第章信號的產(chǎn)生32022優(yōu)秀文檔

8.1信號源概述信號源的作用和組成信號源的分類正弦信號源的性能指標6.1.1信號源在電子測量中的作用和組成

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。信號源的用途主要有以下三方面：☆激勵源☆

信號仿真☆

標準信號源2.信號源的組成信號輸出主振器緩沖調(diào)制輸出電源監(jiān)測信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖8.1.2信號源的分類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；視頻信號發(fā)生器20Hz～10MHz；高頻信號發(fā)生器200KHz～30MHz；甚高頻信號發(fā)生器30KHz～300MHz；超高頻信號發(fā)生器300MHz以上。2.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；

3.按照頻率產(chǎn)生辦法可分為：

諧振法合成法：由基準頻率通過加、減、乘、除組合一系列頻率。8.1.3正弦信號源的性能指標1.頻率特性（1）頻率范圍（2）頻率準確度（3）頻率穩(wěn)定度短期15min內(nèi)；長期3h內(nèi)——直接模擬頻率合成法壓控振蕩器輸出調(diào)整后的頻率f＝g(ud)鎖相環(huán)的基本形式（DirectAnalogFrequencySynthesis）若N取330～500，間隔為1按照信號發(fā)生器的性能指標可分為：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頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個基準頻率的基礎(chǔ)上合成不同的頻率。fo=Nfi1+fi2缺點：頻率切換時間相對較長。2、頻率轉(zhuǎn)換時間主要由濾波器的響應(yīng)時間、頻率轉(zhuǎn)換開關(guān)的響應(yīng)時間以及信號的傳輸延遲時間等決定（us級）。3頻率合成式信號發(fā)生器

——直接模擬合成與鎖相合成比較直接模擬頻率合成法（DAFS）信號源的作用和組成捕捉帶寬：環(huán)路最終能夠自行進入鎖定狀態(tài)的最大允許的頻差Δf=fo-fi。Δf<捕捉帶寬則可以鎖定。2.輸出特性（1）輸出電平調(diào)節(jié)范圍（2）輸出電平的頻響（3）輸出電平準確度：一般在±（3～10）％范圍內(nèi)。（4）輸出阻抗：低頻：500Ω、600Ω，5000Ω；高頻：50Ω或70Ω（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。1.

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,主振級采用RC正弦振蕩器，每波段頻率覆蓋系數(shù)10。8.2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)電平指示波段式低頻信號發(fā)生器組成原理2.差頻信號發(fā)生器差頻式低頻信號發(fā)生器原理框圖 頻率覆蓋范圍寬輸出頻率覆蓋系數(shù)：輸出固定頻率振蕩器可變頻率振蕩器混頻器濾波放大衰減器f2=3.4000MHzf1=3.3997~5.1000MHzf0=300Hz~1.7000MHz3.

高頻信號發(fā)生器高頻信號發(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)制等功能輸出主振級波段選擇頻率細調(diào)緩沖調(diào)制級輸出級調(diào)制振蕩器監(jiān)測器外調(diào)制輸入高頻信號發(fā)生器原理框圖8.3頻率合成式信號發(fā)生器

——頻率合成原理6.3頻率合成式信號發(fā)生器——頻率合成原理間接鎖相式合成法直接模擬頻率合成法（DAFS）（DirectAnalogFrequencySynthesis）直接數(shù)字頻率合成法（DDS）（DirectDigitalFrequencySynthesis）頻率合成的方法

8.3頻率合成式信號發(fā)生器

——直接模擬頻率合成法直接模擬頻率合成：采用模擬電路，利用倍頻、分頻、混頻以及濾波技術(shù)，對一個或多個基準頻率進行算術(shù)運算來產(chǎn)生所需頻率的方法。固定頻率合成晶體振蕩器÷D×Nfrfo基準頻率分頻系數(shù)倍頻系數(shù)輸出頻率為：8.3頻率合成式信號發(fā)生器

——直接模擬頻率合成法帶通13MHz10MHz1M2M34混頻可變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。晶振諧波發(fā)生器（倍頻）分頻（÷10）8MHz混頻（+）混頻（+）2MHz濾波分頻（÷10）濾波分頻（÷10）混頻（+）濾波6MHz3MHz直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz9MHz優(yōu)點：頻率切換迅速。缺點：電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。8.3頻率合成式信號發(fā)生器

——直接模擬頻率合成法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頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個基準頻率的基礎(chǔ)上合成不同的頻率。優(yōu)點：易于集成化，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，價格低、有良好的抑制寄生信號的能力等優(yōu)點。缺點：頻率切換時間相對較長。8.3頻率合成式信號發(fā)生器

——鎖相頻率合成法3頻率合成式信號發(fā)生器（5）輸出信號的非線性失真系數(shù)和頻譜純度Δf<捕捉帶寬則可以鎖定?！i相頻率合成法fo=fI，Δφ＝恒值是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需頻率的正弦信號。差頻式低頻信號發(fā)生器原理框圖鑒相器輸出誤差電壓ud=f(Δφ)缺點：頻率切換時間相對較長。鎖相環(huán)的基本形式直接模擬合成：1、頻率合成幾乎是無限的；差頻式低頻信號發(fā)生器原理框圖高頻信號發(fā)生器200KHz～30MHz；3頻率合成式信號發(fā)生器——直接模擬頻率合成法（DirectDigitalFrequencySynthesis）ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf

(a)(b)(c)開始：f0、fi→PD→LPF→VCO最后：f0=fi鎖相環(huán)相位負反饋控制系統(tǒng)(b)PD的鑒相特性(c)VCO的壓控特性

8.3頻率合成式信號發(fā)生器

——鎖相式頻率合成相位比較器，即鑒相器壓控振蕩器環(huán)路濾波器鑒相器：比較兩個輸入信號fo和fi的相位差，輸出與相位差成比例的電壓，這個電壓稱為誤差電壓udud鎖相環(huán)的工作原理Δf=f

o-f

i

，存在頻率差f

o=f

I，Δφ＝恒值失鎖捕捉過程鎖定（跟蹤狀態(tài)）（同步狀態(tài)）鑒相器鑒別出相位差Δφ＝f(t)鑒相器輸出誤差電壓ud=

f(

Δφ)壓控振蕩器輸出調(diào)整后的頻率f＝g(ud)f

o逐步靠近f

i頻率牽引階段快捕階段輸出頻率穩(wěn)定度可達基準頻率同一量級

8.3頻率合成式信號發(fā)生器

——鎖相式頻率合成

鎖相環(huán)的主要性能指標：同步帶寬：鎖定條件下輸入頻率fi所允許的最大變化范圍（或VCO頻率fo允許變化的最大范圍）。Δfi超過一定的范圍，輸出頻率就不能跟蹤輸入頻率的變化，即環(huán)路失鎖。同步帶寬表征環(huán)路的跟蹤性能。捕捉帶寬：環(huán)路最終能夠自行進入鎖定狀態(tài)的最大允許的頻差Δf=fo-fi。Δf<捕捉帶寬則可以鎖定。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，它只允許輸入頻率fi附近的頻率成分通過，而阻止遠離fi的頻率成分通過，所以也具有窄帶濾波性質(zhì)，其高頻截止頻率稱為環(huán)路帶寬。鎖相環(huán)的基本形式

⑴倍頻式鎖相環(huán)

倍頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率進行乘法運算，主要有兩種形式：諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)fo=Nfi倍頻式鎖相環(huán)原理圖（a）諧波倍頻環(huán)VCOPDLPFfo=Nfifi諧波形成Nfi（b）數(shù)字倍頻環(huán)VCOPDLPFfi÷Nfi×NPLLNfi（c）倍頻環(huán)簡化圖⑵分頻式鎖相環(huán)分頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率的除法運算，與倍頻環(huán)相似，也有兩種基本形式。fo=fi/N分頻式鎖相環(huán)原理圖VCOPDLPFfi×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)簡化圖鎖相環(huán)的基本形式⑷多環(huán)合成單元單環(huán)合成單元存在頻率點數(shù)目較少，頻率分辨率不高等缺點，所以一個合成式信號源都是由多環(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100～110KHz×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2（b）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VCO1PD1LPF1諧波形成Nfi1若N取330～500，間隔為13300～5000KHz直接模擬合成：1、頻率合成幾乎是無限的；2、頻率轉(zhuǎn)換時間主要由濾波器的響應(yīng)時間、頻率轉(zhuǎn)換開關(guān)的響應(yīng)時間以及信號的傳輸延遲時間等決定（us級）。3、混頻會引入寄生頻率分量，帶來相位雜散，所以必須采用大量濾波器以改善頻譜純度。鎖相合成：采用鎖相環(huán)，它本身相當于一個中心頻率能自動跟蹤輸入基準頻率的窄帶濾波器，有良好的抑制寄生信號的能力，鎖相環(huán)電路便于數(shù)字化、集成化、便于微機控制；但頻率轉(zhuǎn)換時間較長（ms級）。8.3頻率合成式信號發(fā)生器

——直接模擬合成與鎖相合成比較是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需頻率的正弦信號。它突破了頻率合成法的原理，從“相位”的概念出發(fā)進行頻率合成。這種合成方法不僅可以給出不同頻率的正弦波，而且還可以給出不同初始相位的正弦波，甚至可以