第8章信號(hào)的產(chǎn)生

1、第第8 8章章 信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生8.1 8.1 信號(hào)源概述信號(hào)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(hào)的產(chǎn)生鎖相頻率合成信號(hào)的產(chǎn)生 8.4 8.4 直接數(shù)字合成技術(shù)直接數(shù)字合成技術(shù) 8.5 8.5 合成信號(hào)源簡介合成信號(hào)源簡介 8.1 信號(hào)源概述信號(hào)源概述8.1.1 信號(hào)源在電子測量中的作用和組成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)源的用途主要有以下三方面： 激勵(lì)源

2、。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)測監(jiān)測信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖8.1.2 8.1.2 信號(hào)源的分類信號(hào)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(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； 8.1.3 8.1.3 正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)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(zhǔn)確度n（4）輸出阻抗n（5）輸出信號(hào)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(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n低頻信號(hào)發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz20KHz，故又稱音頻信號(hào)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(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2. 高頻信號(hào)發(fā)生器n高頻信號(hào)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(jí)主振級(jí)波段

4、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)測器監(jiān)測器外調(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8.2.3 8.2.3 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1. 多波形信號(hào)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(shè)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(cuò)鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（示的交錯(cuò)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(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

6、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8.3 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.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)。 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(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2. 頻率合成分類及特點(diǎn)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(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)

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(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

8、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價(jià)格昂貴，不便于集成化。n3. 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。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(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(jié)構(gòu)框圖雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)框圖100110KHzNPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=N fi1+ fi

11、2（b） 雙環(huán)合成器簡化結(jié)構(gòu)框圖雙環(huán)合成器簡化結(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(shù)成技術(shù)n1 提高頻率分辨力的技術(shù)途徑 頻率增量越小，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長，轉(zhuǎn)換時(shí)間的計(jì)算一般采頻率增量越小，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長，轉(zhuǎn)換時(shí)間的計(jì)算一般采用經(jīng)驗(yàn)公式用經(jīng)驗(yàn)公式8.98.9。 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；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(gè)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(shù)直接數(shù)字合成技術(shù)8.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：NfNTfcco1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)：取決于兩個(gè)因數(shù)：參考時(shí)鐘頻率；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，