电子测量技术课chapter5-2015

1、电子测量 第 5 章 - 1信号源信号源 1. 引言引言 2. 信号源的基本原理信号源的基本原理 3. 信号源中的关键技术信号源中的关键技术 3.1 直接数字频率合成直接数字频率合成 3.2 直接数字波形合成直接数字波形合成 3.3 锁相环锁相环 4. 典型信号源及其应用典型信号源及其应用 电子测量 第 5 章 - 21.1 基本测量功能基本测量功能 信号源是指能够产生电子测量用激励信号的仪器，信号源是指能够产生电子测量用激励信号的仪器，通常也称为信号发生器通常也称为信号发生器。 信号源的用途信号源的用途:l 激励源激励源l 信号仿真信号仿真l 校准源校准源电子测量 第 5 章 - 31.2

2、信号源产生的信号类型信号源产生的信号类型 （1）信号的基本参数）信号的基本参数三个基本参数：幅度、频率和相位；三个基本参数：幅度、频率和相位；此外，还有一些其它参数：此外，还有一些其它参数：1. 偏置偏置“偏置偏置” 电压是电路接地和信号幅度电压是电路接地和信号幅度中心之间的电压。中心之间的电压。偏置电压描述了同时包含偏置电压描述了同时包含AC 值和值和DC 值的信号中的值的信号中的DC 成分。成分。电子测量 第 5 章 - 42. 差分信号与单端信号差分信号与单端信号 差分信号使用两条路径产生幅度相同、极性相差分信号使用两条路径产生幅度相同、极性相反反(相对于接地相对于接地)的两路波形。的两

3、路波形。 单端信号只有一条路径接地。单端信号只有一条路径接地。电子测量 第 5 章 - 53. 上升时间和下降时间上升时间和下降时间4. 脉宽和占空比脉宽和占空比脉宽是指脉冲前沿和后沿的脉宽是指脉冲前沿和后沿的50%幅度点之间的时间间隔。幅度点之间的时间间隔。“占空比占空比”，用来描述脉冲的高低，用来描述脉冲的高低(开开/关关)时间的相对比例时间的相对比例。电子测量 第 5 章 - 6（2）正弦正弦信号信号真实正弦信号的频谱真实正弦信号的频谱电子测量 第 5 章 - 7（3）扫频信号）扫频信号定义：定义：信号频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号频率随时间在一定范围内反复变化的正弦 信号信号

4、。根据扫频信号频率的产生规律，分为线根据扫频信号频率的产生规律，分为线 性扫频和对数扫频两种扫频模式性扫频和对数扫频两种扫频模式电子测量 第 5 章 - 8 扫频信号的主要参数包括：扫频信号的主要参数包括：（1）有效扫频宽度）有效扫频宽度 （2）扫频起始）扫频起始/终止频率终止频率 两者差就是扫频宽度。两者差就是扫频宽度。（3）扫频时间）扫频时间（4）扫频线性）扫频线性0max0min()=()KK线性系数 式中： (K0)maxVCO的最大控制灵敏度 (K0)min最小控制灵敏度 1212100%AAMAAA1和A2分别表示波形垂直方向上的最大和最小长度（5）振幅平稳性）振幅平稳性电子测量

5、第 5 章 - 9（4）噪声信号）噪声信号多数环境噪声是服从高斯分布的，高斯分布的密度函多数环境噪声是服从高斯分布的，高斯分布的密度函数公式如下数公式如下：222exp21x 理想高斯噪声的频谱是从直流到无限大频率的一条理想高斯噪声的频谱是从直流到无限大频率的一条水平线，有无限带宽，这也称为水平线，有无限带宽，这也称为“白噪声白噪声”。（5）任意波形）任意波形 任意波形发生器可以根据测试需求，以特定的信号任意波形发生器可以根据测试需求，以特定的信号特征形成的任意波形信号。特征形成的任意波形信号。电子测量 第 5 章 - 10电子测量 第 5 章 - 11（6）伪随机码流伪随机码流PRBSl 序

6、列的结构可以预先确定，可以重复产生和复制序列的结构可以预先确定，可以重复产生和复制l 序列具有随机特性序列具有随机特性。对于对于n 阶阶PRBS码，每个周期的序列长度为码，每个周期的序列长度为21n 在每个周期内，在每个周期内，0和和1是随机分布的，并且是随机分布的，并且0和和1的的个数相等，连个数相等，连“1”的最大数目为的最大数目为n，连，连“0”的最大数的最大数目为目为n-1 。PRBS通常可以使用带反馈的移位寄存器来产生。通常可以使用带反馈的移位寄存器来产生。电子测量 第 5 章 - 121.3 信号源的分类信号源的分类（1） 按照输出波形种类分类按照输出波形种类分类1. 正弦信号发生

7、器正弦信号发生器 几几Hz至几十至几十GHz 2. 函数信号发生器函数信号发生器 几几mHz或几或几Hz到几十到几十MHz3. 扫频信号发生器扫频信号发生器 产生线性扫频或对数扫频信号产生线性扫频或对数扫频信号4. 脉冲信号发生器脉冲信号发生器 产生矩形脉冲产生矩形脉冲5. 数字信号发生器数字信号发生器 产生产生0/1逻辑电平逻辑电平6. 矢量信号发生器矢量信号发生器 射频信号发生器射频信号发生器7. 噪声信号发生器噪声信号发生器 产生白噪声或者有色噪声产生白噪声或者有色噪声8. 任意波形发生器任意波形发生器 产生任意波形产生任意波形电子测量 第 5 章 - 13（2） 按照基波频率分类按照基

8、波频率分类1）超低频信号源）超低频信号源 0.00011000Hz 2）低频信号源）低频信号源 1Hz200kHz 。3）视频信号源）视频信号源 10Hz10MHz 4）高频信号源）高频信号源 200kHz30MHz 5）甚高频信号源）甚高频信号源 30300MHz 6）超高频信号源）超高频信号源 300MHz以上以上例：例：Agilent 33250能够输出频率为能够输出频率为1Hz80 MHz正弦正弦电子测量 第 5 章 - 14（3） 按照合成方法分类按照合成方法分类1）非频率合成式-波形变换2）频率合成式按是否接受编程控制分为程控和非程控信号发生器；按系统使用方式分为便携式、台式、机架

9、安装式等。电子测量 第 5 章 - 152.1 信号产生的基本方法信号产生的基本方法（1 1）传统的非频率合成式信号源传统的非频率合成式信号源传统信号源的基本结构1. 源源 核心部分核心部分，能够产生幅度恒定、频率可调、频率能够产生幅度恒定、频率可调、频率稳定度较高的正弦或者其他波形信号。稳定度较高的正弦或者其他波形信号。源源变换电路变换电路输出电路输出电路电子测量 第 5 章 - 16a) 可调正弦频率源可调正弦频率源 Colpitts 电容三点式电路通常用改变通常用改变L来改变频段，来改变频段，改变改变C进行频段内频率细调进行频段内频率细调，谐振回路频率，谐振回路频率也也决定了输决定了输出

10、主信号的频率，表达式为出主信号的频率，表达式为LCf210其中，其中，C是是C1与与C2两个电容的并联值两个电容的并联值频率约在几MHz到几百MHz的范围,频率稳定度约为1E31E-4量级。电子测量 第 5 章 - 17b) 固定正弦频率源固定正弦频率源利用石英谐振器组成振荡电路，可获得比利用石英谐振器组成振荡电路，可获得比LC振荡振荡器高很多器高很多的频率稳定性。的频率稳定性。c) 正弦扫频源正弦扫频源变容二极管特性曲线变容二极管特性曲线原理：改变谐振电路原理：改变谐振电路中电容量中电容量C的大小，的大小，也能使谐振频率随之也能使谐振频率随之改变改变电子测量 第 5 章 - 18磁调制扫频磁

11、调制扫频（a）磁调电感式结构）磁调电感式结构 谐振回路的谐振频率谐振回路的谐振频率CLf2021 d) 可调非正弦频率源可调非正弦频率源 e) 噪声源噪声源（b） 扫描电流扫描电流电子测量 第 5 章 - 192. 变换电路变换电路（a）正弦波的折线近似）正弦波的折线近似 （b）二极管整形网络）二极管整形网络由三角波整形成正弦波由三角波整形成正弦波基本功能基本功能: 对源信号进行处理，生成各种需要的信号波形对源信号进行处理，生成各种需要的信号波形3. 输出电路输出电路基本功能是调节输出信号的电平和输出阻抗基本功能是调节输出信号的电平和输出阻抗电子测量 第 5 章 - 20（2 2）频率合成式信

12、号源频率合成式信号源1. 频率合成器频率合成器频率合成方法频率合成方法直接合成法直接合成法间接合成法（锁相环合成法）间接合成法（锁相环合成法）模拟直接合成法模拟直接合成法数字直接合成法数字直接合成法晶振晶振频率合成频率合成电路电路输出电路输出电路电子测量 第 5 章 - 21a）直接频率合成技术）直接频率合成技术 DAFS, Direct Analog Frequency Synthesis 优点：原理简单、频率转换时间短、分辨率高优点：原理简单、频率转换时间短、分辨率高缺点：设备复杂，噪声及杂散频率难以抑制缺点：设备复杂，噪声及杂散频率难以抑制 晶振晶振谐波发生器谐波发生器分频分频 （/10

13、）混频混频 （+）混频混频 （+）分频分频 （/10）滤波滤波混频混频 （+）滤波滤波滤波滤波分频分频 （/10）1MHz8MHz2MHz6MHz4MHz0.8MHz2.8MHz0.28MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz4.628MHz4.628MHz电子测量 第 5 章 - 22b）间接频率合成技术）间接频率合成技术 基于锁相环（基于锁相环（PLL, Phase Locked Loop）的原理实现）的原理实现 优点优点: 结构简单、易于集成，具有良好的窄带跟踪滤波结构简单、易于集成，具有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制干扰能力特性和抑制干扰能力 缺点缺点: 频率转换速度慢，频率分

14、辨率低频率转换速度慢，频率分辨率低c）直接数字频率合成技术）直接数字频率合成技术 DDFS，Direct Digital Frequency Synthesis 优点：频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续优点：频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、易实现对输出信号的多种调制、全数字化、易实现对输出信号的多种调制、全数字化、 便于集成便于集成缺点：输出带宽较窄，杂散抑制较差。缺点：输出带宽较窄，杂散抑制较差。电子测量 第 5 章 - 232. 频率合成式信号源中的晶振频率合成式信号源中的晶振电子测量 第 5 章 - 242.2 信号源的主要技术指标信号源的主要技术指标 （1）频率特性

15、）频率特性 a) 频率范围频率范围b）频率准确度）频率准确度c）频率稳定度）频率稳定度d） 频率分辨力频率分辨力e）频率转换时间）频率转换时间/扫描速率扫描速率f） 频率纯度频率纯度影响因素：一是相位噪声，二是杂散分量影响因素：一是相位噪声，二是杂散分量电子测量 第 5 章 - 25l 杂散分量又称寄生信号，分为谐波分量和非谐波分量两种杂散分量又称寄生信号，分为谐波分量和非谐波分量两种 谐波抑制是指载波整数倍频率处的单根谱线的功率与谐波抑制是指载波整数倍频率处的单根谱线的功率与载波功率之比（取绝对值），单位是载波功率之比（取绝对值），单位是dBc； 杂散抑制是指与载波频率成非谐波关系的离散谱功

16、率杂散抑制是指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功率之比（取绝对值），即与载波功率之比（取绝对值），即无杂散动态范围无杂散动态范围SFDR来表示，单位是来表示，单位是dBcl 相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示，是衡量输出信号相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示，是衡量输出信号相位抖动大小的参数，在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声相位抖动大小的参数，在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声相位噪声的标准定义是载波功率相对于给定的频率偏移相位噪声的标准定义是载波功率相对于给定的频率偏移处（通常为处（通常为1kHz）1Hz的带宽上的功率的带宽上的功率单位为单位为“dBc/Hz偏移频率偏移频率”电子测量

17、第 5 章 - 26（2）幅度（电平）幅度（电平）1）输出幅度范围）输出幅度范围2）幅度稳定度）幅度稳定度3）幅度平坦度）幅度平坦度4）输出幅度精度）输出幅度精度5）输出幅度分辨力）输出幅度分辨力 6）输出幅度的频响）输出幅度的频响 （3）输出阻抗）输出阻抗常见的信号源输出阻抗有常见的信号源输出阻抗有50、75等。等。 如：如：10Hz10MHz：0.5dB； 1Hz50MHz：1dB如：如：1 mV1 Vrms（50负载），负载），-136 dBm 至至 +13 dBm电子测量 第 5 章 - 273. 信号源中的关键技术信号源中的关键技术3.1 直接数字频率合成直接数字频率合成（1）DDF

18、S的原理的原理l 1971年，美国学者年，美国学者JTierncy，CMRader和和BGold提出的一种新的频率合成原理提出的一种新的频率合成原理l DDFS芯片能够合成波形的频率已大数百芯片能够合成波形的频率已大数百MHzl 近近20年间，成为现代频率合成技术中的佼佼者年间，成为现代频率合成技术中的佼佼者, 广泛运用广泛运用于军事和民用领域于军事和民用领域电子测量 第 5 章 - 281. DDFS的基本结构的基本结构波形存波形存储器储器相位累相位累加器加器数模转数模转换器换器低通滤低通滤波器波器参考参考时钟时钟频率控制字KN位P位Q位信号输出f(t)输出频率 f0d(t)f(n)(n)c

19、f电子测量 第 5 章 - 29相位累加器是实现相位累加器是实现DDFS的核心，是的核心，是N比特的模比特的模2加法器加法器相位累加器相位累加器实现相位实现相位/幅度幅度转换的功能转换的功能 LUT电子测量 第 5 章 - 30. DDFS的输出频率表达式的输出频率表达式 fo为输出信号的频率，为输出信号的频率，fc为时钟频率，为时钟频率，N为累加器的位数为累加器的位数频率控制字是频率控制字是K时，每时，每2N/K个时钟周期输出一个周期的个时钟周期输出一个周期的正弦波，此时有：正弦波，此时有：NfKf2co当当K为最小值为最小值1时，时，Nff2co是输出信号的最小频率。是输出信号的最小频率。

20、满足满足Nyquist采样定理的条件下，采样定理的条件下，DDFS输出信号的最输出信号的最大频率为：大频率为：2comaxffcomax3 . 0ff 实际的实际的DDFS输出信号的最大频率通常为输出信号的最大频率通常为电子测量 第 5 章 - 31. DDFS的理想输出频谱的理想输出频谱理想状态时的理想状态时的DDFS应满足以下应满足以下3个条件：个条件：）无相位截断误差，即）无相位截断误差，即P=N；）波形存储器存储的幅度值没有量化误差；）波形存储器存储的幅度值没有量化误差；）DAC不存在转换误差，并具有理想的不存在转换误差，并具有理想的DAC转换特性。转换特性。理想理想DDFS输出的波形

21、序列为：输出的波形序列为：,.)3 , 2 , 1(22sin)()2sin()(conKnnTttfnSN电子测量 第 5 章 - 32)()()2sin()()()(ccocnTthnTttfnTthnStS)()()2sin(cothnTttfS(n)经经DAC后就得到了连续的输出波形信号后就得到了连续的输出波形信号S(t) llffffflffflSaS)22(jexpj)(cococcocllffffflffflSa)22(jexpjcococcoc根据傅里叶变换的时域卷积定理，得到理想根据傅里叶变换的时域卷积定理，得到理想DDFS 的的频谱函数频谱函数S()为：为： 电子测量 第

22、5 章 - 33理想理想DDFS输出的频谱图（输出的频谱图（fo为为30MHz、fc为为100MHz）电子测量 第 5 章 - 34. DDFS的技术特点的技术特点优点：优点：a）极快的频率切换速度）极快的频率切换速度 b）极高的频率分辨力）极高的频率分辨力 c）连续的相位变化）连续的相位变化 d）强大的数字调制功能）强大的数字调制功能e）易于集成、易于调整）易于集成、易于调整 缺点：缺点： a）工作频带的限制）工作频带的限制 b）功耗限制）功耗限制 c）杂散抑制差）杂散抑制差 d）相位噪声性能）相位噪声性能电子测量 第 5 章 - 35（2）提高）提高DDFS性能的技术方法性能的技术方法DD

23、FS存在的相位截断对无杂散动态范围存在的相位截断对无杂散动态范围SFDR的影响的影响:- 将频谱中最大失真成分与载波频率在谱线幅度上的差值将频谱中最大失真成分与载波频率在谱线幅度上的差值（取绝对值）（取绝对值）以以dB表示表示 :)dB(92. 302. 6SFDRPP是波形存储器的地址位数是波形存储器的地址位数l 增加增加P值值, 增大波形存储器的容量增大波形存储器的容量; 但将导致成本和功耗的大幅增但将导致成本和功耗的大幅增加，加，P通常限制在通常限制在1219比特比特l正弦查找表压缩算法正弦查找表压缩算法: 压缩正弦查表占用的存储器空间压缩正弦查表占用的存储器空间l 直接采用杂散消减技术

24、，减少直接采用杂散消减技术，减少DDFS输出正弦波的杂散输出正弦波的杂散电子测量 第 5 章 - 361. 正弦查找表正弦查找表压缩算法压缩算法 用用0/2 来表示整个来表示整个02区间的波形幅度值，使用最高区间的波形幅度值，使用最高两位地址线来选择所属象限两位地址线来选择所属象限, 实现的实现的4:1的压缩比。的压缩比。 进一步提高压缩比，研究对进一步提高压缩比，研究对0/2内正弦波的压缩算法。内正弦波的压缩算法。 )sin(cos)cos(sinsin电子测量 第 5 章 - 37以以P=12比特为例，设比特为例，设1/4象限正弦函数的相位象限正弦函数的相位其中其中 、 、 所对应的字长位

25、数分别为所对应的字长位数分别为 A、B、C/20/2)2(04/2)2(08)sin(cos)cos(sinsin由于由于 、 均很小接近于均很小接近于0)sin()cos(sinsin第一个第一个LUT容量为容量为 2811比特；第二个比特；第二个LUT容量为容量为 284比比特。特。与未压缩之前的存储容量与未压缩之前的存储容量21211比特相比，这种方法的比特相比，这种方法的存储量压缩比近似为存储量压缩比近似为12:1。 电子测量 第 5 章 - 382. 优化设计相位累加器（优化设计相位累加器（简介简介）相位累加器输出的重复周期为：相位累加器输出的重复周期为：),2(2ACCKGCDTN

26、NGCD(x,y)表示表示x和和y的最大公约数的最大公约数如果如果K为奇数，导致为奇数，导致SFDR较高。较高。如果如果K为偶数，导致为偶数，导致SFDR减小。减小。 Nicholas发现发现DDFS的杂散幅度与输出频率和时钟频率的杂散幅度与输出频率和时钟频率的比密切相关。的比密切相关。电子测量 第 5 章 - 39无杂散动态范围约为无杂散动态范围约为77dBc有效有效SFDR提高到了提高到了94dBc电子测量 第 5 章 - 40改善的改善的Nicholas相位累加器相位累加器输出输出0、1交替方波交替方波2/11) 12 ,2(1KGCDB电子测量 第 5 章 - 413. 随机扰动技术（

27、随机扰动技术（简介简介）相位扰动原理相位扰动原理扰动技术有相位扰动和幅度扰动两种技术。扰动技术有相位扰动和幅度扰动两种技术。N比特相位累加器相位截断波形存储器扰动发生器K比特N比特N比特P比特B=N-P比特电子测量 第 5 章 - 42（3）基于）基于DDFS的调制信号产生方法的调制信号产生方法 用用DDFS完成相位、频率和振幅数字调制方框图完成相位、频率和振幅数字调制方框图数数 字字加法器加法器相相 位位加法器加法器数数 字字加法器加法器数数 字字加法器加法器余弦表余弦表正弦表正弦表数数 字字乘法器乘法器数数 字字乘法器乘法器DACDAC载波载波)FM(1)PM(1)PM(2)AM(1A)A

28、M(2A)sin(11tA)sin(22tA电子测量 第 5 章 - 43（4）DDFS集成芯片及应用集成芯片及应用 例如例如AD7008、AD9830、AD9854、AD9858等等电子测量 第 5 章 - 443.2 直接数字波形合成直接数字波形合成（1）DDWS基本原理基本原理1. DDWS的结构及分类的结构及分类波形波形存储器存储器存储器地存储器地址控制址控制时钟振荡时钟振荡器器缓冲存缓冲存储器储器数模数模转换转换器器模拟输出模拟输出电路电路?外部触发器外部触发器外部时钟外部时钟内部或外部内部或外部噪声源噪声源输出输出电子测量 第 5 章 - 45根据参考时钟的种类不同，根据参考时钟的

29、种类不同，DDWS可以分为以下两种类型：可以分为以下两种类型：a）固定时钟的）固定时钟的DDWSb）可变时钟的）可变时钟的DDWS 如果需要改变信号输出的频率，仅能通过对任意波形如果需要改变信号输出的频率，仅能通过对任意波形信号进行重新采样，重新配置波形存储器中的波形数据信号进行重新采样，重新配置波形存储器中的波形数据来实现。来实现。 通过改变时钟频率、控制波形数据输出速率来改变通过改变时钟频率、控制波形数据输出速率来改变信号频率，而产生波形的点数不变。信号频率，而产生波形的点数不变。电子测量 第 5 章 - 462. DDWS与与DDFS的比较的比较 DDFS跳过某些样点来提高输出频率跳过某

30、些样点来提高输出频率 缺点缺点：DDFS产生任意波形时，容易产生波形失真。产生任意波形时，容易产生波形失真。优点：方便改变信号输出频率优点：方便改变信号输出频率结论结论：在产生常规函数波形时，采用：在产生常规函数波形时，采用DDFS；产生复杂；产生复杂的任意波形时，采用的任意波形时，采用DDWS。电子测量 第 5 章 - 47电子测量 第 5 章 - 48（2）任意波形发生器的技术指标）任意波形发生器的技术指标1. 采样时钟频率采样时钟频率理论上采样率理论上采样率fs与信号最高频率与信号最高频率fmax 之比大于之比大于2 即可即可在实际应用时，通常选用在实际应用时，通常选用fs与与fmax为

31、为2.532. 垂直垂直(幅度幅度)分辨力分辨力垂直垂直(幅度幅度)分辨力与分辨力与DDWS的的DAC 位数有关。位越多位数有关。位越多，幅度分辨力越高。，幅度分辨力越高。3. 存储深度存储深度 (记录长度记录长度)存储深度决定着可以存储的最大样点数量。存储深度决定着可以存储的最大样点数量。电子测量 第 5 章 - 494. 频率转换时间频率转换时间 通常与通常与DAC的上升、下降时间的上升、下降时间(输出带宽输出带宽)和时钟和时钟速度等有关。速度等有关。5. 带宽带宽 指输出电路的模拟带宽，输出电路的设计应足以满足指输出电路的模拟带宽，输出电路的设计应足以满足其采样率支持的最大信号输出频率。

32、其采样率支持的最大信号输出频率。 6. 数字输出数字输出 数字标记输出和并行数据输出数字标记输出和并行数据输出电子测量 第 5 章 - 507. 序列序列 如果目标信号虽然复杂，但是可以划分为多个子波形如果目标信号虽然复杂，但是可以划分为多个子波形; 用户可以使用该模式创建更为复杂的波形。用户可以使用该模式创建更为复杂的波形。 电子测量 第 5 章 - 513.3 锁相环锁相环（1）锁相环的基本原理）锁相环的基本原理1基本锁相环基本锁相环基本锁相环由三部分组成：基本锁相环由三部分组成：l 鉴相器（鉴相器（PD, Phase Detector）l 低通环路滤波器（低通环路滤波器（LPF, Low

33、 pass filter）l 压控振荡器（压控振荡器（VCO, Voltage-Controlled Oscillator）PDLPFVCO输入信号输入信号ui输入信号输入信号uocufbu电子测量 第 5 章 - 522. 锁相环的组成单元锁相环的组成单元a）鉴相器）鉴相器 对输入的参考信号信号和反馈回路的信号进行频率和对输入的参考信号信号和反馈回路的信号进行频率和相位的比较，输出一个代表两者差异的信号至环路低通相位的比较，输出一个代表两者差异的信号至环路低通滤波器。滤波器。例：模拟乘法器形式的鉴相器例：模拟乘法器形式的鉴相器cosiiiitUucosooootUu输入信号：输入信号：忽略经

34、乘法器输出信号的高频分量忽略经乘法器输出信号的高频分量, 可得：可得：电子测量 第 5 章 - 53鉴相器的的输出鉴相器的的输出uPD(t)为：为：cos2cos2)(oioioioiPDUUUUuutu 根据余弦函数的特性，鉴相器的两个输入信号根据余弦函数的特性，鉴相器的两个输入信号存在存在/2相位差时，才能达到锁定状态相位差时，才能达到锁定状态)2(2)(oiPDUUtu电子测量 第 5 章 - 54b）环路低通滤波器）环路低通滤波器 用来滤除鉴相器输出信号中的交流高频分量，并用来滤除鉴相器输出信号中的交流高频分量，并提供一个缓慢变化的直流电压作为提供一个缓慢变化的直流电压作为VCO的输入

35、。的输入。一阶无源滤波器一阶无源滤波器二阶无源滤波器二阶无源滤波器电子测量 第 5 章 - 55 三阶无源滤波器三阶无源滤波器 一种有源比例积分滤波器一种有源比例积分滤波器l 无源滤波器有简单、噪声低等优点，但其输出电压无源滤波器有简单、噪声低等优点，但其输出电压范围是固定的。范围是固定的。l 有源滤波器的输出电压范围可调，但是其结构复杂有源滤波器的输出电压范围可调，但是其结构复杂且噪声大。且噪声大。电子测量 第 5 章 - 56c）压控振荡器）压控振荡器理想的压控振荡器表达式：理想的压控振荡器表达式： 一种根据输入电压的变化来控制输出相应频一种根据输入电压的变化来控制输出相应频率信号的振荡器

36、。率信号的振荡器。coKuK 称为压控灵敏度称为压控灵敏度称为称为VCO的固有振荡频率的固有振荡频率 电子测量 第 5 章 - 57实际的实际的VCO线性特性线性特性 构成构成VCO的基本方法是在的基本方法是在LC振荡电路上加入可变振荡电路上加入可变电抗元件来实现对振荡频率的控制。电抗元件来实现对振荡频率的控制。西勒压控西勒压控LC振荡电路振荡电路电子测量 第 5 章 - 583锁相环的工作过程及特性分析锁相环的工作过程及特性分析a）锁相环的频率范围和带宽）锁相环的频率范围和带宽锁相环动态工作过程四个频率范围的大小关系锁相环动态工作过程四个频率范围的大小关系LPOcH 6GHz）缺点：只能合成

37、缺点：只能合成Vfref整数倍的若干频点整数倍的若干频点晶振1/RPDLPFVCO1/NoscfreffrefoutNVff1/V 预分频器预分频器电子测量 第 5 章 - 64c）双模预分频器）双模预分频器加入双模预分频器的整数分频锁相环加入双模预分频器的整数分频锁相环能够同时实现能够同时实现P次和次和P+1次分频，以次分频，以P/(P+1)表示。表示。1/RPDLPFVCO计数值N1/(P+1)计数器计数器A1/P计数器计数器B电子测量 第 5 章 - 65双模预分频器在一个循环计得的计数值为：双模预分频器在一个循环计得的计数值为：abpabPaPN)() 1(PNb/PNamod (N被

38、被P除的余数除的余数) l 双模预分频器工作的前提条件是：双模预分频器工作的前提条件是：ba。 l 如果不满足该条件，两个计数器会在计数器如果不满足该条件，两个计数器会在计数器A输出为输出为0之前就被复位，这样将导致错误之前就被复位，这样将导致错误N值。值。l 双模分频器存在一个最小连续分频系数的极限值，如双模分频器存在一个最小连续分频系数的极限值，如果果N大于该值，大于该值，N连续取任意正整数时就不会出现非法的连续取任意正整数时就不会出现非法的分频系数。分频系数。 电子测量 第 5 章 - 661. 可以实现更大范围的可以实现更大范围的N值，同时不降低频率分辨力。值，同时不降低频率分辨力。2

39、. 分频系数分频系数N不变，预分频器通常对锁相环的相位噪声、不变，预分频器通常对锁相环的相位噪声、参考杂散或锁定时间等性能没有影响。参考杂散或锁定时间等性能没有影响。电子测量 第 5 章 - 672小数分频锁相环小数分频锁相环a）小数分频锁相环的结构和原理）小数分频锁相环的结构和原理可控制选择分频因子的小数分频锁相环可控制选择分频因子的小数分频锁相环晶振参考分参考分频器频器PDLPFVCON或或N+1oscfreffrefoutfFNf).(分频比控制输入分频比控制输入电子测量 第 5 章 - 68 设目标达到的分频因子为设目标达到的分频因子为m=N.F其中其中: N表示整数部分，表示整数部分

40、， F表示小数部分，且有效位数是表示小数部分，且有效位数是n位位则小数分频比的一般通式可表示为则小数分频比的一般通式可表示为nFNFNFNm10. 0.nnnnFNFNFN10)10() 1(1010例如例如: 要实现要实现N=5.3次分频，可以采用次分频，可以采用3次次6分频和分频和7次次5分频来实现。分频来实现。 电子测量 第 5 章 - 69例例:电子测量 第 5 章 - 70b）小数分频锁相环的特点）小数分频锁相环的特点:在上面的例子中，在上面的例子中，l 在相对低分频系数下和高参考频率下得到更好的频率分辨在相对低分频系数下和高参考频率下得到更好的频率分辨力力; l 参考频率增长了参考

41、频率增长了4倍，导致环路带宽增加，并缩短了锁定倍，导致环路带宽增加，并缩短了锁定时间；时间；l 分频系数分频系数N降低了降低了4倍意味着倍意味着PD和和DIV带来的噪声将会降低带来的噪声将会降低12dB；l 更多的更多的VCO噪声随着环路带宽的增大而被通频带滤除。噪声随着环路带宽的增大而被通频带滤除。l 分频系数从分频系数从N到到N+1的突然变化会产生量化噪声，的突然变化会产生量化噪声， 因此需因此需要通过杂散补偿措施能够实现噪声的补偿，但效果并不总是要通过杂散补偿措施能够实现噪声的补偿，但效果并不总是很理想。很理想。较好的解决方案是使用较好的解决方案是使用Sigma-Delta变换器，通过噪变换器，通过噪声整形机制来消除量化噪声。声整形机