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1、第8 章 信号的产生本章介绍：介绍了信号源在电子测量中的作用、组成原理、种类及正弦信号源的性能指标；阐述了 正弦信号发生器和脉冲发生器的原理与组成结构，多波形信号发生原理，函数发生器的基本 组成结构等；详细阐述频率合成的基本概念，频率合成的基本方式，锁相环的工作原理及基 本形式，介绍提高频率分辨力和频率上限的锁相合成技术以及直接数字合成的基本原理，对 任意波形发生器和合成扫频信号源作了简单介绍。信号发生器用途主要是：提供激励信号、信号仿真和用作标准信号源，可以按照频率范 围、输出波形、性能指标以及用途、调制类型、频率调节方式等进行分类。信号源的主要组 成部分包括：主振器、缓冲放大、调制、输出级
2、以及电源等，正弦信号的性能指标主要包括 频率特性、输出特性以及调制特性。由于正弦信号是分析线性系统频域特性的一种最基本的 信号，而且也是最容易产生、描述和广泛应用的载波信号，因此正弦信号发生器具有特殊地 位，它包括低频信号发生器和高频信号发生器。脉冲信号发生器是专门用于产生脉冲波形的信号源，而函数发生器可以产生多种波形， 如正弦波、三角波、方波和锯齿波等。正弦信号也可以通过频率合成的方式产生，频率合成 是由一个或多个高稳定的基准频率，通过基本的代数运算得到一系列所需的频率。锁相频率 合成技术是一种最常用的频率合成技术，锁相环实际上是一个负反馈相位控制系统，通过相 位比较实现频率的锁定。锁相频率
3、合成可以实现小步进，但切换时间长，而直接数字合成(DDS)可以在实现小步进的同时实现频率的快速切换，但它具有频率上限低、杂散较大等 缺点。将几种频率合成技术综合应用，可以取长补短，同时实现快捷变，小步进及较高的频 率上限。81 信号源概述本节要求： 了解信号源的作用、分类，掌握信号源的组成原理。 掌握正弦信号源的主要性能指标的含义。811 信号源的作用和组成1作用信号源的用途主要有以下三方面：( 1)激励源；( 2)信号仿真；( 3)标准信号源。2组成信号源的组成结构如下图所示：信号发生器结构框图812 信号源的分类按照输出信号的频率来分，大致可分为六类：超低频信号发生器，频率范围为0.000
4、1Hz1000Hz； 低频信号发生器，频率范围为1Hz1 MHz； 视频信号发生器，频率范围为20Hz10MHz； 高频信号发生器，频率范围为200KHz30MHz； 甚高频信号发生器，频率在30KHz300MHz； 超高频信号发生器，频率在300MHz以上 按输出波形可以分为：正弦波形发生器，产生正弦波或受调制的正弦信号； 脉冲信号发生器，产生脉冲宽度不同的重复脉冲； 函数信号发生器，产生幅度与时间成一定函数关系的信号； 噪声信号发生器，产生模拟各种干扰的电压信号。 按照信号发生器的性能指标可分为：一般信号发生器和标准信号发生器。 813 正弦信号源的性能指标1频率特性正弦信号源的频率特性可
5、以用以下几项指标来表征（1）频率范围。（2）频率准确度。8-1)f fo 二塑 x 100% f foo其中纣-f - fo频率绝对偏差。（3）频率稳定度。 短期稳定度：f f5 max min x 100%fo（8-2）其中： max 15 分钟内信号频率的最大值。 min15 分钟内信号频率的最小值。o 预调频率（标称频率）。长期稳定度是指信号源经过规定预热时间后，在任意 3 小时内信号频率发生的最大变 化，同样可由式（8-2）表示。2输出特性正弦信号源的输出特性指标主要有：（1）输出电平范围。（2）输出电平的频响。（3）输出电平准确度。（4）输出阻抗。（5）输出信号的非线性失真系数和频谱
6、纯度3调制特性调制特性的恒量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频偏，调制线性等 思考题与习题：1.什么叫信号源？按输出波形的不同可分为哪几类？2正弦信号源的主要性能指标有那些？各有什么含义？82 正弦、脉冲及函数发生器要求：了解正弦信号发生器的组成原理 了解脉冲信号发生器的原理与分类 掌握多波形信号发生原理，了解函数发生器的组成。821 正弦信号发生器1低频信号发生器低频信号发生器频率范围一般为20Hz20KHz,故又称音频信号发生器。图 8-2 低频信号发生器组成原理主振级一般采用RC正弦振荡器，其每一分波段的频率覆盖系数通常为10。因此要覆盖 较宽的频率范围，需要多个分波段，而差频式低频
7、信号发生器可以在不分波段的情况下得到 较宽的频率覆盖范围。差频式低频信号发生器原理框图高频振荡器输出频率为f，固定频率振荡器输出频率为fo,设f变化范围为f1f2， 则差频信号的频率范围为仗二f1 - f0笙二f2 - f0，如果f与f0的值都很高，则差 频的频率覆盖系数纣2/纭可以达到很大的值，因此对f进行调频指数不大的调频也可以 使纣具有很宽的范围。2高频信号发生器高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1 GHz,稳定度一般优于10-/15分，输出 电压在0.1p V1V左右，输出阻抗为标准的50Q (或75Q )。高频信号发生器原理框图822 脉冲信号发生器常见的脉冲信号有矩形、锯
8、齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等。ot1 uot(b)锯齿波tuuot(c)阶梯波1J(e)数字编码序列常见的脉冲信号根据脉冲发生器的用途和产生脉冲的方法，可以分为通用脉冲发生器、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。1通用脉冲发生器脉冲发生器的基本原理如下图所示。脉冲信号发生器组成原理通用脉冲发生器产生的脉冲持续时间和过渡时间一般在Ins以上,有的过渡时间虽然可 到 300ps ， 但参数固定不能调节。2快速（广谱）脉冲发生器 快速脉冲发生器可用于数字通信、雷达、时域特征测试等场合。在时域测试中,快速脉 冲信号发生器用来提供广谱的激励信号,尤其在微波网
9、络、宽带元器件的时域测试中,脉冲 信号发生器相当于频域测试中的扫频信号源。823 函数发生器函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形的信号发生器。 1多波形信号发生原理函数发生器一般以某种波形为第一波形,然后在该波形基础上转换导出其它波形。 （1）方波三角波发生器 它最基本的部分是由一个双稳态电路与密勒积分器构成的方波三角波发生器,其原方波、三角波发生器原理框图（2）正弦波形成电路正弦波可以由三角波获得,其方法是分段折线逼近的波形综合法。分段折线逼近的实现+ER6RtaRR7B4R6BR5BR1分段逼近波形综合电路R2BR =1B3） 锯齿波形成电路将下图（a）所示三角波
10、与图（b）所示方波直接叠加就可得到图（c）所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（d）所示的锯齿波。Lu(a)t -(b)锯齿波的获得原理2函数发生器的组成函数发生器的典型原理框图如下图所示。外部 频率 控制*L比较器积分电路三角波缓冲器频率控制网络负恒流源正恒流源方波缓冲器及其输出输出f它波f 放大f滤波形产生直流补偿输出正弦波形 综合及缓冲函数 选择函数发生器基本组成原理思考题与习题：1.简述函数信号发生器的多波形形成原理？2差频式低频信号源与一般低频信号源的区别？83 锁相频率合成信号的产生要求：掌握频率合成的基本原理 掌握锁相频率合成原理及其基本方式 了解提高频率分辨力及频率上限
11、的锁相合成技术831 频率合成的基本概念1频率合成原理当要获得许多稳定的信号频率时，不能采用很多个晶体振荡器来产生，应采用频率合成 的方法来得到。频率控制频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率（一般由高稳定的石英晶体振荡器产生）， 通过基本的代数运算（加、减、乘、除），得到一系列所需的频率。 2频率合成分类及特点当前主要的频率合成方式有：直接频率合成、锁相式频率合成（间接式频率合成）及直 接数字合成（DDS）等方式。（1）直接频率合成。它是通过频率的混频、倍频和分频等方法来产生一系列频率信 号并用窄带滤波器将其选出，下图是其实现原理。1MHz直接式频率合成原理框图 优点：频率切换迅速，相位噪声
12、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。（2）锁相式频率合成。它是一种间接式的频率合成技术，利用锁相环（PLL）把压 控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个 基准频率的基础上合成不同的频率。优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低。 缺点：频率切换时间相对较长。（3）直接数字合成（DDS）。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。优点：能够解决快捷变和小步进之间的矛盾，且集成度高，体积小。 缺点：频率上限较低，杂散也较大。8. 3. 2锁相环（PLL）的基本概念1锁相环基本工作原理及性能锁
13、相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、电 压控制振荡器（VCO）及基准晶体振荡器等部分组成。fo锁相环控制系统原理图锁相环是一个相位环反馈控制系统，系统的信息是相位，因此可以用相位传递函数来描 述锁相环的特性，锁相环的闭环相位传递函数为（）（s） H （s） = o8-5)（s）i式（8-5）中o（s）输出相位eo的拉氏变换；i（S）输入相位9 i（t）的拉氏变换； 若取S = j，则可得到锁相环的频率特性，即（心（j H （何=-8-6)（何i式（8-6 ）中 输入相位的调制角频。环路带宽：锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性，其高频截止频率称为环
14、路带 宽。2.锁相环的基本形式常用的锁相环形式主要有以下几种：（1）倍频式锁相环。倍频环主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环。c） 倍频环简化图倍频式锁相环原理图2）分频式锁相环。分频环实现对输入频率的除法运算，也有两种基本形式。（C）分频环简化图分频式锁相环原理图3)混频式锁相环。混频环实现对频率的加减运算。(d)相减环简化图(c)相加环简化图图 8-17 混频锁相环(4)多环合成单元。单环型锁相环存在频率点数目少，频率分辨率不高等缺点，因 此一个合成式信号源都是由多环合成单元组成。下图是一个双环合成单元。f内插振荡器i2 100 llOKHza) 双环合成器原理结构框图b) 双环合成器简化结构框图双环合成器原理结构图833 提高频率分辨力的锁相合成技术1提高频率分辨力的技术途径后置分频器的 PLL 合成器力提高了M倍，但相应地输出频率范围也减小到原来的1Mo提高频率分辨力的途径之一如下图所示，在锁相环后设置一分频器，则输出频率(NM)厶，当“改变1时，fo变化量为打M，在不加长转换时间的前提下使分辨为了在提高频
