第6章信号的产生(大连理工大学)

1、第第6 6章章 信号的产生信号的产生6.1 6.1 信号源概述信号源概述 6.2 6.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器 6.3 6.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生6.4 6.4 直接数字合成技术直接数字合成技术 6.5 6.5 合成信号源简介合成信号源简介 6.1 信号源概述信号源概述u 信号源的作用和组成信号源的作用和组成u 信号源的分类信号源的分类u 正弦信号源的性能指标正弦信号源的性能指标一、一、 信号源在电子测量中的作用和组成信号源在电子测量中的作用和组成1.1.信号源的作用信号源的作用 信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波信号源是能够产

2、生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。形的信号发生器。 信号源的用途主要有以下三方面：信号源的用途主要有以下三方面： 激励源。激励源。 信号仿真。信号仿真。 标准信号源。标准信号源。2. 信号源的组成信号源的组成信号信号输出输出主振器主振器缓冲缓冲调制调制输出输出电电 源源监测监测信号发生器结构框图信号发生器结构框图主振器：信号源的核心，产生不同频率、不同波形的信号；主振器：信号源的核心，产生不同频率、不同波形的信号；缓冲：缓冲： 对信号放大、整形；对信号放大、整形；调制：调制： 需要输出调制波形时，对信号调频、调幅等。不需要调需要输出调制波形时，对信号调频、调幅等。不需要调制时

3、，可以越过此部分。制时，可以越过此部分。输出：输出： 调节输出信号的电平和输出阻抗；调节输出信号的电平和输出阻抗；监测器：电压表、频率计等，用来监测输出信号。监测器：电压表、频率计等，用来监测输出信号。二、信号源的分类二、信号源的分类1. 按频率范围按频率范围 大致可分为六类：大致可分为六类： 超低频信号发生器超低频信号发生器 0.0001Hz1000Hz； 低频信号发生器低频信号发生器 1Hz1MHz； 视频信号发生器视频信号发生器 20Hz10MHz； 高频信号发生器高频信号发生器 200KHz30MHz； 甚高频信号发生器甚高频信号发生器 30KHz300MHz； 超高频信号发生器超高频

4、信号发生器 300MHz以上。以上。 二、信号源的分类二、信号源的分类( (续续) )2. 2. 按照信号发生器的性能指标按照信号发生器的性能指标 可分为：可分为： 一般信号发生器；一般信号发生器； 标准信号发生器；标准信号发生器； 3. 按输出波形按输出波形,大致可分为：大致可分为： 正弦波形发生器；正弦波形发生器；产生正弦波或受调制的正弦信号，用途最广。产生正弦波或受调制的正弦信号，用途最广。 脉冲信号发生器；脉冲信号发生器；产生各种频率、脉宽和占空比的重复脉冲。产生各种频率、脉宽和占空比的重复脉冲。 函数信号发生器；函数信号发生器；产生幅度随时间变化的信号，如正弦波、三角波、方产生幅度随

5、时间变化的信号，如正弦波、三角波、方波等周期信号。波等周期信号。315种，工作频率一般在种，工作频率一般在10MHz以下。以下。 噪声信号发生器。噪声信号发生器。三、正弦信号源的性能指标三、正弦信号源的性能指标1. 1. 频率特性频率特性u （1 1）频率范围）频率范围u （2）频率准确度）频率准确度 u （3）频率稳定度）频率稳定度 %100ooofffff%100minmaxofff2. 2. 输出特性输出特性（1 1）输出电压范围。）输出电压范围。 电平范围：电平范围：-60-60+10dB（2 2）输出电平平坦度）输出电平平坦度在有效频率范围内调节在有效频率范围内调节频率时，电平的变化

6、。频率时，电平的变化。（3 3）输出电平准确度）输出电平准确度（4 4）输出阻抗）输出阻抗低频信号发生器：低频信号发生器：5050、 7575、 150150、 600600、 5k5k（5 5）输出信号的非线性失）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度真系数和频谱纯度3. 3. 调制特性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。偏，调制线性等。1. 1. 低频信号发生器低频信号发生器u 低频信号发生器频率范围一般为低频信号发生器频率范围一般为20Hz20Hz20KHz20KHz，故又称音，故又称音频信号发生器频

7、信号发生器 6.2 正弦、脉冲及函数发生器正弦、脉冲及函数发生器一、一、 正弦信号发生器正弦信号发生器主振级主振级缓冲缓冲放大放大电平电平控制控制功率功率放大放大衰减器衰减器阻抗阻抗变换变换电平调节电平调节波段波段调节调节频率频率细调细调电平指示电平指示低频信号发生器组成原理低频信号发生器组成原理RCRC正弦振荡器每一分波段正弦振荡器每一分波段的频率覆盖系数为的频率覆盖系数为1010。如如1Hz-1MHz1Hz-1MHz需要需要6 6个波段：个波段：1-10Hz1-10Hz、10-100Hz10-100Hz、100-1kHz100-1kHz、1kHz-10kHz1kHz-10kHz、10kHz

8、-100kHz10kHz-100kHz、100kHz-1MHz100kHz-1MHz2. 2. 高频信号发生器高频信号发生器u 高频信号发生器输出频率范围一般在高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz，大，大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能输出输出主振级主振级波段波段选择选择频率频率细调细调缓冲缓冲调制级调制级输出级输出级调制振荡器调制振荡器监测器监测器外调制外调制输入输入高频信号发生器原理框图高频信号发生器原理框图主振器多采用主振器多采用LCLC高频振荡器，通过更换线圈的方式来变换高频振荡器，通过更换线圈的方式来变换频段。频段。二、二、 脉冲信

9、号发生器脉冲信号发生器u 常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编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码序列等 ：u ut to o（a a）矩形波）矩形波u ut to o（b b）锯齿波）锯齿波u ut to o（c c）阶梯波）阶梯波u uto o（d d）钟形脉冲）钟形脉冲u ut to o（e e）数字编码序列）数字编码序列 常见的脉冲信号常见的脉冲信号脉冲发生器的分类（根据用途和产生脉冲的方法）：通用脉脉冲发生器的分类（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、数字可冲发生器、快速（广谱）脉冲发生器、函数发生器、

10、数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。1. 1. 通用脉冲发生器通用脉冲发生器u 通用脉冲发生器能够满足一般测试的要求，能够调节脉冲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。重复频率、脉冲宽度、输出幅度及极性等。 输出输出脉宽，上升脉宽，上升/ /下降沿下降沿控制控制主振级主振级同步放大同步放大延时级延时级脉冲形成脉冲形成输出级输出级同步脉冲输出同步脉冲输出外同步外同步触发输入触发输入外触发外触发同步脉冲输出同步脉冲输出脉冲信号发生器组成原理脉冲信号发生器组成原理脉冲过渡时间1ns2. 2. 快速（广谱）脉冲发生

11、器快速（广谱）脉冲发生器u 在时域测试中，快速脉冲信号发生器用来提供广谱的激励在时域测试中，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，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。信号发生器相当于频域测试中的扫频信号源。u 快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、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。隧道二极管脉冲发生器等。V VD DR RC CR RO OSR

12、 RL L水银开关脉冲发生器原理水银开关脉冲发生器原理脉冲过渡时间500ps50mV/DIV30dB1 ns/DIV(a)0-40dB0123GHz(b)过度持续时间为过度持续时间为1ns的脉冲发生器前沿及其频谱的脉冲发生器前沿及其频谱50mV/DIV100 ps/DIV(a)0-40dB0102030GHz(b)隧道二极管脉冲发生器前沿及其频谱隧道二极管脉冲发生器前沿及其频谱 例如一个前沿上升时间为例如一个前沿上升时间为1ns1ns的脉冲，其可用频谱分量为的脉冲，其可用频谱分量为1GHz1GHz，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快达

13、达15ps15ps，则其可用频谱可以高达，则其可用频谱可以高达30GHz30GHz。三、三、 函数信号发生器函数信号发生器1. 1. 多波形信号发生原理多波形信号发生原理 方波三角波发生器方波三角波发生器正弦波三角波方波C双稳态双稳态电路电路VC2V2VC1AWRU1I1U2B方波、三角波发生器原理框图方波、三角波发生器原理框图V1三角波三角波/正弦正弦波逼近网络波逼近网络C-+1122()scUfRC VV三角波斜率：1UkRC 三角波周期：121212()2scVVRC VVTkU三角波频率： 正弦波形成电路正弦波形成电路utiustusct分段折线逼近波形综合分段折线逼近波形综合n其电路

14、实现原理如下图所示。其电路实现原理如下图所示。 分段逼近波形综合电路分段逼近波形综合电路+E-ER0R1R2R3R4R5R6R1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR7BR6BR5BR4BR3BR2BR1BViVoD1AD1BD2AD3AD4AD5AD6AD2BD3BD4BD5BD6B 锯齿波形成电路锯齿波形成电路ut（a）ut（b）tu（c）tu（d）锯齿波的获得原理锯齿波的获得原理 锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（锯齿波可以通过方波与三角波而获得，将下图中（a a）所）所示三角波与图（示三角波与图（b b）所示方波直接叠加就可得到图（）所示方波直接叠加就可得到图（c c）所）

15、所示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（示的交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图（d d）所示）所示的锯齿波。的锯齿波。2. 2. 函数发生器的性能和组成函数发生器的性能和组成u 函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波等波形，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（具有较宽的频率范围（0.1Hz0.1Hz几十几十MHzMHz）及较稳定的频）及较稳定的频率。率。频率频率控制控制网络网络三角波三角波缓冲器缓冲器正弦波综正弦波综合及缓冲合及缓冲正恒正恒流源流源负恒负恒流源流源比较器比较器方波方波缓冲器缓冲器外外部部频频率率控控制制函数函数选择选择及其及其

16、它波它波形产形产生生输出输出放大放大输出输出滤波滤波直流直流补偿补偿积分积分电路电路函数发生器基本组成原理函数发生器基本组成原理频率控制网络控制信号频率6.3 锁相频率合成信号的产生锁相频率合成信号的产生1.1. 频率合成原理频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。 一、一、 频率合成的基本概念频率合成的基本概念频率频率1 1输出输出石英晶体石英晶体代数运算代数运算（加、减、乘、除）（加、减、乘、除）频率合成原理频率合成原理频率频率n n输出输出基准频率基准频率普通信号发生器（LC、RC）的矛盾：输出频率可调范围和频率稳定度之

17、间的矛盾。应采用晶体振荡器产生，但存在频率单一的问题，所以，应采用：解决方法：频率合成式信号发生器。频率合成：由一个或多个高稳定度的基准频率（石英晶体振荡器），通过基本代数运算，得到一系列所需的频率。二、直接频率合成技术二、直接频率合成技术 晶振晶振谐波发生器（倍频）谐波发生器（倍频）分频（分频（1010）8MHz8MHz混频（混频（+ +）混频（混频（+ +）2MHz滤波滤波分频（分频（1010）2.8MHz2.8MHz滤波滤波0.28MHz0.28MHz分频（分频（1010）混频（混频（+ +）滤波滤波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3.

18、628MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz优点：优点：频率切换迅速，相位噪声很低。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。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。三、锁相式频率合成三、锁相式频率合成 u 一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（一种间接式的频率合成技术。它利用锁相环（PLLPLL）把压）把压控振荡器（控振荡器（VCOVCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通）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

19、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。不同的频率。 u 优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低等优点。等优点。u 缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。 1 1、锁相环（、锁相环（PLLPLL）的基本概念）的基本概念（1 1） 锁相环基本工作原理及性能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。该环路由鉴相器锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（PDPD）、环路滤波器（）、环路滤波器（LPFLPF）、电压控制振荡器（）、电压控制振荡器（

20、VCOVCO） 及基准晶体振荡器等部分组成及基准晶体振荡器等部分组成 。锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图fiViVCOPDLPFVofoVdu PD：相位比较器（鉴相器）：相位比较器（鉴相器）鉴相器的任务是对2个输入信号比较。当环路锁定时，鉴相器输出正比于这2个输入信号相位差的直流电压；任何一种理想模拟乘法器都可以作为鉴相器（正弦特性）；鉴相器鉴相器2个输入，一个是频率信号，一个是个输入，一个是频率信号，一个是VCO输出；输出；为达到为达到“同频鉴相同频鉴相”的要求，重新表示输入信号的相位：的要求，重新表示输入信号的相位：( )sin( )iiiiv tVwtt( )sin( )ooo

21、ov tVw tt 压控振荡器的输出信号相位重新表示为：压控振荡器的输出信号相位重新表示为：则：鉴相器的输出为：则：鉴相器的输出为：经低通滤波器后，高频分量滤掉，则：经低通滤波器后，高频分量滤掉，则：001( )()( ) =( )iiiiiwttw tww ttw tt02( )w tt010201212sin( )sin( )1sin2( )( )sin ( )( )2miomioK Vw tt Vw ttK VVw tttttsin( )()ddceddKKKVt较小时：锁相灵敏度，值越大，控制能力越强。uLPF：环路滤波器：环路滤波器u低通滤波器，用于滤除误差电压中的高频成分和噪声，以

22、低通滤波器，用于滤除误差电压中的高频成分和噪声，以使使uc能够稳定地控制能够稳定地控制VCO，是保证环路稳定的重要环节。，是保证环路稳定的重要环节。u 其传递函数为：其传递函数为：u 式中：式中：1 = R1 C u 2 = R2 C ( )IpKF sKsuVCO：压控振荡器：压控振荡器u振荡频率受控于外加控制电压振荡频率受控于外加控制电压uc。ooddcooidiiddcooidfuuffffuufff环路相位锁定环路相位锁定二阶二阶PLL其闭环传递函数其闭环传递函数根据阻尼比，可分为根据阻尼比，可分为过阻尼、临界阻尼、过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三类系统，一般欠阻尼三类系统，一般二阶二阶PL

23、L为欠阻尼。为欠阻尼。2222( )( )( )( )( ) =2 =2oiPIPInnnnsKF sH sssKF sKK sKsKK sKsss 跟踪特性：环路锁定时，当跟踪特性：环路锁定时，当fi变化，变化，fo也随之变化，自动维持也随之变化，自动维持fo=fi的关系。的关系。 若无法跟踪，则环路若无法跟踪，则环路“失锁失锁”。同步带宽：锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围。同步带宽：锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围。 捕捉和捕捉带宽捕捉和捕捉带宽 捕捉：环路处于捕捉：环路处于“失锁失锁”状态时，调整输出电压的频率，当环路输入、输状态时，调整输出电压的频率，当环路输入、输出电压的

24、频率差减小到一定程度，在环路自动相位负反馈作用下，从出电压的频率差减小到一定程度，在环路自动相位负反馈作用下，从“失失锁锁”状态进入状态进入“锁定锁定”状态的过程。状态的过程。 捕捉带宽捕捉带宽 ：环路最终能够自行进入：环路最终能够自行进入“锁定锁定”状态的最大允许的频差。状态的最大允许的频差。 * *“锁定锁定” “失锁失锁”：同步带宽；：同步带宽； “失锁失锁” “锁定锁定” ：捕捉带宽：捕捉带宽 环路带宽环路带宽 : 锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性，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。二阶系统可用谐振角频率表其高频截止频率称为环路带宽。二阶系统

25、可用谐振角频率表示。示。（2 2）锁相环的主要性能指标）锁相环的主要性能指标: :跟踪特性和同步带宽跟踪特性和同步带宽2. 2. 锁相环的基本形式锁相环的基本形式 倍频式锁相环倍频式锁相环 倍频环实现对输入频率进行乘法运算，主要有两种形式：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谐波倍频环和数字倍频环（a） 谐波倍频环谐波倍频环VCOPDLPFfo=Nfifi谐波谐波形成形成Nfifo=Nfi（b）数字倍频环）数字倍频环VCOPDLPFfiN倍频式锁相环原理图倍频式锁相环原理图fiNPLLNfi（c）倍频环简化图）倍频环简化图u 分频式锁相环分频式锁相环 分频环

26、实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有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。两种基本形式。 分频式锁相环原理图分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b）数字分频环）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波谐波形成形成（a）谐波分频环）谐波分频环fiNPLLfo=fi/N（c）分频环简化图）分频环简化图u 混频式锁相环混频式锁相环 u 混频环实现对频率的加减运算混频环实现对频率的加减运算 PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环）相减混频环PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2

27、（a）相加混频环）相加混频环fo= fi1- fi2混频锁相环混频锁相环+PLLfi1fi2fo= fi1+ fi2-PLLfi1fi2fo= fi1- fi2（c）相加环简化图）相加环简化图（d）相减环简化图）相减环简化图u 多环合成单元多环合成单元u 单环合成单元存在频率点数目较少，频率分辨率不高等缺单环合成单元存在频率点数目较少，频率分辨率不高等缺点，所以一个合成式信号源都是由多环合成单元组成点，所以一个合成式信号源都是由多环合成单元组成 fo= Nfi1+ fi234005110KHz10KHzPD2LPF2VCO2M（）（）fi2fi1fo-Nfi1Nfi1内插振荡器内插振荡器环环1

28、环环2倍频环倍频环加法混频环加法混频环（a） 双环合成器原理结构框图双环合成器原理结构框图100110KHzNPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=N fi1+ fi2（b） 双环合成器简化结构框图双环合成器简化结构框图双环合成器原理结构图双环合成器原理结构图VCO1PD1LPF1谐波谐波形成形成12222330 500;10;100100;10330:330 103400 3410;331:331 103410 3420;500:500 105100 5110;iioioioiNfkHzfkHzkHzkHzNfkHzfkHzkHzNfkHzfkHzkHzNfkHzfkHzkHz连续可调，间

29、隔；实例分析：十进频率合成器实例分析：十进频率合成器 u 该频率合成器中采用了十进锁相合成单元，输出该频率合成器中采用了十进锁相合成单元，输出频率是采用十进数字盘来选择，它可以提供更高频率是采用十进数字盘来选择，它可以提供更高的输出频率准确度。目前十进频率合成器已作为的输出频率准确度。目前十进频率合成器已作为一个标准频率源而获得广泛应用。一个标准频率源而获得广泛应用。（1）十进频率合成器组成 五个五个DS-1合成单元串接起来，其输出频率被送到合成合成单元串接起来，其输出频率被送到合成单元单元DS-2，得到输出频率为，得到输出频率为2122MHz , DS-2的输出加的输出加到合成单元到合成单元

30、DS-4，得到输出频率为，得到输出频率为101122MHz ,合成合成单元单元DS-3输出为输出为10192MHz， DS-3与与DS-4的输出频率的输出频率加到混频器加到混频器M进行相减，最后得到进行相减，最后得到200Hz30MHz的输的输出频率。出频率。DS-10-91HzDS-10-910HzDS-10-9100HzDS-10-91KHzDS-10-910KHzDS-20-9100KHzDS-40-210MHzDS-30-21MHz2122MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz内插振荡器01Hz1.21.3MHz9MHz100K

31、HzM（-）10192MHz101122MHz200Hz30MHz5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S5十进锁相式频率合成器组成框图十进锁相式频率合成器组成框图(2) 十进锁相合成单元十进锁相合成单元VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz谐波谐波形成形成NfiDS-1原理框图原理框图M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基准基准后一位合成单元后一位合成单元10.210.3MHz101213MHz1.21.3MHz倍频环倍频环1）DS-1合成单元合成单元0123456789:18192021222324252627N度盘：2）DS-2合成单元合成

32、单元VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz谐波谐波形成形成NfiDS-2原理框图原理框图M1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基准基准“10KHz”单元输出单元输出19.219.3MHz2122MHz倍频环倍频环218MHz0123456789:18192021222324252627N度盘：3）DS-3合成单元合成单元VCOPDLPF10192MHz1MHz谐波谐波形成形成NfiDS-3原理框图原理框图倍频环倍频环fi0123456789:101 1009998979695949392N度盘：4）DS-4合成单元合成单元PDLPFVCOM（）（）DS-2的输出的输出0：8

33、0MHz加法混频环2122MHzDS-4原理框图原理框图基准基准倍 频倍 频环环5MHzVCOPDLPF谐波谐波形成形成1：90MHz2：100MHz1：111112MHz2：121122MHz0：101102MHz012:161820N度盘：（3）输出频率的连续调节）输出频率的连续调节u 为了使输出频率连续可调，频率合成器中加入了一个内插为了使输出频率连续可调，频率合成器中加入了一个内插振荡器振荡器 VCOPDLPF1.21.3MHz100KHz谐波谐波形成形成内插振荡器组成框图内插振荡器组成框图基准基准12S+P 当选择开关当选择开关S S置于置于1 1时，内插振荡器是一个倍频环，它输出一

34、时，内插振荡器是一个倍频环，它输出一个个1.2MHz1.2MHz的固定点频，此时频率合成器只能输出离散频率。的固定点频，此时频率合成器只能输出离散频率。 当内插振荡器的开关当内插振荡器的开关S S置于置于2 2时，时，VCOVCO就作为一个频率连续可就作为一个频率连续可调的振荡器工作，调节电位器调的振荡器工作，调节电位器P P，改变，改变VCOVCO的偏压，可使它的输的偏压，可使它的输出在出在1.2MHZ1.2MHZ1.3MHZ1.3MHZ之间连续变化。之间连续变化。 四、提高频率分辨力的锁相合成技术四、提高频率分辨力的锁相合成技术1 1 提高频率分辨力的技术途径提高频率分辨力的技术途径 对于

35、倍频环而言，输出频率以增量对于倍频环而言，输出频率以增量fifi变化，即合成器的变化，即合成器的频率分辨率等于频率分辨率等于fifi。合成器频率转换时间为合成器频率转换时间为转换时间频率增量越小，转换时间越长。转换时间频率增量越小，转换时间越长。 ieft/25 在保证转换时间不变的前提下，提高频率分辨力的途径主在保证转换时间不变的前提下，提高频率分辨力的途径主要有：要有： 多环频率合成法；多环频率合成法； 小数分频法。小数分频法。 矛盾2 2 多环频率合成法多环频率合成法VCOPDLPFfofiNM提高频率分辨率的途径：采用后置分频器1oiiiiiNffMffMNNffM优点：频率分辨率缺点

36、：频率输出范围2 2 多环频率合成法多环频率合成法三环三环PLL合成器合成器VCOPDLPFfBfiNBMVCOPDLPFBPFfoVCOAPDALPFA+NAfA()1ABC/)BoAiieieieBiBNfNfMfMt ft ftN fMNM频率分辨率转换时间：环： /环： /环： /(若，则不会增加转换时间3 3 小数分频法小数分频法小数分频是通过可变分频和多次平均的办法实现小数分频是通过可变分频和多次平均的办法实现例如要实现例如要实现4.34.3的小数分频，只要在的小数分频，只要在1010次分频中作次分频中作7 7（即（即10-310-3）次除次除4 4，3 3次除次除5 5就可以得到

37、。又如，要实现就可以得到。又如，要实现6.326.32的小数分频，只的小数分频，只要在每要在每100100次分频中作次分频中作6868（100-32100-32）次除）次除7 7，3232次除次除8 8即可。即可。VCOPDLPFuifiNfoN存储器存储器F存储器存储器uo脉冲脉冲删除删除接口接口小数分频实现电路图小数分频实现电路图OVFACCU例例: 分频比为分频比为4.3的实现过程的实现过程u 若分频比为若分频比为4.3 ,4.3 ,则在输入信号的则在输入信号的1010个周期内，输出信号个周期内，输出信号为为4343个周期。每一次循环过程中，在个周期。每一次循环过程中，在u ui i各周

38、期内，累加器各周期内，累加器的值和其分频系数如表的值和其分频系数如表8-18-1所示。所示。序号12345678910累加值0.30.60.90.20.50.80.10.40.70分频系数4445445445表表8-1 8-1 输入信号每周期内的分频系数和累加值（分频比为输入信号每周期内的分频系数和累加值（分频比为4.34.3）小数分频电路的改进小数分频电路的改进u 小数分频时小数分频时, ,输入输出频率之比不是整数输入输出频率之比不是整数, ,使得鉴相器的输使得鉴相器的输出出现阶梯电压变化，这个电压加到出出现阶梯电压变化，这个电压加到VCOVCO上会使得合成器频上会使得合成器频谱变差。同时累

39、加值（累加器谱变差。同时累加值（累加器ACCUACCU中的存数）恰好也是与中的存数）恰好也是与其一致的阶梯变化，因此将该数据进行其一致的阶梯变化，因此将该数据进行D/AD/A转换后加到转换后加到PDPD的的输出端就可以抵消该变化。输出端就可以抵消该变化。VCOPDLPFurfrNDACfoN存储器存储器F存储器存储器uo脉冲脉冲删除删除接口接口改进的小数分频实现电路图改进的小数分频实现电路图+OVFACCU-b2NMM bN+bN+1a.b=M7 32b2M101001003268732868 7+32 87.32NaM10Ma.babNbN 11 0.0b的位数一般计算规则：目标：实现倍分频

40、设，每次进行的分频系数；-所做的分频次数则实现倍分频需要（- ）（）例：实现 . 倍的分频的位数= ，则所以需- 次 分频， 次+ 分频要做次 分频， 次 分频6. 直接数字合成技术直接数字合成技术u DDSDDS组成原理组成原理u 直接数字合成（直接数字合成（Direct Digital SynthesisDirect Digital Synthesis）的基本原）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。和相位对于固定的参考频率可调的信号。6.6. .直接数字合成基本原理直接数字合成基本原

41、理 设取样时钟频率为设取样时钟频率为fc，正弦波每一周期由个取样点构，正弦波每一周期由个取样点构成，则该正弦波的频率为：成，则该正弦波的频率为：NfNTfcco1u DDSDDS的实现原理如下图所示的实现原理如下图所示地址计数器地址计数器（N）正弦波正弦波ROM存储器存储器D/ALPFfcfoDDS组成原理组成原理输出信号频率输出信号频率fo: 取决于两个因数：参考时钟频率；取决于两个因数：参考时钟频率；ROMROM中存储的正弦波；中存储的正弦波；NMffco如果如果地址计数器以步进地址计数器以步进M M（M=1)M=1)进行累加，则可在进行累加，则可在f fc c和和ROMROM数据不变的情

42、况下改变数据不变的情况下改变输出频率，此时输出频率，此时fo为：为：u 2 2 相位累加器原理相位累加器原理 u 当改变地址计数器计数步进值（即以值当改变地址计数器计数步进值（即以值M M来进行累加），来进行累加），同样可以改变每周期采样点数，从而实现输出频率的改变同样可以改变每周期采样点数，从而实现输出频率的改变 。地址计数器步进值改变可以通过相位累加法来实现。地址计数器步进值改变可以通过相位累加法来实现 相位相位锁存器锁存器频率控制字频率控制字M相位累加器相位累加器fr波形存储波形存储RAMD/A转换转换LPFfo2448位位1416位位相位累加器原理相位累加器原理u 为便于理解，可以将正

43、弦波波形看作一个矢量沿相位圆为便于理解，可以将正弦波波形看作一个矢量沿相位圆转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。采样点对应相位圆上的一个相位点。 步进步进点数点数2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248数字相位圆数字相位圆u 设相位累加器位数为设相位累加器位数为N N，频率控制字为，频率控制字为M M，参考时钟频率为，参考时钟频率为f fc c，则，则DDSDDS输出频率为：输出频率为：cNofMf2u 截断

44、误差：一般舍去截断误差：一般舍去N N的低位，只取的低位，只取N N的高的高A A位（如高位（如高1616位）位）作为存储器地址，使得相位的低位被截断（即相位截尾）。作为存储器地址，使得相位的低位被截断（即相位截尾）。当相位值变化小于当相位值变化小于1/21/2A A时，波形幅值并不会发生变化，但输时，波形幅值并不会发生变化，但输出频率的分辨率并不会降低，由于地址截断而引起的幅值误出频率的分辨率并不会降低，由于地址截断而引起的幅值误差，称为截断误差。差，称为截断误差。实际应用中一般取实际应用中一般取1M(N-2) 1M(N-2) 6.6.2.2DDS频率合成信号源频率合成信号源输出输出输出输出

45、串串/并并选择选择6位地址或位地址或串行编程串行编程8位并位并行数据行数据FSK/BPSK/HOLD数据输入数据输入420参考时钟参考时钟倍乘倍乘频频率率累累加加器器相位偏移相位偏移及调制及调制 +相相位位累累加加器器相相位位转转换换器器300MHzDDS参参考考时时钟钟滤波滤波器器滤波滤波器器12位位D/AM/DAC复位复位12位位D/A频率控制字频率控制字/相位字启停逻辑相位字启停逻辑I/O更新更新读写读写可编程寄存器可编程寄存器48位频率位频率控制字控制字14位相位位相位偏移偏移/调制调制I/O端口缓冲端口缓冲12位位AM调制调制比较器比较器模拟输入模拟输入时钟输出时钟输出AD9854

46、DDS结构结构+-2 2 基于可编程芯片的基于可编程芯片的DDSDDS频率合成信号源频率合成信号源 u 单片集成的单片集成的DDSDDS芯片合成信号波形的种类较少，灵活性较芯片合成信号波形的种类较少，灵活性较差，不便于任意波发生器等场合的应用。基于可编程芯片差，不便于任意波发生器等场合的应用。基于可编程芯片实现的实现的DDSDDS信号合成可具有更大的灵活性。信号合成可具有更大的灵活性。 相位累相位累加器加器参考参考时钟时钟相位相位调制器调制器D/A转转换换滤波滤波CPU接口接口输出输出频率控制字频率控制字波形波形存储器存储器SRAM 基于可编程芯片的基于可编程芯片的DDS频率合成信号源频率合成

47、信号源3 DSS/PLL3 DSS/PLL组合的频率合成信号源组合的频率合成信号源 u DDSDDS与与PLLPLL组合的合成信号源可以有多种形式，下图是一种组合的合成信号源可以有多种形式，下图是一种环外混频式环外混频式DDS/PLLDDS/PLL频率合成的原理。频率合成的原理。PDLPFVCOKDDS混频器混频器带通滤波带通滤波frfcfoDDS/PLL混频式频率合成原理混频式频率合成原理fPfD基基准准信信号号源源此时输出频率为：此时输出频率为：NcrDPofMfKfff26.5 合成信号源简介合成信号源简介u 任意波发生器（任意波发生器（Aibitray Wave GeneratorAi

48、bitray Wave Generator）：能产生任）：能产生任意波形的信号发生器意波形的信号发生器 。 6.5.16.5.1任意波形发生器任意波形发生器u 1 1 AWG AWG的工作原理的工作原理u 任意波形发生器的原理与任意波形发生器的原理与DDSDDS基本相同，如下图所示基本相同，如下图所示 波形存储器波形存储器D/A转换器转换器滤波器滤波器fs输出输出任意波形发生器原理任意波形发生器原理2 AWG2 AWG的主要技术指标的主要技术指标 u 波形编辑功能。波形编辑功能。u 输出波形频率。输出波形频率。u 相位分辨力。相位分辨力。u 幅度分辨率。幅度分辨率。u 输出通道数。输出通道数。函数、任意波形发生器函数、任意波形发生器6.5.26.5.2合成扫频信号源合成扫频信号源u 1 1 工作原理工作原理 u 频率特性测试的方法：点频法和扫频法频率特性测试的方法：点频法和扫频法点频法点频法 ：逐点调整信号发生器的输出频率，并用电压表等设：逐点调