电子测量与智能仪3信号发生器

电子丈量与智能仪器第3章信号发生器授课教师：林志源1/10/20241第3章信号发生器3.1信号发生器概述3.1.1信号发生器的功用3.1.2信号发生器的分类3.1.3正弦信号发生器的性能目的3.2模拟信号发生器3.2.1低频信号发生器3.2.2高频信号发生器3.2.3脉冲信号发生器3.2.4函数信号发生器3.2.5噪声发生器1/10/202423.3合成信号发生器3.3.1直接模拟频率合成法3.3.2直接数字频率合成法3.3.3间接合成法3.3.4频率合成技术的进展本章小结作业布置1/10/20243第3章信号发生器1/10/202443.1信号发生器概述3.1.1信号发生器的功用丈量用信号发生器，通常称为信号源，是最根本、运用最广泛的丈量仪器。其功用主要包括以下三方面：1.作鼓励源作为某些电气设备的鼓励信号。2.信号仿真在设备丈量中，常需求产生模拟实践环境一样特性的信号，如对干扰信号进展仿真。3.校准源产生一些规范信号，用于对普通讯号源进展校准〔或比对〕。1/10/20245图3.1信号源的功用输入激励信号发生器被测设备测试仪器输出响应1/10/202463.1.2信号发生器的分类1.按频率范围分无低频高频微波频段频率范围主振电路调制方式RC电路1Hz~1MHz磁控管、体效应管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC电路AM、FM、PMAM、FM1/10/20247表3.1信号源按频率划分表名称频率范围主要应用领域超低频信号发生器低频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz电声学、声纳电报通讯无线电广播广播、电报电视、调频广播、导航雷达、导航、气象1/10/202483.按性能分普通----功率大，频率、电压刻度不大准确，用于天线测试等规范----频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用2.按波形分正弦----脉冲----函数----产生函数通用波形噪声----ttttt1/10/202493.1.3正弦信号发生器的性能目的1.频率范围指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可延续又可由假设干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。2.频率准确度频率准确度是指信号发生器度盘〔或数字显示〕数值与实践输出信号频率间的偏向，通常用相对误差表示〔3.1〕信号发生器最根本、最常用的性能目的有：1/10/2024103.频率稳定度频率稳定度目的要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率稳定度来保证的。频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。按照国家规范，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。短期：15分钟内长期：3小时内〔3.2〕式中，f0为预调频率，fmax和fmin分别为恣意15分钟内信号频率的最大值和最小值。1/10/2024114.失真度与频谱纯度定义为了丈量上的方便，也用下面的公式：高频信号发生器用频谱纯度来评价用失真度来评价低频信号发生器输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数γ表示U1为输出信号基波有效值，U2，U3，…Un为各次谐波有效值。Us是信号幅度，Un是高次谐涉及干扰噪声的幅度。1/10/2024125.输出阻抗低频信号发生器电压输出端的输出阻抗普通为600Ω〔或1kΩ〕。功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等档。高频信号发生器普通仅有50Ω或75Ω档。信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，假设负载与信号源输出阻抗不相等，那么信号源输出电压的读数是不准确的。1/10/2024136.输出电平输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品规范规定的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。在信号发生器的输出级中，普通都包括衰减器，其目的是获得从微伏级〔μV〕到毫伏级〔mV〕的小信号电压。在信号发生器的性能目的中，包括“衰减器特性〞这一目的，主要指衰减范围和衰减误差。与频率稳定度目的类似的还有输出信号幅度稳定度及平坦度目的。幅度稳定度是指信号发生器经规定的时间预热后，在规定时间间隔内输出信号幅度对预调幅度值的相对变化量。平坦度指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。1/10/2024147.调制特性高频信号发生器在输出正弦波的同时，普通还能输出一种或一种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅AM信号和调频FM信号，有些还带有调相和脉冲调制PM等功能当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调制；当调制信号由外部加到信号发生器进展调制时，称为外调制。这种带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收发设备不可短少的仪器。1/10/2024153.2模拟信号发生器模拟信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，即以单元模拟电路为主组成的仪器。这类仪器性能目的不是很高，但价钱廉价，且能满足普通实验测试的要求，在模拟电子线路与系统的设计、测试和维修中获得广泛运用，依然是当前大量运用的信号发生器。1/10/2024163.2.1低频信号发生器如今普通“低频信号发生器〞是指1Hz~1MHz频段，输出波形以正弦波为主，或兼有方涉及其他波形的发生器。1、低频信号发生器的组成原理主振器放大器衰减器输出电压指示(a)波段式带负载才干弱，只能提供电压输出。1/10/202417输出(b)固定频率振荡器可变频率振荡器混频器滤波放大衰减器f2=3.4000MHzf1=3.3997~5.1000MHzf0=300Hz~1.7000MHz差频式最大优点是频率覆盖范围大，容易做到整个低频段内频率可延续调理而不用改换波段，且输出电平也比较平衡。1/10/202418频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示：〔3.7〕以通讯中常用的某电平振荡器〔实践上就是低频信号发生器〕为例，f1=3.3997MHz～5.1000MHz，f2=3.4000MHz，那么f0=300Hz～1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数1/10/202419而可变频率振荡器〔相当波段式中一个波段〕的频率覆盖系数为可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。1/10/2024202.主振荡器的特点低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器，其特点是频率稳定，易于调理，并且波形失真小和易于稳幅。输出(f0)R1AR1R3C1C2R2•文氏桥式振荡器的振荡频率决议于RC式反响网络的谐振频率，表达式为：1/10/202421在低频信号发生器中为何不采用较熟习的LC振荡器呢？这是由于LC振荡器的频率决议于：〔3.9〕缘由①频率较低时，L、C数值大，相应的体积、分量也相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而质量因数Q值降低很多，谐振特性变坏，频率调理也困难。而在RC振荡器中，频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。1/10/202422缘由②在LC振荡器中成反比，因此同一波段内频率覆盖系数很小。例如L固定，调理电容C改动振荡频率，设电容器调理范围为40pF～450pF，那么频率覆盖系数为而用RC振荡器：1/10/2024233.低频信号发生器的主要技术特性目前，低频信号发生器主要技术目的的典型数据大致如下：频率范围：1Hz～1MHz分频段，均匀延续可调频率稳定度：优于0.1%非线性失真：＜0.1%～1%输出电压：0V～10V输出功率：0.5W～5W延续可调输出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ输出方式：平衡输出与不平衡输出1/10/2024244、运用方法输出频率调理与指示：运用时，先将频率范围置于相应的挡位，按所需的频率调理频率度盘于相应频率点上，在通常情况下，频率微调旋钮置于零位。输出阻抗的配接：信号发生器要求负载与其输出阻抗相匹配，使输出信号失真小，功率大。输出电路选择：根据外接电路的输入方式，选择相应的平衡或不平衡输出。输出电压的调理和测读：调理输出电压旋钮，可以延续改动输出电压的大小。1/10/2024253.2.2高频信号发生器高频信号发生器是指可以供应等幅正弦波和调制波信号的信号发生器，通常分为调幅和调频两种。其任务频率普通在100kHz~35MHz范围内，输出幅度能在较大的范围内调理，并具有输出微弱信号的才干，可以顺应测试接纳机的需求。1/10/2024261.高频信号发生器的组成原理图3.4高频信号发生器原理框图主振级缓冲级调制级输出级监测器输出电源内调制振荡器可变电抗器外调制输入AMFM内外规范调制：F=1000Hzm=30%假设语音调制那么成小电台1/10/202427l)主振级主振级通常是LC三点式振荡电路，经过固定电感L，改动电容C来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可经过下式进展估算。1/10/202428假设要扩展频率范围，必需变卦电感L，可以象收音机那样用多波段任务方式：图3.7LC回路L1CL2Ln....1/10/202429例3.1XFC-6型高频信号发生器f=4MHz～300MHz，试问应划分几个波段？上式中0.9k的含义是让单回路覆盖系数取小—些，这里取k=2，以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n=8，即要划分8个波段。这时相邻波段的电感值可按下式计算。〔3.11〕〔3.10〕1/10/2024302)缓冲级它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级。3)调制级调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于100kHz～35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，普通采用正弦调制。调频主要用于30MHz～1000MHz信号发生器中，还有线性扫频。脉冲调制多用于300MHz以上的微波信号源中。规范调制：F=1000Hzm=30%1/10/2024314)输出级输出级主要由放大器、滤波器、输出微调〔延续衰减电路〕、输出倍乘〔步进衰减电路〕等组成。对输出级的主要要求是：输出电平的调理范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。1/10/2024322、高频信号发生器的运用信号发生器是向外提供鼓励信号的仪器，运用比较简单容易。它主要调理输出频率和幅度。关键是留意其运用阐明书上输出幅度是如何标定的，然后才干正确读数。1〕、输出频率的读数模拟式高频信号发生器的频率准确度不太高，通常只需±1%左右。2〕、输出幅度的读数高频信号发生器的输出幅度计数通常有两种方式：一种采用电压值表示；另一种采用分贝电平表示。输出幅度标称值的准确度常用输出幅度的绝对误差与标称值之比来衡量，也可把这个比值转化为用分贝表示。1/10/2024333〕、输出阻抗变换器信号发生器只需在匹配的情况下才干正常任务。同时，信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦有效值标定的，假设负载与信号源输出阻抗不相等，那么信号源输出电压的读数是不准确的。1/10/202434信号源被测设备阻抗变换器(a)(b)R3R1Rs50ΩR2RL75ΩRsRL衰减量N取3.16，正好电压衰减10dB1/10/2024353.2.3脉冲信号发生器脉冲信号发生器通常是指矩形窄脉冲发生器，它广泛用于测试和校准脉冲设备和宽带设备。1、矩形脉冲的参数U0tUm0.9Um0.1UmδΔU0.5UmτtrtfΔ矩形脉冲的参数反复频率：f占空系数：τ/T脉冲幅度：Um上冲量：δ脉冲宽度：τ反冲量：△上升时间：tr平顶落差：△U下降时间：tf偏移：E1/10/2024362、脉冲信号发生器的组成原理外同步放大主振级同步输出外同步输入延迟级构成级整形级输出级主脉冲acbdef1〕、主振级主振级可采用自激多谐振荡器、晶体振荡器或锁相振荡器产生矩形波，也可将正弦振荡信号放大、限幅后输出，作为下级的触发信号。主要用于调理脉冲反复周期T。1/10/2024372〕、延迟级延迟级电路通常由单稳态电路和微分电路组成。对延迟级的要求是：在全波段内获得一定的延时量td，并满足触发下一级电路所需的输出幅度。3〕、构成级是脉冲信号发生器的中心环节，要求产生宽度准确、波形良好的矩形脉冲，且脉冲的宽度τ可独立调理，并具有较高的稳定性。1/10/2024384〕、整形级与输出级整形级与输出级的电路普通由放大、限幅电路组成。整形级具有电流放大作用，输出级具有功率放大作用，还具有保证仪器输出的主脉冲幅度可调，极性可切换，以及良好的前、后沿等性能的作用。3、脉冲发生器的主要性能脉冲发生器的主要任务特性：能输出同步脉冲及与同步脉冲有一定延迟时间的主脉冲；延迟时间可调；主脉冲的频率可调，脉宽可调，极性可切换，且具有良好的上升时间、下降时间，以及较小的上冲量。1/10/2024393.2.4函数信号发生器函数信号发生器是一种宽带频率可调的波形发生器，它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等。1、正弦式函数信号发生器其任务过程为：正弦振荡器输出正弦波，经缓冲级隔离后，分为两路信号，一路送至放大器输出正弦波，另一路作为方波构成电路的触发信号。方波构成电路通常为施密特触发器。后者也输出两路信号，一路送放大器，经放大后输出方波；另一路作为积分器的输入信号。积分器普通是密勒积分电路。积分器将方波积分构成三角波，经放大后输出。三种波形的输出由放大器中的选择开关控制。1/10/2024403、脉冲式函数信号发生器其任务过程如下：在触发脉冲的作用下，施密特触发器产生方波，积分器将方波积分构成三角波，正弦波转换电路将三角波转换成正弦波；放大器选择三个波形输出，可单独输出一个波形，也可同时输出三个波形。1/10/2024413.2.5噪声发生器噪声是指元器件、电路、仪器设备或电子系统中出现的非预期的电信号。由噪声所呵斥的不良效应称为干扰。在电子丈量中，利用噪声作为测试信号具有重要的意义：一方面，噪声可以模拟许多实践系统的任务形状；另一方面，用噪声信号替代正弦信号进展测试时，可以搜集到被测系统动态特性的有关数据，从而可以对被测系统做出全面的评价。噪声发生器能提供在特定频率范围内有足够高的输出电平，并具有一定统计参数的噪声信号。图3.14噪声发生器的构造噪声源变换器电平指示器电源输出衰减器t1/10/2024423.3合成信号发生器采用频率合成技术，可以把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率一样的程度，并且可以在很宽的频率范围内进展精细的频率调理。合成信号源可任务于调制形状，可对输出电平进展调理，也可输出各种波形。它是当前用得最广泛的性能较高的信号源。频率合成的方法很多，但根本上分为两大类，直接合成法和间接合成法。在详细实现中可分为下面三种方法。频率合成的方法直接数字频率合成法〔DDS〕间接锁相式合成法〔DirectAnalogFrequencySynthesis〕〔DirectDigitalFrequencySynthesis〕直接模拟频率合成法〔DAFS〕1/10/2024433.3.1直接模拟频率合成法利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率进展算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成，这样正好与下面引见的直接数字频率合成相对应。1.固定频率合成法图中石英晶体振荡器提供基准频率，D为分频器的分频系数，N为倍频器的倍频系数。其输出频率为在式中，D和N均为给定的正整数。1/10/2024442.可变频率合成法带通13MHz10MHz1M2M34混频十进制延续混频分频电路……fi1÷10++÷10++÷10++÷10++频率选择开关辅助基准频率发生器2.00～2.09MHz2.000～2.099MHz2.0000～2.0999MHz2.00000～2.099999MHzfofi2fi3fi4f1f2f3f4fr2.0～2.9MHzF=16MHz2MHz5MHz图中频率选择开关的作用是：根据所需输出频率f0的值，选择相应数值分别作为f1~f41/10/202445直接模拟合成技术特点：1)频率分辨力高2)频率切换快----用于跳频通讯对抗〔因频率点不太多〕3)电路庞大、复杂----现不用它做信号源〔因信号源频率范围宽〕1/10/2024463.3.2直接数字频率合成法直接数字合成法〔DDS，DirectDigitalFrequencySynthests〕。它是从“相位〞的概念出发进展频率合成的。这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至可以给出各种恣意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无法实现的。1.直接数字合成根本原理三角波：+1、+1……-1、-1……方波：0、0、……1、1、……1/10/202447以正弦波为例：在正弦波一周期内，按相位划分为假设干等份△Ф，将各相位对应的幅值A按二进制编码并存入ROM中，见表3.4〔P93〕2、信号的频率关系图中，K为累加值，即相位步进码，也称频率码。普通地，对于n位地址来说，共有2n个ROM地址，限制K的最大值为：Kmax=2n-21/10/202448根据以上讨论，可以得到如下频率关系：最低输出频率fomin为最高输出频率fomax为当fomax和fomin曾经设定，其间可输出的频率个数M为频率分辨率：为了改动输出信号频率，除了调理累加器的K值外，还可以调理控制时钟的频率fc。1/10/2024493、噪声分析在DDFS中，噪声有两种：1〕量化噪声相位和幅度量化噪声，简称为量化噪声。在一定的电路中，它普通是不变的。2〕滤波器噪声是D/A转换器产生的阶梯波中的杂散频率经过非理想低通滤波器而带来的噪声。这类噪声将随频率添加而加大。1/10/2024504、直接数字合成信号源实例AD9850是美国AnalogDevices公司消费的DDS单片频率合成器，在DDFS的ROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按二进制分辨率量化；其相位一个周期360°按的分辨率设立相位取样点，然后存入ROM的相应地址中。适用中，改动读取ROM的地址数目，即可改动的控制下，依次读取全部地址中的相位点，那么输出频率最低。由于这时一个周期要读取232相位点，点间间隔时间为时钟周期Tc，那么输出频率。假设在系统时钟频率Tout=232Tc因此这时输出频率为图3.19AD9850内部组成框图频率相位码存放器相位和控制字频率码32位高速DDS码输入寄存器并行8位×5输入时钟输入复位频率更新/存放器复位码输入时钟串行1位×40输入比较器＋－方波输出模拟输入模拟输出DAC复位地＋Vs1/10/202451〔3.16〕假设隔一个相位点读一次，那么输出频率就会提高一倍。依次类推可得输出频率的普通表达式〔3.17〕式中k为频率码，是个32位的二进制值，可写成：〔3.18〕对应于32位码值〔0或1〕。为1/10/202452便于看到频率码的权值对控制频率高低的影响，〔3.18〕代入〔3.17〕式得：〔3.19〕按AD9850允许最高时钟频率fc=125MHz来进展详细阐明，当A0＝1，而A31，A30，…，A1均为0时，那么输出频率最低，也是AD9850输出频率的分辨率：1/10/202453与上面从概念导出的结果一致。当A31＝1，而A0，A1，…，A30均为0时，输出频率最高：该当指出，这时一周只需两个取样点，已到取样定理的最小允许值，所以当A31＝1后，以下码值只能取0。实践运用中，为了得到好的波形，设计最高输出频率小于时钟频率的1/3。这样，只需改动32位频率码值，那么可得到所需求的频率，且频率的准确度与时钟频率同数量级。1/10/2024545.恣意波形的产生方法直接数字频率合成技术重要的特征，它可以产生恣意波形。从上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存储器的数据。因此，产生恣意波形的方法取决于向该存储器〔RAM〕提供数据的方法。目前有以下几种方法：1)表格法将波形画在小方格纸上，纵坐标按幅度相对值进展二进制量化，横坐标按时间间隔编制地址，然后制成对应的数据表格，按序放入RAM。对经常运用的定了“形〞的波形，可将数据固化于ROM或存入非易失性RAM中，以便反复运用。1/10/2024552〕用数学表达式对能用数学方程描画的波形，先将其方程〔算法〕存入计算机中，在运用时，输入方程中的有关参量，计算机经过运算后提供波形数据。也可用多个表达式分段链接成一个组合的波形。1/10/2024563〕复制法将其它仪器〔例如数字存储示波器，X—Y绘图仪〕获得的波形数据经过微机系统总线或GPIB接口总线传输给波形数据存储器。该法很适于复制不再复现的信号波形。自然界中有很多无规律的景象，例如雷电、地震及机器运转时的振动等景象都是无规律的，甚至一去不复返。为了研讨这些问题，就要模拟这些景象的产生。在过去只能采用很复杂的方法来实现，如今采用恣意波形产生器那么方便得多了。国内外已有多种型号的恣意波形产生器可供选用。1/10/202457恣意波形发生器的主要技术目的〔见表3.5〔P97〕〕，阐明：1〕、恣意波形长度或波形存储器容量由于恣意波形发生器的波形本质上是由许多样点拼凑出来的，样点多那么可拼凑较长的波形，所以用点数来表示波形长度。波形存储器容量亦称波形存储器深度，是指每个通道能存储的最大点数。2〕采样率通常将A/D转换对模拟信号采样的时钟频率称为采样率，在AWG中是指D/A转换器从波形存储器中读取数据的时钟频率。1/10/2024583〕幅度分辨率幅度分辨率为AWG能表现幅度细小变化的程度，它主要取决于DAC的倍数。4〕通道数虽然各种信号源都可以有不同的通道数目，但多通道的AWG更容易表现复杂波形的相关关系，因此通道数目在AWG中较受注重。1/10/2024593.3.3间接合成法1.根本锁相环路间接合成法即锁相合成法，它是利用锁相环〔PLL〕的频率合成方法。根本锁相环路是由相位比较器〔PD〕，压控振荡器〔VCO〕和环路滤波器〔LPF〕组成的闭合环路，如图3.22(a)所示。ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf(a)(b)(c)开场：f0≈fi→PD→LPF→VCO最后：f0=fi(a)锁相环(b)PD的鉴相特性(c)VCO的压控特性1/10/202460相位比较器即鉴相器，它比较两个输入信号fo和fi的相位差△Ф，输出与相位差成比例的电压，这个电压称为误差电压ud，其鉴相特性如图b所示：环路滤波器是一种RC低通滤波器，它滤去误差电压中的高频成分及噪声，用以改善环路的性能。压控振荡器是在外加电压的作用下能改动其输出频率的振荡器，其压控特性如图c所示。误差电压经滤波后送VCO，改动VCO的固有振荡频率fo，并使fo向输入信号的频率靠拢，这个过程称为频率牵引。综上所述，锁相环的任务过程就是经过频率牵引，到达相位锁定的过程。当环路锁定时，fo=fi，△Ф=c。通常，fi是石英晶体振荡器的振荡频率。因此，在环路锁定时，其输出频率具有与输入频率一样的频率特性。这就是锁相环的根本原理。ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf(a)(b)(c)开场：f0≈fi→PD→LPF→VCO最后：f0=fi(a)锁相环(b)PD的鉴相特性(c)VCO的压控特性1/10/202461根本锁相环只能输出一个频率，而作为信号源必需求能输出一系列频率。2.锁相环的几种根本方式1)倍频锁相环fiLPFVCOPDfo=Nfi÷N1MHzi10MHzifo/N当环路锁定时，PD两输入信号的频率相等，即①根据PD两输入频率相等列出等式:fo/N＝fi②从等式中解出输出频率:重点掌握1/10/202462脉冲倍频环LPFVCOPDfo=Nfifi脉冲构成NfiNfi脉冲构成电路将输入信号变换为含有丰富谐波成分的窄脉冲，因此，环路的输入信号中包含了多种谐波，经过改动VCO中可变电容的偏置电压，调谐其固有振荡频率，选择某一高次谐波，可以到达倍频的目的。倍频环在信号合成中的作用是实现宽频范围内的点频覆盖，扩展合成器的高端频率，特别适用于制造频率间隙较大的高频及甚高频合成器。1/10/202463①根据PD两输入频率相等列出等式:fi1MHzLPFVCOPDfo=fi/N100kHz×NNfifi＝Nfo②从等式中解出输出频率:2)分频锁相环对输入信号频率进展除法运算的锁相环叫分频锁相环〔简称分频环〕。分频环可用于向低端扩展合成器的频率范围。LPFVCOPDfofiNfo1/10/202464混频器fi11MHzLPVCOPDfo=|fi1-fi2|=1000-100=900kHzBPFM+fi2=100kHzf0+fi23)混频锁相环当两个输入频率之和或之差超出了允许的范围时，环路不能进入锁定形状，也无法控制VCO的输出频率，即环路“失锁〞。这时需求调整VCO的任务参数以改动其固有振荡频率，或者调整输入信号的频率，均可以到达锁定的目的。1/10/202465例：设fi1为晶体振荡器的输出频率，fi1=10000kHz，频率稳定度为1×10-6/d。Fi2为内插振荡器的输出频率，且fi2在100~110kHz范围内延续可调，频率稳定度为1×10-4/d。按和频式混频器合成。1/10/2024663.频率合成单元1)组合环一个典型的组合环及其输出频率，如下图。由于所以LPFPDfo=—fiVCO÷N2÷N1fiN1N21/10/2024672)多环合成单元由倍频环可得由混频环可得:由于所以(3.22)(3.23)LPFPDfo1=Nfi1VCO1fi图3.27双环合成单元VCO2M(-)晶振PDLPF内插振荡器fi2同轴倍频环混频环fo2=Nfi1+fi2Nfi1fo11/10/2024683)十进合成单元图3.29DS-1合成单元的级联100KHz9MHz×1Hz0～90～90～90～90～9×10Hz×100Hz×1KHz×10KHz基准DS-11DS-12DS-13DS-14DS-151/10/2024694)可程控合成单元图3.30可程控合成单元PDLPF＋VCOD/A可程控分频器fi频率控制数码fo采用频率预调技术来预置VCO的频率。预调是由频率控制数码，经D/A转换器转换与加法放大器放大后送VCO来实现的。但准确的频率调整是由锁相环来完成的。1/10/2024703.3.4频率合成技术的进展1.三种合成方法的比较频谱纯度好100GHz(微波)ms级间接锁相可得恣意波形300MHzμs级直接数字硬件电路复杂100MHzμs级直接模拟主要特点最高任务频率速度合成方法1/10/2024712.提高频率分辨力的方法1)微差混频法该方法将两个频率相差甚微的信号源进展差频混频，如图3.31所示。混频器的输出频率为图3.31微差混频原理fofi1fi2M(-)在微差混频法中，由于参与混频的两个信号频率非常接近，所以分辨力得到提高。但是当这两个频率很接近时，在混频器任务中频率牵引景象也很严重，且很难处理。1/10/2024722)多环合成法PLL1(N1=2)fo=(N2+0.1N1)fr=(10+0.2)10Hz=102Hzfr10HzPLL2(N2=10)M(+)110N1fr20HzN2fr100Hz0.1N1fr2Hz1/10/2024733)小数合成法LPFVCOPDfo=1890kHzfi=100kHz小数分频器(N+1)和N次=18.9控制电路令N=18那么平均分频系数18.9假设要平均分频系数=18.6，怎样控制？假设希望分频系数有整数部分也有小数部分，其整数部分为N，小数部分为k，小数部分的位数为n，那么需求进展k次〔N+1〕分频，〔10n-k〕次N分频并循环进展即可，每次循环总的分频次数为10n1/10/2024743.扩展频率上限的方法前题条件：VCO能任务在很高频率〔如GHz微波段〕，然后锁定。1)前置分频法前置分频法是在程序分频器之前设置一个固定分频器，如图3.34所示。图中D为固定分频器，其分频系数为D。因此，其输出频率fo为图3.34前置分器的锁相环fi8MHzLPFVCOPDfo=DNfi==8GHz÷N10÷D100fo＝DNfi固定1/10/2024752)倍频混频法fo=Nfi1+fi2=101MHzVCOLPFMBPFPDfi110MHz图3.35倍频—混频环÷N10(－)(fo-fi2)/Nfi21MHz由于fi2的参与提高了输出频率的上限，其提高的程度取决于fi2的大小，而且其频率分辨率仍和单环倍频式锁相环的一样，△f=fi1。由于混频器引入寄生信号将会影响频谱纯度，虽然其后接带通滤波器〔BPF〕对寄生信号有抑制造用，但是滤波器的延时又将对环路带来不利的影响。1/