CN103869875A - 一种具有时钟参考源电路的信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种具有时钟参考源电路的信号发生器，包括时钟参考源电路、信号产生及处理电路；其中，时钟参考源电路具体包括：信号输入端、时钟发生电路以及频率信号输出端；信号输入端，用于接收输入信号，并根据输入信号输出直流信号；时钟发生电路，用于根据直流信号生成频率信号，并将频率信号发送至所述的频率信号输出端；频率信号输出端，用于接收所述的频率信号，并向信号产生及处理电路输出频率信号；信号产生及处理电路，用于接收所述的频率信号，生成波形信号并将所述的波形信号进行放大、衰减处理后输出。解决了现有技术中的信号发生器均需借助现成时钟模块而造成的信号发生器成本过高且用户体验较差的缺陷的技术问题。

Description

一种具有时钟参考源电路的信号发生器

技术领域

本发明关于通信领域中的仪器设备，特别是关于信号发生器，具体的讲是一种具有时钟参考源电路的信号发生器。

背景技术

信号发生器是一种产生所需参数的电测试信号的仪器，按照其产生的信号波形可分为正弦信号发生器、函数（波形）信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

在现有技术中，信号发生器一般包括时钟参考源电路、信号产生及处理电路。其中，时钟参考源电路一般通过图1所示的电路来实现。由图1可知，现有技术中的时钟参考源电路具体包括：控制电压输入部分、时钟模块以及时钟信号输出部分。在实际使用过程中，控制电压输入部分一般通过数模转换器DAC来实现，时钟模块一般通过压控振荡器VCO来实现。压控振荡器VCO一般采用直接购买的现成的时钟模块，压控振荡器的输入信号是一个直流电压，输出信号是一个一定频率的时钟信号。时钟信号的输出频率会随着时钟模块输入直流电压的变化而改变；当需要调整时钟模块的输出频率时，调整时钟模块的输入直流信号电压即可。

如图1所示的现有技术中的信号发生器存在如下缺陷：（1）由于需要直接购买现成的时钟模块，而现成的时钟模块一般价格昂贵，且无法根据实际的使用需求灵活的定制某些功能，因此造成信号发生器成本过高且用户体验较差的缺陷；（2）由于一般需要通过高精度的直流信号去控制时钟模块，导致对控制信号要求极高，因此在实际的使用过程中输出一个高精度且稳定的直流信号均需要通过精密的DAC元器件的配合，而且需要对DAC进行控制和配置，因此提高了信号发生器的使用难度，不利于信号发生器的广泛应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种具有时钟参考源电路的信号发生器，通过将无源晶体与反相器或射频三极管相并联，并设置用于改变无源晶体的负载电容的可变电容电路，构成了时钟发生电路，解决了现有技术中的信号发生器均需借助现成时钟模块而造成的信号发生器成本过高且用户体验较差的缺陷的技术问题。

本发明的目的是，提供一种具有时钟参考源电路的信号发生器，所述的信号发生器包括时钟参考源电路、信号产生及处理电路；其中，所述的时钟参考源电路具体包括：信号输入端、时钟发生电路以及频率信号输出端；所述的信号输入端，用于接收输入信号，并根据所述的输入信号输出直流信号；所述的时钟发生电路，用于根据所述的直流信号生成频率信号，并将所述的频率信号发送至所述的频率信号输出端；所述的频率信号输出端，用于接收所述的频率信号，并向所述的信号产生及处理电路输出频率信号；所述的信号产生及处理电路，用于接收所述的频率信号，生成波形信号并将所述的波形信号进行放大、衰减处理后输出。

优选的，所述的信号输入端包括直流信号输入端，用于接收直流信号，并将所述的直流信号输出。

优选的，所述的信号输入端还包括低通滤波器，用于接收所述的直流信号，对所述的直流信号进行滤波处理，输出处理后的直流信号。

优选的，所述的信号输入端包括脉冲宽度调制信号输入端以及低通滤波器；其中，所述的脉冲宽度调制信号输入端，用于接收脉冲宽度调制信号，并将所述的脉冲宽度调制信号发送至所述的低通滤波器；所述的低通滤波器，用于接收所述的脉冲宽度调制信号，对所述的脉冲宽度调制信号进行滤波处理，输出滤波处理后的直流信号。

优选的，所述的低通滤波器通过如下电路实现：将电感与电阻进行串联，所述电阻的另一端连接对地电容。

优选的，所述的时钟发生电路具体包括互相并联的无源晶体和反相器、用于改变所述无源晶体的负载电容的可变电容电路，其中并联后的无源晶体和反相器与所述的可变电容电路相串联。

优选的，所述的时钟发生电路还包括：与所述的无源晶体以及反相器并联的第一电阻，所述第一电阻用于提供直流负反馈路径，以使所述反相器工作于线性状态；分别与所述无源晶体的一端以及反相器的输出端相连接的第二电阻，所述第二电阻用于防止所述的无源晶体被过驱动，导致输出频率不稳，同时防止无源晶体工作于其他频率。

优选的，所述的时钟发生电路具体包括互相并联的无源晶体和射频三极管、用于改变所述无源晶体的负载电容的可变电容电路，其中并联后的无源晶体和射频三极管与所述的可变电容电路相串联。

优选的，所述的时钟发生电路还包括：与所述的无源晶体以及射频三极管并联的第一电阻，所述第一电阻用于提供直流负反馈路径，以使所述反相器工作于线性状态；分别与所述无源晶体的一端以及射频三极管的输出端相连接的第二电阻，所述第二电阻用于防止所述的无源晶体被过驱动，导致输出频率不稳，同时防止无源晶体工作于其他频率。

优选的，所述的可变电容电路包括两个接地的变容二接管，所述的变容二极管的另一端分别与所述无源晶体的两端相连接。

优选的，所述的可变电容电路还包括分别与所述信号输入端以及所述变容二极管的另一端相连接的偏置电阻，所述的偏置电阻用于向所述的变容二极管提供反压的偏置电路。

本发明的有益效果在于，提供了一种具有时钟参考源电路的信号发生器，通过将无源晶体与反相器或射频三极管相并联，并设置用于改变无源晶体的负载电容的可变电容电路，构成了时钟发生电路，解决了现有技术中的信号发生器均需借助现成时钟模块而造成的信号发生器成本过高且用户体验较差的缺陷的技术问题，提供了一种简单快捷、成本低廉的时钟模块，而且控制端不仅可以输入直流信号，还可以输入脉冲宽度调制信号，降低了时钟模块控制方式的难度，极大的节省了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术信号发生器中时钟参考源电路的电路原理图；

图2为本发明实施例提供的一种信号发生器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的实施方式一的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的实施方式二的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的实施方式三的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路中的信号输入端的电路原理图；

图8为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路中的时钟发生电路的电路原理图；

图9为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的电路原理图；

图10为本发明实施例提供的一种信号发生器的结构框图；

图11为图9中的变容二极管的特性示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明实施例提供的一种信号发生器的结构示意图，由图2可知，本发明提供的一种具有时钟参考源电路的信号发生器包括时钟参考源电路100、信号产生及处理电路200，其中，时钟参考源电路100，用于接收输入信号，并向所述的信号产生及处理电路200发送频率信号；所述的信号产生及处理电路200，用于接收所述的频率信号，生成波形信号并将所述的波形信号进行放大、衰减处理后输出。

图10为本发明实施例提供的一种信号发生器的结构框图，由图10可知，在具体的实施方式中，信号产生及处理电路200包括外部时钟输入电路、时钟同步处理电路、始终缓冲器、DSP or ARM、FPGA、波形输出DAC、控制DAC以及信号处理单元，

其中，DSP or ARM主要负责人机接口，将用户输入的数据、参数、功能等要求反馈至FPGA；FPGA根据用户的设定，输出具体的数字码至波形输出DAC；波形输出DAC输出的即为原始的模拟信号，该模拟信号再进入信号处理单元进行放大、衰减、直流叠加，最后输出得到用户希望得到的波形信号。

控制DAC用于配合信号处理单元来控制输出信号的幅度，以及配合FPGA来输出相关的AM调制信号；

时钟同步处理电路是来接受外部时钟输入然后配合时钟参考源电路实现不同机器同步的功能的，时钟缓冲器是将时钟同步处理电路输出的时钟进行多路分配、电平转换，来给系统其它需要时钟的电路提供争取的时钟的。

图3为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的结构示意图，由图3可知，所述的时钟参考源电路100具体包括：信号输入端101、时钟发生电路102以及频率信号输出端103；

所述的信号输入端101，用于接收输入信号，并根据所述的输入信号输出直流信号。在具体的实施方式中，输入信号不仅可以为直流信号，还可以为脉冲宽度调制信号PWM信号。

所述的时钟发生电路102，用于根据所述的直流信号生成频率信号，并将所述的频率信号发送至所述的频率信号输出端；

所述的频率信号输出端103，用于接收所述的频率信号，并向所述的信号产生及处理电路输出频率信号。

图4为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的实施方式一的结构示意图，由图4可知，在实施方式一中，信号输入端101包括直流信号输入端1011，用于接收直流信号，并将所述的直流信号输出。

图5为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的实施方式二的结构示意图，由图5可知，在实施方式二中，所述的信号输入端101包括直流信号输入端1011，用于接收直流信号；低通滤波器1012，用于接收所述的直流信号，对所述的直流信号进行滤波处理，输出处理后的直流信号。在实施方式二中，低通滤波器的主要功能是滤除直流信号中的高频干扰，进而输出精密的直流信号。

图6为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的实施方式三的结构示意图，由图6可知，在实施方式三中，所述的信号输入端101包括脉冲宽度调制信号输入端1013以及低通滤波器1012；

其中，所述的脉冲宽度调制信号输入端1013，用于接收脉冲宽度调制信号，并将所述的脉冲宽度调制PWM信号发送至所述的低通滤波器；

所述的低通滤波器1012，用于接收所述的脉冲宽度调制信号，对所述的脉冲宽度调制信号进行滤波处理，输出滤波处理后的直流信号。

PWM信号通过该低通滤波器滤波以后即成为一个精密的直流信号，通过改变PWM信号的占空比就可以改变通过低通滤波器以后的直流信号的大小，如此用很简单的方式而无需一个精密的DAC来控制该时钟参考源电路输出的频率信号的频率。

如：PWM信号为30%的占空比的方波信号时，假设PWM信号的电平为

高电平：3.3V；

低电平：0V；

则在占空比为30%时，PWM信号通过低通滤波器之后，变成一个直流电压，其电压值为：

3.3V*30%≈1V。

图7为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路中的信号输入端的电路原理图，由图7可知，所述的低通滤波器可通过如下电路实现：将电感L与电阻R进行串联，所述电阻R的另一端连接对地电容C。如此信号输入端不仅可以输入一个直流信号，也可以输入一个PWM信号，PWM信号通过该低通滤波器滤波以后就变成了一个精密的直流信号，通过改变PWM信号的占空比就可以改变通过低通滤波器以后的直流信号的大小，这样可以用很简单的方式而不是需要一个精密的DAC来控制该时钟模块输出信号的频率。

本发明提供的具有时钟参考源电路的信号发生器中，所述的时钟发生电路有如下两种实施方式，下面分别进行说明。

1、在实施方式一中，时钟发生电路具体包括互相并联的无源晶体X1和反相器U1C、用于改变所述无源晶体的负载电容的可变电容电路，其中并联后的无源晶体X1和反相器U1C与所述的可变电容电路相串联。在实施方式一中，所述的可变电容电路进一步包括与所述的无源晶体以及反相器并联的第一电阻R1，所述第一电阻R1用于提供直流负反馈路径，以使所述反相器工作于线性状态；分别与所述无源晶体的一端以及反相器的输出端相连接的第二电阻R2，所述第二电阻R2用于防止所述的无源晶体被过驱动，导致输出频率不稳，同时防止无源晶体工作于其他频率；两个接地的变容二接管D1、D2，所述的变容二极管的另一端分别与所述无源晶体的两端相连接。所述的可变电容电路还包括分别与所述信号输入端以及所述变容二极管的另一端相连接的偏置电阻，所述的偏置电阻用于向所述的变容二极管提供反压的偏置电路。图8为实施方式一中的时钟发生电路的电路原理图，由图8可知，在该实施方式中，可变电容电路包括两个接地的变容二接管D1、D2，偏置电阻分别为R3、R4，所述的变容二极管分别与所述无源晶体X1的两端相连接。无源晶体、改变晶体负载电容的变容二极管以及一个反相器构成了一个与背景技术中的时钟模块功能相同且简单、可靠、高效的时钟参考源电路。

2、在实施方式二中，时钟发生电路具体包括互相并联的无源晶体X1和射频三极管、用于改变所述无源晶体的负载电容的可变电容电路，其中并联后的无源晶体X1和射频三极管与所述的可变电容电路相串联。在实施方式二中，所述的可变电容电路进一步包括与所述的无源晶体以及射频三极管并联的第一电阻R1，所述第一电阻R1用于提供直流负反馈路径，以使所述射频三极管工作于线性状态；分别与所述无源晶体的一端以及射频三极管的输出端相连接的第二电阻R2，所述第二电阻R2用于防止所述的无源晶体被过驱动，导致输出频率不稳，同时防止无源晶体工作于其他频率；两个接地的变容二接管D1、D2，所述的变容二极管的另一端分别与所述无源晶体的两端相连接。所述的可变电容电路还包括分别与所述信号输入端以及所述变容二极管的另一端相连接的偏置电阻，所述的偏置电阻用于向所述的变容二极管提供反压的偏置电路。实施方式二中的时钟发生电路的电路原理图与图8类似，在该实施方式中，可变电容电路包括两个接地的变容二接管D1、D2，偏置电阻分别为R3、R4，所述的变容二极管分别与所述无源晶体X1的两端相连接。无源晶体、改变晶体负载电容的变容二极管以及一个射频三极管构成了一个与背景技术中的时钟模块功能相同且简单、可靠、高效的时钟参考源电路。

下面结合具体的实施例，详细介绍本发明的技术方案。图9为本发明实施例提供的一种信号发生器中时钟参考源电路的电路原理图，由图9可知，在该实施方式中，反相器的型号为74AHC04，反相器U1C、无源晶体X1、电容C1、C2、C3、C4以及电阻R3、R4、变容二极管D1、D2构成了一个与VCO时钟模块相同效果的简单、可靠、高效的时钟参考源电路。当加在电阻R3、R4上的电压变化的时候，该电压直接传导至变容二极管D1、D2上；如此变容二极管D1、D2上即加上了相同大小的反向偏置电压，加在D1、D2上的反向偏置电压一旦发生变化时，其结电容也会相应的变化（一般反向偏置电压越高，其结电容就越小），因此由上述器件组成的时钟振荡电路的晶体X1的负载电容参数即发生变化，晶体X1的振荡频率会随着其负载电容的变化而变化，如此可通过改变加在D1、D2上反向偏置电压的大小进而改变晶体X1负载电容的大小，从而改变时钟参考源电路的时钟输出频率。

同时，在时钟发生电路的输入端口还包括一个低通滤波器，如此输入的控制信号不仅可以是直流信号，还可以为PWM信号，从而该时钟参考源电路的输入信号不仅仅是直流信号，也可以是PWM信号，PWM信号通过该低通滤波器滤波以后就变成了一个精密的直流信号，通过改变PWM信号的占空比即可以改变通过低通滤波器以后的直流信号的大小，这样可以通过很简单的方式而不需要一个精密的DAC来控制该时钟输参考源电路输出信号的频率。

在该实施例中，PWM占空比为30%时，PWM信号的电平为

高电平：3.3V；

低电平：0V；

在占空比为30%时，PWM信号通过低通滤波器之后，变成一个直流电压，其电压值为：

3.3V*30%≈1V。

图11为图9中的变容二极管的特性示意图，由图11可知，在图9所示的实施例中使用的无源晶体X1，当该晶体在8pF的负载电容下，其工作频率为10.0000MHZ，如果其负载频率偏离8pF的话，该晶体的工作频率会改变，其改变趋势是：负载电容>8pF,工作频率小于10.0000MHZ；负载电容<8pF，工作频率大于10.0000MHZ。因此可以通过改变晶体的负载频率来改变晶体的工作频率。

在本实施例中，选取R1=1M ohm，R2=1200ohm，R3=＝R4=10K ohm，其中，R2的取值范围一般为500ohm-2000ohm，如果R2小于500，则会导致对X1过驱动，R2大于2000则不能振荡。R3和R4的取值需要远远小于D1以及D2的反偏压等效电阻值（约1M 0hm），R3和R4常用的取值范围一般为1K ohm-50K ohm。

在正常工作的时候，晶体要工作在其标称的频率点的话，必须要有一个负载电容，因此图9中的负载电容为C1、C2、C3、C4、D1结电容、D2结电容的一个组合值，其大小为：C1、D1结电容串联后再与C3并联后再与另外一边的值串联，其中C1=C2=10pF，C3=C4=10pF，D1结电容＝D2结电容。如此即可利用变容二极管的特性来调节晶体负载频率。

当电压为1V的时候，变容二极管的电容为20pF，该电路组成的晶体的负载电容为10pF串联20Pf的电容后再与10pF并联，在除以2，最终的得到的计算值为：8.35pF，大于额定频率的负载电容8pF，因此输出频率就应该小于10.0000MHZ，实际测试值为9.9899MHZ。

在本发明的其他实施例中，反相器可用射频三极管来代替，还可用特征频率大于或等于10倍的无源晶体X1的工作频率的三极管来代替，其对应的工作原理以及过程与上述实施例类似，此处不再赘述。

综上所述，本发明的有益成果是：提供了一种具有时钟参考源电路的信号发生器，通过将无源晶体与反相器或射频三极管相并联，并设置用于改变无源晶体的负载电容的可变电容电路，构成了时钟发生电路，解决了现有技术中的信号发生器均需借助现成时钟模块而造成的信号发生器成本过高且用户体验较差的缺陷的技术问题，提供了一种简单快捷、成本低廉的时钟模块，而且控制端不仅可以输入直流信号，还可以输入脉冲宽度调制信号，降低了时钟模块控制方式的难度，极大的节省了成本。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种具有时钟参考源电路的信号发生器，其特征是，所述的信号发生器包括时钟参考源电路、信号产生及处理电路；

其中，所述的时钟参考源电路具体包括：信号输入端、时钟发生电路以及频率信号输出端；

所述的信号输入端，用于接收输入信号，并根据所述的输入信号输出直流信号；

所述的时钟发生电路，用于根据所述的直流信号生成频率信号，并将所述的频率信号发送至所述的频率信号输出端；

所述的频率信号输出端，用于接收所述的频率信号，并向所述的信号产生及处理电路输出频率信号；

所述的信号产生及处理电路，用于接收所述的频率信号，生成波形信号并将所述的波形信号进行放大、衰减处理后输出。

2.根据权利要求1所述的信号发生器，其特征是，所述的信号输入端包括直流信号输入端，用于接收直流信号，并将所述的直流信号输出。

3.根据权利要求2所述的信号发生器，其特征是，所述的信号输入端还包括低通滤波器，用于接收所述的直流信号，对所述的直流信号进行滤波处理，输出处理后的直流信号。

4.根据权利要求1所述的信号发生器，其特征是，所述的信号输入端包括脉冲宽度调制信号输入端以及低通滤波器；

其中，所述的脉冲宽度调制信号输入端，用于接收脉冲宽度调制信号，并将所述的脉冲宽度调制信号发送至所述的低通滤波器；

所述的低通滤波器，用于接收所述的脉冲宽度调制信号，对所述的脉冲宽度调制信号进行滤波处理，输出滤波处理后的直流信号。

5.根据权利要求3或4所述的信号发生器，其特征是，所述低通滤波器通过如下电路实现：将电感与电阻进行串联，所述电阻的另一端连接对地电容。

6.根据权利要求1所述的信号发生器，其特征是，所述的时钟发生电路具体包括互相并联的无源晶体和反相器、用于改变所述无源晶体的负载电容的可变电容电路，其中并联后的无源晶体和反相器与所述的可变电容电路相串联。

7.根据权利要求6所述的信号发生器，其特征是，所述的时钟发生电路还包括：

与所述的无源晶体以及反相器并联的第一电阻，所述第一电阻用于提供直流负反馈路径，以使所述反相器工作于线性状态；

分别与所述无源晶体的一端以及反相器的输出端相连接的第二电阻，所述第二电阻用于防止所述的无源晶体被过驱动，导致输出频率不稳，同时防止无源晶体工作于其他频率。

8.根据权利要求1所述的信号发生器，其特征是，所述的时钟发生电路具体包括互相并联的无源晶体和射频三极管、用于改变所述无源晶体的负载电容的可变电容电路，其中并联后的无源晶体和射频三极管与所述的可变电容电路相串联。

9.根据权利要求8所述的信号发生器，其特征是，所述的时钟发生电路还包括：

与所述的无源晶体以及射频三极管并联的第一电阻，所述第一电阻用于提供直流负反馈路径，以使所述反相器工作于线性状态；

分别与所述无源晶体的一端以及射频三极管的输出端相连接的第二电阻，所述第二电阻用于防止所述的无源晶体被过驱动，导致输出频率不稳，同时防止无源晶体工作于其他频率。

10.根据权利要求6至9任意一项所述的信号发生器，其特征是，所述的可变电容电路包括两个接地的变容二接管，所述的变容二极管的另一端分别与所述无源晶体的两端相连接。

11.根据权利要求9所述的信号发生器，其特征是，所述的可变电容电路还包括分别与所述信号输入端以及所述变容二极管的另一端相连接的偏置电阻，所述的偏置电阻用于向所述的变容二极管提供反压的偏置电路。

Images