1、電子測(cè)量與智能儀器第3章 信號(hào)發(fā)生器授課教師：林志源9/6/20221第3章 信號(hào)發(fā)生器3.1 信號(hào)發(fā)生器概述3.1.1 信號(hào)發(fā)生器的功用3.1.2 信號(hào)發(fā)生器的分類(lèi)3.1.3 正弦信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)3.2 模擬信號(hào)發(fā)生器3.2.1 低頻信號(hào)發(fā)生器3.2.2 高頻信號(hào)發(fā)生器3.2.3 脈沖信號(hào)發(fā)生器3.2.4 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器3.2.5 噪聲發(fā)生器9/6/202223.3 合成信號(hào)發(fā)生器3.3.1 直接模擬頻率合成法3.3.2 直接數(shù)字頻率合成法3.3.3 間接合成法3.3.4 頻率合成技術(shù)的進(jìn)展本章小結(jié)作業(yè)布置9/6/20223第3章 信號(hào)發(fā)生器9/6/202243.1 信號(hào)發(fā)生器概述3.1

2、.1 信號(hào)發(fā)生器的功用 測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器，通常稱(chēng)為信號(hào)源，是最基本、應(yīng)用最廣泛的測(cè)量?jī)x器。其功用主要包括以下三方面：1.作激勵(lì)源 作為某些電氣設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。 2.信號(hào)仿真 在設(shè)備測(cè)量中，常需要產(chǎn)生模擬實(shí)際環(huán)境相同特性的信號(hào)，如對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行仿真。 3.校準(zhǔn)源 產(chǎn)生一些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用于對(duì)一般信號(hào)源進(jìn)行校準(zhǔn)（或比對(duì)）。 9/6/20225圖3.1 信號(hào)源的功用輸 入激 勵(lì)信號(hào)發(fā)生器被測(cè)設(shè)備測(cè)試儀器輸 出響 應(yīng)9/6/202263.1.2 信號(hào)發(fā)生器的分類(lèi)1. 按頻率范圍分 無(wú)低頻高頻微波頻段頻率范圍主振電路調(diào)制方式RC電路1Hz1MHz磁控管、體效應(yīng)管、1MHz1GHz1GHz100GHzLC電路

3、AM、FM、PMAM、FM9/6/20227表3.1 信號(hào)源按頻率劃分表 名 稱(chēng)頻 率 范 圍主要應(yīng)用領(lǐng)域超低頻信號(hào)發(fā)生器低頻信號(hào)發(fā)生器視頻信號(hào)發(fā)生器高頻信號(hào)發(fā)生器甚高頻信號(hào)發(fā)生器超高頻信號(hào)發(fā)生器30kHz以下30kHz300kHz300kHz6MHz6MHz30MHz30MHz300MHz300MHz3000MHz電聲學(xué)、聲納電報(bào)通訊無(wú)線(xiàn)電廣播廣播、電報(bào)電視、調(diào)頻廣播、導(dǎo)航雷達(dá)、導(dǎo)航、氣象9/6/202283. 按性能分 普通-功率大，頻率、電壓刻度不大準(zhǔn)確， 用于天線(xiàn)測(cè)試等 標(biāo)準(zhǔn)-頻率、電壓刻度準(zhǔn)確，屏蔽好，供計(jì)測(cè)用2. 按波形分 正弦-脈沖-函數(shù)-產(chǎn)生函數(shù)通用波形 噪聲-ttttt9/6

4、/202293.1.3 正弦信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)1. 頻率范圍 指信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生信號(hào)的頻率范圍，該范圍內(nèi)既可連續(xù)又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋，在此范圍內(nèi)應(yīng)滿(mǎn)足全部誤差要求。 2.頻率準(zhǔn)確度 頻率準(zhǔn)確度是指信號(hào)發(fā)生器度盤(pán)（或數(shù)字顯示）數(shù)值與實(shí)際輸出信號(hào)頻率間的偏差，通常用相對(duì)誤差表示 （3.1） 信號(hào)發(fā)生器最基本、最常用的性能指標(biāo)有：9/6/2022103. 頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度指標(biāo)要求與頻率準(zhǔn)確度相關(guān)，頻率準(zhǔn)確度是由頻率穩(wěn)定度來(lái)保證的。頻率穩(wěn)定度是指其它外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率相對(duì)于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，頻率穩(wěn)定度又分為短期頻率穩(wěn)定度和長(zhǎng)期

5、頻率穩(wěn)定度。 短期：15分鐘內(nèi) 長(zhǎng)期：3小時(shí)內(nèi) （3.2） 式中，f0為預(yù)調(diào)頻率，fmax和fmin分別為任意15分鐘內(nèi)信號(hào)頻率的最大值和最小值。9/6/2022114.失真度與頻譜純度 定義 為了測(cè)量上的方便，也用下面的公式：高頻信號(hào)發(fā)生器用頻譜純度來(lái)評(píng)價(jià) 用失真度來(lái)評(píng)價(jià)低頻信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)波形接近正弦波的程度，并用非線(xiàn)性失真系數(shù)表示U1為輸出信號(hào)基波有效值，U2，U3， Un 為各次諧波有效值。Us是信號(hào)幅度，Un是高次諧波及干擾噪聲的幅度。9/6/2022125. 輸出阻抗 低頻信號(hào)發(fā)生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600（或1k）。功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計(jì)而定，通常有50、75

6、、150、600和5 k等檔。 高頻信號(hào)發(fā)生器一般僅有50或75檔。 信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負(fù)載的條件下標(biāo)定的，若負(fù)載與信號(hào)源輸出阻抗不相等，則信號(hào)源輸出電壓的讀數(shù)是不準(zhǔn)確的。 9/6/2022136. 輸出電平 輸出電平指的是輸出信號(hào)幅度的有效范圍，即由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號(hào)發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率在其衰減范圍內(nèi)所得到輸出幅度的有效范圍。 在信號(hào)發(fā)生器的輸出級(jí)中，一般都包括衰減器，其目的是獲得從微伏級(jí)（V）到毫伏級(jí)（mV）的小信號(hào)電壓。在信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)中，包括“衰減器特性”這一指標(biāo)，主要指衰減范圍和衰減誤差。 與頻率穩(wěn)定度指標(biāo)類(lèi)似的還有輸出信號(hào)幅度穩(wěn)定度及平坦度指標(biāo)。幅

7、度穩(wěn)定度是指信號(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定的時(shí)間預(yù)熱后，在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)輸出信號(hào)幅度對(duì)預(yù)調(diào)幅度值的相對(duì)變化量。平坦度指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動(dòng)量。9/6/2022147.調(diào)制特性 高頻信號(hào)發(fā)生器在輸出正弦波的同時(shí)，一般還能輸出一種或一種以上的已被調(diào)制的信號(hào)，多數(shù)情況下是調(diào)幅AM信號(hào)和調(diào)頻FM信號(hào)，有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制PM等功能 當(dāng)調(diào)制信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)，稱(chēng)為內(nèi)調(diào)制；當(dāng)調(diào)制信號(hào)由外部加到信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，稱(chēng)為外調(diào)制。這種帶有輸出已調(diào)波功能的信號(hào)發(fā)生器，是測(cè)試無(wú)線(xiàn)電收發(fā)設(shè)備不可缺少的儀器。9/6/2022153.2 模擬信號(hào)發(fā)生器 模擬信號(hào)發(fā)生器是指一些常用的傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器，即以單元

8、模擬電路為主組成的儀器。這類(lèi)儀器性能指標(biāo)不是很高，但價(jià)格便宜，且能滿(mǎn)足一般實(shí)驗(yàn)測(cè)試的要求，在模擬電子線(xiàn)路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試和維修中獲得廣泛應(yīng)用，仍然是當(dāng)前大量使用的信號(hào)發(fā)生器。9/6/2022163.2.1 低頻信號(hào)發(fā)生器 現(xiàn)在一般“低頻信號(hào)發(fā)生器”是指1Hz1MHz頻段，輸出波形以正弦波為主，或兼有方波及其他波形的發(fā)生器。1、低頻信號(hào)發(fā)生器的組成原理主振器放大器衰減器輸出電壓指示(a)波段式 帶負(fù)載能力弱，只能提供電壓輸出。9/6/202217輸出(b)固定頻率振蕩器可變頻率振蕩器混頻器濾波放大衰減器f2=3.4000MHzf1=3.39975.1000MHzf0=300Hz1.7000MH

9、z差頻式 最大優(yōu)點(diǎn)是頻率覆蓋范圍大，容易做到整個(gè)低頻段內(nèi)頻率可連續(xù)調(diào)節(jié)而不用更換波段，且輸出電平也比較平衡。9/6/202218頻率覆蓋范圍大小通常用頻率覆蓋系數(shù)表示： （3.7） 以通信中常用的某電平振蕩器（實(shí)際上就是低頻信號(hào)發(fā)生器）為例，f1=3.3997MHz5.1000MHz，f2=3.4000MHz，則f0=300Hz1.7000MHz。比較一下頻率覆蓋系數(shù) 9/6/202219 而可變頻率振蕩器（相當(dāng)波段式中一個(gè)波段）的頻率覆蓋系數(shù)為 可見(jiàn)，差頻式信號(hào)發(fā)生器的頻率覆蓋范圍大得多。 9/6/2022202. 主振蕩器的特點(diǎn) 低頻信號(hào)發(fā)生器中的主振蕩器大多都采用文氏橋式振蕩器，其特點(diǎn)是

10、頻率穩(wěn)定，易于調(diào)節(jié)，并且波形失真小和易于穩(wěn)幅。 輸出(f0)R1AR1R3C1C2R2 文氏橋式振蕩器的振蕩頻率決定于RC式反饋網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率，表達(dá)式為： 9/6/202221 在低頻信號(hào)發(fā)生器中為何不采用較熟悉的LC振蕩器呢？這是因?yàn)長(zhǎng)C振蕩器的頻率決定于：（3.9） 原因 頻率較低時(shí)，L、C 數(shù)值大，相應(yīng)的體積、重量也相當(dāng)大，分布電容、漏電導(dǎo)等也都相應(yīng)很大，而品質(zhì)因數(shù)Q值降低很多，諧振特性變壞，頻率調(diào)節(jié)也困難。而在RC振蕩器中，頻率降低，增大電阻容易做到，且功耗也可減小。 9/6/202222原因 在LC振蕩器中 成反比，因而同一波段內(nèi)頻率覆蓋系數(shù)很小。例如L固定，調(diào)節(jié)電容C改變振蕩頻率，

11、設(shè)電容器調(diào)節(jié)范圍為40 pF450pF，則頻率覆蓋系數(shù)為而用RC振蕩器：9/6/2022233.低頻信號(hào)發(fā)生器的主要技術(shù)特性 目前，低頻信號(hào)發(fā)生器主要技術(shù)指標(biāo)的典型數(shù)據(jù)大致如下： 頻率范圍： 1Hz1MHz分頻段，均勻連續(xù)可調(diào) 頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于0.1%非線(xiàn)性失真：0.1%1% 輸出電壓：0V10V 輸出功率：0.5 W5W 連續(xù)可調(diào) 輸出阻抗：50,75,600，5k 輸出形式：平衡輸出與不平衡輸出 9/6/2022244、使用方法輸出頻率調(diào)節(jié)與指示：使用時(shí)，先將頻率范圍置于相應(yīng)的擋位，按所需的頻率調(diào)節(jié)頻率度盤(pán)于相應(yīng)頻率點(diǎn)上，在通常情況下，頻率微調(diào)旋鈕置于零位。輸出阻抗的配接：信號(hào)發(fā)生器要求負(fù)

12、載與其輸出阻抗相匹配，使輸出信號(hào)失真小，功率大。輸出電路選擇：根據(jù)外接電路的輸入方式，選擇相應(yīng)的平衡或不平衡輸出。輸出電壓的調(diào)節(jié)和測(cè)讀：調(diào)節(jié)輸出電壓旋鈕，可以連續(xù)改變輸出電壓的大小。9/6/2022253.2.2 高頻信號(hào)發(fā)生器 高頻信號(hào)發(fā)生器是指能夠供給等幅正弦波和調(diào)制波信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器，通常分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。其工作頻率一般在100kHz35MHz范圍內(nèi)，輸出幅度能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并具有輸出微弱信號(hào)的能力，可以適應(yīng)測(cè)試接收機(jī)的需要。9/6/2022261. 高頻信號(hào)發(fā)生器的組成原理 圖3.4高頻信號(hào)發(fā)生器原理框圖主振級(jí)緩沖級(jí)調(diào)制級(jí)輸出級(jí)監(jiān)測(cè)器輸出電 源內(nèi)調(diào)制振蕩器可 變電抗器外調(diào)制輸入

13、AMFM內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制：F=1000Hz m=30%若語(yǔ)音調(diào)制則成小電臺(tái)9/6/202227l)主振級(jí) 主振級(jí)通常是LC三點(diǎn)式振蕩電路，通過(guò)固定電感L，改變電容C來(lái)調(diào)整振蕩頻率。但這時(shí)頻率覆蓋范圍是有限的，可通過(guò)下式進(jìn)行估算。 9/6/202228 若要擴(kuò)大頻率范圍，必須變更電感L，可以象收音機(jī)那樣用多波段工作方式：圖3.7LC回路L1CL2Ln.9/6/202229例3.1 XFC-6型高頻信號(hào)發(fā)生器f =4 MHz300MHz， 試問(wèn)應(yīng)劃分幾個(gè)波段？ 上式中0.9k的含義是讓單回路覆蓋系數(shù)取小些，這里取k=2，以保證各波段能銜接覆蓋。該例算出n=8，即要?jiǎng)澐?個(gè)波段。這時(shí)相鄰波段的電感值可按

14、下式計(jì)算。 （3.11） （3.10） 9/6/2022302)緩沖級(jí) 它主要起阻抗變換作用，用來(lái)隔離調(diào)制級(jí)對(duì)主振級(jí)。 3)調(diào)制級(jí) 調(diào)制的方式主要有調(diào)幅、調(diào)頻和脈沖調(diào)制。調(diào)幅多用于 100kHz35MHz的高頻信號(hào)發(fā)生器中，高頻信號(hào)發(fā)生器中的調(diào)幅，一般采用正弦調(diào)制。調(diào)頻主要用于30MHz1000MHz信號(hào)發(fā)生器中，還有線(xiàn)性?huà)哳l。脈沖調(diào)制多用于300MHz以上的微波信號(hào)源中。標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制：F=1000Hz m=30%9/6/2022314)輸出級(jí) 輸出級(jí)主要由放大器、濾波器、輸出微調(diào)（連續(xù)衰減電路）、輸出倍乘（步進(jìn)衰減電路）等組成。 對(duì)輸出級(jí)的主要要求是：輸出電平的調(diào)節(jié)范圍寬，衰減量應(yīng)能準(zhǔn)確讀數(shù)，有

15、良好的頻率特性，在輸出端有準(zhǔn)確且固定的輸出阻抗。9/6/2022322、高頻信號(hào)發(fā)生器的使用 信號(hào)發(fā)生器是向外提供激勵(lì)信號(hào)的儀器，使用比較簡(jiǎn)單容易。它主要調(diào)節(jié)輸出頻率和幅度。關(guān)鍵是注意其使用說(shuō)明書(shū)上輸出幅度是如何標(biāo)定的，然后才能正確讀數(shù)。1）、輸出頻率的讀數(shù) 模擬式高頻信號(hào)發(fā)生器的頻率準(zhǔn)確度不太高，通常只有1%左右。2）、輸出幅度的讀數(shù) 高頻信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度計(jì)數(shù)通常有兩種形式：一種采用電壓值表示；另一種采用分貝電平表示。 輸出幅度標(biāo)稱(chēng)值的準(zhǔn)確度常用輸出幅度的絕對(duì)誤差與標(biāo)稱(chēng)值之比來(lái)衡量，也可把這個(gè)比值轉(zhuǎn)化為用分貝表示。9/6/2022333）、輸出阻抗變換器 信號(hào)發(fā)生器只有在匹配的情況下才能

16、正常工作。 同時(shí)，信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負(fù)載的條件下按正弦有效值標(biāo)定的，若負(fù)載與信號(hào)源輸出阻抗不相等，則信號(hào)源輸出電壓的讀數(shù)是不準(zhǔn)確的。9/6/202234信號(hào)源被測(cè)設(shè)備阻 抗變換器(a)(b)R3R1 Rs50 R2RL75 RsRL衰減量N取3.16，正好電壓衰減10dB9/6/2022353.2.3 脈沖信號(hào)發(fā)生器 脈沖信號(hào)發(fā)生器通常是指矩形窄脈沖發(fā)生器，它廣泛用于測(cè)試和校準(zhǔn)脈沖設(shè)備和寬帶設(shè)備。1、矩形脈沖的參數(shù)U0tUm0.9Um0.1UmU0.5Umtrtf矩形脈沖的參數(shù)重復(fù)頻率：f 占空系數(shù)：/T脈沖幅度：Um 上沖量：脈沖寬度： 反沖量：上升時(shí)間：tr 平頂落差：U下降

17、時(shí)間：tf 偏移：E9/6/2022362、脈沖信號(hào)發(fā)生器的組成原理外同步放 大主振級(jí)同步輸出外同步輸入延遲級(jí)形成級(jí)整形級(jí)輸出級(jí)主脈沖acbdef1）、主振級(jí) 主振級(jí)可采用自激多諧振蕩器、晶體振蕩器或鎖相振蕩器產(chǎn)生矩形波，也可將正弦振蕩信號(hào)放大、限幅后輸出，作為下級(jí)的觸發(fā)信號(hào)。主要用于調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)周期T。9/6/2022372）、延遲級(jí) 延遲級(jí)電路通常由單穩(wěn)態(tài)電路和微分電路組成。對(duì)延遲級(jí)的要求是：在全波段內(nèi)獲得一定的延時(shí)量td，并滿(mǎn)足觸發(fā)下一級(jí)電路所需的輸出幅度。3）、形成級(jí) 是脈沖信號(hào)發(fā)生器的中心環(huán)節(jié)，要求產(chǎn)生寬度準(zhǔn)確、波形良好的矩形脈沖，且脈沖的寬度可獨(dú)立調(diào)節(jié)，并具有較高的穩(wěn)定性。9/6/

18、2022384）、整形級(jí)與輸出級(jí) 整形級(jí)與輸出級(jí)的電路一般由放大、限幅電路組成。整形級(jí)具有電流放大作用，輸出級(jí)具有功率放大作用，還具有保證儀器輸出的主脈沖幅度可調(diào)，極性可切換，以及良好的前、后沿等性能的作用。3、脈沖發(fā)生器的主要性能 脈沖發(fā)生器的主要工作特性：能輸出同步脈沖及與同步脈沖有一定延遲時(shí)間的主脈沖；延遲時(shí)間可調(diào)；主脈沖的頻率可調(diào)，脈寬可調(diào)，極性可切換，且具有良好的上升時(shí)間、下降時(shí)間，以及較小的上沖量。9/6/2022393.2.4 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種寬帶頻率可調(diào)的波形發(fā)生器，它可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等。1、正弦式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 其工作過(guò)程為：正弦振蕩器

19、輸出正弦波，經(jīng)緩沖級(jí)隔離后，分為兩路信號(hào)，一路送至放大器輸出正弦波，另一路作為方波形成電路的觸發(fā)信號(hào)。方波形成電路通常為施密特觸發(fā)器。后者也輸出兩路信號(hào)，一路送放大器，經(jīng)放大后輸出方波；另一路作為積分器的輸入信號(hào)。積分器一般是密勒積分電路。積分器將方波積分形成三角波，經(jīng)放大后輸出。三種波形的輸出由放大器中的選擇開(kāi)關(guān)控制。9/6/2022403、脈沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器其工作過(guò)程如下：在觸發(fā)脈沖的作用下，施密特觸發(fā)器產(chǎn)生方波，積分器將方波積分形成三角波，正弦波轉(zhuǎn)換電路將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波；放大器選擇三個(gè)波形輸出，可單獨(dú)輸出一個(gè)波形，也可同時(shí)輸出三個(gè)波形。9/6/2022413.2.5 噪聲發(fā)生器 噪

20、聲是指元器件、電路、儀器設(shè)備或電子系統(tǒng)中出現(xiàn)的非預(yù)期的電信號(hào)。由噪聲所造成的不良效應(yīng)稱(chēng)為干擾。 在電子測(cè)量中，利用噪聲作為測(cè)試信號(hào)具有重要的意義：一方面，噪聲能夠模擬許多實(shí)際系統(tǒng)的工作狀態(tài)；另一方面，用噪聲信號(hào)代替正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，能夠收集到被測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的有關(guān)數(shù)據(jù)，從而可以對(duì)被測(cè)系統(tǒng)做出全面的評(píng)價(jià)。 噪聲發(fā)生器能提供在特定頻率范圍內(nèi)有足夠高的輸出電平，并具有一定統(tǒng)計(jì)參數(shù)的噪聲信號(hào)。圖3.14 噪聲發(fā)生器的結(jié)構(gòu)噪聲源變換器電平指示器電 源輸出衰減器t9/6/2022423.3 合成信號(hào)發(fā)生器 采用頻率合成技術(shù)，可以把信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度提高到與基準(zhǔn)頻率相同的水平，并且可以在很寬的

21、頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)節(jié)。合成信號(hào)源可工作于調(diào)制狀態(tài)，可對(duì)輸出電平進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可輸出各種波形。它是當(dāng)前用得最廣泛的性能較高的信號(hào)源。 頻率合成的方法很多，但基本上分為兩大類(lèi)，直接合成法和間接合成法。在具體實(shí)現(xiàn)中可分為下面三種方法。頻率合成的方法 直接數(shù)字頻率合成法（DDS ） 間接鎖相式合成法（ Direct Analog Frequency Synthesis）（ Direct Digital Frequency Synthesis ） 直接模擬頻率合成法（DAFS ） 9/6/2022433.3.1 直接模擬頻率合成法 利用倍頻、分頻和混頻以及濾波技術(shù)，對(duì)一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算

22、來(lái)產(chǎn)生所需頻率的方法，稱(chēng)為直接合成法，由于大多是采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以又稱(chēng)為直接模擬頻率合成，這樣正好與下面介紹的直接數(shù)字頻率合成相對(duì)應(yīng)。 1.固定頻率合成法 圖中石英晶體振蕩器提供基準(zhǔn)頻率 ，D為分頻器的分頻系數(shù)，N為倍頻器的倍頻系數(shù)。其輸出頻率 為在式中，D和N均為給定的正整數(shù)。9/6/2022442.可變頻率合成法 帶通13MHz10MHz1M2M34混頻 十進(jìn)制連續(xù)混頻分頻電路fi110+10+10+10+頻 率 選 擇 開(kāi) 關(guān)輔助基準(zhǔn)頻率發(fā)生器2.002.09MHz2.0002.099MHz2.00002.0999MHz2.000002.099999MHzfofi2fi3fi4f

23、1f2f3f4fr2.02.9MHzF=16MHz2MHz5MHz圖中頻率選擇開(kāi)關(guān)的作用是：根據(jù)所需輸出頻率f0的值，選擇相應(yīng)數(shù)值分別作為f1f49/6/202245直接模擬合成技術(shù)特點(diǎn)： 1)頻率分辨力高 2)頻率切換快 -用于跳頻通信對(duì)抗 （因頻率點(diǎn)不太多）3)電路龐大、復(fù)雜 -現(xiàn)不用它做信號(hào)源 （因信號(hào)源頻率范圍寬）9/6/2022463.3.2直接數(shù)字頻率合成法 直接數(shù)字合成法（DDS，Direct Digital Frequency Synthests）。它是從 “相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成的。這種合成方法不僅可以給出不同頻率的正弦波，而且還可以給出不同初始相位的正弦波，甚至可以給

24、出各種任意波形。這在前述模擬頻率合成方法中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。1.直接數(shù)字合成基本原理 三角波：+1、+1 -1、-1 方 波：0、0、 1、1、 9/6/202247以正弦波為例： 在正弦波一周期內(nèi)，按相位劃分為若干等份，將各相位對(duì)應(yīng)的幅值A(chǔ)按二進(jìn)制編碼并存入ROM中，見(jiàn)表3.4（P93）2、信號(hào)的頻率關(guān)系 圖中，K為累加值，即相位步進(jìn)碼，也稱(chēng)頻率碼。一般地， 對(duì)于n位地址來(lái)說(shuō)，共有2n個(gè)ROM地址，限制K的最大值為：Kmax=2n-29/6/202248根據(jù)以上討論，可以得到如下頻率關(guān)系：最低輸出頻率fomin為最高輸出頻率fomax為當(dāng)fomax和fomin已經(jīng)設(shè)定，其間可輸出的頻率個(gè)數(shù)M為頻

25、率分辨率： 為了改變輸出信號(hào)頻率，除了調(diào)節(jié)累加器的K值外，還可以調(diào)節(jié)控制時(shí)鐘的頻率fc。9/6/2022493、噪聲分析 在DDFS中，噪聲有兩種：1）量化噪聲 相位和幅度量化噪聲，簡(jiǎn)稱(chēng)為量化噪聲。在一定的電路中，它一般是不變的。2）濾波器噪聲 是D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的階梯波中的雜散頻率通過(guò)非理想低通濾波器而帶來(lái)的噪聲。這類(lèi)噪聲將隨頻率增加而加大。9/6/2022504、直接數(shù)字合成信號(hào)源實(shí)例 AD9850是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的DDS單片頻率合成器，在DDFS的ROM中已預(yù)先存入正弦函數(shù)表：其幅度按二進(jìn)制分辨率量化；其相位一個(gè)周期360按 的分辨率設(shè)立相位取樣點(diǎn)，然后存入RO

26、M的相應(yīng)地址中。實(shí)用中，改變讀取ROM的地址數(shù)目，即可改變的控制下，依次讀取全部地址中的相位點(diǎn)，則輸出頻率最低。因?yàn)檫@時(shí)一個(gè)周期要讀取232相位點(diǎn)，點(diǎn)間間隔時(shí)間為時(shí)鐘周期Tc，則輸出頻率。若在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 Tout=232Tc 因此這時(shí)輸出頻率為圖3.19 AD9850內(nèi)部組成框圖頻率相位碼寄存器相位和控制字頻率碼32位高速DDS碼 輸 入 寄 存 器并 行8位5輸入時(shí)鐘輸入復(fù)位頻率更新/寄存器復(fù)位碼輸入時(shí)鐘串行1位40輸入比較器方波輸出模擬輸入模擬輸出DAC復(fù)位地Vs9/6/202251（3.16） 若隔一個(gè)相位點(diǎn)讀一次，則輸出頻率就會(huì)提高一倍。依次類(lèi)推可得輸出頻率的一般表達(dá)式（3.17）

27、式中k為頻率碼，是個(gè)32位的二進(jìn)制值，可寫(xiě)成： （3.18） 對(duì)應(yīng)于32位碼值（0或1）。為9/6/202252 便于看到頻率碼的權(quán)值對(duì)控制頻率高低的影響，（3.18）代入（3.17）式得： （3.19） 按AD9850允許最高時(shí)鐘頻率fc=125MHz來(lái)進(jìn)行具體說(shuō)明，當(dāng)A01，而A31，A30，A1均為0時(shí)，則輸出頻率最低，也是AD9850輸出頻率的分辨率： 9/6/202253與上面從概念導(dǎo)出的結(jié)果一致。當(dāng)A311，而A0，A1，A30 均為0時(shí)，輸出頻率最高： 應(yīng)當(dāng)指出，這時(shí)一周只有兩個(gè)取樣點(diǎn)，已到取樣定理的最小允許值，所以當(dāng)A311后，以下碼值只能取0。實(shí)際應(yīng)用中，為了得到好的波形，設(shè)

28、計(jì)最高輸出頻率小于時(shí)鐘頻率的1/3。這樣，只要改變32位頻率碼值，則可得到所需要的頻率，且頻率的準(zhǔn)確度與時(shí)鐘頻率同數(shù)量級(jí)。9/6/2022545. 任意波形的產(chǎn)生方法 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)重要的特色，它可以產(chǎn)生任意波形。從上述直接數(shù)字頻率合成的原理可知，其輸出波形取決于波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。因此，產(chǎn)生任意波形的方法取決于向該存儲(chǔ)器（RAM）提供數(shù)據(jù)的方法。目前有以下幾種方法： 1)表格法 將波形畫(huà)在小方格紙上，縱坐標(biāo)按幅度相對(duì)值進(jìn)行二進(jìn)制量化，橫坐標(biāo)按時(shí)間間隔編制地址，然后制成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，按序放入RAM。對(duì)經(jīng)常使用的定了“形”的波形，可將數(shù)據(jù)固化于ROM或存入非易失性RAM中，以便反復(fù)使用。

29、9/6/2022552）用數(shù)學(xué)表達(dá)式 對(duì)能用數(shù)學(xué)方程描述的波形，先將其方程（算法）存入計(jì)算機(jī)中，在使用時(shí)，輸入方程中的有關(guān)參量，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算后提供波形數(shù)據(jù)。也可用多個(gè)表達(dá)式分段鏈接成一個(gè)組合的波形。9/6/2022563）復(fù)制法 將其它儀器（例如數(shù)字存儲(chǔ)示波器，XY繪圖儀）獲得的波形數(shù)據(jù)通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)總線(xiàn)或GPIB接口總線(xiàn)傳輸給波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該法很適于復(fù)制不再?gòu)?fù)現(xiàn)的信號(hào)波形。 自然界中有很多無(wú)規(guī)律的現(xiàn)象，例如雷電、地震及機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)等現(xiàn)象都是無(wú)規(guī)律的，甚至一去不復(fù)返。為了研究這些問(wèn)題，就要模擬這些現(xiàn)象的產(chǎn)生。在過(guò)去只能采用很復(fù)雜的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在采用任意波形產(chǎn)生器則方便得多了。國(guó)內(nèi)外已有

30、多種型號(hào)的任意波形產(chǎn)生器可供選用。 9/6/202257任意波形發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo)（見(jiàn)表3.5（P97），說(shuō)明：1）、任意波形長(zhǎng)度或波形存儲(chǔ)器容量 因?yàn)槿我獠ㄐ伟l(fā)生器的波形實(shí)質(zhì)上是由許多樣點(diǎn)拼湊出來(lái)的，樣點(diǎn)多則可拼湊較長(zhǎng)的波形，所以用點(diǎn)數(shù)來(lái)表示波形長(zhǎng)度。 波形存儲(chǔ)器容量亦稱(chēng)波形存儲(chǔ)器深度，是指每個(gè)通道能存儲(chǔ)的最大點(diǎn)數(shù)。2）采樣率 通常將A/D轉(zhuǎn)換對(duì)模擬信號(hào)采樣的時(shí)鐘頻率稱(chēng)為采樣率，在AWG中是指D/A轉(zhuǎn)換器從波形存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率。9/6/2022583）幅度分辨率 幅度分辨率為AWG能表現(xiàn)幅度細(xì)小變化的程度，它主要取決于DAC的倍數(shù)。4）通道數(shù) 雖然各種信號(hào)源都可以有不同的通道數(shù)目

31、，但多通道的AWG更容易表現(xiàn)復(fù)雜波形的相關(guān)關(guān)系，因而通道數(shù)目在AWG中較受重視。9/6/2022593.3.3 間接合成法1.基本鎖相環(huán)路 間接合成法即鎖相合成法，它是利用鎖相環(huán)（PLL）的頻率合成方法。 基本鎖相環(huán)路是由相位比較器（PD），壓控振蕩器（VCO）和環(huán)路濾波器（LPF）組成的閉合環(huán)路，如圖3.22(a)所示。 f i LPFVCOPDf o udoof o udf (a)(b)(c)開(kāi)始：f0fiPD LPF VCO最后： f0=fi(a) 鎖相環(huán)(b) PD的鑒相特性(c) VCO的壓控特性9/6/202260 相位比較器即鑒相器，它比較兩個(gè)輸入信號(hào)fo和fi的相位差，輸出與相

32、位差成比例的電壓，這個(gè)電壓稱(chēng)為誤差電壓ud，其鑒相特性如圖b所示： 環(huán)路濾波器是一種RC低通濾波器，它濾去誤差電壓中的高頻成分及噪聲，用以改善環(huán)路的性能。 壓控振蕩器是在外加電壓的作用下能改變其輸出頻率的振蕩器，其壓控特性如圖c所示。誤差電壓經(jīng)濾波后送VCO，改變VCO的固有振蕩頻率fo，并使fo向輸入信號(hào)的頻率靠攏，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為頻率牽引。 綜上所述，鎖相環(huán)的工作過(guò)程就是通過(guò)頻率牽引，達(dá)到相位鎖定的過(guò)程。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，fo=fi， =c。通常，fi是石英晶體振蕩器的振蕩頻率。因此，在環(huán)路鎖定時(shí)，其輸出頻率具有與輸入頻率相同的頻率特性。這就是鎖相環(huán)的基本原理。f i LPFVCOPDf o ud

33、oof o udf (a)(b)(c)開(kāi)始：f0fiPD LPF VCO最后： f0=fi(a) 鎖相環(huán)(b) PD的鑒相特性(c) VCO的壓控特性9/6/202261 基本鎖相環(huán)只能輸出一個(gè)頻率，而作為信號(hào)源必須要能輸出一系列頻率。 2.鎖相環(huán)的幾種基本形式 1)倍頻鎖相環(huán) f i LPFVCOPDf o =NfiN1MHzi 10MHzi f o /N當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，PD兩輸入信號(hào)的頻率相等，即 根據(jù)PD兩輸入頻率相等列出等式: fo/Nfi 從等式中解出輸出頻率: 重點(diǎn)掌握9/6/202262脈沖倍頻環(huán) LPFVCOPDf o =Nfif i 脈沖形成Nf i Nf i 脈沖形成電路將輸

34、入信號(hào)變換為含有豐富諧波成分的窄脈沖，因而，環(huán)路的輸入信號(hào)中包含了多種諧波，通過(guò)改變VCO中可變電容的偏置電壓，調(diào)諧其固有振蕩頻率，選擇某一高次諧波，可以達(dá)到倍頻的目的。 倍頻環(huán)在信號(hào)合成中的作用是實(shí)現(xiàn)寬頻范圍內(nèi)的點(diǎn)頻覆蓋，擴(kuò)展合成器的高端頻率，特別適用于制作頻率間隙較大的高頻及甚高頻合成器。9/6/202263 根據(jù)PD兩輸入頻率相等列出等式: f i 1MHzLPFVCOPDf o = fi/N100kHzNNf i fiNfo 從等式中解出輸出頻率: 2)分頻鎖相環(huán) 對(duì)輸入信號(hào)頻率進(jìn)行除法運(yùn)算的鎖相環(huán)叫分頻鎖相環(huán)（簡(jiǎn)稱(chēng)分頻環(huán)）。分頻環(huán)可用于向低端擴(kuò)展合成器的頻率范圍。LPFVCOPDf

35、o fi Nf o 9/6/202264混頻器 f i1 1MHzLPVCOPDf o=| f i1 -f i2|=1000-100=900kHzBPFM+f i 2 =100kHzf 0 +f i 2 3)混頻鎖相環(huán) 當(dāng)兩個(gè)輸入頻率之和或之差超出了允許的范圍時(shí)，環(huán)路不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)，也無(wú)法控制VCO的輸出頻率，即環(huán)路“失鎖”。這時(shí)需要調(diào)整VCO的工作參數(shù)以改變其固有振蕩頻率，或者調(diào)整輸入信號(hào)的頻率，均可以達(dá)到鎖定的目的。9/6/202265例：設(shè)fi1為晶體振蕩器的輸出頻率，fi1=10000kHz，頻率穩(wěn)定度為110-6/d。Fi2為內(nèi)插振蕩器的輸出頻率，且fi2在100110kHz范圍內(nèi)

36、連續(xù)可調(diào)，頻率穩(wěn)定度為110-4/d。按和頻式混頻器合成。9/6/2022663. 頻率合成單元 1)組合環(huán) 一個(gè)典型的組合環(huán)及其輸出頻率，如圖所示。 因?yàn)?所以 LPFPDf o =fiVCON2N1f i N1N29/6/2022672)多環(huán)合成單元 由倍頻環(huán)可得 由混頻環(huán)可得 : 因?yàn)?所以 (3.22) (3.23) LPFPDf o 1=Nfi1VCO1f i 圖3.27 雙環(huán)合成單元VCO2M(-)晶振PDLPF內(nèi)插振蕩器f i2同軸倍頻環(huán)混頻環(huán)f o 2=Nfi1+fi2Nfi1f o 19/6/2022683)十進(jìn)合成單元 圖3.29 DS-1合成單元的級(jí)聯(lián)100KHz9MHz

37、1Hz090909090910Hz100Hz1KHz10KHz基準(zhǔn)DS-11DS-12DS-13DS-14DS-159/6/2022694)可程控合成單元 圖3.30 可程控合成單元PDLPFVCOD/A可程控分頻器fi頻率控制數(shù)碼fo 采用頻率預(yù)調(diào)技術(shù)來(lái)預(yù)置VCO的頻率。預(yù)調(diào)是由頻率控制數(shù)碼，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換與加法放大器放大后送VCO來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但準(zhǔn)確的頻率調(diào)整是由鎖相環(huán)來(lái)完成的。9/6/2022703.3.4 頻率合成技術(shù)的進(jìn)展1. 三種合成方法的比較頻譜純度好100GHz(微波)ms 級(jí)間接鎖相可得任意波形300MHzs級(jí)直接數(shù)字硬件電路復(fù)雜100MHzs 級(jí)直接模擬主要特點(diǎn)最高工作頻率

38、速 度合成方法9/6/2022712. 提高頻率分辨力的方法 1)微差混頻法 該方法將兩個(gè)頻率相差甚微的信號(hào)源進(jìn)行差頻混頻，如圖3.31所示?；祛l器的輸出頻率為 圖3.31 微差混頻原理fofi1fi2M(-) 在微差混頻法中，由于參與混頻的兩個(gè)信號(hào)頻率十分接近，所以分辨力得到提高。但是當(dāng)這兩個(gè)頻率很接近時(shí)，在混頻器工作中頻率牽引現(xiàn)象也很?chē)?yán)重，且很難解決。 9/6/2022722)多環(huán)合成法 PLL1(N1=2)fo=(N2+0.1N1)fr=(10+0.2)10Hz=102Hz fr10HzPLL2(N2=10)M(+) 1 10N1 fr20HzN2 fr100Hz0.1N1 fr2Hz9

39、/6/2022733)小數(shù)合成法 LPFVCOPDfo =1890kHzf i =100kHz小數(shù)分頻器(N+1)和N次 =18.9控制電路 令 N=18 則 平均分頻系數(shù) 18.9 若要平均分頻系數(shù)=18.6，怎么控制？ 若希望分頻系數(shù)有整數(shù)部分也有小數(shù)部分，其整數(shù)部分為N，小數(shù)部分為k，小數(shù)部分的位數(shù)為n，則需要進(jìn)行k次（N+1）分頻，（10n-k）次N分頻并循環(huán)進(jìn)行即可，每次循環(huán)總的分頻次數(shù)為10n9/6/2022743. 擴(kuò)展頻率上限的方法 前題條件：VCO能工作在很高頻率（如GHz微波段），然后鎖定。 1)前置分頻法 前置分頻法是在程序分頻器之前設(shè)置一個(gè)固定分頻器，如圖3.34所示。

40、圖中D為固定分頻器，其分頻系數(shù)為D。因此，其輸出頻率fo為 圖3.34 前置分器的鎖相環(huán)f i 8MHzLPFVCOPDf o =DN f i = 8GHzN 10D100 foD N fi 固定 9/6/2022752)倍頻混頻法 fo = Nfi1+fi2=101MHzVCOLPFMBPFPDf i 110MHz圖3.35 倍頻混頻環(huán)N10()(f o - fi2) /Nfi21MHz 由于fi2的加入提高了輸出頻率的上限，其提高的程度取決于fi2的大小，而且其頻率分辨率仍和單環(huán)倍頻式鎖相環(huán)的一樣，f=fi1。由于混頻器引入寄生信號(hào)將會(huì)影響頻譜純度，雖然其后接帶通濾波器（BPF）對(duì)寄生信號(hào)有抑制作用，但是濾波器的延時(shí)又將對(duì)環(huán)路帶來(lái)不利的影響。9/6/2022763