第二章 信号源

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。
直接式频率合成原理框图
1MHz
2MHz
晶振
分频（÷10） 8MHz 混频（+） 混频（+） 滤波 分频（÷10）
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。
2．2 正弦信号源 要求： 了解正弦信号发生器的组成原理
本节要求：
① 了解信号源的作用、分类，掌握信号源的组成原理。 ② 掌握正弦信号源的主要性能指标的含义。
2．1概述
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 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0.0001Hz～1000Hz； 低频信号发生器，频率范围为1Hz～1MHz； 视频信号发生器，频率范围为20Hz～10MHz； 高频信号发生器，频率范围为200KHz～30MHz； 甚高频信号发生器，频率在30KHz～300MHz； 超高频信号发生器，频率在300MHz以上
2．2．1 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以用以下几项指标来表征： （1）频率范围。 （2）频率准确度。
其中
（2-1）
----频率绝对偏差。 （3）频率稳定度。 短期稳定度：
其中：
（2-2）
----15分钟内信号频率的最大值。
----15分钟内信号频率的最小值。
----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
D D D D D2B D3B D4B D5B D6B
（3） 锯齿波形成电路
将下图（a）所示三角波与图（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。
u t
（a）
u t
（b）
t u
（c）
t u
（d） 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 频率控制网络
2．高频信号发生器 高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz～1GHz，稳定度一般
优于10-4/15分，输出电压在0.1μV～1V左右，输出阻抗为标准的 50Ω（或75Ω）。
输出
主振级
波段 选择
频率 细调
缓冲
调制级
输出级
调制振荡器
外调制输入
监测器 高频信号发生器原理框图
2．3 合成信号发生器
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。 1．频率合成分类及特点
频率发生的最大变化，同样可由式（2-2）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。
Vd
锁相环控制系统原理图
fi
Vi
VCO
PD LPF Vo fO 基准晶振
（3）直接数字合成基本原理
DDS组成原理 直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取样技
术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可 调的信号。
设取样时钟频率为 ，正弦波每一周期由 个取样点构成，则该正弦波的频率为：
滤波
9MHz 6.28MHz 0.628MHz
1MHz 谐波发生器（倍频）
2.8MHz 0．28MHz
分频（÷10） 混频（+） 滤波 6MHz 3MHz
3.628MHz
（1） 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。 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。
第二章 信号源
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。
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电路如下图所示。 u
t
i
ust
usc
t
分段折线逼近波形综合
分段逼近波形综合电路 +E -E R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R R R R
R R R R7B R6B R5B R4B R3B R2B R1B Vi Vo D D1B D
（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，其原理框图如下所示。 方波、三角波发生器原理框图
V1
A C
双稳态 电路
V2
W R
U1 I1
+ U2 B
VC2
B端波形 t o A端波形 t o
VC1
（a）原理框图 （b）工作波形图
（低频信号发生器频率范围一般为20Hz～20KHz，故又称音频信号发
生器。
阻抗 变换 波段 调节 频率 细调 电平指示 输出
主振级
缓冲 放大
电平 控制
功率 放大
衰减器
电平调节
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。
（2-3） 其中 为取样时钟周期。 DDS的基本实现原理框图如下图所示。
地址计数器
（÷N） 正弦波ROM存储器
D/A
LPF fc fo
DDS组成原理
2．4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。
三角波 缓冲器
正弦波形 综合及缓冲
正恒 流源
负恒 流源
比较器
方波 缓冲器
外部频率控制
输出
直流补偿 积分电路
函数 选择 及其 它波 形产生 输出放大 输出滤波
函数发生器基本组成原理