第8章信號的產生

第8章信號的產生8.1信號源概述8.2正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器8.3鎖相頻率合成信號的產生8.4直接數(shù)字合成技術8.5合成信號源簡介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8.1.1信號源在電子測量中的作用和組成1.信號源的作用信號源是能夠產生不同頻率、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?！钚盘柗抡??！顦藴市盘栐?。2.信號源的組成信號輸出主振器緩沖調制輸出電源監(jiān)測信號發(fā)生器結構框圖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；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

2.輸出特性（1）輸出電平范圍。（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.調制特性調制特性的恒量指標主要包括調制頻率，調幅系數(shù)，最大頻偏，調制線性等。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節(jié)波段調節(jié)頻率細調電平指示低頻信號發(fā)生器組成原理2.

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)具有調幅，調頻及脈沖調制等功能輸出主振級波段選擇頻率細調緩沖調制級輸出級調制振蕩器監(jiān)測器外調制輸入高頻信號發(fā)生器原理框圖8.2.2脈沖信號發(fā)生器常見的脈沖信號有矩形、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)字編碼序列常見的脈沖信號脈沖發(fā)生器的分類（根據用途和產生脈沖的方法）：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試的要求，能夠調節(jié)脈沖重復頻率、脈沖寬度、輸出幅度及極性等。輸出脈寬，上升/下降沿控制主振級同步放大延時級脈沖形成輸出級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發(fā)生器組成原理2.快速（廣譜）脈沖發(fā)生器在時域測試中，快速脈沖信號發(fā)生器用來提供廣譜的激勵信號，尤其在微波網絡、寬帶元器件的時域測試中，脈沖信號發(fā)生器相當于頻域測試中的掃頻信號源。快速脈沖信號的產生技術主要有：水銀開關脈沖發(fā)生器、雪崩晶體管脈沖發(fā)生器、階躍恢復二極管脈沖發(fā)生器以及隧道二極管脈沖發(fā)生器等。VDRCROKRL水銀開關脈沖發(fā)生器原理50mV/DIV×30dB1ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)過度持續(xù)時間為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前沿上升時間為1ns的脈沖，其可用頻譜分量為1GHz，而隧道二極管脈沖發(fā)生器產生的脈沖前沿上升時間快達15ps，則其可用頻譜可以高達30GHz。8.2.3函數(shù)信號發(fā)生器1.多波形信號發(fā)生原理⑴方波三角波發(fā)生器C雙穩(wěn)態(tài)電路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波發(fā)生器原理框圖V1設充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，則：⑵正弦波形成電路utiustusct分段折線逼近波形綜合其電路實現(xiàn)原理如下圖所示。分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B⑶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）所示的交錯鋸齒波，再經過全波整流，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。頻率控制網絡三角波緩沖器正弦波綜合及緩沖正恒流源負恒流源比較器方波緩沖器外部頻率控制函數(shù)選擇及其它波形產生輸出放大輸出濾波直流補償積分電路函數(shù)發(fā)生器基本組成原理8.3鎖相頻率合成信號的產生頻率合成原理頻率的代數(shù)運算是通過倍頻、分頻及混頻技術來實現(xiàn)。8.3.1頻率合成的基本概念頻率1輸出石英晶體代數(shù)運算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準頻率2.頻率合成分類及特點⑴直接頻率合成

通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法來產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）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：頻率切換迅速，相位噪聲很低。缺點：電路硬件結構復雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。⑵鎖相式頻率合成

一種間接式的頻率合成技術。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上合成不同的頻率。優(yōu)點：易于集成化，體積小，結構簡單，功耗低，價格低等優(yōu)點。缺點：頻率切換時間相對較長，相位噪聲較大。

⑶直接數(shù)字合成（DDS）

是基于取樣技術和數(shù)字計算技術來實現(xiàn)數(shù)字合成，產生所需頻率的正弦信號優(yōu)點：能實現(xiàn)快捷變和小步進，且集成度高，體積小缺點：頻率上限較低，雜散也較大。3.頻率合成技術的發(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)字式頻率合成技術都有其優(yōu)缺點，單獨使用任何一種方法，很難滿足要求。因此可將這幾種方法綜合應用，特別是DDS與PLL的結合,可以實現(xiàn)快捷變，小步進及較高的頻率上限。8.3.2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)是一個相位環(huán)負反饋控制系統(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）及基準晶體振蕩器等部分組成。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd鎖相環(huán)的主要性能指標:同步帶寬：鎖定條件下輸入頻率所允許的最大變化范圍捕捉帶寬：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)（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。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)簡化圖⑶混頻式鎖相環(huán)混頻環(huán)實現(xiàn)對頻率的加減運算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)簡化圖（d）相減環(huán)簡化圖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+fi23400～5100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（－）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1內插振蕩器環(huán)1環(huán)2倍頻環(huán)加法混頻環(huán)（a）雙環(huán)合成器原理結構框圖100～110KHz×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2（b）雙環(huán)合成器簡化結構框圖雙環(huán)合成器原理結構圖VCO1PD1LPF1諧波形成實例分析：十進頻率合成器

該頻率合成器中采用了十進鎖相合成單元，輸出頻率是采用十進數(shù)字盤來選擇，它可以提供更高的輸出頻率準確度。目前十進頻率合成器已作為一個標準頻率源而獲得廣泛應用。（1）十進頻率合成器組成五個DS-1合成單元串接起來，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進行相減，最后得到200Hz～30MHz的輸出頻DS-10-9×1HzDS-10-9×10HzDS-10-9×100HzDS-10-9×1KHzDS-10-9×10KHzDS-20-9×100KHzDS-40-2×10MHzDS-30-2×1MHz21～22MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz1.2～1.3MHz≈內插振蕩器0～1Hz1.2～1.3MHz9MHz100KHzM（-）101～92MHz101～122MHz200Hz～30MHz×÷5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5十進鎖相式頻率合成器組成框圖

(2)十進鎖相合成單元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“×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)21～22MHz101～122MHzDS-4原理框圖基準倍頻環(huán)5MHzVCOPDLPF諧波形成1：90MHz2：100MHz（3）輸出頻率的連續(xù)調節(jié)為了使輸出頻率連續(xù)可調，頻率合成器中加入了一個內插振蕩器VCOPDLPF1.2～1.3MHz100KHz諧波形成內插振蕩器組成框圖基準12S+P當選擇開關S置于1時，內插振蕩器是一個倍頻環(huán)，它輸出一個1.2MHz的固定點頻，此時頻率合成器只能輸出離散頻率。當內插振蕩器的開關S置于2時，VCO就作為一個頻率連續(xù)可調的振蕩器工作，調節(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。8.3.3提高頻率分辨力的鎖相合成技術1提高頻率分辨力的技術途徑

頻率增量越小，轉換時間越長，轉換時間的計算一般采用經驗公式8.9。

在保證轉換時間不便的前提下，提高頻率分辨力的途徑主要有：多環(huán)頻率合成法；小數(shù)分頻法。

2多環(huán)頻率合成法下面是一個三環(huán)鎖相頻率合成器原理框圖

三環(huán)PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfi÷NB÷MVCOCPDCLPFC－BPFfoVCOAPDALPFA+÷NAfA×NAPLL+PLL÷M×NBPLLfifo三環(huán)合成器簡化框圖fBfA環(huán)A輸出頻率為:環(huán)B的輸出頻率為:由環(huán)C有：因此，合成器的輸出頻率為：3小數(shù)分頻法

小數(shù)分頻是通過可變分頻和多次平均的辦法實現(xiàn)例如要實現(xiàn)4.3的小數(shù)分頻，只要在10次分頻中作7（即10-3）次除4，3次除5就可以得到。又如，要實現(xiàn)7.32的小數(shù)分頻，只要在每100次分頻中作68（100-32）次除7，32次除8即可。VCOPDLPFuifi÷NfoN存儲器F存儲器uo脈沖刪除接口小數(shù)分頻實現(xiàn)電路圖OVFACCU例:分頻比為4.3的實現(xiàn)過程若分頻比為4.3,則在輸入信號的10個周期內，輸出信號為43個周期。每一次循環(huán)過程中，在ui各周期內，累加器的值和其分頻系數(shù)如表8-1所示。序號12345678910累加值0.30.60.90.20.50.80.10.40.70分頻系數(shù)4445445445表8-1輸入信號每周期內的分頻系數(shù)和累加值（分頻比為4.3）小數(shù)分頻電路的改進小數(shù)分頻時,輸入輸出頻率之比不是整數(shù),使得鑒相器的輸出出現(xiàn)階梯電壓變化，這個電壓加到VCO上會使得合成器頻譜變差。同時累加值（累加器ACCU中的存數(shù)）恰好也是與其一致的階梯變化，因此將該數(shù)據進行D/A轉換后加到PD的輸出端就可以抵消該變化。VCOPDLPFurfr÷NDACfoN存儲器F存儲器uo脈沖刪除接口﹢改進的小數(shù)分頻實現(xiàn)電路圖+OVFACCU-8.3.4擴展頻率上限的鎖相合成技術擴展頻率上限的方法:前置分頻器法;多模分頻器法。1前置分頻器法前置分頻法是在反饋回路加一個前置的固定分頻器，先將輸出頻率進行固定模數(shù)為的分頻，然后再送到可編程分頻器進行可變的分頻。前置分頻鎖相頻率合成器PDLPFVCO÷N÷M模數(shù)控制fifofd該方法使頻率上限提高了M倍，但頻率分辨力下降了M倍。2多模分頻鎖相頻率合成技術多摸分頻器:模值（分頻比）可以在多個固定的值上改變的分頻器,多模分頻器的最高工作頻率雖不如固定的前置分頻器高，但比可變分頻器高得多。PDLPFVCO÷N1÷N2V/V+1fifo變模分頻器模式控制雙模分頻鎖相頻率合成器置初值N1輸出到鑒相器的一個參考周期中，包含的VCO輸出信號的周期數(shù)N為:在鎖相環(huán)鎖定的情況下，合成器輸出頻率為：此時雙模分頻器的工作頻率為：fo分頻器Ｎ１的工作頻率為：fo／v分頻器Ｎ２的工作頻率為：fo／（v＋１）

由上式可知，當Ｎ２變化１時，fo變化為fi，即輸出頻率分辨力為fi．因此在保持頻率分辨力不變的前提下提高了合成器的最大輸出頻率。8.４直接數(shù)字合成技術１DDS組成原理直接數(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的信號。8.４.１直接數(shù)字合成基本原理

設取樣時鐘頻率為，正弦波每一周期由Ｎ個取樣點構成，則該正弦波的頻率為：DDS的實現(xiàn)原理如下圖所示地址計數(shù)器（÷N）正弦波ROM存儲器D/ALPFfcfoDDS組成原理輸出信號頻率fo:取決于兩個因數(shù)：⑴參考時鐘頻率；⑵ROM中存儲的正弦波；如果地址計數(shù)器以步進M（M>=1)進行累加，則可在fc和ROM數(shù)據不變的情況下改變輸出頻率，此時fo為：2相位累加器原理

當改變地址計數(shù)器計數(shù)步進值（即以值M來進行累加），同樣可以改變每周期采樣點數(shù)，從而實現(xiàn)輸出頻率的改變。地址計數(shù)器步進值改變可以通過相位累加法來實現(xiàn)相位鎖存器頻率控制字M相位累加器fr波形存儲RAMD/A轉換LPFfo24～48位14～16位相位累加器原理為便于理解，可以將正弦波波形看作一個矢量沿相位圓轉動，相位圓對應正弦波一個周期的波形。波形中的每個采樣點對應相位圓上的一個相位點。步進點數(shù)2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248數(shù)字相位圓設相位累加器位數(shù)為N，頻率控制字為M，參考時鐘頻率為fc，則DDS輸出頻率為：截斷誤差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作為存儲器地址，使得相位的低位被截斷（即相位截尾）。當相位值變化小于1/2A時，波形幅值并不會發(fā)生變化，但輸出頻率的分辨率并不會降低，由于地址截斷而引起的幅值誤差，稱為截斷誤差。實際應用中一般取1≤M≤(N-2)8.４.2DDS頻率合成信號源1單片集成化的DDS信號源

輸出輸出串/并選擇6位地址或串行編程8位并行數(shù)據FSK/BPSK/HOLD數(shù)據輸入4×～20×參考時鐘倍乘頻率累加器相位偏移及調制+相位累加器相位轉換器300MHzDDS參考時鐘濾波器濾波器12位D/AM/DAC復位12位D/A頻率控制字/相位字啟停邏輯I/O更新讀寫可編程寄存器48位頻率控制字14位相位偏移/調制I/O端口緩沖12位AM調制比較器模擬輸入時鐘輸出AD9854DDS結構+-2基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源

單片集成的DDS芯片合成信號波形的種類較少，靈活性較差，不便于任意波發(fā)生器等場合的應用?；诳删幊绦酒瑢崿F(xiàn)的DDS信號合成可具有更大的靈活性。相位累加器參考時鐘相位調制器D/A轉換濾波CPU接口輸出頻率控制字波形存儲器SRAM基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源3DSS/PLL組合的頻率合成信號源

DDS與PLL組合的合成信號源可以有多種形式，下圖是一種環(huán)外混頻式DDS/PLL頻率合成的原理。PDLPFVCO÷KDDS混頻器帶通濾波frfcfoDDS/PLL混頻式頻率合成原理fPfD基準信號源此時輸出頻率為：8.5合成信號源簡介任意波發(fā)生器（AibitrayWaveGenerator）：能產生任意波形的信號發(fā)生器。8.5.1任意波形發(fā)生器1

AWG的工作原理任意波形發(fā)生器的原理與DDS基本相同，如下圖所示波形存儲器D/A轉換器濾波器fs輸出任意波形發(fā)生器原理2AWG的主要技術指標

①