第7章 信號(hào)的產(chǎn)生

1、第第7 7章章 信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生7.1 7.1 信號(hào)源概述信號(hào)源概述 7.2 7.2 正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器 7.3 7.3 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 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)則或不規(guī)則波信號(hào)源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的形的信號(hào)發(fā)生器信號(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。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)框圖主振

2、器：信號(hào)源的核心，產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號(hào)；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：緩沖： 對(duì)信號(hào)放大、整形；對(duì)信號(hào)放大、整形；調(diào)制：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)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。制時(shí)，可以越過(guò)此部分。輸出：輸出： 調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的電平和輸出阻抗；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)。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)。2. 2. 按照信號(hào)發(fā)生器的按照信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)性能指標(biāo) 可分為：可分為： 一般信號(hào)發(fā)生器；一般信號(hào)發(fā)生器； 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器；標(biāo)準(zhǔn)

3、信號(hào)發(fā)生器； %100ooofffff%100minmaxofff3. 3. 調(diào)制特性調(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。偏，調(diào)制線性等。一、一、 正弦信號(hào)發(fā)生器正弦信號(hào)發(fā)生器主振級(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(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RCRC正弦振蕩器每一分波段正弦振蕩器每一分波段的頻率覆蓋系數(shù)為的頻率覆蓋系數(shù)為1010。如如1Hz-1MHz1Hz-1MHz需要需要6

4、 6個(gè)波段：個(gè)波段：1-10Hz1-10Hz、10-100Hz10-100Hz、100-1kHz100-1kHz、1kHz-10kHz1kHz-10kHz、10kHz-100kHz10kHz-100kHz、100kHz-1MHz100kHz-1MHz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)制振蕩器調(diào)制振蕩器監(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)生器原理框圖主振器多采用主振器多采用LCLC高頻振蕩器，通過(guò)更換線圈的方式來(lái)變換頻段。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

5、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。高信噪比。一般采用選頻放大器。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(jiàn)的脈沖信號(hào)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

6、沖發(fā)生器等。編程脈沖發(fā)生器及特種脈沖發(fā)生器等。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；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；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。脈沖形成：形成寬度準(zhǔn)確、波形

7、良好的矩形脈沖。u 快速脈沖信號(hào)的產(chǎn)生技術(shù)主要有：水銀開(kāi)關(guān)脈沖發(fā)生器、快速脈沖信號(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。隧道二極管脈沖發(fā)生器等。V VD DR RC CR RO OK KR RL L水銀開(kāi)關(guān)脈沖發(fā)生器原理水銀開(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/DIV30dB1 ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)過(guò)度持續(xù)時(shí)間為過(guò)度持續(xù)時(shí)間為1ns的脈沖發(fā)生器前沿及其

8、頻譜的脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜50mV/DIV100 ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)隧道二極管脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜隧道二極管脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜 例如一個(gè)前沿上升時(shí)間為例如一個(gè)前沿上升時(shí)間為1ns1ns的脈沖，其可用頻譜分量為的脈沖，其可用頻譜分量為1GHz1GHz，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，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)達(dá)15ps15ps，則其可用頻譜可以高達(dá)，則其可用頻譜可以高達(dá)30GHz30GHz。正弦波三角波方波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

9、圖V1三角波/正弦波逼近網(wǎng)絡(luò)C-+1122()scUfRC VV三角波斜率：1UkRC 三角波周期：121212()2scVVRC VVTkU三角波頻率：utiuiuot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-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BuiuoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6But（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(guò)方波與

10、三角波而獲得，將下圖中（鋸齒波可以通過(guò)方波與三角波而獲得，將下圖中（a 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(cuò)鋸齒波，再經(jīng)過(guò)全波整流，就得到了圖（示的交錯(cuò)鋸齒波，再經(jīng)過(guò)全波整流，就得到了圖（d d）所示）所示的鋸齒波。的鋸齒波。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

11、器基本組成原理函數(shù)發(fā)生器基本組成原理控制電流大小一、一、 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。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

12、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。1 1、鎖相環(huán)（、鎖相環(huán)（PLLPLL）的基本概念）的基本概念鎖相環(huán)控制

13、系統(tǒng)原理圖鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖fiuiVCOPDLPFuofoudu PD：相位比較器（鑒相器）：相位比較器（鑒相器）u檢測(cè)輸入信號(hào)檢測(cè)輸入信號(hào)ui與反饋信號(hào)與反饋信號(hào)uo之間的相位差，其輸出為誤差電壓之間的相位差，其輸出為誤差電壓ud。u鑒相過(guò)程：鑒相過(guò)程：( )( )( )( )( )()( )doiddcodoidtttt dtdttdtdttuuf時(shí)，得到穩(wěn)定輸出sin()()ddddddduKKK較小時(shí)：鎖相靈敏度，值越大，控制能力越強(qiáng)。ucuLPF：環(huán)路濾波器：環(huán)路濾波器u低通濾波器，用于濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以低通濾波器，用于濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以使使uc能

14、夠穩(wěn)定地控制能夠穩(wěn)定地控制VCO，是保證環(huán)路穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。，是保證環(huán)路穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。uVCO：壓控振蕩器：壓控振蕩器u振蕩頻率受控于外加控制電壓振蕩頻率受控于外加控制電壓uc。ooddcooidiiddcooidfuuffffuufff環(huán)路相位鎖定環(huán)路相位鎖定（2 2）鎖相環(huán)的主要性能指標(biāo)）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和同步帶寬（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(jiǎn)化圖）倍頻環(huán)簡(jiǎn)化圖分頻式鎖相環(huán)

15、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(jiǎn)化圖）分頻環(huán)簡(jiǎn)化圖PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環(huán)）相減混頻環(huán)PDLPFVCOM（）（）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(jiǎn)化圖）相加環(huán)簡(jiǎn)化圖（d）相減環(huán)簡(jiǎn)化圖）相減環(huán)簡(jiǎn)化圖

16、fo= Nfi1+ fi234005110KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（）（）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(jié)構(gòu)框圖雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)框圖（100110）KHzNPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=N fi1+ fi2（b） 雙環(huán)合成器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖雙環(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)圖雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)圖VCO1PD1LPF1諧波諧波形成形成12222330 500;10;100110;10330:330 103400 3410;331:331 103410 3420;500:500

17、105100 5110;iioioioiNfkHzfkHzkHzkHzNfkHzfkHzkHzNfkHzfkHzkHzNfkHzfkHzkHz連續(xù)可調(diào)，間隔；（1）十進(jìn)頻率合成器組成 五個(gè)五個(gè)DS-1合成單元串接起來(lái)，其輸出頻率被送到合成合成單元串接起來(lái)，其輸出頻率被送到合成單元單元DS-2，得到輸出頻率為，得到輸出頻率為2122MHz , DS-2的輸出加的輸出加到合成單元到合成單元DS-4，得到輸出頻率為，得到輸出頻率為101122MHz ,合成合成單元單元DS-3輸出為輸出為10192MHz， DS-3與與DS-4的輸出頻率的輸出頻率加到加到混頻器混頻器M進(jìn)行相減，最后得到進(jìn)行相減，最后

18、得到200Hz30MHz的輸?shù)妮敵鲱l率。出頻率。DS-10-91HzDS-10-910HzDS-10-9100HzDS-10-91KHzDS-10-910KHzDS-20-9100KHzDS-40-210MHzDS-30-91MHz2122MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz內(nèi)插振蕩器01Hz1.21.3MHz9MHz100KHzM（-）10192MHz101122MHz200Hz30MHz5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz諧波諧波形成形成NfiDS-1原

19、理框圖原理框圖M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基準(zhǔn)基準(zhǔn)后一位合成單元后一位合成單元10.210.3MHz101213MHz1.21.3MHz倍頻環(huán)倍頻環(huán)0123456789:18192021222324252627N度盤：VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz諧波諧波形成形成NfiDS-2原理框圖原理框圖M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基準(zhǔn)基準(zhǔn)“10KHz”單元輸出單元輸出19.219.3MHz2122MHz倍頻環(huán)倍頻環(huán)218MHz0123456789:18192021222324252627N度盤：VCOPDLPF10192MHz1MHz諧波諧波形

20、成形成NfiDS-3原理框圖原理框圖倍頻環(huán)倍頻環(huán)fi0123456789:101 1009998979695949392N度盤：PDLPFVCOM（）（）DS-2的輸出的輸出0：80MHz加法混頻環(huán)加法混頻環(huán)2122MHzDS-4原理框圖原理框圖基準(zhǔn)基準(zhǔn)倍 頻倍 頻環(huán)環(huán)5MHzVCOPDLPF諧波諧波形成形成1：90MHz2：100MHz1：111112MHz2：121122MHz0：101102MHz012:161820N度盤：VCOPDLPF1.21.3MHz100KHz諧波諧波形成形成內(nèi)插振蕩器組成框圖內(nèi)插振蕩器組成框圖基準(zhǔn)基準(zhǔn)12S+P 當(dāng)選擇當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S S置于置于1 1時(shí)，內(nèi)插

21、振蕩器是一個(gè)時(shí)，內(nèi)插振蕩器是一個(gè)倍頻倍頻環(huán)，它輸出一環(huán)，它輸出一個(gè)個(gè)1.2MHz1.2MHz的固定點(diǎn)頻，此時(shí)頻率合成器只能輸出離散頻率。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)插振蕩器的當(dāng)內(nèi)插振蕩器的開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S S置于置于2 2時(shí)時(shí)，VCOVCO就作為一個(gè)頻率連續(xù)可就作為一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的振蕩器工作，調(diào)節(jié)電位器調(diào)的振蕩器工作，調(diào)節(jié)電位器P P，改變，改變VCOVCO的偏壓，可使它的輸?shù)钠珘?，可使它的輸出在出?.2MHZ1.2MHZ1.3MHZ1.3MHZ之間連續(xù)變化之間連續(xù)變化。 思考題：如何用十進(jìn)頻率合成器產(chǎn)生頻率為思考題：如何用十進(jìn)頻率合成器產(chǎn)生頻率為27.5641230MHz27.5641230MHz的信號(hào)。的信號(hào)。對(duì)于倍頻環(huán)而言，輸出頻率以增量對(duì)于倍頻環(huán)而言，輸出頻率以增量fifi變化，即合成器的變化，即合成器的頻率分辨率等于頻率分辨率等于fifi。合成器頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間為合成器頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間為頻率增量越小，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。頻率增量越小，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。 ieft/25 在保證轉(zhuǎn)換時(shí)間不便的前提下，提高頻率分辨力的途徑主在保證轉(zhuǎn)換時(shí)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；多環(huán)頻率合成