高频电子线路（第4版）课件【ch09】频率合成技术

频率合成技术电子信息科学与电气信息类基础课程高频电子线路（第4版）第九章01频率合成器的主要技术指标近年来，随着无线电通信技术的迅速发展,对振荡信号源的要求也在不断提高。不但要求它的频率稳定度和准确度高，而且要求能方便地改换频率。我们知道，石英晶体振荡器的频率稳定度和准确度是很高的,但改换频率不方便,只宜用于固定频率,LC振荡器改换频率方便,但频率稳定度和准确度又不够高。能不能设法将这两种振荡器的特点结合起来，既兼有较高的频率稳定度与准确度，而且又具有改换频率方便的优点呢?近年来获得迅速发展的频率合成技术，就能满上述要求。频率合成器的主要技术指标所谓频率合成器就是利用一个(或几个)晶体振荡器产生一系列(或若干个)标准频率信号的设备。其基本思想是利用综合或合成的手段,综合晶体振荡器的频率稳定度、准确度高和LC振荡器改换频率方便的优点，克服晶体点频工作和LC振荡的频率稳定度、准确度不高的缺点，而形成频率合成技术。频率合成器的主要技术指标其具体分类如下:频率合成器的主要技术指标为了正确使用与设计频率合成器,首先应对它提出合理的质量指标。频率合成器的使用场合不同,对它的要求也不全相同。大体来说,有如下几项主要技术指标:频率范围、频率间隔、频率稳定度和准确度、频谱纯度(杂散输出或相位噪声)频率转换时间等。频率合成器的主要技术指标(1)频率范围是指频率合成器的工作频率范围,视其用途可分为短波、超短波、微波等频段。(2)频率合成器的输出频谱是不连续的，两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。(3)这是指频率转换后,达到稳定工作所需要的时间。(4)频率稳定度是指在规定的时间间隔内,合成器频率偏离规定值的数值。(5)上面已经谈到，振荡器频率的不稳定表现为频谱的不纯。频率合成器的主要技术指标频率稳定度与准确度频率稳定度分为长期稳定度、短期稳定度与瞬间稳定度三种，它们已在第5章中讨论过，此处不再重复。这里只特别提一下瞬间频率稳定度，这是指在秒或毫秒时间间隔内的频率变化。引起瞬间频率变化的主要因素是各种干扰与噪声。当用频域来描述瞬间稳定度时,它表现为频率合成器的频谱不纯。频率合成器的主要技术指标02直接模拟频率合成法所谓直接模拟频率合成法是指将两个基准频率直接在混频器中进行混频，以获得所需要的新频率。这些基准频率是由石英晶体振荡器产生的。如果只用一块石英晶体作为标准频率源，产生混频的两个基准频率(通过倍频器产生的)彼此之间是相关的，就称之为相干式直接合成;否则就是非相干式直接合成。此外，还有利用外差原理来消除可变振荡器频率漂移的频率漂移抵消法(或称外差补偿法)，分述如下。直接模拟频率合成法图9.2.1为这种合成方法的原理图。直接模拟频率合成法非相干式直接合成器图9.2.3是相干式直接合成器的一个实例。直接模拟频率合成法相干式直接合成器以上两种直接合成法的优点是：比较稳定可靠，能做到任意小的频率增量，波道转换速。它的缺点是:要采用大量的滤波器、混频器等,成本高,体积大。又由于混频器存在谐波成分，易产生寄生调制，影响频率稳定度。为了减少滤波器与混频器，减少组合频率干扰，于是提出了下面要介绍的频率漂移抵消法(外差补偿法)。直接模拟频率合成法这种频率合成法的工作原理可参阅图9.2.4。直接模拟频率合成法频率漂移抵消法(外差补偿法)应该说明,图9.2.4只是原理性方框图实际上用频率漂移抵消法做成的频率合成器还是相当复杂的,往往需要若千个环路才能组成。因而与下节即将讨论的间接合成法相比，这种方法所用的混频器与滤波器较多,同时,体积大、成本高,调试也比较复杂。直接模拟频率合成法03直接数字频率合成法模拟频率合成方法是通过对基准频率人为地进行加减乘除算术运算得到所需的输出频率。自20世纪70年代以来,由于大规模集成电路的发展及计算机技术的普及,开创了另一种信号合成方法一直接数字频率合成法(DDS,DirectDigitalFrequencySynthests)。直接数字频率合成法在微机内,若插入一块D/A插卡,然后编制一段小程序,如连续进行加1运算到一定值,然后连续进行减1运算回到原值，再反复运行该程序，则微机输出的数字量经D/A变换成小阶梯式模拟量波形。直接数字合成基本原理直接数字频率合成法现设幅值码为5位,则在0°~90°范围内编码关系如表9.3.1所示。直接数字频率合成法在图9.3.2中,时钟CLK的频率为固定值fc。直接数字频率合成法信号的频率关系量化噪声相位和幅度量化噪声,简称为量化噪声。滤波器另一种是数模转换器产生的阶梯波中的杂散频率通过非理想低通滤波器而带来的噪声。直接数字频率合成法噪声分析根据上述原理完全可以自行设计制作数字直接合成信号源,但是由一般通用集成电路(如累加器、存储器、D/A等)搭建的系统性能不佳,可靠性也差。而当今由于大规模集成电路技术的发展已有多种型号的直接数字频率合成的DDS芯片可供选用。直接数字合成信号源实例直接数字频率合成法下面介绍用DDS芯片AD9850组成跳频合成信号源的方案,如图9.3.3所示。直接数字频率合成法(3)折线法。任意波形的产生方法:(5)复制法。(1)表格法。(2)数学方程法。(3)折线法。直接数字频率合成法任意波形的产生方法设计举例一、任务设计制作一个波形发生器,该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形。直接数字频率合成法示意图如图9.3.6所示。直接数字频率合成法具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。基本要求用键盘输人编辑生成上述三种波形(同周期)的线性组合波形,以及由基波及其谐波(5次以下)线性组合的波形。具有波形存储功能。直接数字频率合成法输出波形的频率范围为100Hz~20kHz(非正弦波频率按10次谐波计算);重复频率可调频率步进间隔≤10Hz。输出波形幅度范围为0~5V(峰一峰值)，可按步进0.1V(峰一峰值)调整。具有显示输出波形的类型、重复频率(周期)和幅度的功能。直接数字频率合成法发挥部分(1)输出波形频率范围扩展至100Hz~200kHz。(2)用键盘或其他输入装置产生任意波形。(3)增加稳幅输出功能,当负载变化时,输出电压幅度变化不大于士3%(负载电阻变化范围100Ω~∞)(4)具有掉电存储功能,可存储掉电前用户编辑的波形和设置。(5)可产牛单次或多次(1000次以下)特定波形(如产生1个半周期三角波输出)。(6)其他(如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展>200kHz、扫描输出等功能)。直接数字频率合成法方案一采用模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038。方案二采用锁相式频率合成方案。方案二采用DDFS,即直接数字频率合成方案。这是目前实际应用的任意波形发生器常采用的方案。“”直接数字频率合成法DDFS的基本原理框图如图9.3.7所示。直接数字频率合成法系统设计：1.总体设计；2.各模块设计及参数计算；3.软件系统；4.系统设计图。直接数字频率合成法04间接频率合成法（锁相环路法）这种方法没有采用降频电路,图9.4.1就是它的原理方框图。间接频率合成法（锁相环路法）脉冲控制锁相法图9.4.2是多环式减法降频方框图示例。间接频率合成法（锁相环路法）间接合成制减法降频（模拟锁相环路法）间接合成制除法降频（数字锁相环路法）这是在无线通信电台、调频广播电台、CATV电视台、对讲机系统等收发设备中广泛采用的一种频率