第8章信号的产生.ppt

电子测量原理电子测量原理第1页第第8 8章章 信号的产生信号的产生8.1 8.1 信号源概述信号源概述 8.2 8.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器 8.3 8.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生 8.4 8.4 直接数字合成技术直接数字合成技术 8.5 8.5 合成信号源简介合成信号源简介 电子测量原理电子测量原理第2页8.1 信号源概述信号源概述电子测量原理电子测量原理第3页8.1.1 信号源在电子测量中的作用和组成信号源在电子测量中的作用和组成1.1.信号源的作用信号源的作用 信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。或不规则波形的信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面：信号源的用途主要有以下三方面：激励源。激励源。信号仿真。信号仿真。标准信号源。标准信号源。电子测量原理电子测量原理第4页信号信号输出输出主振器主振器缓冲缓冲调制调制输出输出电电 源源监测监测信号发生器结构框图信号发生器结构框图电子测量原理电子测量原理第5页8.1.2 8.1.2 信号源的分类信号源的分类按频率范围按频率范围 大致可分为六类：大致可分为六类：电子测量原理电子测量原理第6页2.2.按输出波形按输出波形,大致可分为：大致可分为：3.3.按照信号发生器的性能指标按照信号发生器的性能指标 可分为：可分为：电子测量原理电子测量原理第7页8.1.3 8.1.3 正弦信号源的性能指标正弦信号源的性能指标1.1.频率特性频率特性%100ooofffff%100minmaxofff电子测量原理电子测量原理第8页2.2.输出特性输出特性u（1 1）输出电平范围。）输出电平范围。u（2 2）输出电平的频响）输出电平的频响u（3 3）输出电平准确度）输出电平准确度u（4 4）输出阻抗）输出阻抗u（5 5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。3.调制特性调制特性的恒量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频偏，调制线性等。电子测量原理电子测量原理第9页1.1.低频信号发生器低频信号发生器u 低频信号发生器频率范围一般为低频信号发生器频率范围一般为20Hz20Hz20KHz20KHz，故又称音，故又称音频信号发生器频信号发生器8.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器8.2.1 正弦信号发生器主振级主振级缓冲缓冲放大放大电平电平控制控制功率功率放大放大衰减器衰减器阻抗阻抗变换变换电平调节电平调节波段波段调节调节频率频率细调细调电平指示电平指示低频信号发生器组成原理低频信号发生器组成原理电子测量原理电子测量原理第10页2.2.高频信号发生器高频信号发生器u 高频信号发生器输出频率范围一般在高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz，大，大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能输出输出主振级主振级波段波段选择选择频率频率细调细调缓冲缓冲调制级调制级输出级输出级调制振荡器调制振荡器监测器监测器外调制外调制输入输入高频信号发生器原理框图高频信号发生器原理框图电子测量原理电子测量原理第11页8.2.2 8.2.2 脉冲信号发生器脉冲信号发生器u 常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等码序列等 ：u ut to o（a a）矩形波）矩形波u ut to o（b b）锯齿波）锯齿波u ut to o（c c）阶梯波）阶梯波u ut to o（d d）钟形脉冲）钟形脉冲u ut to o（e e）数字编码序列）数字编码序列 常见的脉冲信号常见的脉冲信号u 脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器、数脉冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器、数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。电子测量原理电子测量原理第12页1.1.通用脉冲发生器通用脉冲发生器u 通用脉冲发生器能够满足一般测试的要求，能够调节脉冲通用脉冲发生器能够满足一般测试的要求，能够调节脉冲重复频率、脉冲宽度、输出幅度及极性等。重复频率、脉冲宽度、输出幅度及极性等。输出输出脉宽，上升脉宽，上升/下降沿下降沿控制控制主振级主振级同步放大同步放大延时级延时级脉冲形成脉冲形成输出级输出级同步脉冲输出同步脉冲输出外同步外同步触发输入触发输入外触发外触发同步脉冲输出同步脉冲输出脉冲信号发生器组成原理脉冲信号发生器组成原理电子测量原理电子测量原理第13页2.2.快速（广谱）脉冲发生器快速（广谱）脉冲发生器u 在时域测试中，快速脉冲信号发生器用来提供广谱的激励在时域测试中，快速脉冲信号发生器用来提供广谱的激励信号，尤其在微波网络、宽带元器件的时域测试中，脉冲信号，尤其在微波网络、宽带元器件的时域测试中，脉冲信号发生器相当于频域测试中的扫频信号源。信号发生器相当于频域测试中的扫频信号源。u 快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及隧道二极管脉冲发生器等。隧道二极管脉冲发生器等。V VD DR RC CR RO OK KR RL L水银开关脉冲发生器原理水银开关脉冲发生器原理电子测量原理电子测量原理第14页50mV/DIV30dB1 ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)过度持续时间为过度持续时间为1ns的脉冲发生器前沿及其频谱的脉冲发生器前沿及其频谱50mV/DIV100 ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)隧道二极管脉冲发生器前沿及其频谱隧道二极管脉冲发生器前沿及其频谱 例如一个前沿上升时间为例如一个前沿上升时间为1ns1ns的脉冲，其可用频谱分量为的脉冲，其可用频谱分量为1GHz1GHz，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快达达15ps15ps，则其可用频谱可以高达，则其可用频谱可以高达30GHz30GHz。电子测量原理电子测量原理第15页8.2.3 8.2.3 函数信号发生器函数信号发生器1.1.多波形信号发生原理多波形信号发生原理u 方波三角波发生器方波三角波发生器C双稳态双稳态电路电路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波发生器原理框图方波、三角波发生器原理框图V1)(221VVCIfsc设充放电电流为I，输出三角波的频率为fsc，则：电子测量原理电子测量原理第16页utiustusct分段折线逼近波形综合分段折线逼近波形综合n其电路实现原理如下图所示。其电路实现原理如下图所示。分段逼近波形综合电路分段逼近波形综合电路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B电子测量原理电子测量原理第17页ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）锯齿波的获得原理锯齿波的获得原理 锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（a a）所）所示三角波与图（示三角波与图（b b）所示方波直接叠加就可得到图（）所示方波直接叠加就可得到图（c c）所）所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（d d）所示）所示的锯齿波。的锯齿波。电子测量原理电子测量原理第18页2.2.函数发生器的性能和组成函数发生器的性能和组成u 函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波等波形，函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波等波形，具有较宽的频率范围（具有较宽的频率范围（0.1Hz0.1Hz几十几十MHzMHz）及较稳定的频）及较稳定的频率。率。频率频率控制控制网络网络三角波三角波缓冲器缓冲器正弦波综正弦波综合及缓冲合及缓冲正恒正恒流源流源负恒负恒流源流源比较器比较器方波方波缓冲器缓冲器外外部部频频率率控控制制函数函数选择选择及其及其它波它波形产形产生生输出输出放大放大输出输出滤波滤波直流直流补偿补偿积分积分电路电路函数发生器基本组成原理函数发生器基本组成原理电子测量原理电子测量原理第19页8.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生1.1.频率合成原理频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。8.3.1 8.3.1 频率合成的基本概念频率合成的基本概念频率频率1 1输出输出石英晶体石英晶体代数运算代数运算（加、减、乘、除）（加、减、乘、除）频率合成原理频率合成原理频率频率n n输出输出基准频率基准频率电子测量原理电子测量原理第20页2.2.频率合成分类及特点频率合成分类及特点u 直接频率合成直接频率合成 通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。信号并用窄带滤波器选出，下图是其实现原理。晶振晶振谐波发生器（倍频）谐波发生器（倍频）分频（分频（1010）8MHz8MHz混频（混频（+）混频（混频（+）2MHz2MHz滤波滤波分频（分频（1010）2.8MHz2.8MHz滤波滤波0.28MHz0.28MHz分频（分频（1010）混频（混频（+）滤波滤波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz优点：优点：频率切换迅速，相位噪声很低。频率切换迅速，相位噪声很低。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。电子测量原理电子测量原理第21页电子测量原理电子测量原理第22页u 3.3.频率合成技术的发展频率合成技术的发展 各种频率合成方式的综合各种频率合成方式的综合:直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成技术都直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成技术都有其优缺点有其优缺点 ，单独使用任何一种方法，很难满足要求。，单独使用任何一种方法，很难满足要求。因此可将这几种方法综合应用，特别是因此可将这几种方法综合应用，特别是DDSDDS与与PLLPLL的结合的结合,可以实现快捷变，小步进及较高的频率上限。可以实现快捷变，小步进及较高的频率上限。电子测量原理电子测量原理第23页8.3.2 8.3.2 锁相环（锁相环（PLLPLL）的基本概念）的基本概念u 1.1.锁相环基本工作原理及性能锁相环基本工作原理及性能 u 锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（器（PDPD）、环路滤波器（）、环路滤波器（LPFLPF）、电压控制振荡器（）、电压控制振荡器（VCOVCO）及基准晶体振荡器等部分组成及基准晶体振荡器等部分组成 。锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量原理电子测量原理第24页u同步带宽同步带宽电子测量原理电子测量原理第25页2.2.锁相环的基本形式锁相环的基本形式 （a）谐波倍频环谐波倍频环VCOPDLPFfO=Nfifi谐波谐波形成形成Nfifo=Nfi（b）数字倍频环）数字倍频环VCOPDLPFfiN倍频式锁相环原理图倍频式锁相环原理图fiNPLLNfi（c）倍频环简化图）倍频环简化图电子测量原理电子测量原理第26页分频式锁相环原理图分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b）数字分频环）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波谐波形