第8章信號的產(chǎn)生

1、第第8 8章章 信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生8.1 8.1 信號源概述信號源概述 8.2 8.2 正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器 8.3 8.3 鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生 8.4 8.4 直接數(shù)字合成技術直接數(shù)字合成技術 8.5 8.5 合成信號源簡介合成信號源簡介 8.1 信號源概述信號源概述8.1.1 信號源在電子測量中的作用和組成1.1.信號源的作用信號源的作用 信號源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則信號源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器。或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器。 信號源的用途主要有以下三方面：信號源的用途主要有以下三方面： 激勵源

2、。激勵源。 信號仿真。信號仿真。 標準信號源。標準信號源。信號信號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)測監(jiān)測信號發(fā)生器結構框圖信號發(fā)生器結構框圖8.1.2 8.1.2 信號源的分類信號源的分類按頻率范圍 大致可分為六類：2. 按輸出波形,大致可分為：3. 按照信號發(fā)生器的性能指標 可分為： 一般信號發(fā)生器； 標準信號發(fā)生器； 8.1.3 8.1.3 正弦信號源的性能指標正弦信號源的性能指標1. 頻率特性%100ooofffff%100minmaxofff2. 輸出特性n（1）輸出電平范圍。n（2）輸出電平的頻響n（3）輸出電平準確度n（4）輸出阻抗n（5）輸出信號的非線性失

3、真系數(shù)和頻譜純度。3. 調(diào)制特性調(diào)制特性的恒量指標主要包括調(diào)制頻率，調(diào)幅系數(shù)，最大頻偏，調(diào)制線性等。1. 低頻信號發(fā)生器n低頻信號發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz20KHz，故又稱音頻信號發(fā)生器8.2 正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器8.2.1 正弦信號發(fā)生器主振級主振級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電平調(diào)節(jié)電平調(diào)節(jié)波段波段調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)頻率頻率細調(diào)細調(diào)電平指示電平指示低頻信號發(fā)生器組成原理低頻信號發(fā)生器組成原理2. 高頻信號發(fā)生器n高頻信號發(fā)生器輸出頻率范圍一般在300KHz1GHz，大多數(shù)具有調(diào)幅，調(diào)頻及脈沖調(diào)制等功能輸出輸出主振級主振級波段

4、波段選擇選擇頻率頻率細調(diào)細調(diào)緩沖緩沖調(diào)制級調(diào)制級輸出級輸出級調(diào)制振蕩器調(diào)制振蕩器監(jiān)測器監(jiān)測器外調(diào)制外調(diào)制輸入輸入高頻信號發(fā)生器原理框圖高頻信號發(fā)生器原理框圖8.2.3 8.2.3 函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器1. 多波形信號發(fā)生原理n方波三角波發(fā)生器C雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)電路電路VC2V2VC1AWRU1I1U2B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設充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，則：ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理鋸齒波的獲得原理 鋸齒波可以通過方波與三角波而獲得，將下圖中（鋸齒波可以通過方波與三角波而獲得，將下圖中（a

5、 a）所）所示三角波與圖（示三角波與圖（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）所示的交錯鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（示的交錯鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（d d）所示）所示的鋸齒波。的鋸齒波。2. 函數(shù)發(fā)生器的性能和組成n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)絡網(wǎng)絡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恒負恒流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

6、出輸出放大放大輸出輸出濾波濾波直流直流補償補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8.3 鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生1.頻率合成原理頻率的代數(shù)運算是通過倍頻、分頻及混頻技術來實現(xiàn)。 8.3.1 8.3.1 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)運算代數(shù)運算（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輸出輸出基準頻率基準頻率2. 頻率合成分類及特點n直接頻率合成 通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法來產(chǎn)生一系列頻率信號并用窄帶濾波器選出，下圖是其實現(xiàn)原理。 晶振晶振諧波發(fā)生器（倍頻）諧波發(fā)

7、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：優(yōu)點：頻率切換迅速，相位噪聲很低。頻率切換迅速，相位噪聲很低。缺點：電路硬件結構復雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。缺點：電路硬件

8、結構復雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。n3. 頻率合成技術的發(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)字式頻率合成技術都有其優(yōu)缺點 ，單獨使用任何一種方法，很難滿足要求。因此可將這幾種方法綜合應用，特別是DDS與PLL的結合,可以實現(xiàn)快捷變，小步進及較高的頻率上限。8.3.2 8.3.2 鎖相環(huán)（鎖相環(huán)（PLLPLL）的基本概念）的基本概念n1. 鎖相環(huán)基本工作原理及性能 n 鎖相環(huán)是一個相位環(huán)負反饋控制系統(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frVrVCOPDL

9、PFVofOVd2. 鎖相環(huán)的基本形式 （a） 諧波倍頻環(huán)諧波倍頻環(huán)VCOPDLPFfO=Nfifi諧波諧波形成形成Nfifo=Nfi（b）數(shù)字倍頻環(huán)）數(shù)字倍頻環(huán)VCOPDLPFfiN倍頻式鎖相環(huán)原理圖倍頻式鎖相環(huán)原理圖fiNPLLNfi（c）倍頻環(huán)簡化圖）倍頻環(huán)簡化圖分頻式鎖相環(huán)原理圖分頻式鎖相環(huán)原理圖VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b）數(shù)字分頻環(huán)）數(shù)字分頻環(huán)VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波諧波形成形成（a）諧波分頻環(huán)）諧波分頻環(huán)fiNPLLfo=fi/N（c）分頻環(huán)簡化圖）分頻環(huán)簡化圖PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環(huán)）相減混頻環(huán)PDLPFVCO

10、M（）（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2（a）相加混頻環(huán)）相加混頻環(huán)fo= fi1- fi2混頻鎖相環(huán)混頻鎖相環(huán)+PLLfi1fi2fo= fi1+ fi2-PLLfi1fi2fo= fi1- fi2（c）相加環(huán)簡化圖）相加環(huán)簡化圖（d）相減環(huán)簡化圖）相減環(huán)簡化圖fo= Nfi1+ fi234005100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（）（）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1內(nèi)插振蕩器內(nèi)插振蕩器環(huán)環(huán)1環(huán)環(huán)2倍頻環(huán)倍頻環(huán)加法混頻環(huán)加法混頻環(huán)（a） 雙環(huán)合成器原理結構框圖雙環(huán)合成器原理結構框圖100110KHzNPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=N fi1+ fi

11、2（b） 雙環(huán)合成器簡化結構框圖雙環(huán)合成器簡化結構框圖雙環(huán)合成器原理結構圖雙環(huán)合成器原理結構圖VCO1PD1LPF1諧波諧波形成形成8.3.3 8.3.3 提高頻率分辨力的鎖相合提高頻率分辨力的鎖相合成技術成技術n1 提高頻率分辨力的技術途徑 頻率增量越小，轉換時間越長，轉換時間的計算一般采頻率增量越小，轉換時間越長，轉換時間的計算一般采用經(jīng)驗公式用經(jīng)驗公式8.98.9。 ieft/25 在保證轉換時間不便的前提下，提高頻率分辨力的途徑主在保證轉換時間不便的前提下，提高頻率分辨力的途徑主要有：要有：多環(huán)頻率合成法；小數(shù)分頻法。多環(huán)頻率合成法；小數(shù)分頻法。 n2 多環(huán)頻率合成法n下面是一個三環(huán)鎖

12、相頻率合成器原理框圖 三環(huán)三環(huán)PLL合成器合成器VCOBPDBLPFBfBfiNBMVCOCPDCLPFCBPFfoVCOAPDALPFA+NAfANAPLL+PLLMNBPLLfifo三環(huán)合成器簡化框圖三環(huán)合成器簡化框圖fBfAiAAfNfiBBfNf由環(huán)由環(huán)C C有：有： MfffBAo/因此，合成器的輸出頻率為因此，合成器的輸出頻率為 ：iBAofMNNf)/(8. 直接數(shù)字合成技術直接數(shù)字合成技術8.直接數(shù)字合成基本原理 設取樣時鐘頻率為，正弦波每一周期由個取樣點構設取樣時鐘頻率為，正弦波每一周期由個取樣點構成，則該正弦波的頻率為：成，則該正弦波的頻率為：NfNTfcco1地址計數(shù)器地址計數(shù)器（N）正弦波正弦波ROM存儲器存儲器D/ALPFfcfoDDS組成原理組成原理輸出信號頻率輸出信號頻率fo: 取決于兩個因數(shù)：取決于兩個因數(shù)：參考時鐘頻率；參考時鐘頻率；ROMROM中存儲的正弦波；中存儲的正弦波；NMffco如果如果地址計數(shù)器以步進地址計數(shù)器以步進M M（M=1)M=1)進行累加，則可在進行累加，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，此時輸出頻率，