第7章 信號的產(chǎn)生

1、第第7 7章章 信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生7.1 7.1 信號源概述信號源概述 7.2 7.2 正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器正弦、脈沖及函數(shù)發(fā)生器 7.3 7.3 鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生鎖相頻率合成信號的產(chǎn)生 1.1.信號源的作用信號源的作用 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)則波形的形的信號發(fā)生器信號發(fā)生器。 信號源的用途主要有以下三方面：信號源的用途主要有以下三方面： 激勵源。激勵源。 信號仿真。信號仿真。 標準信號源。標準信號源。信號信號輸出輸出主振器主振器緩沖緩沖調制調制輸出輸出電電 源源監(jiān)測監(jiān)測信號發(fā)生器結構框圖信號發(fā)生器結構框圖主振

2、器：信號源的核心，產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號；主振器：信號源的核心，產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號；緩沖：緩沖： 對信號放大、整形；對信號放大、整形；調制：調制： 需要輸出調制波形時，對信號調頻、調幅等。不需要調需要輸出調制波形時，對信號調頻、調幅等。不需要調制時，可以越過此部分。制時，可以越過此部分。輸出：輸出： 調節(jié)輸出信號的電平和輸出阻抗；調節(jié)輸出信號的電平和輸出阻抗；監(jiān)測器：電壓表、頻率計等，用來監(jiān)測輸出信號。監(jiān)測器：電壓表、頻率計等，用來監(jiān)測輸出信號。2. 2. 按照信號發(fā)生器的按照信號發(fā)生器的性能指標性能指標 可分為：可分為： 一般信號發(fā)生器；一般信號發(fā)生器； 標準信號發(fā)生器；標準

3、信號發(fā)生器； %100ooofffff%100minmaxofff3. 3. 調制特性調制特性調制特性的衡量指標主要包括調制頻率，調幅系數(shù)，最大頻調制特性的衡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。偏，調制線性等。一、一、 正弦信號發(fā)生器正弦信號發(fā)生器主振級主振級緩沖緩沖放大放大電平電平控制控制功率功率放大放大衰減器衰減器阻抗阻抗變換變換電平調節(jié)電平調節(jié)波段波段調節(jié)調節(jié)頻率頻率細調細調電平指示電平指示低頻信號發(fā)生器組成原理低頻信號發(fā)生器組成原理RCRC正弦振蕩器每一分波段正弦振蕩器每一分波段的頻率覆蓋系數(shù)為的頻率覆蓋系數(shù)為1010。如如1Hz-1MHz1Hz-1MHz需要需要6

4、 6個波段：個波段：1-10Hz1-10Hz、10-100Hz10-100Hz、100-1kHz100-1kHz、1kHz-10kHz1kHz-10kHz、10kHz-100kHz10kHz-100kHz、100kHz-1MHz100kHz-1MHz輸出輸出主振級主振級波段波段選擇選擇頻率頻率細調細調緩沖緩沖調制級調制級輸出級輸出級調制振蕩器調制振蕩器監(jiān)測器監(jiān)測器外調制外調制輸入輸入高頻信號發(fā)生器原理框圖高頻信號發(fā)生器原理框圖主振器多采用主振器多采用LCLC高頻振蕩器，通過更換線圈的方式來變換頻段。高頻振蕩器，通過更換線圈的方式來變換頻段。緩沖級是為了保證主振級的振蕩頻率穩(wěn)定，避免寄生調制，提

5、緩沖級是為了保證主振級的振蕩頻率穩(wěn)定，避免寄生調制，提高信噪比。一般采用選頻放大器。高信噪比。一般采用選頻放大器。u ut to o（a a）矩形波）矩形波u ut to o（b b）鋸齒波）鋸齒波u ut to o（c c）階梯波）階梯波u ut to o（d d）鐘形脈沖）鐘形脈沖u ut to o（e e）數(shù)字編碼序列）數(shù)字編碼序列 常見的脈沖信號常見的脈沖信號脈沖發(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

6、沖發(fā)生器等。編程脈沖發(fā)生器及特種脈沖發(fā)生器等。輸出輸出脈寬，上升脈寬，上升/ /下降沿下降沿控制控制主振級主振級同步放大同步放大延時級延時級脈沖形成脈沖形成輸出級輸出級同步脈沖輸出同步脈沖輸出外同步外同步觸發(fā)輸入觸發(fā)輸入外觸發(fā)外觸發(fā)同步脈沖輸出同步脈沖輸出脈沖信號發(fā)生器組成原理脈沖信號發(fā)生器組成原理脈沖持續(xù)時間和過渡時間1ns主振級：恒流源射極耦合自激多諧振蕩器，產(chǎn)生矩形波；主振級：恒流源射極耦合自激多諧振蕩器，產(chǎn)生矩形波；延時級：將輸入信號轉為延時脈沖，控制脈沖形成電路；延時級：將輸入信號轉為延時脈沖，控制脈沖形成電路；脈沖形成：形成寬度準確、波形良好的矩形脈沖。脈沖形成：形成寬度準確、波形

7、良好的矩形脈沖。u 快速脈沖信號的產(chǎn)生技術主要有：水銀開關脈沖發(fā)生器、快速脈沖信號的產(chǎn)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。隧道二極管脈沖發(fā)生器等。V VD DR RC CR RO OK KR RL L水銀開關脈沖發(fā)生器原理水銀開關脈沖發(fā)生器原理脈沖過渡時間500ps同軸電纜傳輸線呈電容特性。開關打開，充電；開關閉合，放電，在負載上得到脈沖信號。50mV/DIV30dB1 ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)過度持續(xù)時間為過度持續(xù)時間為1ns的脈沖發(fā)生器前沿及其

8、頻譜的脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜50mV/DIV100 ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)隧道二極管脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜隧道二極管脈沖發(fā)生器前沿及其頻譜 例如一個前沿上升時間為例如一個前沿上升時間為1ns1ns的脈沖，其可用頻譜分量為的脈沖，其可用頻譜分量為1GHz1GHz，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，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達15ps15ps，則其可用頻譜可以高達，則其可用頻譜可以高達30GHz30GHz。正弦波三角波方波C雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)電路電路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波發(fā)生器原理框圖方波、三角波發(fā)生器原理框

9、圖V1三角波/正弦波逼近網(wǎng)絡C-+1122()scUfRC VV三角波斜率：1UkRC 三角波周期：121212()2scVVRC VVTkU三角波頻率：utiuiuot分段折線逼近波形綜合分段折線逼近波形綜合n其電路實現(xiàn)原理如下圖所示。其電路實現(xiàn)原理如下圖所示。 分段逼近波形綜合電路分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BuiuoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6But（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理鋸齒波的獲得原理 鋸齒波可以通過方波與

10、三角波而獲得，將下圖中（鋸齒波可以通過方波與三角波而獲得，將下圖中（a a）所）所示三角波與圖（示三角波與圖（b b）所示方波直接疊加就可得到圖（）所示方波直接疊加就可得到圖（c c）所）所示的交錯鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（示的交錯鋸齒波，再經(jīng)過全波整流，就得到了圖（d d）所示）所示的鋸齒波。的鋸齒波。頻率頻率控制控制網(wǎng)絡網(wǎng)絡三角波三角波緩沖器緩沖器正弦波綜正弦波綜合及緩沖合及緩沖正恒正恒流源流源負恒負恒流源流源比較器比較器方波方波緩沖器緩沖器外外部部頻頻率率控控制制函數(shù)函數(shù)選擇選擇及其及其它波它波形產(chǎn)形產(chǎn)生生輸出輸出放大放大輸出輸出濾波濾波直流直流補償補償積分積分電路電路函數(shù)發(fā)生

11、器基本組成原理函數(shù)發(fā)生器基本組成原理控制電流大小一、一、 頻率合成的基本概念頻率合成的基本概念頻率頻率1 1輸出輸出石英晶體石英晶體代數(shù)運算代數(shù)運算（加、減、乘、除）（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率合成原理頻率頻率n n輸出輸出基準頻率基準頻率普通信號發(fā)生器（LC、RC）的矛盾：輸出頻率可調范圍和頻率穩(wěn)定度之間的矛盾。解決方法：頻率合成式信號發(fā)生器。頻率合成：由一個或多個高穩(wěn)定度的基準頻率（石英晶體振蕩器），通過基本代數(shù)運算，得到一系列所需的頻率。晶振晶振諧波發(fā)生器（倍頻）諧波發(fā)生器（倍頻）分頻（分頻（1010）8MHz8MHz混頻（混頻（+ +）混頻（混頻（+ +）2MHz2MHz濾波濾波

12、分頻（分頻（1010）2.8MHz2.8MHz濾波濾波0.28MHz0.28MHz分頻（分頻（1010）混頻（混頻（+ +）濾波濾波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz優(yōu)點：優(yōu)點：頻率切換迅速，相位噪聲很低。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。缺點：電路硬件結構復雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。1 1、鎖相環(huán)（、鎖相環(huán)（PLLPLL）的基本概念）的基本概念鎖相環(huán)控制

13、系統(tǒng)原理圖鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖fiuiVCOPDLPFuofoudu PD：相位比較器（鑒相器）：相位比較器（鑒相器）u檢測輸入信號檢測輸入信號ui與反饋信號與反饋信號uo之間的相位差，其輸出為誤差電壓之間的相位差，其輸出為誤差電壓ud。u鑒相過程：鑒相過程：( )( )( )( )( )()( )doiddcodoidtttt dtdttdtdttuuf時，得到穩(wěn)定輸出sin()()ddddddduKKK較小時：鎖相靈敏度，值越大，控制能力越強。ucuLPF：環(huán)路濾波器：環(huán)路濾波器u低通濾波器，用于濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以低通濾波器，用于濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以使使uc能

14、夠穩(wěn)定地控制能夠穩(wěn)定地控制VCO，是保證環(huán)路穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。，是保證環(huán)路穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。uVCO：壓控振蕩器：壓控振蕩器u振蕩頻率受控于外加控制電壓振蕩頻率受控于外加控制電壓uc。ooddcooidiiddcooidfuuffffuufff環(huán)路相位鎖定環(huán)路相位鎖定（2 2）鎖相環(huán)的主要性能指標）鎖相環(huán)的主要性能指標: :跟蹤特性和同步帶寬跟蹤特性和同步帶寬（a） 諧波倍頻環(huán)諧波倍頻環(huán)VCOPDLPFfO=Nfifi諧波諧波形成形成Nfifo=Nfi（b）數(shù)字倍頻環(huán)）數(shù)字倍頻環(huán)VCOPDLPFfiN倍頻式鎖相環(huán)原理圖倍頻式鎖相環(huán)原理圖fiNPLLNfi（c）倍頻環(huán)簡化圖）倍頻環(huán)簡化圖分頻式鎖相環(huán)

15、原理圖分頻式鎖相環(huán)原理圖VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b）數(shù)字分頻環(huán)）數(shù)字分頻環(huán)VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波諧波形成形成（a）諧波分頻環(huán)）諧波分頻環(huán)fiNPLLfo=fi/N（c）分頻環(huán)簡化圖）分頻環(huán)簡化圖PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環(huán)）相減混頻環(huán)PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2（a）相加混頻環(huán)）相加混頻環(huán)fo= fi1- fi2混頻鎖相環(huán)混頻鎖相環(huán)+PLLfi1fi2fo= fi1+ fi2-PLLfi1fi2fo= fi1- fi2（c）相加環(huán)簡化圖）相加環(huán)簡化圖（d）相減環(huán)簡化圖）相減環(huán)簡化圖

16、fo= Nfi1+ fi234005110KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（）（）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1內插振蕩器內插振蕩器環(huán)環(huán)1環(huán)環(huán)2倍頻環(huán)倍頻環(huán)加法混頻環(huán)加法混頻環(huán)（a） 雙環(huán)合成器原理結構框圖雙環(huán)合成器原理結構框圖（100110）KHzNPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=N fi1+ fi2（b） 雙環(huán)合成器簡化結構框圖雙環(huán)合成器簡化結構框圖雙環(huán)合成器原理結構圖雙環(huán)合成器原理結構圖VCO1PD1LPF1諧波諧波形成形成12222330 500;10;100110;10330:330 103400 3410;331:331 103410 3420;500:500

17、105100 5110;iioioioiNfkHzfkHzkHzkHzNfkHzfkHzkHzNfkHzfkHzkHzNfkHzfkHzkHz連續(xù)可調，間隔；（1）十進頻率合成器組成 五個五個DS-1合成單元串接起來，其輸出頻率被送到合成合成單元串接起來，其輸出頻率被送到合成單元單元DS-2，得到輸出頻率為，得到輸出頻率為2122MHz , DS-2的輸出加的輸出加到合成單元到合成單元DS-4，得到輸出頻率為，得到輸出頻率為101122MHz ,合成合成單元單元DS-3輸出為輸出為10192MHz， DS-3與與DS-4的輸出頻率的輸出頻率加到加到混頻器混頻器M進行相減，最后得到進行相減，最后

18、得到200Hz30MHz的輸?shù)妮敵鲱l率。出頻率。DS-10-91HzDS-10-910HzDS-10-9100HzDS-10-91KHzDS-10-910KHzDS-20-9100KHzDS-40-210MHzDS-30-91MHz2122MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz內插振蕩器01Hz1.21.3MHz9MHz100KHzM（-）10192MHz101122MHz200Hz30MHz5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz諧波諧波形成形成NfiDS-1原

19、理框圖原理框圖M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基準基準后一位合成單元后一位合成單元10.210.3MHz101213MHz1.21.3MHz倍頻環(huán)倍頻環(huán)0123456789:18192021222324252627N度盤：VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz諧波諧波形成形成NfiDS-2原理框圖原理框圖M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基準基準“10KHz”單元輸出單元輸出19.219.3MHz2122MHz倍頻環(huán)倍頻環(huán)218MHz0123456789:18192021222324252627N度盤：VCOPDLPF10192MHz1MHz諧波諧波形

20、成形成NfiDS-3原理框圖原理框圖倍頻環(huán)倍頻環(huán)fi0123456789:101 1009998979695949392N度盤：PDLPFVCOM（）（）DS-2的輸出的輸出0：80MHz加法混頻環(huán)加法混頻環(huán)2122MHzDS-4原理框圖原理框圖基準基準倍 頻倍 頻環(huán)環(huán)5MHzVCOPDLPF諧波諧波形成形成1：90MHz2：100MHz1：111112MHz2：121122MHz0：101102MHz012:161820N度盤：VCOPDLPF1.21.3MHz100KHz諧波諧波形成形成內插振蕩器組成框圖內插振蕩器組成框圖基準基準12S+P 當選擇當選擇開關開關S S置于置于1 1時，內插

21、振蕩器是一個時，內插振蕩器是一個倍頻倍頻環(huán)，它輸出一環(huán)，它輸出一個個1.2MHz1.2MHz的固定點頻，此時頻率合成器只能輸出離散頻率。的固定點頻，此時頻率合成器只能輸出離散頻率。 當內插振蕩器的當內插振蕩器的開關開關S S置于置于2 2時時，VCOVCO就作為一個頻率連續(xù)可就作為一個頻率連續(xù)可調的振蕩器工作，調節(jié)電位器調的振蕩器工作，調節(jié)電位器P P，改變，改變VCOVCO的偏壓，可使它的輸?shù)钠珘?，可使它的輸出在出?.2MHZ1.2MHZ1.3MHZ1.3MHZ之間連續(xù)變化之間連續(xù)變化。 思考題：如何用十進頻率合成器產(chǎn)生頻率為思考題：如何用十進頻率合成器產(chǎn)生頻率為27.5641230MHz27.5641230MHz的信號。的信號。對于倍頻環(huán)而言，輸出頻率以增量對于倍頻環(huán)而言，輸出頻率以增量fifi變化，即合成器的變化，即合成器的頻率分辨率等于頻率分辨率等于fifi。合成器頻率轉換時間為合成器頻率轉換時間為頻率增量越小，轉換時間越長。頻率增量越小，轉換時間越長。 ieft/25 在保證轉換時間不便的前提下，提高頻率分辨力的途徑主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：要有： 多環(huán)頻率合成法；多環(huán)頻率合成