电子测量原理第八章信号的产生.ppt

,第8章 信号的产生,8.1 信号源概述 8.2 正弦、脉冲及函数发生器 8.3 锁相频率合成信号的产生,8.1 信号源概述,信号源的作用和组成 信号源的分类 正弦信号源的性能指标,8.1.1 信号源在电子测量中的作用和组成,1.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：激励源。信号仿真。标准信号源。,2.信号源的组成,信号源组成：主振器：信号源的核心部分，产生不同频率、不同波形的信号。（信号频率形状不同，其原理结构也不同）缓冲级：对主振器产生的信号进行放大、整形等。调制级：在需要输出调制波形时，对原始信号按照调幅、调频等要求进行调制。输出级：调节输出信号的电平和输出阻抗。可由衰减器、匹配变压器及射极跟随器等构成。监测器：监测输出信号。如电压表、频率表等。电源：提供直流电源，通常由交流电整流为直流电得到。,8.1.2 信号源的分类,1.按频率范围 大致可分为六类：超低频信号发生器 0.0001Hz1000Hz；低频信号发生器 1Hz1MHz；视频信号发生器 20Hz10MHz；高频信号发生器 200KHz30MHz；甚高频信号发生器 30KHz300MHz；超高频信号发生器 300MHz以上。,2.按输出波形,大致可分为：正弦波形发生器；脉冲信号发生器；函数信号发生器；噪声信号发生器。,3.按照信号发生器的性能指标 可分为：一般信号发生器；标准信号发生器；,8.1.3 正弦信号源的性能指标,1.频率特性（1）频率范围：信号发生器在各项指标得到保证前提下，输出频率的范围。（2）频率准确度：频率实际值对其标称值的相对偏差。（3）频率稳定度：一定时间间隔内频率准确度的变化。（15分钟内信号频率发生的最大变化）,2.输出特性（1）输出电平范围。（2）输出电平的频响：输出电平的变化，平坦度。（3）输出电平准确度：输出电平实际值对标称值的相对偏差。（4）输出阻抗（5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。,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。,对信号发生器的一般要求 1.输出波形失真小：正弦信号发生器的非线性失真系数不超过 1%3%，有时要求低于 0.1%。2.输出频率稳定并且在一定范围内连续可调：一般信号发生器的频率稳定度为 1%10%，标准信号发生器应优于1%。3.输出电压稳定并且在一定范围内连续可调。,4.输出阻抗要低，与负载容易匹配 一般低频信号发生器具有低阻抗 和 600阻抗；高频信号发生器多为 50或75输出阻抗；有功率输出时可配接 8、16、150、600、5K等。5.调制特性(对高频信号发生器一般要求有调幅和调频输出)调制频率:调幅一般为 100 Hz 和 400 Hz,调频为 10 110 KHz。调制特性:调幅度为 080%,调频频偏不低于75 KHz。6对于脉冲信号发生器，输出脉冲信号的脉冲宽度应可调节。,8.2 正弦、脉冲及函数发生器,8.2.1 正弦信号发生器,正弦信号发生器是信号源中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号。根据信号产生的方式，正弦信号发生器可分为：（1）LC 振荡式信号发生器：LC 振荡方式多用于高频信号发生器。（2）RC 振荡式信号发生器：RC 振荡方式多用于低频信号发生器，以文氏电桥振荡器最常见。（3）差频式振荡信号发生器：差频振荡器电路复杂，频率稳定度和波形较差，但它易于实现在整个低频范围内连续调节而不用更换频段，输出电平也较均匀，因此常用于扫频振荡器中。（4）石英晶体振荡器：由一块高稳定度的石英晶体做成基准频率振荡器，通过频率变换，产生与基准频率具有同样精确度和高稳定度的频率信号。常用作数字时钟。,1.低频信号发生器（音频信号发生器）低频信号发生器频率范围一般为20Hz20KHz。,主振级：产生频率可调的正弦信号，决定输出信号的频率范围和稳定度。缓冲放大器：放大主振器产生的正弦信号，以达到电压输出幅度的要求。衰减器：将放大器输出信号的幅度进行衰减后输出，以满足不同输出要求。功率放大器：对负载能力很弱的电压输出信号进行功率放大。阻抗变换器：用来匹配不同的负载。,2.高频信号发生器高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz，大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能,8.2.2 脉冲信号发生器,常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等：,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.通用脉冲发生器通用脉冲发生器能够满足一般测试的要求，能够调节脉冲重复频率、脉冲宽度、输出幅度及极性等。,2.快速（广谱）脉冲发生器在时域测试中，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。,快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及隧道二极管脉冲发生器等。,8.2.3 函数信号发生器,函数信号发生器能产生三角波、矩形波和正弦波等波形，使用起来有较大的灵活性，因而正在逐渐取代只能产生正弦波的正弦信号发生器。,方波由三角波通过方波变换电路变换而成，实际中，三角波和方波的产生是难以分开的，方波形成电路通常是三角波发生器的组成部分。正弦波是三角波通过正弦波形成电路变换而来的。所需波形经过选取、放大后经衰减器输出。,方波和三角波产生电路,方波、三角波产生电路有多种构成方式，常用的有恒流源控制式的、施密特触发器和线性积分电路构成的以及运算放大器构成的等。图为恒流源控制的方波、三角波产生电路。,由于恒流源对电容 C 的充电、放电，在电容 C 上产生线性变化的电压，从而在放大器输出端得到三角波。此三角波被送到电压比较器，在比较器的输出端得到方波，该方波又反馈控制二极管开关电路，决定恒流源对电容 C 是充电还是放电。,电容 C 的大小决定三角波、方波的频率，C 越小频率越高。当正、负恒流源大小相等时，得到的是对称的三角波和方波。调节恒流源控制电路，改变正、负恒流源的大小，可得到非对称的三角波和矩形波。,正弦波形成电路,当三角波自 0向正值方向增大到“1”点电压 U 1 时，二极管 VD 1A 导通，电阻 R、R A、R 1A 组成的分压器被接通，输入三角波分压后再传送到输出端 B，使得 B 端电位下降，输出波形自“1”点下降至 1 点。当三角波继续增大到“2”点电压 U 2 时，二极管 VD 2A 也导通，电阻 R B、R A 被接入分压，使得分压器的分压比减小，B 端的电位比 A 端的电位更为下降，输出波形自“2”点下降至 2 点，下降幅度大于“1”点至 1 点的下降幅度。如此继续下去 三角波趋向于正弦波。,三角波从 A点输入,正弦波从B点输出。设开始时，三角波输入电压为 0，则各个二极管均截止。,函数发生器的性能和组成函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波等波形，具有较宽的频率范围（0.1Hz几十MHz）及较稳定的频率。,8.3 锁相频率合成信号的产生,频率合成原理 a)频率合成的意义:为得到许多稳定的信号频率。b)频率合成的定义 c)频率合成的实现：频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。,8.3.1 频率合成的基本概念,2.频率合成分类及特点(分为三类)直接频率合成 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选出，下图是其实现原理。,优点: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。,锁相式频率合成 一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（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，价格低等优点。缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。,直接数字合成（DDS）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 优点：能实现快捷变和小步进，且集成度高，体积小缺点：频率上限较低，杂散也较大。,3.频率合成技术的发展 各种频率合成方式的综合:直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成技术都有其优缺点，单独使用任何一种方法，很难满足要求。因此可将这几种方法综合应用，特别是DDS与PLL的结合,可以实现快捷变，小步进及较高的频率上限。,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。,各部分作用：鉴相器完成输入与输出信号的相位比较，其输出反映它们之间的相位差。环路滤波器为一低通滤波器，用于滤除鉴相器输出中的高频成分和噪声。压控振荡器实现对输入频率的跟踪，它根据鉴相器的输出调整输出频率以降低输出信号与输入信号的相位差，从而实现频率的跟踪。,锁相环的主要性能指标:同步带宽：锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围 捕捉带宽：环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的频差 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路带宽。,2.锁相环的基本形式 倍频式锁相环 倍频环实现对输入频率进行乘法运算，主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环,分频式锁相环 分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有两种基本形式。,混频式锁相环 混频环实现对频率的加减运算,