第8章信號的產生8.1信號源概述8.2正弦、脈沖及函數發生器8.3鎖相頻率合成信號的產生8.4直接數字合成技術8.5合成信號源簡介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

信號源是能夠產生不同頻率、不同波形的電壓電流信號的信號發生器。測試信號發生器被測電路測試儀器輸入激勵輸出響應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的用途主要有以下三方面：☆激勵源：作為某些電氣設備的激勵信號。☆信號仿真:在設備測量中，常需要產生模擬實際環境相同特性的信號，如噪聲信號、高頻干擾等。

☆標準信號源:產生一些標準信號，用于1)為設備測試提供標準信號；2)對一般信號源的校準。2.信號源的組成信號輸出主振器緩沖調制輸出電源監測信號發生器結構框圖52023/2/3信號輸出主振器緩沖調制輸出電源監測信號發生器結構框圖核心部分，產生不同的信號對信號進行放大和整形需要調制時進行調幅、調頻調節輸出電平與輸出阻抗監視輸出信號：電壓表、頻率計、功率計等，方便使用8.1.2信號源的分類

信號源應用領域廣泛，種類繁多，性能指標各異，分類方法不一。按用途有專用、通用之分；按性能有一般和標準信號源之分；按調制類型可分為：調幅、調頻、調相、脈沖調制及組合調制信號發生器等；按頻率調節方式可分為：掃頻、程控信號發生器等。8.1.2信號源的分類1.按頻率范圍大致可分為六類：主要用途超低頻信號發生器0.0001Hz～1000Hz；電聲學、聲納低頻信號發生器1Hz～1MHz；電報通訊視頻信號發生器20Hz～10MHz；無線電廣播高頻信號發生器200KHz～30MHz；廣播、電報甚高頻信號發生器30KHz～300MHz；電視、調頻廣播、導航超高頻信號發生器300MHz以上。雷達、導航、氣象表2.1信號源按頻率劃分表名稱頻率范圍主要應用領域超低頻信號發生器低頻信號發生器視頻信號發生器高頻信號發生器甚高頻信號發生器超高頻信號發生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz電聲學、聲納電報通訊無線電廣播廣播、電報電視、調頻廣播、導航雷達、導航、氣象92023/2/32.按輸出波形,大致可分為：正弦波形發生器脈沖信號發生器函數信號發生器噪聲信號發生器ttttt3.按照信號發生器的性能指標可分為：一般信號發生器：功率大，對輸出信號頻率、幅值準確度和穩定度及失真要求不高，用于天線測試等；標準信號發生器：用于提供標準的校準信號，是高檔信號發生器。要求輸出信號的頻率、幅度、調制系數等在一定范圍內連續可調，并且計數準確、穩定，屏蔽好。8.1.3正弦信號源的性能指標

在各類信號發生器中，正弦信號發生器是最普通、應用最廣泛的一類，幾乎滲透到所有的電子學實驗及測量中。8.1.3正弦信號源的性能指標

原因是由于正弦信號是1、正弦信號最容易產生、描述，是應用最廣泛應用的載波信號，2、分析線性系統頻域特性的一種最基本的信號，因此正弦信號發生器的指標直接影響到被測系統各項性能參數的測量質量。對一個正弦信號源的基本要求是能夠迅速準確地把信號的輸出頻率、電平調到指定的數值上，故表征一個正弦信號的特性可歸結為頻率特性、輸出特性及調制特性。132.1.3正弦信號發生器的性能指標

在各類信號發生器中，正弦信號發生器是最普通、應用最廣泛的一類，幾乎滲透到所有的電子學實驗及測量中。一.頻率特性

指信號發生器所產生信號的頻率范圍，該范圍內既可連續又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋，在此范圍內應滿足全部誤差要求。2.頻率準確度

頻率準確度是指信號發生器度盤（或數字顯示）數值與實際輸出信號頻率間的偏差，通常用相對誤差表示（2.1）1.頻率范圍

8.1.3正弦信號源的性能指標1.頻率特性（1）頻率范圍：指信號發生器輸出信號的頻率范圍，該范圍內既可連續又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋，在此范圍內應滿足全部誤差要求。

（2）頻率準確度:指信號發生器度盤（或數字顯示）數值與實際輸出信號頻率間的偏差，通常用相對誤差表示8.1.3正弦信號源的性能指標1.頻率特性（3）頻率穩定度(15min)

頻率穩定度是指其它外界條件恒定不變的情況下，在規定時間內，信號發生器輸出頻率相對于預調值變化的大小。按照國家標準，頻率穩定度又分為短期頻率穩定度和長期頻率穩定度。16短期：15分鐘內長期：3小時內（8.2）2.輸出特性（1）輸出電平范圍。信號能提供的最大最小可調電壓輸出范圍；標準高頻信號發生器的輸出電壓為0.1μV～1V。（2）輸出電平的頻響在有效頻率范圍內調節頻率時，輸出電平的變化，亦稱輸出電平平坦度。（3）輸出電平準確度指輸出電平實際值對標稱值的相對偏差。（4）輸出阻抗低頻信號發生器輸出阻抗一般有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω及5kΩ等，高頻信號發生器輸出阻抗一般為50Ω或75Ω。1.輸出阻抗

低頻信號發生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600Ω（或1kΩ）功率輸出端依輸出匹配變壓器的設計而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等檔高頻信號發生器一般僅有50Ω或75Ω檔。信號發生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下標定的，若負載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數是不準確的。2.1.3正弦信號發生器的性能指標二.輸出特性（5）輸出信號的非線性失真系數和頻譜純度。由于非線性失真而產生的諧波成分，混頻器（差頻器）輸出的組合波以及噪聲等因數，造成了頻譜不純，不能得到理想的正弦波。一般信號源的非線性失真小于1%，高穩定信號源甚至要求優于0.1%。2.失真度與頻譜純度

定義測量：低頻信號發生器用失真系數高頻信號發生器用頻譜純度USUnfAfAtU2.1.3正弦信號發生器的性能指標二.輸出特性3.調制特性高頻信號發生器除了能輸出正弦波，一般還能輸出一種或多種調制后的信號，如調幅、調頻、調相、脈沖調制等。調制特性的衡量指標主要包括調制頻率，調幅系數，最大頻偏，調制線性等。

正弦信號發生器可以產生正弦信號或受調制的正弦信號。它包括：低頻信號發生器、高頻信號發生器、微波信號發生器、合成信號發生器、掃頻信號發生器等。這里對低頻信號發生器和高頻信號發生器作簡單介紹。8.2正弦、脈沖及函數發生器8.2.1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20Hz～20KHz，故又稱音頻信號發生器。現在一般為1Hz～1MHz頻段組成：圖8-2為波段式，圖8-3為差頻式。8.2正弦、脈沖及函數發生器8.2.1正弦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低頻信號發生器組成原理(波段式）1.

低頻信號發生器波段式組成：低頻信號發生器主要由主振級、緩沖放大器、衰減器、功率放大器、阻抗變換器、指示電壓表及穩壓電源等電路組成。

8.2正弦、脈沖及函數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低頻信號發生器組成原理

低頻信號發生器主振級：主振級產生低頻正弦波，是低頻信號發生器的最重要的電路，通常由RC振蕩電路產生低頻正弦波。8.2正弦、脈沖及函數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低頻信號發生器組成原理

低頻信號發生器由于RC振蕩電路的頻率覆蓋范圍小，故波段式信號發生器通常做成多波段的。8.2正弦、脈沖及函數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低頻信號發生器組成原理差頻式信號發生器組成原理高頻振蕩器緩沖放大混頻器低通濾波器功放衰減固定頻率振蕩器緩沖放大f2f1△f差頻式低頻信號發生器優點：

頻率覆蓋范圍大，在整個低頻段內頻率連續可調而不用更換頻段，輸出電平比較平穩。

RC振蕩電路形成低頻信號的工作原理RC文氏電橋振蕩電路

RC串并聯選頻網絡

在圖a中，ui是網絡的輸入電壓，u0是輸出電壓，Z1為R、C串聯阻抗，Z2為R、C并聯阻抗。u0uiRCCR(a)文氏橋式網絡0.10.20.3ω=ω00.03501/3Kfω/ω0(b)幅頻特性0.03ω=ω050ω/ω0900φ-900(c)相頻特性RC文氏橋網絡A1A2衰減器電路表頭電路電壓放大器輸出幅度微調振蕩器輸出放大器RCRtRfCR+--使用熱敏電阻作為振蕩器控制器件的文氏橋式振蕩器方框圖

圖中負溫度系數熱敏電阻Rt和電阻Rf就構成了電壓負反饋電路。熱敏電阻Rt的阻值隨環境溫度升高或流過的電流增加而減小，當由于各種原因引起輸出電壓增大時，由于該電壓也直接接在Rt、Rf串聯電路，流過Rt的電流也隨之增加而導致Rt阻值降低，負反饋加大，放大器總增益降低，使輸出電壓減小，達到穩定輸出信號振幅的目的。而在振蕩器起振階段，由于Rt溫度低，阻值大，負反饋小，放大器實際總增益大于3，振蕩器容易起振。低頻信號發生器簡介

1．XD1低頻信號發生器2.

高頻信號發生器高頻信號發生器輸出頻率范圍一般在300KHz～1GHz，能輸出等幅正弦波和調制波信號，大多數具有調幅，調頻及脈沖調制等功能基本組成和原理框圖1.高頻信號發生器的基本組成

高頻信號發生器是由主振級、緩沖級、調制級、輸出級、衰減級、內調制振蕩級、監測級和電源等組成。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主振級主振級通常是LC三點式振蕩電路，產生具有一定工作頻率范圍的正弦信號，是信號發生器的核心。緩沖級：主要作用是阻抗變換，用來隔離調制級對主振級可能產生的不良影響，以保證主振級振蕩頻率穩定，避免寄生調制和提高信噪比，緩沖一般采用選頻放大器。

各部分工作特點如下：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調制級：正弦信號到調制級后，根據調制要求進行相應的調制，調制信號可以由內部調制振蕩器產生，也可由外部輸入。輸出級：進一步控制輸出信號幅值，使最小電壓達微伏數量級，對輸出級的要求：輸出電平的調節范圍寬，衰減量應能準確讀數，有良好的頻率特性，在輸出端有準確且固定的輸出阻抗。監測器用于監測載波電平和調制系數等。36l)主振級主振級通常是LC三點式振蕩電路，產生具有一定工作頻率范圍的正弦信號。2)緩沖級它主要起阻抗變換作用，用來隔離調制級對主振級的影響。3)調制級

為了測試各種接收機的靈敏度和選擇性等性能指標，必須用已調制正弦信號作為測試信號，這個任務在調制級中完成。調制的方式主要有調幅、調頻和脈沖調制。調幅多用于100kHz～35MHz的高頻信號發生器中，高頻信號發生器中的調幅，一般采用正弦調制。調頻主要用于30MHz～1000MHz信號發生器中，脈沖調制多用于300MHz以上的微波信號發生器中。4)輸出級

輸出級可進一步控制輸出電壓的幅度，使最小輸出電壓達到μV數量級。輸出電平的調節范圍寬，衰減量應能準確讀數，有良好的頻率特性，在輸出端有準確且固定的輸出阻抗。XFC-6型標準信號發生器能產生4-300MHz的高頻信號，并可進行調幅、調頻以及調幅調頻雙重調制．適用于相應頻率范圍的接收設備的校準與測試等。2.3.2高頻信號發生器簡介EE1051高頻信號發生器，頻率覆蓋100KHz~150MHz,電平連續可調，并具有調頻、調幅功能。輸出頻率采用四位數顯示方式，頻率顯示精度較高；輸出電平采用ALC穩幅方式，輸出穩定便于使用。8.2.2脈沖信號發生器常見的脈沖信號有矩形、鋸齒形、階梯形、鐘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

常見的脈沖信號脈沖發生器專門用于產生脈沖波型的信號源。分類（根據用途和產生脈沖的方法）：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。脈沖信號源XC16A

XC16A型脈沖發生器，可以輸出大幅度（±20V）雙脈沖，有三種脈沖方式可選擇。除功率放大外，主要線路部分采用CMOS集成電路，因而具有可靠性高，功耗小、無噪聲（機內無風機）等特點；還具有輸出幅度大、波形失真小，前后沿快及脈沖周期、延遲、寬度調節范圍大等特點。適用于脈沖電路、計數電路的研究及無線電工程與電子工業設備配套；在PMOS、CMOS、HTL集成電路的測試、研究等需用大幅度脈沖信號源的領域里尤為適用。

1.通用脈沖發生器通用脈沖發生器能夠滿足一般測試的要求，可以產生頻率、脈寬、極性、上升、下降時間可任意調節的矩形脈沖、窄脈沖。輸出脈寬，上升/下降沿控制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同步脈沖輸出脈沖信號發生器組成原理2.快速（廣譜）脈沖發生器在時域測試中，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。快速脈沖信號的產生技術主要有：水銀開關脈沖發生器、雪崩晶體管脈沖發生器、階躍恢復二極管脈沖發生器以及隧道二極管脈沖發生器等。VDRCROKRL水銀開關脈沖發生器原理

函數信號發生器的三種組成方案：第一種是施密特電路產生方波，然后經變換得到三角波和正弦波；第二種是先產生正弦波再得到方波和三角波；第三種是先產生三角波再轉換為方波和正弦波。

函數發生器是一種能夠產生正弦波、方波、三角波等多種波形的信號發生器。8.2.3函數信號發生器8.2.3函數信號發生器1.多波形信號發生原理方波→三角波→正弦波函數發生器一般以某種波形為第一波形正弦波→方波→三角波三角波→正弦波→方波

函數發生器是一種能夠產生正弦波、方波、三角波等多種波形的信號發生器。1.多波形信號發生原理⑴方波、三角波發生器8.2.3函數信號發生器其基本原理是先由積分電路和雙穩態觸發電路產生三角波和方波，然后通過函數轉換器將三角波整形成正弦波。1.多波形信號發生原理⑴方波、三角波發生器C雙穩態電路V2AWRU1I1U2B方波、三角波發生器原理框圖V1設充放電電流為I，輸出三角波的頻率為fsc，則：VC1VC2+_8.2.3函數信號發生器函數信號發生器原理框圖其基本原理是先由積分電路和觸發電路產生三角波和方波，然后通過函數轉換器將三角波整形成正弦波。觸發電路比較器Ⅰ比較器Ⅱ放大器衰減器二級管整形網絡波形選擇積分器_+A輸出FCDRPR1R2QQ+UmK-Um⑵正弦波形成電路utiustusct分段折線逼近波形綜合其電路實現原理如下圖所示。

分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6BR0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14D1D2D3D4D5D6E3E2E1-E1-E2-E3+E輸入Ui(a)二極管整形網絡輸出Uo-E0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t14tu0ufE1E2E3ui(b)正弦波的折線近似⑵正弦波形成電路51utiuiuot分段折線逼近波形綜合其電路實現原理如下圖所示。

分段逼近波形綜合電路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BUiUoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B輸入三角波輸出正弦波二極管依次導通2、三角波——正弦波變換原理

上圖為實際的正弦波形成網絡。電路中使用了6對二極管。正、負直流電源和電阻為二用管提供適當的偏壓，以控制三角波逼近正弦波時轉折點的位置。直流穩壓電源uiuoR0R1R2R3R4R5R6R7R1’R2’R3’R4’R5’R6’R7’VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7VD8VD9VD10VD11VD12+-TT2TUm0-Um00E-E0(Q)(Q非)(D)(F)(a)(Q)(Q非)(D)(b)函數發生器波形圖⑶鋸齒波形成電路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）鋸齒波的獲得原理

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，再經過全波整流，就得到了圖（d）所示的鋸齒波。2.函數發生器的性能和組成函數發生器能輸出方波，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）及較穩定的頻率。頻率控制網絡三角波緩沖器正弦波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8.3鎖相頻率合成信號的產生8.3.1頻率合成的基本概念2.3合成信號發生器頻率合成的方法直接模擬頻率合成法（DAFS）直接數字頻率合成法（DDS）間接鎖相式合成法（DirectAnalogFrequencySynthesis）（DirectDigitalFrequencySynthesis）信號源主振級頻率準確度頻率穩定度通用信號源RC、LC振蕩器10-2量級10-3～10-4合成信號源晶體振蕩器10-8量級10-7量級8.3鎖相頻率合成信號的產生頻率合成原理頻率的代數運算是通過倍頻、分頻及混頻技術來實現。8.3.1頻率合成的基本概念頻率1輸出石英晶體代數運算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準頻率2.頻率合成分類及特點⑴直接頻率合成

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0.28MHz分頻（÷10）混頻（+）濾波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。輸出3.628MHz⑵鎖相式頻率合成

一種間接式的頻率合成技術。它利用鎖相環（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，價格低等優點。缺點：頻率切換時間相對較長，相位噪聲較大。

⑶直接數字合成（DDS）

是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：能實現快捷變和小步進，且集成度高，體積小缺點：頻率上限較低，雜散也較大。3.頻率合成技術的發展

各種頻率合成方式的綜合:

直接式、間接（鎖相環）式和直接數字式頻率合成技術都有其優缺點，單獨使用任何一種方法，很難滿足要求。因此可將這幾種方法綜合應用，特別是DDS與PLL的結合,可以實現快捷變，小步進及較高的頻率上限。8.3.2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frVrVCOPDLPFVofOVd鎖相環控制系統原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd鎖相環的主要性能指標: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：環路最終能夠自行進入鎖定狀態的最大允許的頻差環路帶寬: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

⑴倍頻式鎖相環倍頻環實現對輸入頻率進行乘法運算，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Nfifo=Nfi（b）數字倍頻環VCOPDLPFfi÷N倍頻式鎖相環原理圖fi×NPLLNfi（c）倍頻環簡化圖⑵分頻式鎖相環分頻環實現對輸入頻率的除法運算，與倍頻環相似，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）諧波分頻環fi÷NPLLfo=fi/N（c）分頻環簡化圖⑶混頻式鎖相環混頻環實現對頻率的加減運算PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混頻環fo=fi1-fi2混頻鎖相環+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加環簡化圖（d）相減環簡化圖⑷多環合成單元單環合成單元存在頻率點數目較少，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合成單元組成fo=Nfi1+fi23400～5100KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（－）fi2fi1fo-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100～110KHz×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2（b）雙環合成器簡化結構框圖雙環合成器原理結構圖VCO1PD1LPF1諧波形成函數、任意波形發生器課堂習題

用一臺5位十進電子計數器測量頻率，選用0.1s的閘門時間。若被測頻率為10KHz，則測頻分辨力為多少？量化誤差（相對誤差值）為多少？如果該計數器的最大閘門時間為10s，則在顯示不溢出的情況下，測量頻率的上限為何值？

（1）測量分辨率＝（1/0.1s）＝10Hz

（2）在0.1s的閘門時間內的計數值為：10KHz×0.1s＝1000，則量化誤差的相對值為：1/1000＝0.1％

（3）為了顯示不溢出，則在10s的最大閘門時間內計得的值不能超過105，由此可得測量頻率的上限值為：105/10s＝10KHz欲用電子計數器測量一個fx=200Hz的信號頻率，采用測頻（選閘門時間為1s）和測周（選時標為0.1μs）兩種方法。

（1）試比較這兩種方法由±1誤差所引起的測量誤差；

（2）從減少±1誤差