鋸齒波可以通過方波與三角波獲得，將下圖中（a a）所示）所示三角波與圖（三角波與圖（b b）所示方波直接疊加就可得到圖（）所示方波直接疊加就可得到圖（c c）所示）所示的交錯(cuò)鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（的交錯(cuò)鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（d d）所示的）所示的鋸齒波。鋸齒波。192. 函數(shù)發(fā)生器的性能和組成v函數(shù)發(fā)生器能輸出方波，三角波，鋸齒波，正弦波等波形，具有較寬的頻率范圍（0.1Hz幾十MHz）及較穩(wěn)定的頻率。頻率頻率控制控制網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)三角波三角波緩沖器緩沖器正弦波綜正弦波綜合及緩沖合及緩沖正恒正恒流源流源負(fù)恒負(fù)恒流

9、源流源比較器比較器方波方波緩沖器緩沖器外外部部頻頻率率控控制制函數(shù)函數(shù)選擇選擇及其及其它波它波形產(chǎn)形產(chǎn)生生輸出輸出放大放大輸出輸出濾波濾波直流直流補(bǔ)償補(bǔ)償積分積分電路電路函數(shù)發(fā)生器基本組成原理函數(shù)發(fā)生器基本組成原理arp -a 204.3 4.3 鎖相頻率合成信號(hào)的產(chǎn)生1.頻率合成原理頻率的代數(shù)運(yùn)算是通過倍頻、分頻及混頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 4.3.1 4.3.1 頻率合成的基本概念頻率合成的基本概念頻率頻率1 1輸出輸出石英晶體石英晶體代數(shù)運(yùn)算代數(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率合成原理頻率頻率n n輸出輸出基準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)頻率212. 頻率合成分類及特點(diǎn)v直接頻率合成 通過混頻

10、、倍頻和分頻等方法來產(chǎn)生一系列頻率信號(hào)并用窄帶濾波器選出，下圖是其實(shí)現(xiàn)原理。 晶振晶振諧波發(fā)生器（倍頻）諧波發(fā)生器（倍頻）分頻（分頻（1010）8MHz8MHz混頻（混頻（+ +）混頻（混頻（+ +）2MHz2MHz濾波濾波分頻（分頻（1010）2.8MHz2.8MHz濾波濾波0.28MHz0.28MHz分頻（分頻（1010）混頻（混頻（+ +）濾波濾波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：頻率切換迅速，相

11、位噪聲很低。頻率切換迅速，相位噪聲很低。缺點(diǎn)：電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價(jià)格昂貴，不便于集成化。缺點(diǎn)：電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價(jià)格昂貴，不便于集成化。22鎖相式頻率合成 v一種間接式的頻率合成技術(shù)。它利用鎖相環(huán)（PLL）把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個(gè)基準(zhǔn)頻率的基礎(chǔ)上合成不同的頻率。 v優(yōu)點(diǎn)：易于集成化，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。v缺點(diǎn)：頻率切換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，相位噪聲較大。 2324v3. 頻率合成技術(shù)的發(fā)展 各種頻率合成方式的綜合: 直接式、間接（鎖相環(huán)）式和直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn) ，單獨(dú)使用任何一種方法，很難

12、滿足要求。因此可將這幾種方法綜合應(yīng)用，特別是DDS與PLL的結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)快捷變，小步進(jìn)及較高的頻率上限。254.3.2 鎖相環(huán)（PLL）的基本概念1. 鎖相環(huán)基本工作原理及性能 鎖相環(huán)是一個(gè)相位環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。該環(huán)路由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、電壓控制振蕩器（VCO）及基準(zhǔn)晶體振蕩器等部分組成 。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd26鎖相環(huán)的主要性能指標(biāo):同步帶寬 ：鎖定條件下輸入頻率所允許的最大變化范圍 捕捉帶寬 ：環(huán)路最終能夠自行進(jìn)入鎖定狀態(tài)的最大允許的頻差 環(huán)路帶寬 : 鎖相環(huán)的頻率特性具有低通濾波器的傳輸特性，其高頻截止頻率稱為

13、環(huán)路帶寬。274.4. 直接數(shù)字合成技術(shù) DDS組成原理直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對(duì)于固定的參考頻率可調(diào)的信號(hào)。4.直接數(shù)字合成基本原理 設(shè)取樣時(shí)鐘頻率為，正弦波每一周期由個(gè)取樣點(diǎn)構(gòu)設(shè)取樣時(shí)鐘頻率為，正弦波每一周期由個(gè)取樣點(diǎn)構(gòu)成，則該正弦波的頻率為：成，則該正弦波的頻率為：NfNTfcco128vDDS的實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示地址計(jì)數(shù)器地址計(jì)數(shù)器（N）正弦波正弦波ROM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器D/ALPFfcfoDDS組成原理組成原理輸出信號(hào)頻率輸出信號(hào)頻率fo: 取決于兩個(gè)因數(shù)：參考時(shí)鐘頻率；取決于兩個(gè)因數(shù)

14、：參考時(shí)鐘頻率；ROMROM中存儲(chǔ)的正弦波；中存儲(chǔ)的正弦波；NMffco如果如果地址計(jì)數(shù)器以步進(jìn)地址計(jì)數(shù)器以步進(jìn)M M（M=1)M=1)進(jìn)行累加，則可在進(jìn)行累加，則可在f fc c和和ROMROM數(shù)據(jù)不變的情況下改變數(shù)據(jù)不變的情況下改變輸出頻率，此時(shí)輸出頻率，此時(shí)fo為：為：294.2DDS頻率合成信號(hào)源1 單片集成化的DDS信號(hào)源 輸出輸出輸出輸出串串/并并選擇選擇6位地址或位地址或串行編程串行編程8位并位并行數(shù)據(jù)行數(shù)據(jù)FSK/BPSK/HOLD數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入420參考時(shí)鐘參考時(shí)鐘倍乘倍乘頻頻率率累累加加器器相位偏移相位偏移及調(diào)制及調(diào)制 +相相位位累累加加器器相相位位轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器300MH

15、zDDS參參考考時(shí)時(shí)鐘鐘濾波濾波器器濾波濾波器器12位位D/AM/DAC復(fù)位復(fù)位12位位D/A頻率控制字頻率控制字/相位字啟停邏輯相位字啟停邏輯I/O更新更新讀寫讀寫可編程寄存器可編程寄存器48位頻率位頻率控制字控制字14位相位位相位偏移偏移/調(diào)制調(diào)制I/O端口緩沖端口緩沖12位位AM調(diào)制調(diào)制比較器比較器模擬輸入模擬輸入時(shí)鐘輸出時(shí)鐘輸出AD9854 DDS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)+-302 基于可編程芯片的DDS頻率合成信號(hào)源 v單片集成的DDS芯片合成信號(hào)波形的種類較少，靈活性較差，不便于任意波發(fā)生器等場(chǎng)合的應(yīng)用?；诳删幊绦酒瑢?shí)現(xiàn)的DDS信號(hào)合成可具有更大的靈活性。 相位累相位累加器加器參考參考時(shí)鐘時(shí)鐘相位相位調(diào)制器調(diào)制器D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換濾波濾波CPU接口接口輸出輸出頻率控制字頻率控制字波形波形存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器SRAM 基于可編程芯片的基于可編程芯片的DDS頻率合成信號(hào)源頻率合成信號(hào)源313 DDS/PLL組合的頻率合成信號(hào)源 vDDS與PLL組合的合成信號(hào)源可以有多種形式，下圖是一種環(huán)外混頻式DDS/PLL頻率合成的原理。PDLPFVCOKDDS混頻器混頻器帶通濾波帶通濾波frfcfoD