第三章信號產(chǎn)生技術

1第三章信號發(fā)生器3.1信號發(fā)生器概述3.2正弦信號發(fā)生器的性能指標3.3低頻信號發(fā)生器3.4射頻信號發(fā)生器3.5掃頻信號發(fā)生器3.6脈沖信號發(fā)生器3.7噪聲發(fā)生器重點內(nèi)容：鎖相環(huán)技術，信號合成技術2§3.1信號發(fā)生器概述一、信號源的作用信號源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度、規(guī)則或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器。3二、信號發(fā)生器的分類1.按頻率范圍大致可分為六類：超低頻信號發(fā)生器0.0001Hz～1000Hz；低頻信號發(fā)生器1Hz～1MHz；射頻:>300KHz；微波:超高頻信號發(fā)生器300MHz以上。毫米波:30G-300GHZ42.按輸出波形,大致可分為：正弦波形發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器噪聲信號發(fā)生器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5uto（a）矩形波uto（b）鋸齒波uto（c）階梯波uto（d）鐘形脈沖uto（e）數(shù)字編碼序列典型信號波形6三、信號發(fā)生器的基本構成信號輸出主振器變換器調(diào)制輸出電源監(jiān)測信號發(fā)生器結構框圖7§3.2正弦信號發(fā)生器的性能指標原因：－容易產(chǎn)生，容易描述－應用最廣的載波信號－任何線性雙口網(wǎng)絡，皆可用它對正弦信號的響應來描述正弦信號：電子儀器和測量領域，正弦信號是應用最廣泛、最普通的一類信號。81.頻率特性（1）頻率范圍(2)頻率分辨率（3）頻率準確度（4）頻率穩(wěn)定度92.輸出特性（1）輸出電平范圍幅度表示：對于高頻信號dbm幅度平坦度（2）輸出電平的頻響（3）輸出電平準確度（4）輸出阻抗（5）輸出信號的非線性失真系數(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。10§3.3低頻信號發(fā)生器一、低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz～20KHz，故又稱音頻信號發(fā)生器

主振級緩沖放大電平控制功率放大衰減器阻抗變換電平調(diào)節(jié)波段調(diào)節(jié)頻率細調(diào)電平指示低頻信號發(fā)生器組成原理11文式橋式振蕩電路T=A×F同相輸入端接入文氏電橋，起到選頻網(wǎng)絡的作用。當A達到最大且A(f0)=1/3負反饋T=A*F>1起振T=A*F=1穩(wěn)幅電路設置得當電路啟動階段F>3使電路指定頻率起振，輸出電壓到一定幅值后F=3電路實現(xiàn)穩(wěn)幅12穩(wěn)幅方案有熱敏電阻穩(wěn)幅、場效應管穩(wěn)幅、二極管穩(wěn)幅。熱敏電阻穩(wěn)幅如上圖分析二極管穩(wěn)幅電路設計輸出指標UOM,輸出頻率f：13起振要求T>1穩(wěn)幅后要求R3部分變化使F=3。假設輸出為UOM14差頻式信號發(fā)生器固定頻率振蕩器混頻器可變頻率振蕩器低通濾波器放大與輸出電路f2f115二、超低頻信號發(fā)生器1，能產(chǎn)生1Hz以下頻率的信號發(fā)生器稱為超低頻信號發(fā)生器，常用兩級由運放構成的積分器和反相器構成。2，函數(shù)信號發(fā)生器是一種多用信號源，它的振蕩級由積分電路和觸發(fā)電路構成，同時產(chǎn)生方波和三角波，再由二極管整形電路將三角波整形成正弦波。3，數(shù)字合成低頻信號發(fā)生器的基本原理是利用階梯波近似正弦波，而階梯波可用數(shù)據(jù)存儲器和DA模塊實現(xiàn)，突出的優(yōu)點是頻率準確度和穩(wěn)定度高，并且幅頻特性平坦。16§3.4射頻(高頻)信號發(fā)生器三大類：－調(diào)諧信號發(fā)生器（早期，簡單，略）－鎖相信號發(fā)生器－合成信號發(fā)生器射頻信號發(fā)生器輸出頻率范圍一般在300KHz～1GHz，大多數(shù)具有調(diào)幅，調(diào)頻及脈沖調(diào)制等功能，也稱為高頻信號發(fā)生器。17基本結構：鎖相環(huán)（PLL）組成：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、壓控振 蕩器（VCO）及基準晶振等原理：負反饋控制系統(tǒng)，把VCO的輸出頻率鎖定在參考頻率上2.2鎖相式頻率合成優(yōu)點：易集成，體積小，結構簡單，功耗低，價格低缺點：頻率切換時間較長，相位噪聲較大18鎖相環(huán)的相位模型當輸入輸出存在頻差時，環(huán)路瞬時角頻率誤差會通過反饋的作用逐漸減小，直到等于零，進入“鎖定”狀態(tài)！19PLL主要性能指標環(huán)路帶寬 對輸入信號的相位而言，鎖相環(huán)具有低通濾波器的傳輸特性，其高頻截止頻率稱為環(huán)路帶寬。環(huán)路帶寬越低，其濾波作用越好。 對輸入信號頻率而言，具有窄帶濾波特性。只允許輸入信號角頻率附近的頻率分量通過，阻止遠離輸入頻率的頻率分量傳送到輸出端，在一定范圍內(nèi)跟蹤輸入頻率！捕捉帶寬 假設環(huán)路最初不處于鎖定狀態(tài)，環(huán)路最終能夠自行進入鎖定狀態(tài)的最大允許頻差。同步帶寬：在環(huán)路保持鎖定的情況下，環(huán)路輸入頻率所允許的最大變化范圍。20鎖相環(huán)的基本形式1.倍頻式鎖相環(huán)

等效模型

實現(xiàn)模型21鎖相環(huán)的基本形式2.分頻式鎖相環(huán)

等效模型

實現(xiàn)模型223.混頻式鎖相環(huán)鎖相環(huán)的基本形式相加混頻環(huán)相減混頻環(huán)23提高頻率分辨力的鎖相合成技術減小頻率增量提高分辨力保證轉(zhuǎn)換時間和頻率范圍前提下提高頻率分辨力的途徑 多環(huán)頻率合成法 小數(shù)分頻法后置分頻器提高分辨力

輸出頻率范圍減小

頻率增量越小，轉(zhuǎn)換時間越長24多環(huán)頻率合成思路：粗調(diào)+精調(diào)25例：雙環(huán)合成環(huán)1進行頻率粗調(diào)，內(nèi)插振蕩器實現(xiàn)頻率精調(diào)，混頻環(huán)實現(xiàn)頻率求和

例：輸出為2153.5kHz26三、合成信號發(fā)生器（☆）直接式頻率合成信號發(fā)生器27內(nèi)容摘要信號發(fā)生器的功能信號發(fā)生器的分類及工作特性函數(shù)信號發(fā)生器工作原理（略）DDS數(shù)字式頻率和成信號發(fā)生器DDS芯片的應用（略）283.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器直接數(shù)字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取樣技術和計算技術，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調(diào)的信號。293.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器相位量化:將周期函數(shù)一周期(2π）相位量化即（數(shù)字化）比如說24量化幅值量化:離散化的相位點對應的幅值進行量化。-1到1V進行24量化，則1000B代表0V1001代表0.125V0111B-0.125V30DDS的基本實現(xiàn)原理框圖如下圖所示ROM表的作用：量化相位點順序編號并與ROM表（存儲器）的地址對應，存儲器順序存放不同相位點對應的電壓幅值的量化值。D/A轉(zhuǎn)換器作用：在時鐘作用下定時按順序讀取ROM表值，通過D/A轉(zhuǎn)換器將量化的電壓幅值轉(zhuǎn)為模擬輸出電壓。從而得到周期波形。31一個簡單的例子：一個正弦波一周期相位24量化，并存放在ROM中，在f=1Khz下，定時讀取讀取ROM表值，通過D/A轉(zhuǎn)換器將量化的電壓幅值轉(zhuǎn)為模擬輸出電壓。從而得到周期波形。則該周期信號的周期為1*24ms如何改變信號的周期（頻率）改變定時時鐘頻率通過相位累加器：思路不是按地址順序逐個讀取ROM表數(shù)值，按順序每隔K個地址讀取ROM表數(shù)值。則輸出頻率周期1*K*24ms323.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器(1)頻率預置與調(diào)節(jié)電路作用：實現(xiàn)頻率控制量的輸入；不變量K被稱為相位增量，也叫頻率控制字。333.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器(2)累加器加法器寄存器頻率控制字KN位N位N位相位量化序列fc相位累加器的作用：在時鐘的作用下，進行相位累加注意：當相位累加器累加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作。相位累加器的組成=N位加法器+N位寄存器343.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器1、產(chǎn)生的信號頻率是多大？2、產(chǎn)生的信號頻率范圍是多少？DDS的輸出頻率為：f0=fCK/2N

（fC為基準時鐘頻率，

N為累加器的位數(shù)）DDS輸出的最低頻率K=1時fC/2NDDS輸出的最高頻率Nyquist采樣定理決定，即fC/2，

K的最大值為2N-1結論：只要N足夠大，DDS可以得到很細的頻率間隔。要改變DDS的輸出頻率，只要改變頻率控制字K即可。353.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器(3)波形存儲器作用：進行波形的相位—幅值轉(zhuǎn)換。波形ROM地址數(shù)據(jù)相位量化序列正弦幅度量化序列N位D位原理：ROM的N位地址

把0O—360O的正弦角度離散成具有2N個樣值的序列ROM的D位數(shù)據(jù)位

則2N個樣值的幅值量化為D位二進制數(shù)據(jù)363.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器(4)D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的作用把已經(jīng)合成的正弦波的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。373.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器(5)低通濾波器濾除生成的階梯形正弦波中的高頻成分，將其變成光滑的正弦波。383.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器地址計數(shù)器步進值改變可以通過相位累加器法來實現(xiàn)，其基本原理框圖如下圖所示393.4DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器DDS優(yōu)點：頻率分辨率高，2的N次方頻率切換速度快，可達us級頻率切換時相位連續(xù)。頻率的改變，實際上是相位增量的改變。可以產(chǎn)生任意波形DDS的局限性速度限制。受DAC和ROM速度限制，工作頻率一般在幾十兆到400MHz之間。輸出雜散大。三個來源：相位累加器的相位舍位誤差；幅度量化誤差；DAC特性非理想。40§3.5掃頻信號發(fā)生器一、線性電路幅頻特性的測量頻率特性測試的方法：點頻法和掃頻法：點頻法：逐點調(diào)整信號發(fā)生器的輸出頻率，并用電壓表等設備記錄被測系統(tǒng)的響應。特點：準確度高，但繁瑣費時，頻率間隔較大。掃頻法：是利用掃頻信號發(fā)生器輸出自動連續(xù)變化的頻率信號，對被測系統(tǒng)進行動態(tài)式的掃頻測試。特點：簡單快捷，可方便地測量系統(tǒng)的頻率特性及動態(tài)特性。41一、線性電路幅頻特性的測量點頻法42一、線性電路幅頻特性的測量掃頻法43二、掃頻儀的基本構成為實現(xiàn)頻率在一定范圍內(nèi)的掃動，必須要能夠控制頻率按照規(guī)律去變化。對于振蕩電路，調(diào)整L或C來實現(xiàn)。44二、掃頻儀的基本構成（1）磁調(diào)電感法45二、掃頻儀的基本構成（2）變?nèi)荻O管法變?nèi)荻O管特性Cj0：零電壓結電容UD：PN結勢壘電壓U：PN結反向電壓46§3.6脈沖信號發(fā)生器脈沖發(fā)生器的分類（根據(jù)用途和產(chǎn)生脈沖的方法）：通用脈沖發(fā)生器、快速（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)生器等。uto（a）矩形波uto（b）鋸齒波uto（c）階梯波uto（d）鐘形脈沖uto（e）數(shù)字編碼序列典型脈沖信號47脈沖波形生成技術常規(guī)脈沖生成

1、利用各種形式的多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波；

2、利用整形電路將現(xiàn)有的各種觸發(fā)信號變換成符合要求的矩形脈沖波形?？煅兀{秒/皮秒級別）脈沖生成

隧道二極管、雪崩晶體三極管、階躍恢復二極管、耿式器件等分立元件； 水銀開關、脈沖放電管、光導開關。48一、脈沖信號①脈沖幅度Um②脈沖上升時間tr③脈沖下降時間tf④脈沖寬度⑤平頂降落⑥脈沖過沖b⑦脈沖周期和重復頻率⑧脈沖的占空系數(shù)49二、脈沖信號發(fā)生器分類按照用途和產(chǎn)生脈沖的方法不同，脈沖信號發(fā)生器可分為：－通用脈沖發(fā)生器－快沿脈沖發(fā)生器－函數(shù)發(fā)生器－數(shù)字可編程脈沖信號發(fā)生器－特種脈沖發(fā)生器503.2數(shù)字波形合成DDFS直接數(shù)字頻率合成技術DDWS直接數(shù)字波形合成技術數(shù)字脈沖合成技術51采樣時鐘輸出地址發(fā)生器數(shù)據(jù)查找表數(shù)模轉(zhuǎn)換器低通濾波器MD

可變時鐘發(fā)生器直接數(shù)字波形合成——DDWSDDWS可看作是某一特定采樣時鐘下，頻率控制字為2N-M的DDFS直接數(shù)字波形合成技術52數(shù)字脈沖合成技術（1）序列式脈沖發(fā)生技術（2）數(shù)字合成式脈沖發(fā)生技術極窄脈沖/單脈沖發(fā)生雙脈沖發(fā)生群脈沖發(fā)生53數(shù)字合成式脈沖發(fā)生技術極窄脈沖/單脈沖發(fā)生