第6章信号的产生课件

电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第1页6.1信号源概述信号源概述u信号源的作用和信号源的作用和组成成u信号源的分信号源的分类u正弦信号源的性能指正弦信号源的性能指标6.1信号源概述信号源的作用和组成电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第2页6.1.1信号源在信号源在电子子测量中的作用和量中的作用和组成成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。6.1.1信号源在电子测量中的作用和组成1.信号源的作用电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第3页2.信号源的信号源的组成成信信号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2.信号源的组成信号输出主振器缓冲调制输出电源监测信号发电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第4页6.1.2 6.1.2 信号源的分信号源的分类1.按按频率范率范围大致可分大致可分为六六类：超低超低超低超低频频信号信号信号信号发发生器生器生器生器 0.0001Hz0.0001Hz0.0001Hz0.0001Hz1000Hz1000Hz1000Hz1000Hz；低低低低频频信号信号信号信号发发生器生器生器生器 1Hz1Hz1Hz1Hz1MHz1MHz1MHz1MHz；视频视频信号信号信号信号发发生器生器生器生器 20Hz20Hz20Hz20Hz10MHz10MHz10MHz10MHz；高高高高频频信号信号信号信号发发生器生器生器生器 200KHz200KHz200KHz200KHz30MHz30MHz30MHz30MHz；甚高甚高甚高甚高频频信号信号信号信号发发生器生器生器生器 30KHz30KHz30KHz30KHz300MHz300MHz300MHz300MHz；超高超高超高超高频频信号信号信号信号发发生器生器生器生器 300MHz300MHz300MHz300MHz以上。以上。以上。以上。6.1.2信号源的分类1.按频率范围大致可分为六类电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第5页2.2.按按输出波形出波形,大致可分大致可分为：正弦波形正弦波形发生器；生器；脉冲信号脉冲信号发生器；生器；函数信号函数信号发生器；生器；噪声信号噪声信号发生器。生器。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：一般信号发生器；一般信号发生器；标准信号发生器标准信号发生器；2.按输出波形,大致可分为：3.按照信号发生器的性能指标电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第6页6.1.3 6.1.3 正弦信号源的性能指正弦信号源的性能指标1.1.频率特性频率特性（1 1 1 1）频率范围）频率范围）频率范围）频率范围（2 2）频率准确度）频率准确度）频率准确度）频率准确度（3 3）频率稳定度）频率稳定度）频率稳定度）频率稳定度 6.1.3正弦信号源的性能指标1.频率特性电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第7页2.2.输出特性出特性（1 1 1 1）输输出出出出电电平范平范平范平范围围（2 2 2 2）输输出出出出电电平的平的平的平的频频响响响响（3 3 3 3）输输出出出出电电平准确度平准确度平准确度平准确度（4 4 4 4）输输出阻抗出阻抗出阻抗出阻抗（5 5 5 5）输输出信号的非出信号的非出信号的非出信号的非线线性失真系数和性失真系数和性失真系数和性失真系数和频谱纯频谱纯度。度。度。度。2.输出特性电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第8页1.1.低低频信号信号发生器生器uu低低低低频频信号信号信号信号发发生器生器生器生器频频率范率范率范率范围围一般一般一般一般为为20Hz20Hz20Hz20Hz20KHz20KHz20KHz20KHz，故又称音，故又称音，故又称音，故又称音频频信号信号信号信号发发生器生器生器生器 6.2 正弦、脉冲及函数正弦、脉冲及函数发生器生器6.2.1 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1.低频信号发生器6.2正弦、脉冲及函数发生器6.2.电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第9页2.2.高高频信号信号发生器生器uu高高高高频频信号信号信号信号发发生器生器生器生器输输出出出出频频率范率范率范率范围围一般在一般在一般在一般在300KHz300KHz1GHz1GHz，大，大，大，大多数具有多数具有多数具有多数具有调调幅，幅，幅，幅，调频调频及脉冲及脉冲及脉冲及脉冲调调制等功能制等功能制等功能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2.高频信号发生器输出主振级波段频率缓冲调制级输出级调制电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第10页6.2.2 6.2.2 脉冲信号脉冲信号发生器生器uu常常常常见见的脉冲信号有矩形、的脉冲信号有矩形、的脉冲信号有矩形、的脉冲信号有矩形、锯齿锯齿形、形、形、形、阶阶梯形、梯形、梯形、梯形、钟钟形和数字形和数字形和数字形和数字编编码码序列等序列等序列等序列等 ：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。6.2.2脉冲信号发生器常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第11页1.1.通用脉冲通用脉冲发生器生器uu通用脉冲通用脉冲通用脉冲通用脉冲发发生器能生器能生器能生器能够满够满足一般足一般足一般足一般测试测试的要求，能的要求，能的要求，能的要求，能够调节够调节脉冲脉冲脉冲脉冲重复重复重复重复频频率、脉冲率、脉冲率、脉冲率、脉冲宽宽度、度、度、度、输输出幅度及极性等。出幅度及极性等。出幅度及极性等。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1.通用脉冲发生器输出脉宽，上升/下降沿主振级同步放大延时电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第12页2.2.快速（广快速（广谱）脉冲）脉冲发生器生器uu在在在在时时域域域域测试测试中，快速脉冲信号中，快速脉冲信号中，快速脉冲信号中，快速脉冲信号发发生器用来提供广生器用来提供广生器用来提供广生器用来提供广谱谱的激励的激励的激励的激励信号，尤其在微波网信号，尤其在微波网信号，尤其在微波网信号，尤其在微波网络络、宽带宽带元器件的元器件的元器件的元器件的时时域域域域测试测试中，脉冲中，脉冲中，脉冲中，脉冲信号信号信号信号发发生器相当于生器相当于生器相当于生器相当于频频域域域域测试测试中的中的中的中的扫频扫频信号源。信号源。信号源。信号源。2.快速（广谱）脉冲发生器电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第13页50mV/DIV30dB1ns/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/DIV100ps/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 例例如如一一个个前前沿沿上上升升时时间间为为1ns1ns的的脉脉冲冲，其其可可用用频频谱谱分分量量为为1GHz1GHz，而而隧隧道道二二极极管管脉脉冲冲发发生生器器产产生生的的脉脉冲冲前前沿沿上上升升时时间间快快达达15ps15ps，则其可用频谱可以高达，则其可用频谱可以高达30GHz30GHz。50mV/DIV30dB1ns/DIV(a)0-40dB电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第14页6.2.3 6.2.3 函数信号函数信号发生器生器1.1.多波形信号发生原理多波形信号发生原理uu方波三角波发生器方波三角波发生器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V16.2.3函数信号发生器1.多波形信号发生原理CVC2V电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第15页uu 正弦波形成正弦波形成正弦波形成正弦波形成电电路路路路utiustusct分段折线逼近波形综合分段折线逼近波形综合正弦波形成电路utiustusct分段折线逼近波形综合电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第16页uu 锯齿锯齿波形成波形成波形成波形成电电路路路路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）锯齿波的获得原理锯齿波的获得原理 锯锯齿齿波波可可以以通通过过方方波波与与三三角角波波而而获获得得，将将下下图图中中（a a）所所示示三三角角波波与与图图（b b）所所示示方方波波直直接接叠叠加加就就可可得得到到图图（c c）所所示示的的交交错错锯锯齿齿波波，再再经经过过全全波波整整流流，就就得得到到了了图图（d d）所所示示的锯齿波。的锯齿波。锯齿波形成电路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）锯电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第17页2.2.函数函数发生器的性能和生器的性能和组成成uu函数函数函数函数发发生器能生器能生器能生器能输输出方波，三角波，出方波，三角波，出方波，三角波，出方波，三角波，锯齿锯齿波，正弦波等波形，波，正弦波等波形，波，正弦波等波形，波，正弦波等波形，具有具有具有具有较宽较宽的的的的频频率范率范率范率范围围（0.1Hz0.1Hz0.1Hz0.1Hz几十几十几十几十MHzMHzMHzMHz）及）及）及）及较稳较稳定的定的定的定的频频率。率。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2.函数发生器的性能和组成频率控制网络三角波正弦波综合及缓电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第18页6.3 锁相相频率合成信号的率合成信号的产生生1.1.频率合成原理率合成原理频频率的代数运算是通率的代数运算是通率的代数运算是通率的代数运算是通过过倍倍倍倍频频、分、分、分、分频频及混及混及混及混频频技技技技术术来来来来实现实现。6.3.1 6.3.1 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6.3锁相频率合成信号的产生频率合成原理6.3.1频率电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第19页2.2.频率合成分率合成分类及特点及特点uu直接直接直接直接频频率合成率合成率合成率合成 通通通通过过频频率率率率的的的的混混混混频频、倍倍倍倍频频和和和和分分分分频频等等等等方方方方法法法法来来来来产产生生生生一一一一系系系系列列列列频频率率率率信号并用窄信号并用窄信号并用窄信号并用窄带滤带滤波器波器波器波器选选出，下出，下出，下出，下图图是其是其是其是其实现实现原理。原理。原理。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。2.频率合成分类及特点晶振谐波发生器（倍频）分频（10）电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第20页uu锁锁相式相式相式相式频频率合成率合成率合成率合成 uu一种一种一种一种间间接式的接式的接式的接式的频频率合成技率合成技率合成技率合成技术术。它利用。它利用。它利用。它利用锁锁相相相相环环（PLLPLLPLLPLL）把）把）把）把压压控振控振控振控振荡荡器（器（器（器（VCOVCOVCOVCO）的）的）的）的输输出出出出频频率率率率锁锁定在基准定在基准定在基准定在基准频频率上，率上，率上，率上，这样这样通通通通过过不同形式的不同形式的不同形式的不同形式的锁锁相相相相环环就可以在一个基准就可以在一个基准就可以在一个基准就可以在一个基准频频率的基率的基率的基率的基础础上合成上合成上合成上合成不同的不同的不同的不同的频频率。率。率。率。uu优优点：易于集成化，体点：易于集成化，体点：易于集成化，体点：易于集成化，体积积小，小，小，小，结结构构构构简单简单，功耗低，价格低，功耗低，价格低，功耗低，价格低，功耗低，价格低等等等等优优点。点。点。点。uu缺点：缺点：缺点：缺点：频频率切率切率切率切换时间换时间相相相相对较长对较长，相位噪声，相位噪声，相位噪声，相位噪声较较大。大。大。大。u u 直接数字合成（直接数字合成（直接数字合成（直接数字合成（DDSDDSDDSDDS）u u是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所需频率的正弦信号需频率的正弦信号需频率的正弦信号需频率的正弦信号 u u优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小u u缺点：频率上限较低，杂散也较大。缺点：频率上限较低，杂散也较大。缺点：频率上限较低，杂散也较大。缺点：频率上限较低，杂散也较大。锁相式频率合成直接数字合成（DDS）电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第21页u3.3.3.3.频频率合成技率合成技率合成技率合成技术术的的的的发发展展展展 各种各种各种各种频频率合成方式的率合成方式的率合成方式的率合成方式的综综合合合合:直接式、直接式、直接式、直接式、间间接（接（接（接（锁锁相相相相环环）式和直接数字式）式和直接数字式）式和直接数字式）式和直接数字式频频率合成技率合成技率合成技率合成技术术都都都都有其有其有其有其优优缺点缺点缺点缺点 ，单单独使用任何一种方法，很独使用任何一种方法，很独使用任何一种方法，很独使用任何一种方法，很难满难满足要求。足要求。足要求。足要求。因此可将因此可将因此可将因此可将这这几种方法几种方法几种方法几种方法综综合合合合应应用，特用，特用，特用，特别别是是是是DDSDDSDDSDDS与与与与PLLPLLPLLPLL的的的的结结合合合合,可以可以可以可以实现实现快捷快捷快捷快捷变变，小步，小步，小步，小步进进及及及及较较高的高的高的高的频频率上限。率上限。率上限。率上限。3.频率合成技术的发展电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第22页6.3.2 6.3.2 锁相相环（PLLPLL）的基本概念）的基本概念u1.1.锁相相环基本工作原理及性能基本工作原理及性能 uu 锁锁相相相相环环是一个相位是一个相位是一个相位是一个相位环负环负反反反反馈馈控制系控制系控制系控制系统统。该环该环路由路由路由路由鉴鉴相相相相器（器（器（器（PDPDPDPD）、）、）、）、环环路路路路滤滤波器（波器（波器（波器（LPFLPFLPFLPF）、）、）、）、电压电压控制振控制振控制振控制振荡荡器（器（器（器（VCOVCOVCOVCO）及基准晶体振及基准晶体振及基准晶体振及基准晶体振荡荡器等部分器等部分器等部分器等部分组组成成成成 。锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd6.3.2锁相环（PLL）的基本概念1.锁相环基本工作电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第23页u锁相相环的主要性能指的主要性能指标:u同步同步同步同步带宽带宽：锁锁定条件下定条件下定条件下定条件下输输入入入入频频率所允率所允率所允率所允许许的最大的最大的最大的最大变变化范化范化范化范围围 u捕捉捕捉捕捉捕捉带宽带宽：环环路最路最路最路最终终能能能能够够自行自行自行自行进进入入入入锁锁定状定状定状定状态态的最的最的最的最大允大允大允大允许许的的的的频频差差差差 u环环路路路路带宽带宽 :锁锁相相相相环环的的的的频频率特性具有低通率特性具有低通率特性具有低通率特性具有低通滤滤波器的波器的波器的波器的传输传输特性，其高特性，其高特性，其高特性，其高频频截止截止截止截止频频率称率称率称率称为环为环路路路路带宽带宽。锁相环的主要性能指标:电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第24页2.2.锁相相环的基本形式的基本形式 uu倍倍倍倍频频式式式式锁锁相相相相环环 倍倍倍倍频频环环实实现现对对输输入入入入频频率率率率进进行行行行乘乘乘乘法法法法运运运运算算算算，主主主主要要要要有有有有两两两两种种种种形形形形式式式式：谐谐波倍波倍波倍波倍频环频环和数字倍和数字倍和数字倍和数字倍频环频环（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2.锁相环的基本形式（a）谐波倍频环VCOPDLPFf电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第25页uu分分分分频频式式式式锁锁相相相相环环 分分分分频频环环实实现现对对输输入入入入频频率率率率的的的的除除除除法法法法运运运运算算算算，与与与与倍倍倍倍频频环环相相相相似似似似，也也也也有有有有两种基本形式。两种基本形式。两种基本形式。两种基本形式。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谐波谐波形成形成（a）谐波分频环）谐波分频环fiNPLLfo=fi/N（c）分频环简化图）分频环简化图分频式锁相环分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第26页uu混混混混频频式式式式锁锁相相相相环环 uu混混混混频环实现对频频环实现对频率的加减运算率的加减运算率的加减运算率的加减运算 PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环）相减混频环PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混频环）相加混频环fo=fi1-fi2混频锁相环混频锁相环+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加环简化图）相加环简化图（d）相减环简化图）相减环简化图混频式锁相环PDLPFVCOMfi1fi2fo+fi2（电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子测量原理第27页uu多多多多环环合成合成合成合成单单元元元元uu单环单环合成合成合成合成单单元存在元存在元存在元存在频频率点数目率点数目率点数目率点数目较较少，少，少，少，频频率分辨率不高等缺率分辨率不高等缺率分辨率不高等缺率分辨率不高等缺点，所以一个合成式信号源都是由多点，所以一个合成式信号源都是由多点，所以一个合成式信号源都是由多点，所以一个合成式信号源都是由多环环合成合成合成合成单单元元元元组组成成成成 fo=Nfi1+fi234005100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（）（）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1内插振荡器内插振荡器环环1环环2倍频环倍频环加法混频环加法混频环（a）双环合成器原理结构框图双环合成器原理结构框图100110KHzNPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2（b）双环合成器简化结构框图双环合成器简化结构框图双环合成器原理结构图双环合成器原理结构图VCO1PD1LPF1谐波谐波形成形成多环合成单元fo=Nfi1+fi2340051001