1、2020/9/8,1,第四章 信號發(fā)生器,4.1 信號發(fā)生器概述 4.2 模擬信號發(fā)生器 4.3 合成信號發(fā)生器 4.4 射頻合成信號發(fā)生器,2020/9/8,2,4.1 信號發(fā)生器概述,一、信號源的作用和組成 二、信號源的分類 三、正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo),2020/9/8,3,一、信號源的作用和組成,1.信號源的作用 為測試或?qū)嶒炋峁┓弦欢娂夹g(shù)要求的電信號（產(chǎn)生頻率可調(diào)、幅度可調(diào)的規(guī)則或不規(guī)則波形的電信號）。 信號源的用途主要有以下三方面： 激勵信號源 實際信號的仿真 標(biāo)準(zhǔn)信號源,2020/9/8,4,2. 信號源的組成,2020/9/8,5,二、信號源的分類,3. 按頻率產(chǎn)生分,諧振

2、-由頻率選擇回路控制正反饋產(chǎn)生振蕩。,合成-由基準(zhǔn)頻率通過加、減、乘除組合一系列頻率。,4. 按頻率范圍分,實用頻段劃分,2020/9/8,9,三、正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo),1. 頻率范圍 指信號發(fā)生器所產(chǎn)生信號的頻率范圍，該范圍內(nèi)既可連續(xù)又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋，在此范圍內(nèi)應(yīng)滿足全部誤差要求。 2. 頻率準(zhǔn)確度 頻率準(zhǔn)確度是指信號發(fā)生器度盤（或數(shù)字顯示）數(shù)值與實際輸出信號頻率間的偏差，通常用相對誤差表示,2020/9/8,10,3. 頻率穩(wěn)定度,頻率穩(wěn)定度是指其它外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內(nèi)，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，頻率穩(wěn)定度又分為短期頻率

3、穩(wěn)定度和長期頻率穩(wěn)定度。,頻率穩(wěn)定度指標(biāo)要求與頻率準(zhǔn)確度相關(guān)，頻率準(zhǔn)確度是由頻率穩(wěn)定度來保證的。,2020/9/8,11,4. 輸出阻抗,低頻信號發(fā)生器電壓輸出阻抗一般為600（或1k），功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計而定，通常有50、75、150、600和5 k等檔,高頻信號發(fā)生器一般僅有50或75檔。,信號發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負(fù)載的條件下標(biāo)定的，若負(fù)載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數(shù)是不準(zhǔn)確的。,2020/9/8,12,5. 輸出電平,輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍，即由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率在其衰減范圍內(nèi)所得到輸出幅度的有效范圍

4、。,討論：,信號發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負(fù)載的條件下按正弦波有效值標(biāo)定的。,50,50，匹配時 100mv,200mv,不匹配時，不確知。示波器輸入阻抗高約1M，故顯示200mv,為什么？,6. 失真度與頻譜純度,定義,低頻信號發(fā)生器用失真度或失真系數(shù),高頻信號發(fā)生器用頻譜純度,2020/9/8,14,7. 調(diào)制特性 高頻信號發(fā)生器在輸出正弦波的同時，一般還輸出一種或一種以上的已被調(diào)制的信號，多數(shù)情況下是調(diào)幅AM信號和調(diào)頻FM信號，有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制PM等功能。 調(diào)制特性的指標(biāo)主要包括調(diào)制類型，如：調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相、脈沖調(diào)制、視頻調(diào)制等 其他指標(biāo)還包括：調(diào)制頻率范圍，調(diào)制系數(shù)，最大頻

5、偏，調(diào)制線性度，寄生調(diào)制等。,2020/9/8,15,3.2 模擬信號發(fā)生器,一、正弦信號發(fā)生器 二、脈沖信號發(fā)生器 三、函數(shù)信號發(fā)生器 四、噪聲信號發(fā)生器,2020/9/8,16,1. 低頻信號發(fā)生器 低頻信號發(fā)生器頻率范圍一般為Hz1MHz，而20Hz20KHz范圍又稱音頻信號發(fā)生器,一、正弦信號發(fā)生器,2020/9/8,17,外差式低頻信號發(fā)生器組成原理,外差式信號發(fā)生器的最大優(yōu)點是可以提高頻率覆蓋范圍，且在整個低頻段內(nèi)頻率連續(xù)可調(diào)，不需要更換頻段。,2020/9/8,18,RC振蕩器原理電路（文氏電橋）,2020/9/8,19,文氏橋正反饋電路：,可見，當(dāng) 時，RC振蕩器滿足起振條件。

6、而具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻組成的分壓電路產(chǎn)生的負(fù)反饋電壓起自動穩(wěn)幅的作用。,2020/9/8,21,2.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)制等調(diào)制信號輸出,高頻信號發(fā)生器原理框圖,2020/9/8,22,高頻信號發(fā)生器的主振級一般采用LC三點式振蕩電路，通常固定電感，改變電容來調(diào)整振蕩頻率，所以也采用波段式調(diào)節(jié)，但這時頻率覆蓋范圍是有限的，可通過下式進(jìn)行估算： 。,2020/9/8,23,高頻信號發(fā)生器輸出阻抗常取50、75歐姆等數(shù)值，輸出電壓的讀數(shù)也是在匹配負(fù)載的條件下標(biāo)定的。 若負(fù)載與信號源輸出阻抗不匹配，則信號源輸出電壓的讀

7、數(shù)是不準(zhǔn)確的，需要增加阻抗變換電路。,2020/9/8,24,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。,脈沖信號發(fā)生器組成原理,二、脈沖信號發(fā)生器,2020/9/8,25,主振級一般采用自激多諧振蕩、晶體振蕩器或鎖相振蕩器產(chǎn)生矩形波,2020/9/8,26,三、函數(shù)信號發(fā)生器 函數(shù)發(fā)生器能輸出方波，三角波，鋸齒波，正弦波等多種輸出波形，具有較寬的頻率范圍（0.1Hz幾十MHz）及較穩(wěn)定的頻率，分為正弦式函數(shù)信號發(fā)生器和脈沖式函數(shù)信號發(fā)生器。,正弦式函數(shù)發(fā)生器基本組成原理,2020/9/8,27,鋸齒波形成電路,將圖(a)所示三角波與圖(b)所示方

8、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。,2020/9/8,28,四、噪聲發(fā)生器 噪聲信號源主要系統(tǒng)性能測試提供測試用噪聲信號。,噪聲發(fā)生器基本組成原理,2020/9/8,29,3.3 合成信號發(fā)生器,一、頻率合成的基本概念 二、間接鎖相頻率合成（PLL） 三、直接數(shù)字頻率合成(DDS) 四、頻率合成技術(shù)的進(jìn)展,2020/9/8,30,頻率合成方法,2020/9/8,31,1.頻率合成原理 通過對基準(zhǔn)頻率的代數(shù)運算(倍頻、分頻及混頻)產(chǎn)生所需頻率，特點是輸出信號頻率具有與基準(zhǔn)頻率相同的頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度。,一、頻率合成的基本概念,2020/

9、9/8,32,2. 頻率合成方法分類及特點 直接模擬頻率合成 通過模擬電路實現(xiàn)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所需頻率的信號.,優(yōu)點：頻率切換迅速，頻率分辨率高，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。,2020/9/8,33,固定頻率合成法,2020/9/8,34,可變頻率合成法,=216(2.02.9)MHz=(20.020.9)MHz,=（2.000002.09999）MHz,2020/9/8,36,（2）直接數(shù)字頻率合成（DDS） DDS是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)來實現(xiàn)頻率的數(shù)字合成，產(chǎn)生所需頻率的輸出信號 優(yōu)點：能

10、實現(xiàn)不同頻率、不同初始相位的任意波形輸出，且集成度高，體積小 缺點：頻率上限較低，雜散也較大。,2020/9/8,37,（3）間接鎖相頻率合成 一種間接式的頻率合成技術(shù)。它利用鎖相環(huán)（phase locked loop, 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)上合成不同的輸出頻率。 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。,2020/9/8,38,各種頻率合成方式的綜合: 直接模擬頻率合成、直接數(shù)字頻率合成和間接鎖相頻率合成技術(shù)都有其優(yōu)缺點，單獨使用其中一種方法

11、都有一定的局限性，很難滿足作為信號源的要求。因此一般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)及較高的輸出頻率上限。,2020/9/8,39,二、間接鎖相（PLL）頻率合成,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）、壓控振蕩器（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,2020/9/8,40,鑒相器 (PD) 鑒相器又稱為相位比較器，具有乘法特性，鑒相器對兩路輸入信號的相位進(jìn)行比較，其輸出的誤差電壓正比于兩個輸入電壓的相位差。 可以證明，鑒相器輸出電壓為： 當(dāng) 有,2020/9

12、/8,41,環(huán)路濾波器 (LPF) 環(huán)路濾波器是一個RC低通濾波器，濾除相位比較器輸出誤差電壓中的高頻成分和干擾噪聲，達(dá)到穩(wěn)定環(huán)路工作和改善環(huán)路性能的作用。,2020/9/8,42,壓控振蕩器 (VCO) 壓控振蕩器是在普通的調(diào)諧式振蕩電路中改用變?nèi)荻O管作為回路電容，通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的反向偏置電壓可以改變變?nèi)荻O管的結(jié)電容，從而調(diào)節(jié)振蕩電路的輸出頻率，壓控振蕩器一般又稱為電壓控制振蕩器或變?nèi)荻O管掃頻振蕩器。,2020/9/8,43,變?nèi)荻O管壓控振蕩器,2020/9/8,44,壓控振蕩器是基于變?nèi)荻O管的PN結(jié)在反向偏置時，結(jié)電容CD與反向偏置電壓U有如下關(guān)系 其中： ：變?nèi)荻O管結(jié)電容

13、 ：零偏置時的結(jié)電容 ：外加反向偏置電壓 ：接觸電位差，如硅管約為0.7V : 電容變化指數(shù)，取決于PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布,2020/9/8,45,在滿足一定條件的情況下，壓控振蕩器輸出頻率正比于變?nèi)荻O管反向偏置電壓，即壓控反向電壓控制輸出振蕩頻率：,2020/9/8,46,當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，壓控振蕩器的輸出頻率等于鎖相環(huán)的基準(zhǔn)輸入頻率，兩信號之間只存在穩(wěn)態(tài)相位差，沒有頻率差，使輸出信號頻率與基準(zhǔn)信號頻率具有相同的頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度等級。 鎖相環(huán)具有濾波特性，它的頻帶可以做的很窄，中心頻率便于調(diào)節(jié)，輸出頻率可以自動跟蹤輸入頻率的變化，所以鎖相環(huán)電路是一種能夠自動實現(xiàn)相位同步的自動跟

14、蹤系統(tǒng)。,2020/9/8,47,鎖相環(huán)的主要指標(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。,2020/9/8,48,2. 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)行乘法運算，主要有兩種形式：諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)。,倍頻式鎖相環(huán)原理圖,2020/9/8,49, 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：諧波分頻環(huán)和數(shù)字分頻環(huán)。,分頻式鎖相環(huán)原理圖,2020/9/8,50, 混頻式鎖

15、相環(huán) 混頻環(huán)實現(xiàn)對頻率的加、減運算。,混頻鎖相環(huán),2020/9/8,51,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+ fi2,fi2,fi1,fo-Nfi1,Nfi1,倍頻環(huán),加法混頻環(huán),2020/9/8,52,2020/9/8,53,實例分析：十進(jìn)頻率合成信號源,該頻率合成信號源采用十進(jìn)鎖相合成單元，輸出頻率通過十進(jìn)數(shù)字撥盤來選擇。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

16、 , 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的輸出頻率。,2020/9/8,54,十進(jìn)鎖相式頻率合成信號源組成框圖,頻率合成單元,基準(zhǔn)頻率,十進(jìn)數(shù)字撥盤,內(nèi)插頻率源,2020/9/8,55,（1）DS-1合成單元,09,2020/9/8,56,（2）DS-2合成單元,09,2020/9/8,57,（3）DS-3合成單元,09,2020/9/8,58,（4）DS-4合成單元,02,2020/9/8,59,（5）輸出頻率的連續(xù)調(diào)節(jié),為了使輸出頻

17、率連續(xù)可調(diào)，十進(jìn)頻率合成信號源中加入了一個內(nèi)插頻率振蕩器,01Hz,2020/9/8,60,1. DDS組成原理 直接數(shù)字合成（Direct Digital Frequency Synthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和數(shù)字技術(shù)，通過數(shù)字合成方式生成頻率和初始相位可調(diào)的信號。,三、直接數(shù)字頻率合成（DDS）,AD9850是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的DDS單片頻率合 成器，在DDFS的ROM中已預(yù)先存入正弦函數(shù)表：其幅度按 二進(jìn)制分辨率量化；其相位一個周期360按 的分辨率設(shè)立相位取樣點，然后存入ROM的相應(yīng)地址中。,2020/9/8,62,2. 相位累加器原理,當(dāng)改變地址計

18、數(shù)器計數(shù)步進(jìn)值（即以k來進(jìn)行累加），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),2020/9/8,63,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。,步進(jìn),數(shù)字相位圓,若隔一個相位點讀一次，則輸出頻率就會提高一倍。依次類推 可得輸出頻率的一般表達(dá)式,式中k 為頻率碼，是個32位的二進(jìn)制值，可寫成：,輸出頻率為：,2020/9/8,66,設(shè)相位累加器位數(shù)為N，頻率控制字為k，參考時鐘頻率為fc，則DDS輸出頻率為：,實際應(yīng)用中一般取1M2N-2，即,2020/9/8,67,3.

19、單片集成化的DDS信號源,2020/9/8,68,1. 三種頻率合成方法的比較,四、頻率合成技術(shù)的進(jìn)展,2020/9/8,69,DDS/PLL組合的頻率合成信號源,DDS與PLL組合的合成信號源有多種形式，下圖是一種環(huán)外混頻式DDS/PLL頻率合成的原理。,2020/9/8,70,2、提高頻率分辨力的方法 （1）微差混頻法,如果 當(dāng) 時,2020/9/8,71,（2）多環(huán)頻率合成法,三環(huán)PLL合成器,2020/9/8,72,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 ：,四環(huán)PLL合成器,2020/9/8,74,2020/9/8,75,2020/9/8,76,

20、令 N=18,則 平均分頻系數(shù),18.9,（3）小數(shù)分頻法通過可變分頻和多次平均的辦法可以實現(xiàn)小數(shù)分頻。,2020/9/8,77,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。,2020/9/8,78,小數(shù)分頻器(F-NPLL)工作原理,寫入 小數(shù)值,2020/9/8,79,例: 利用F-NPLL實現(xiàn)分頻比為4.3的過程,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

21、下表所示。,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）,2020/9/8,80,2、擴(kuò)展頻率上限的方法,擴(kuò)展頻率上限的方法: 前置分頻器法、倍頻-混頻法、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固定分頻器，先將輸出頻率進(jìn)行固定模數(shù)為D的分頻，然后再送到可編程分頻器進(jìn)行可變的分頻。,2020/9/8,81,前置分頻鎖相頻率合成器,PD,LPF,VCO,N,D,模數(shù)控制,fi,fo=DNfi,fd,該方法使頻率上限提高了D倍，但頻率分辨力下降了D倍。,2020/9/8,82,（2）倍頻-混頻法,fi1,fi2,fo=N fi1+ fi2,2020/9/8,83

22、,（3）吞脈沖分頻法 多模分頻器(吞脈沖分頻器): 模值（分頻比）可以在多個固定的值上改變的分頻器 ,稱為吞脈沖分頻器。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。,2020/9/8,84,在一次計數(shù)循環(huán)中，分頻系數(shù)N為:,雙模分頻鎖相頻率合成器,2020/9/8,85,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： f0 P 分頻器的工作頻率為： f0 （P）,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。,2020/9/8,86,四、射頻合成信號源（數(shù)字調(diào)制信號源、矢量信號源）,“射頻”指能通過天線發(fā)