第7章 信號(hào)的產(chǎn)生

第7章信號(hào)的產(chǎn)生7.1信號(hào)源概述

7.2正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器

7.3鎖相頻率合成信號(hào)的產(chǎn)生

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7.1信號(hào)源概述信號(hào)源的作用和組成

信號(hào)源的分類正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)一、信號(hào)源在電子測(cè)量中的作用和組成1.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)則或不規(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：☆激勵(lì)源?！?/p>

信號(hào)仿真。☆

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。2.信號(hào)源的組成信號(hào)輸出主振器緩沖調(diào)制輸出電源監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖主振器：信號(hào)源的核心，產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號(hào)；緩沖：對(duì)信號(hào)放大、整形；調(diào)制：需要輸出調(diào)制波形時(shí)，對(duì)信號(hào)調(diào)頻、調(diào)幅等。不需要調(diào)制時(shí)，可以越過(guò)此部分。輸出：調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的電平和輸出阻抗；監(jiān)測(cè)器：電壓表、頻率計(jì)等，用來(lái)監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)。二、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0.0001Hz～1000Hz；低頻信號(hào)發(fā)生器1Hz～1MHz；視頻信號(hào)發(fā)生器20Hz～10MHz；高頻信號(hào)發(fā)生器200KHz～30MHz；甚高頻信號(hào)發(fā)生器30KHz～300MHz；超高頻信號(hào)發(fā)生器300MHz以上。二、信號(hào)源的分類(續(xù))2.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；3.按輸出波形,大致可分為：正弦波形發(fā)生器；產(chǎn)生正弦波或受調(diào)制的正弦信號(hào)，用途最廣。脈沖信號(hào)發(fā)生器；產(chǎn)生各種頻率、脈寬和占空比的重復(fù)脈沖。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；產(chǎn)生幅度隨時(shí)間變化的信號(hào)，如正弦波、三角波、方波等周期信號(hào)。3~15種，工作頻率一般在10MHz以下。噪聲信號(hào)發(fā)生器。三、正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)1.頻率特性（1）頻率范圍（2）頻率準(zhǔn)確度（3）頻率穩(wěn)定度

2.輸出特性（1）輸出電壓范圍。

電平范圍：-60～+10dB（2）輸出電平平坦度在有效頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率時(shí)，電平的變化。（3）輸出電平準(zhǔn)確度（4）輸出阻抗低頻信號(hào)發(fā)生器：50?、75?、150?、600?、5k?（5）輸出信號(hào)的非線性失真系數(shù)和頻譜純度3.調(diào)制特性調(diào)制特性的衡量指標(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。1.

低頻信號(hào)發(fā)生器低頻信號(hào)發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz～20KHz，故又稱音頻信號(hào)發(fā)生器

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7.2正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器一、正弦信號(hào)發(fā)生器主振級(jí)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(xì)調(diào)電平指示低頻信號(hào)發(fā)生器組成原理RC正弦振蕩器每一分波段的頻率覆蓋系數(shù)為10。如1Hz-1MHz需要6個(gè)波段：1-10Hz、10-100Hz、100-1kHz、1kHz-10kHz、10kHz-100kHz、100kHz-1MHz2.

高頻信號(hào)發(fā)生器高頻信號(hào)發(fā)生器輸出頻率范圍一般在300KHz～1GHz，輸出電壓0.1uV～1V，大多數(shù)具有調(diào)幅，調(diào)頻及脈沖調(diào)制等功能。輸出主振級(jí)波段選擇頻率細(xì)調(diào)緩沖調(diào)制級(jí)輸出級(jí)調(diào)制振蕩器監(jiān)測(cè)器外調(diào)制輸入高頻信號(hào)發(fā)生器原理框圖主振器多采用LC高頻振蕩器，通過(guò)更換線圈的方式來(lái)變換頻段。緩沖級(jí)是為了保證主振級(jí)的振蕩頻率穩(wěn)定，避免寄生調(diào)制，提高信噪比。一般采用選頻放大器。二、脈沖信號(hào)發(fā)生器常見(jiàn)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：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)字編碼序列常見(jiàn)的脈沖信號(hào)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。1.通用脈沖發(fā)生器通用脈沖發(fā)生器能夠滿足一般測(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。輸出脈寬，上升/下降沿控制主振級(jí)同步放大延時(shí)級(jí)脈沖形成輸出級(jí)同步脈沖輸出外同步觸發(fā)輸入外觸發(fā)同步脈沖輸出脈沖信號(hào)發(fā)生器組成原理脈沖持續(xù)時(shí)間和過(guò)渡時(shí)間>1ns主振級(jí)：恒流源射極耦合自激多諧振蕩器，產(chǎn)生矩形波；延時(shí)級(jí)：將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)為延時(shí)脈沖，控制脈沖形成電路；脈沖形成：形成寬度準(zhǔn)確、波形良好的矩形脈沖。2.快速（廣譜）脈沖發(fā)生器在時(shí)域測(cè)試中，快速脈沖信號(hào)發(fā)生器用來(lái)提供廣譜的激勵(lì)信號(hào)，尤其在微波網(wǎng)絡(luò)、寬帶元器件的時(shí)域測(cè)試中，脈沖信號(hào)發(fā)生器相當(dāng)于頻域測(cè)試中的掃頻信號(hào)源?？焖倜}沖信號(hào)的產(chǎn)生技術(shù)主要有：水銀開(kāi)關(guān)脈沖發(fā)生器、雪崩晶體管脈沖發(fā)生器、階躍恢復(fù)二極管脈沖發(fā)生器以及隧道二極管脈沖發(fā)生器等。VDRCROKRL水銀開(kāi)關(guān)脈沖發(fā)生器原理脈沖過(guò)渡時(shí)間500ps同軸電纜傳輸線呈電容特性。開(kāi)關(guān)打開(kāi)，充電；開(kāi)關(guān)閉合，放電，在負(fù)載上得到脈沖信號(hào)。50mV/DIV×30dB1ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)過(guò)度持續(xù)時(shí)間為1ns的脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜50mV/DIV100ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)隧道二極管脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜例如一個(gè)前沿上升時(shí)間為1ns的脈沖，其可用頻譜分量為1GHz，而隧道二極管脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖前沿上升時(shí)間快達(dá)15ps，則其可用頻譜可以高達(dá)30GHz。三、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1.多波形信號(hào)發(fā)生原理⑴方波三角波發(fā)生器正弦波三角波方波C雙穩(wěn)態(tài)電路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波發(fā)生器原理框圖V1三角波/正弦波逼近網(wǎng)絡(luò)C-+三角波斜率：三角波周期：三角波頻率：⑵正弦波形成電路utiuiuot分段折線逼近波形綜合其電路實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示。分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BuiuoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B⑶鋸齒波形成電路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理鋸齒波可以通過(guò)方波與三角波而獲得，將下圖中（a）所示三角波與圖（b）所示方波直接疊加就可得到圖（c）所示的交錯(cuò)鋸齒波，再經(jīng)過(guò)全波整流，就得到了圖（d）所示的鋸齒波。2.函數(shù)發(fā)生器的性能和組成函數(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。頻率控制網(wǎng)絡(luò)三角波緩沖器正弦波綜合及緩沖正恒流源負(fù)恒流源比較器方波緩沖器外部頻率控制函數(shù)選擇及其它波形產(chǎn)生輸出放大輸出濾波直流補(bǔ)償積分電路函數(shù)發(fā)生器基本組成原理控制電流大小§7.3鎖相頻率合成信號(hào)的產(chǎn)生頻率合成原理頻率的代數(shù)運(yùn)算是通過(guò)倍頻、分頻及混頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一、頻率合成的基本概念頻率1輸出石英晶體代數(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準(zhǔn)頻率普通信號(hào)發(fā)生器（LC、RC）的矛盾：輸出頻率可調(diào)范圍和頻率穩(wěn)定度之間的矛盾。解決方法：頻率合成式信號(hào)發(fā)生器。頻率合成：由一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率（石英晶體振蕩器），通過(guò)基本代數(shù)運(yùn)算，得到一系列所需的頻率。二、直接頻率合成技術(shù)

晶振諧波發(fā)生器（倍頻）分頻（÷10）8MHz混頻（+）混頻（+）2MHz濾波分頻（÷10）2.8MHz濾波0.28MHz分頻（÷10）混頻（+）濾波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz9MHz優(yōu)點(diǎn)：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。三、鎖相式頻率合成

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(guò)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。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)。缺點(diǎn)：頻率切換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，相位噪聲較大。

1、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fiuiVCOPDLPFuofoud

PD：相位比較器（鑒相器）檢測(cè)輸入信號(hào)ui與反饋信號(hào)uo之間的相位差，其輸出為誤差電壓ud。鑒相過(guò)程：ucLPF：環(huán)路濾波器低通濾波器，用于濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以使uc能夠穩(wěn)定地控制VCO，是保證環(huán)路穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。VCO：壓控振蕩器振蕩頻率受控于外加控制電壓uc。（2）鎖相環(huán)的主要性能指標(biāo):跟蹤特性和同步帶寬★跟蹤特性：環(huán)路鎖定時(shí)，當(dāng)fi變化，fo也隨之變化，自動(dòng)維持fo=fi的關(guān)系。若無(wú)法跟蹤，則環(huán)路“失鎖”?！锿綆挘烘i定條件下輸入頻率所允許的最大變化范圍。

捕捉和捕捉帶寬★

捕捉：環(huán)路處于“失鎖”狀態(tài)時(shí)，調(diào)整輸出電壓的頻率，當(dāng)環(huán)路輸入、輸出電壓的頻率差減小到一定程度，在環(huán)路自動(dòng)相位負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，從“失鎖”狀態(tài)進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)的過(guò)程?！锊蹲綆挘涵h(huán)路最終能夠自行進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)的最大允許的頻差。*“鎖定”→“失鎖”：同步帶寬；“失鎖”→“鎖定”：捕捉帶寬

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環(huán)路帶寬。2.鎖相環(huán)的基本形式

⑴倍頻式鎖相環(huán)倍頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入頻率進(jìn)行乘法運(yùn)算，主要有兩種形式：諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)（a）諧波倍頻環(huán)VCOPDLPFfO=Nfifi諧波形成Nfifo=Nfi（b）數(shù)字倍頻環(huán)VCOPDLPFfi÷N倍頻式鎖相環(huán)原理圖fi×NPLLNfi（c）倍頻環(huán)簡(jiǎn)化圖⑵分頻式鎖相環(huán)分頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入頻率的除法運(yùn)算，與倍頻環(huán)相似，也有兩種基本形式。分頻式鎖相環(huán)原理圖VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）數(shù)字分頻環(huán)VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波形成（a）諧波分頻環(huán)fi÷NPLLfo=fi/N（c）分頻環(huán)簡(jiǎn)化圖⑶混頻式鎖相環(huán)混頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的加減運(yùn)算PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環(huán)PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混頻環(huán)fo=fi1-fi2混頻鎖相環(huán)+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加環(huán)簡(jiǎn)化圖（d）相減環(huán)簡(jiǎn)化圖⑷多環(huán)合成單元單環(huán)合成單元存在頻率點(diǎn)數(shù)目較少，頻率分辨率不高等缺點(diǎn)，所以一個(gè)合成式信號(hào)源都是由多環(huán)合成單元組成fo=Nfi1+fi23400～5110KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（－）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1內(nèi)插振蕩器環(huán)1環(huán)2倍頻環(huán)加法混頻環(huán)（a）雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)框圖（100～110）KHz×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2（b）雙環(huán)合成器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)圖VCO1PD1LPF1諧波形成實(shí)例分析：十進(jìn)頻率合成器

該頻率合成器中采用了十進(jìn)鎖相合成單元，輸出頻率是采用十進(jìn)數(shù)字盤(pán)來(lái)選擇，它可以提供更高的輸出頻率準(zhǔn)確度。目前十進(jìn)頻率合成器已作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率源而獲得廣泛應(yīng)用。（1）十進(jìn)頻率合成器組成

五個(gè)DS-1合成單元串接起來(lái)，其輸出頻率被送到合成單元DS-2，得到輸出頻率為21～22MHz,DS-2的輸出加到合成單元DS-4，得到輸出頻率為101～122MHz,合成單元DS-3輸出為101～92MHz，DS-3與DS-4的輸出頻率加到混頻器M進(jìn)行相減，最后得到200Hz～30MHz的輸出頻率。DS-10-9×1HzDS-10-9×10HzDS-10-9×100HzDS-10-9×1KHzDS-10-9×10KHzDS-20-9×100KHzDS-40-2×10MHzDS-30-9×1MHz21～22MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz≈內(nèi)插振蕩器0～1Hz1.2～1.3MHz9MHz100KHzM（-）101～92MHz101～122MHz200Hz～30MHz×÷5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5十進(jìn)鎖相式頻率合成器組成框圖

(2)十進(jìn)鎖相合成單元VCOPDLPF1.8～2.7MHz100KHz諧波形成NfiDS-1原理框圖M1（＋）M2（＋）9MHz1.2～1.3MHz基準(zhǔn)后一位合成單元10.2～10.3MHz÷1012～13MHz1.2～1.3MHz倍頻環(huán)1）DS-1合成單元2）DS-2合成單元VCOPDLPF1.8～2.7MHz100KHz諧波形成NfiDS-2原理框圖M1（＋）M2（＋）9MHz1.2～1.3MHz基準(zhǔn)“×10KHz”單元輸出19.2～19.3MHz21～22MHz倍頻環(huán)×218MHz3）DS-3合成單元VCOPDLPF101～92MHz1MHz諧波形成NfiDS-3原理框圖倍頻環(huán)fi4）DS-4合成單元PDLPFVCOM（－）DS-2的輸出0：80MHz加法混頻環(huán)21～22MHzDS-4原理框圖基準(zhǔn)倍頻環(huán)5MHzVCOPDLPF諧波形成1：90MHz2：100MHz1：111~112MHz2：121~122MHz0：101~102MHz（3）輸出頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)為了使輸出頻率連續(xù)可調(diào)，頻率合成器中加入了一個(gè)內(nèi)插振蕩器VCOPDLPF1.2～1.3MHz100KHz諧波形成內(nèi)插振蕩器組成框圖基準(zhǔn)12S+P當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)S置于1時(shí)，內(nèi)插振蕩器是一個(gè)倍頻環(huán)，它輸出一個(gè)1.2MHz的固定點(diǎn)頻，此時(shí)頻率合成器只能輸出離散頻率。當(dāng)內(nèi)插振蕩器的開(kāi)關(guān)S置于2時(shí)，VCO就作為一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的振蕩器工作，調(diào)節(jié)電位器P，改變VCO的偏壓，可使它的輸出在1.2MHZ～1.3MHZ之間連續(xù)變化。思考題：如何用十進(jìn)頻率合成器產(chǎn)生頻率為27.5641230MHz的信號(hào)。四、提高