,第8章信號的產(chǎn)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(chǎn)生8.4直接數(shù)字合成技術(shù)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(biāo),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(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(biāo)準(zhǔn)信號源。,2.信號源的組成,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0.0001Hz1000Hz；低頻信號發(fā)生器1Hz1MHz；視頻信號發(fā)生器20Hz10MHz；高頻信號發(fā)生器200KHz30MHz；甚高頻信號發(fā)生器30KHz300MHz；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(biāo)可分為：一般信號發(fā)生器；標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器；,8.1.3正弦信號源的性能指標(biāo),1.頻率特性（1）頻率范圍（2）頻率準(zhǔn)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(zhǔn)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(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.低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器頻率范圍一般為20Hz20KHz，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,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300KHz1GHz，大多數(shù)具有調(diào)幅，調(diào)頻及脈沖調(diào)制等功能,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：,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(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、輸出幅度及極性等。,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(wǎng)絡(luò)、寬帶元器件的時域測試中，脈沖信號發(fā)生器相當(dāng)于頻域測試中的掃頻信號源。,快速脈沖信號的產(chǎn)生技術(shù)主要有：水銀開關(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)生器以及隧道二極管脈沖發(fā)生器等。,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(chǎn)生的脈沖前沿上升時間快達(dá)15ps，則其可用頻譜可以高達(dá)30GHz。,8.2.3函數(shù)信號發(fā)生器,1.多波形信號發(fā)生原理方波三角波發(fā)生器,C,設(shè)充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，則：,正弦波形成電路,其電路實現(xiàn)原理如下圖所示。,鋸齒波形成電路,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(jīng)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。,8.3鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生,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)來實現(xiàn)。,8.3.1頻率合成的基本概念,2.頻率合成分類及特點直接頻率合成通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法來產(chǎn)生一系列頻率信號并用窄帶濾波器選出，下圖是其實現(xiàn)原理。,優(yōu)點：頻率切換迅速，相位噪聲很低。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。,鎖相式頻率合成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(zhǔn)頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個基準(zhǔn)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，價格低等優(yōu)點。缺點：頻率切換時間相對較長，相位噪聲較大。,直接數(shù)字合成（DDS）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優(yōu)點：能實現(xiàn)快捷變和小步進(jìn)，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(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，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,可以實現(xiàn)快捷變，小步進(jìn)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(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)的主要性能指標(biāo):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(jìn)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)的基本形式倍頻式鎖相環(huán)倍頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率進(jìn)行乘法運(yùn)算，主要有兩種形式：諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán),分頻式鎖相環(huán)分頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率的除法運(yùn)算，與倍頻環(huán)相似，也有兩種基本形式。,混頻式鎖相環(huán)混頻環(huán)實現(xiàn)對頻率的加減運(yùn)算,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,實例分析：十進(jìn)頻率合成器,該頻率合成器中采用了十進(jìn)鎖相合成單元，輸出頻率是采用十進(jìn)數(shù)字盤來選擇，它可以提供更高的輸出頻率準(zhǔn)確度。目前十進(jìn)頻率合成器已作為一個標(biāo)準(zhǔn)頻率源而獲得廣泛應(yīng)用。,（1）十進(jìn)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2122MHz,DS-2的輸出加到合成單元DS-4，得到輸出頻率為101122MHz,合成單元DS-3輸出為10192MHz，DS-3與DS-4的輸出頻率加到混頻器M進(jìn)行相減，最后得到200Hz30MHz的輸出頻,十進(jìn)鎖相式頻率合成器組成框圖,(2)十進(jìn)鎖相合成單元,1）DS-1合成單元,2）DS-2合成單元,3）DS-3合成單元,4）DS-4合成單元,（3）輸出頻率的連續(xù)調(diào)節(jié),為了使輸出頻率連續(xù)可調(diào)，頻率合成器中加入了一個內(nèi)插振蕩器,當(dāng)選擇開關(guān)S置于1時，內(nèi)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(dāng)內(nèi)插振蕩器的開關(guān)S置于2時，VCO就作為一個頻率連續(xù)可調(diào)的振蕩器工作，調(diào)節(jié)電位器P，改變VCO的偏壓，可使它的輸出在1.2MHZ1.3MHZ之間連續(xù)變化。,8.3.3提高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù),1提高頻率分辨力的技術(shù)途徑,頻率增量越小，轉(zhuǎn)換時間越長，轉(zhuǎn)換時間的計算一般采用經(jīng)驗公式8.9。,在保證轉(zhuǎn)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,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。,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(nèi)，輸出信號為43個周期。每一次循環(huán)過程中，在ui各周期內(nèi)，累加器的值和其分頻系數(shù)如表8-1所示。,表8-1輸入信號每周期內(nèi)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(jìn),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(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后加到PD的輸出端就可以抵消該變化。,8.3.4擴(kuò)展頻率上限的鎖相合成技術(shù),擴(kuò)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(jìn)行固定模數(shù)為的分頻，然后再送到可編程分頻器進(jìn)行可變的分頻。,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(shù)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。,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分頻器的工作頻率為：fov分頻器的工作頻率為：fo（v）,由上式可知，當(dāng)變化時，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.直接數(shù)字合成技術(shù),DDS組成原理直接數(shù)字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和計算技術(shù)，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(diào)的信號。,8.直接數(shù)字合成基本原理,設(shè)取樣時鐘頻率為，正弦波每一周期由個取樣點構(gòu)成，則該正弦波的頻率為：,DDS的實現(xiàn)原理如下圖所示,輸出信號頻率fo:取決于兩個因數(shù)：參考時鐘頻率；ROM中存儲的正弦波；,如果地址計數(shù)器以步進(jìn)M（M=1)進(jìn)行累加，則可在fc和ROM數(shù)據(jù)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(dāng)改變地址計數(shù)器計數(shù)步進(jìn)值（即以值M來進(jìn)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(jìn)值改變可以通過相位累加法來實現(xiàn),為便于理解，可以將正弦波波形看作一個矢量沿相位圓轉(zhuǎn)動，相位圓對應(yīng)正弦波一個周期的波形。波形中的每個采樣點對應(yīng)相位圓上的一個相位點。,設(shè)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(dāng)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(yīng)用中一般取1M(N-2),8.2DDS頻率合成信號源,1單片集成化的DDS信號源,輸出,輸出,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(yīng)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。,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。,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(chǎn)生任意波形的信號發(fā)生器。,8.5.1任意波形發(fā)生器,1AWG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,2AWG的主要技術(shù)指標(biāo),波形編輯功能。輸出波形頻率。相位分辨力。幅度分辨率。輸出通道數(shù)。,函數(shù)、任意波形發(fā)生器,8.5.2合成掃頻信號源,1工作原理頻率特性測試的方法：點頻法和掃頻法,點頻法：逐點調(diào)整信號發(fā)生器的輸出頻率，并用電壓表等設(shè)備記錄被測系統(tǒng)的響應(yīng)。特點：準(zhǔn)確度高，但繁瑣費(fèi)時，頻率間隔較大。,掃頻法：是利用掃頻信號發(fā)生器輸出自動連續(xù)變化的頻率信號，對被測系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)式的掃頻測試。特點：簡單快捷，可以方便地測量系統(tǒng)的頻率特性及動態(tài)特性。,掃頻信號發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)：,正弦振蕩器在掃描電壓作用下，按一定規(guī)律在一定頻率范圍內(nèi)反復(fù)掃描。掃描電壓為鋸齒波或三角波:其頻率掃描規(guī)律為線性；掃描電壓為對數(shù)變化:頻率掃描規(guī)律是對數(shù)，對數(shù)掃頻常用于寬帶掃頻。,基于DDS的合成掃頻信號源,輸出信號頻率為(M/2N)fc，當(dāng)M在12N-1之間變化時，輸出頻率可在(1/2N)fc(1/2)fc范圍內(nèi)變化，當(dāng)M改變1時，fo的變化為(1/2N)fc。當(dāng)控制單元輸出的頻率控制字按一定規(guī)律變化時，則得到按相應(yīng)規(guī)律變化的掃頻信號。,由于DDS的輸出頻率上限較低，可以采用DDS與PLL組合的方式構(gòu)成掃頻信號源。,2合成掃頻信號源簡介,頻率合成式的掃頻信號