1、第8章 信號的產生本章介紹：介紹了信號源在電子測量中的作用、組成原理、種類及正弦信號源的性能指標；闡述了正弦信號發生器和脈沖發生器的原理與組成結構，多波形信號發生原理，函數發生器的基本組成結構等；詳細闡述頻率合成的基本概念，頻率合成的基本方式，鎖相環的工作原理及基本形式，介紹提高頻率分辨力和頻率上限的鎖相合成技術以及直接數字合成的基本原理，對任意波形發生器和合成掃頻信號源作了簡單介紹。信號發生器用途主要是：提供激勵信號、信號仿真和用作標準信號源，可以按照頻率范圍、輸出波形、性能指標以及用途、調制類型、頻率調節方式等進行分類。信號源的主要組成部分包括：主振器、緩沖放大、調制、輸出級以及電源等，正

2、弦信號的性能指標主要包括頻率特性、輸出特性以及調制特性。由于正弦信號是分析線性系統頻域特性的一種最基本的信號，而且也是最容易產生、描述和廣泛應用的載波信號，因此正弦信號發生器具有特殊地位，它包括低頻信號發生器和高頻信號發生器。脈沖信號發生器是專門用于產生脈沖波形的信號源，而函數發生器可以產生多種波形，如正弦波、三角波、方波和鋸齒波等。正弦信號也可以通過頻率合成的方式產生，頻率合成是由一個或多個高穩定的基準頻率，通過基本的代數運算得到一系列所需的頻率。鎖相頻率合成技術是一種最常用的頻率合成技術，鎖相環實際上是一個負反饋相位控制系統，通過相位比較實現頻率的鎖定。鎖相頻率合成可以實現小步進，但切換時

3、間長，而直接數字合成（DDS）可以在實現小步進的同時實現頻率的快速切換，但它具有頻率上限低、雜散較大等缺點。將幾種頻率合成技術綜合應用，可以取長補短，同時實現快捷變，小步進及較高的頻率上限。81 信號源概述本節要求： 了解信號源的作用、分類，掌握信號源的組成原理。 掌握正弦信號源的主要性能指標的含義。811 信號源的作用和組成1作用信號源的用途主要有以下三方面：（1）激勵源；（2）信號仿真；（3）標準信號源。2組成信號源的組成結構如下圖所示：輸出主振器緩沖調制輸出電 源監測信號發生器結構框圖812 信號源的分類按照輸出信號的頻率來分，大致可分為六類：超低頻信號發生器，頻率范圍為0.0001Hz

4、1000Hz；低頻信號發生器，頻率范圍為1Hz1MHz；視頻信號發生器，頻率范圍為20Hz10MHz；高頻信號發生器，頻率范圍為200KHz30MHz；甚高頻信號發生器，頻率在30KHz300MHz；超高頻信號發生器，頻率在300MHz以上按輸出波形可以分為：正弦波形發生器，產生正弦波或受調制的正弦信號；脈沖信號發生器，產生脈沖寬度不同的重復脈沖；函數信號發生器，產生幅度與時間成一定函數關系的信號；噪聲信號發生器，產生模擬各種干擾的電壓信號。按照信號發生器的性能指標可分為：一般信號發生器和標準信號發生器。813 正弦信號源的性能指標1頻率特性正弦信號源的頻率特性可以用以下幾項指標來表征：（1）

5、頻率范圍。（2）頻率準確度。 （8-1）其中-頻率絕對偏差。（3）頻率穩定度。短期穩定度： （8-2） 其中： -15分鐘內信號頻率的最大值。 -15分鐘內信號頻率的最小值。 -預調頻率（標稱頻率）。長期穩定度是指信號源經過規定預熱時間后，在任意3小時內信號頻率發生的最大變化，同樣可由式（8-2）表示。2輸出特性正弦信號源的輸出特性指標主要有：（1）輸出電平范圍。（2）輸出電平的頻響。（3）輸出電平準確度。（4）輸出阻抗。（5）輸出信號的非線性失真系數和頻譜純度3調制特性調制特性的恒量指標主要包括調制頻率，調幅系數，最大頻偏，調制線性等。思考題與習題：1什么叫信號源？按輸出波形的不同可分為哪幾

6、類？2正弦信號源的主要性能指標有那些？各有什么含義？82 正弦、脈沖及函數發生器要求： 了解正弦信號發生器的組成原理 了解脈沖信號發生器的原理與分類 掌握多波形信號發生原理，了解函數發生器的組成。821 正弦信號發生器1低頻信號發生器低頻信號發生器頻率范圍一般為20Hz20KHz，故又稱音頻信號發生器。主振級緩沖放大電平控制功率放大衰減器阻抗變換電平調節波段調節頻率細調電平指示輸出圖8-2 低頻信號發生器組成原理主振級一般采用RC正弦振蕩器，其每一分波段的頻率覆蓋系數通常為10。因此要覆蓋較寬的頻率范圍，需要多個分波段，而差頻式低頻信號發生器可以在不分波段的情況下得到較寬的頻率覆蓋范圍。高頻振

7、蕩器緩沖混頻器固定頻率振蕩器緩沖低通濾波器功放衰減輸出差頻式低頻信號發生器原理框圖ff0f高頻振蕩器輸出頻率為，固定頻率振蕩器輸出頻率為，設變化范圍為，則差頻信號的頻率范圍為，如果與的值都很高，則差頻的頻率覆蓋系數/可以達到很大的值，因此對進行調頻指數不大的調頻也可以使具有很寬的范圍。2高頻信號發生器高頻信號發生器輸出頻率范圍一般在300KHz1GHz，穩定度一般優于10-4/15分，輸出電壓在0.1V1V左右，輸出阻抗為標準的50（或75）。輸出主振級波段選擇頻率細調緩沖調制級輸出級調制振蕩器監測器外調制輸入高頻信號發生器原理框圖822 脈沖信號發生器常見的脈沖信號有矩形、鋸齒形、階梯形、鐘

8、形和數字編碼序列等。uto（a）矩形波uto（b）鋸齒波uto（c）階梯波uto（d）鐘形脈沖uto（e）數字編碼序列常見的脈沖信號根據脈沖發生器的用途和產生脈沖的方法，可以分為通用脈沖發生器、快速（廣譜）脈沖發生器、函數發生器、數字可編程脈沖發生器及特種脈沖發生器等。1通用脈沖發生器脈沖發生器的基本原理如下圖所示。主振級同步放大延時級脈沖形成輸出級同步脈沖輸出外同步觸發輸入外觸發脈寬，上升/下降沿控制輸出同步脈沖輸出脈沖信號發生器組成原理通用脈沖發生器產生的脈沖持續時間和過渡時間一般在1ns以上，有的過渡時間雖然可到300ps， 但參數固定不能調節。2快速（廣譜）脈沖發生器快速脈沖發生器可用

9、于數字通信、雷達、時域特征測試等場合。在時域測試中，快速脈沖信號發生器用來提供廣譜的激勵信號，尤其在微波網絡、寬帶元器件的時域測試中，脈沖信號發生器相當于頻域測試中的掃頻信號源。823 函數發生器函數發生器是一種能夠產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等多種波形的信號發生器。1多波形信號發生原理函數發生器一般以某種波形為第一波形，然后在該波形基礎上轉換導出其它波形。（1）方波三角波發生器方波、三角波發生器原理框圖V1AC雙穩態電路V2WRU1I1+-U2BVC2VC1（a）原理框圖（b）工作波形圖B端波形toA端波形to它最基本的部分是由一個雙穩態電路與密勒積分器構成的方波三角波發生器，其原理框圖

10、如下所示。（2）正弦波形成電路utiustusct分段折線逼近波形綜合正弦波可以由三角波獲得，其方法是分段折線逼近的波形綜合法。分段折線逼近的實現電路如下圖所示。 分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B （3） 鋸齒波形成電路將下圖（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，再經過全波整流，就得到了圖（d）所示的鋸齒波。ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理2函數發

11、生器的組成函數發生器的典型原理框圖如下圖所示。頻率控制網絡三角波緩沖器正弦波形綜合及緩沖正恒流源負恒流源比較器方波緩沖器外部頻率控制輸出函數選擇及其它波形產生輸出放大輸出濾波直流補償積分電路函數發生器基本組成原理 思考題與習題：1簡述函數信號發生器的多波形形成原理？2差頻式低頻信號源與一般低頻信號源的區別？83 鎖相頻率合成信號的產生要求： 掌握頻率合成的基本原理 掌握鎖相頻率合成原理及其基本方式 了解提高頻率分辨力及頻率上限的鎖相合成技術831 頻率合成的基本概念1頻率合成原理當要獲得許多穩定的信號頻率時，不能采用很多個晶體振蕩器來產生，應采用頻率合成的方法來得到。代數運算（加、減、乘、除）

12、石英晶體基準頻率頻率1輸出頻率n輸出頻率控制字頻率合成是由一個或多個高穩定的基準頻率（一般由高穩定的石英晶體振蕩器產生），通過基本的代數運算（加、減、乘、除），得到一系列所需的頻率。2頻率合成分類及特點當前主要的頻率合成方式有：直接頻率合成、鎖相式頻率合成（間接式頻率合成）及直接數字合成（DDS）等方式。（1）直接頻率合成。它是通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法來產生一系列頻率信號并用窄帶濾波器將其選出，下圖是其實現原理。晶振諧波發生器（倍頻）分頻（÷10）8MHz混頻（+）混頻（+）2MHz濾波分頻（÷10）2.8MHz濾波028MHz分頻（÷10）混頻（+）濾波

13、6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz9MHz 優點：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。（2）鎖相式頻率合成。它是一種間接式的頻率合成技術，利用鎖相環（PLL）把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環就可以在一個基準頻率的基礎上合成不同的頻率。優點：易于集成化，體積小，結構簡單，功耗低，價格低。缺點：頻率切換時間相對較長。 （3）直接數字合成（DDS）。基于取樣技術和數字計算技術來實現數字合成，產生所需頻率的正弦信號。優點：能夠解決快捷變和小步進之間

14、的矛盾，且集成度高，體積小。缺點：頻率上限較低，雜散也較大。832 鎖相環（PLL）的基本概念1鎖相環基本工作原理及性能鎖相環是一個相位環負反饋控制系統。該環路由鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）、電壓控制振蕩器（VCO）及基準晶體振蕩器等部分組成。 鎖相環控制系統原理圖fiViVCOPDLPFVofOVd基準晶振鎖相環是一個相位環反饋控制系統，系統的信息是相位，因此可以用相位傳遞函數來描述鎖相環的特性，鎖相環的閉環相位傳遞函數為 （8-5）式（8-5）中 -輸出相位的拉氏變換； -輸入相位的拉氏變換；若取，則可得到鎖相環的頻率特性，即 （8-6）式（8-6）中 -輸入相位的調制角頻。環路帶

15、寬：鎖相環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路帶寬。2鎖相環的基本形式常用的鎖相環形式主要有以下幾種：（1）倍頻式鎖相環。倍頻環主要有兩種形式：諧波倍頻環和數字倍頻環。（a） 諧波倍頻環VCOPDLPFfO=Nfifi諧波形成Nfi（b） 數字倍頻環VCOPDLPFfo=Nfifi÷N 倍頻式鎖相環原理圖fi×NPLLfo=Nfi（c） 倍頻環簡化圖（2）分頻式鎖相環。分頻環實現對輸入頻率的除法運算，也有兩種基本形式。分頻式鎖相環原理圖VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）數字分頻環VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波形成（a）諧波分

16、頻環fi÷NPLLfo=fi/N（c）分頻環簡化圖（3）混頻式鎖相環。混頻環實現對頻率的加減運算。圖8-17 混頻鎖相環PDLPFVCOM（）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環PDLPFVCOM（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2（a）相加混頻環fo= fi1- fi2+PLLfi1fi2fo= fi1+ fi2-PLLfi1fi2fo= fi1- fi2（c）相加環簡化圖（d）相減環簡化圖（4）多環合成單元。單環型鎖相環存在頻率點數目少，頻率分辨率不高等缺點，因此一個合成式信號源都是由多環合成單元組成。下圖是一個雙環合成單元。PD2LPF2VCO2M（）fi2

17、fi1fo= Nfi1+ fi2fo-Nfi1Nfi1內插振蕩器環1環2倍頻環加法混頻環（a） 雙環合成器原理結構框圖10KHz100110KHz34005100KHz×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=N fi1+ fi2（b） 雙環合成器簡化結構框圖雙環合成器原理結構圖VCO1PD1LPF1諧波形成833 提高頻率分辨力的鎖相合成技術1提高頻率分辨力的技術途徑提高頻率分辨力的途徑之一如下圖所示，在鎖相環后設置一分頻器，則輸出頻率，當N改變1時，變化量為，在不加長轉換時間的前提下使分辨力提高了倍，但相應地輸出頻率范圍也減小到原來的。后置分頻器的PLL合成器VCOPDLPFN

18、fifi÷N÷Mfo為了在提高頻率分辨力的同時，輸出頻率范圍不發生變化，可以采用多環頻率合成方法，下圖是一個三環鎖相頻率合成器原理框圖。三環PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfi÷MVCOCPDCLPFCBPFfoVCOAPDALPFA+÷NAfA×NAPLL+PLL÷M×NBPLLfifo三環合成器簡化框圖fBfA合成器的輸出頻率為： 2小數分頻技術另一種提高分辨力的途徑是使分頻器能夠提供小數的分頻比。 VCOPDLPFuifi÷NfoN存儲器F存儲器uo脈沖刪除接口小數分頻實現電路圖OVFACCU例如要求環

19、路輸出為即分頻比為4.3，在十個參考頻率周期內7次除4，3次除5即可。每一次循環過程中，在的各周期內，累加器的值和其分頻系數見表8-1。表8-1 輸入信號每周期內的分頻系數和累加值（分頻比為4.3）序號12345678910累加值0.30.60.90.20.50.80.10.40.70分頻系數4445445445由于鑒相器的輸出出現階梯電壓變化，使得合成器頻譜變差。從表8-1中可以發現累加值恰好也是與其一致的階梯變化，因此將該數據進行D/A轉換后加到PD的輸出端就可以抵消該變化，環路穩定后使得經環路濾波器后送給VCO的是一直流電平，改進后的小數分頻實現電路見下圖。VCOPDLPFurfr

20、47;NDACfoN存儲器F存儲器uo脈沖刪除接口改進的小數分頻實現電路圖+OVFACCU-834 擴展頻率上限的鎖相合成技術1擴展頻率上限的方法為了提高合成器的輸出頻率，可以采用前置分頻器、多模分頻器以及下變頻等方法。前置分頻法原理框圖如下圖所示。前置分頻鎖相頻率合成器PDLPFVCO÷N÷M模數控制fifofd2多模分頻鎖相頻率合成技術多摸分頻器是指其模值（分頻比）可以在多個固定的值上改變的分頻器，例如雙模分頻器的模值可以在V和V+1兩個值上改變。采用雙模分頻的鎖相頻率合成器如下圖所示。PDLPFVCO÷N1÷N2V/V+1fifo變模分頻器模式控制

21、雙模分頻鎖相頻率合成器置初值此時雙模分頻器的工作頻率為，而兩個可變分頻器和的工作頻率分別為或，但合成器的頻率分辨力仍保持為，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。思考題與習題：1頻率合成方式有哪幾種，簡述直接頻率合成的原理？2鎖相環有哪幾個基本組成部分，各起什么作用？3在小數分頻方法中要實現5.7倍分頻，則在10個參考頻率周期中要幾次除5，幾次除6？4簡述多模分頻鎖相頻率合成器的工作原理。84 直接數字合成技術要求： 掌握相位累加器的基本原理 了解DDS頻率合成信號源 841 直接數字合成基本原理1DDS組成原理直接數字合成（Direct Digital Synthesi

22、s）的基本原理是基于取樣技術和計算技術，通過數字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調的信號。設取樣時鐘頻率為，正弦波每一周期由個取樣點構成，則該正弦波的頻率為： （8-16）其中為取樣時鐘周期。DDS的基本實現原理框圖如下圖所示。地址計數器（÷N）正弦波ROM存儲器D/ALPFfcfo圖8-32 DDS組成原理輸出信號頻率取決于兩個因數：參考時鐘頻率；ROM中存儲的正弦波。2相位累加器原理改變上圖中的地址計數器計數步進值（即以值來進行累加），則在保持時鐘頻率和ROM數據不變的情況下，也能實現輸出頻率的改變。例如：設存儲器中存儲了個數據（一個周期的采樣數據），則地址計數器步進為1

23、時，輸出頻率，如果地址計數步進為，則每周期取樣點數為，輸出頻率。地址計數器步進值改變可以通過相位累加器法來實現，其基本原理框圖如下圖所示。相位鎖存器頻率控制字 M相位累加器fr波形存儲RAMD/A轉換LPFfo2448位1416位相位累加器原理842 DDS頻率合成信號源1單片集成化的DDS信號源一種單片集成DDS芯片AD9854的內部組成如下圖所示，它包含了相位累加器、波形存儲器、D/A及時鐘源等部件。串/并選擇6位地址或串行編程8位并行數據FSK/BPSK/HOLD數據輸入4×20×參考時鐘倍乘頻率累加器相位偏移及調制+相位累加器相位轉換器300MHzDDS參考時鐘濾波

24、器濾波器12位D/AM/DAC復位12位D/A頻率控制字/相位字啟停邏輯I/O更新讀寫可編程寄存器48位頻率控制字14位相位偏移/調制I/O端口緩沖12位AM調制+-比較器模擬輸入時鐘輸出輸出輸出AD9854 DDS結構外部輸入的參考時鐘經420倍倍頻，為DDS提供最高可到300MHz的時鐘頻率。通過可編程寄存器，可以設置48位頻率控制字和14位相位控制字，實現頻率和相位控制。D/A之前加入了一個數字乘法器，以實現幅度調制。另外該芯片還設置了一個高速比較器，可以將DDS輸出的正弦波信號變為方波信號。該芯片的48位頻率控制字使得輸出頻率分辨力可達1Hz，14位相位控制字可以提供分辨力為0.022

25、0的相位控制。在內部參考時鐘選擇為最大即300MHz時，輸出頻率最大可達100MHz。2基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源基于可編程芯片實現的DDS信號合成具有更大的靈活性，其基本原理結構如下圖所示。相位累加與控制邏輯采用CPLD、FPGA等高速可編程芯片來實現，波形存儲器也采用高速RAM。相位累加器參考時鐘相位調制器D/A轉換濾波CPU接口輸出頻率n輸出頻率控制字波形存儲器SRAM基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源3DDS/PLL組合的頻率合成信號源DDS具有極高的頻率分辨率和極短的轉換時間，但其輸出頻率上限較低；而鎖相環具有很高的工作頻率及較窄的帶寬，但頻率分辨率較低，轉換時間較長。因

26、此，兩者優缺點互補，可以將兩者組合起來，從而使頻率合成信號源的性能大幅提高。DDS與PLL組合的合成信號源可以有多種形式，下圖是一種環外混頻式DDS/PLL頻率合成的原理。PDLPFVCO÷KDDS混頻器帶通濾波frfcfoDDS/PLL混頻式頻率合成原理fPfD合成器的輸出頻率為： （8-17）思考題與習題：1簡述相位累加器的工作原理。2 DDS中如果參考頻率為100MHz，相位累加器寬度N為40位，頻率控制字M為010000H，則輸出頻率為多少？85 合成信號源簡介要求： 了解任意波形發生器工作原理 了解合成掃頻信號源工作原理851 任意波形發生器1AWG的工作原理任意波形發生器

27、的原理與DDS基本相同，如下圖所示。波形存儲器D/A轉換器濾波器fs輸出任意波形發生器原理2AWG的主要技術指標任意波形發生器的種類很多，性能各異，其基本的功能及性能指標有： 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。3 AWG的簡介下圖是某種任意波形發生器的系統結構框圖。RS232GP-IBDDSASIC波形RAMDAC調制RAMDAC濾波同步信號電路方波電路衰減調幅輸出電路某任意波形發生器系統結構同步輸出輸出852 合成掃頻信號源1工作原理頻率特性測試可以采用點頻法和掃頻法，點頻法是逐點調整信號發生器的輸出頻率，然后描繪出被測系統的頻率特性。掃頻法是利用掃頻信

28、號發生器輸出自動連續變化的頻率信號，對被測系統進行動態式的掃頻測試，普通掃頻信號發生器的原理結構如下圖所示。掃描電壓發生器正弦振蕩器放大器電平調制衰減ALC放大狀態控制可變移相顯示器頻率標記電路輸出外部自動電平控制參考電平調制信號掃頻信號發生器原理框圖2合成掃頻信號源簡介頻率合成式的掃頻信號源可實現寬帶掃頻，它具有頻率準確度和分辨力高，寄生信號和相位噪聲低等特點，具有掃頻功能和多種調制方式，能夠取代掃頻信號發生器、頻率計數器、頻率合成器等，可以用于手動和自動測試系統中。合成掃頻信號源的生產廠家和種類很多，其性能特點各不相同。思考題與習題：1簡述任意波形發生器的工作原理。2頻率特性的測試方法主要

29、有哪幾種？本章小結1信號發生器是電子測量中不可缺少的儀器，它的用途主要有：提供激勵信號，信號仿真，用作標準信號源。信號源可以按照頻率范圍、輸出波形、性能指標以及用途、調制類型、頻率調節方式等進行分類，目前應用最廣泛的仍然是正弦信號發生器和脈沖發生器。2信號源的主要組成部分包括：主振器、緩沖放大、調制、輸出級以及電源等。振蕩器產生信號，需要調制信號時由調制部分對振蕩器產生的信號進行相應的調制，輸出級完成對信號的電平調節以及阻抗匹配等。3正弦信號的性能指標主要包括頻率特性、輸出特性以及調制特性。頻率特性指標主要有：頻率范圍、頻率準確度、頻率穩定度等，頻率準確度不僅受主振器的影響而且還要受到頻率讀出

30、裝置的影響。輸出特性包括輸出電平范圍、輸出電平平坦度（頻響）、輸出電平準確度、輸出阻抗以及輸出信號的頻譜純度等。調制特性主要包括調制頻率、調幅系數、最大頻偏及調制線性等。4正弦信號發生器包括低頻信號發生器和高頻信號發生器，低頻信號發生器指頻率范圍在1Hz1MHz的信號發生器，多數低頻信號發生器采用RC正弦振蕩器，為得到較寬的頻率覆蓋范圍，有的也采用差頻式的方法。高頻信號發生器輸出頻率范圍一般在300KHz1GHz，大多數具有調幅，調頻及脈沖調制等功能。5脈沖信號發生器是專門用于產生脈沖波形的信號源，它常用于測試寬帶放大器的振幅特性、過度特性，數字系統的開關特性，示波器、雷達及通信機等。它包括通用脈沖發生器、快速（廣譜）脈沖發生器等。其中應用最廣泛的是通用矩形脈沖發生器，它可以產生寬度可變，且上升、下降沿極短的矩形脈沖。6函數發生器是一種多波形發生器，一般能夠產生正弦波、三角波、方波和鋸齒波等波形，函數發生器最基本的部分是由一個雙穩態電路與密勒積分器構成的方波三角波發生器，通過分段折線逼近的波形綜合法在三