電子儀器測量第3章信號(hào)發(fā)生器

第3章信號(hào)發(fā)生器第一：信號(hào)發(fā)生器的用途？第二：信號(hào)發(fā)生器的分類？第三：信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)？第四：信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)？要研究的問題（一）：用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號(hào)。

在測試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。

第一個(gè)問題：信號(hào)發(fā)生器的用途？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)）。圖3.1信號(hào)源的功用輸入激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器被測設(shè)備測試儀器輸出響應(yīng)1.按用途分

專用----電視信號(hào)發(fā)生器、電平振蕩器、誤碼儀通用----產(chǎn)生正弦:波等通用波形3.按性能分

普通----功率大，頻率、電壓刻度不大準(zhǔn)確，用于天線測試等標(biāo)準(zhǔn)----頻率、電壓刻度準(zhǔn)確，屏蔽好，供計(jì)測用2.按波形分

正弦----脈沖----函數(shù)----產(chǎn)生函數(shù)通用波形噪聲----ttttt第二個(gè)問題：信號(hào)發(fā)生器的分類？4.按頻率產(chǎn)生辦法分

諧振----由頻率選擇回路控制正反饋產(chǎn)生振蕩。合成----由基準(zhǔn)頻率通過加、減、乘、除組合一系列頻率。5.按頻率范圍分

無低頻高頻微波頻段頻率范圍主振電路調(diào)制方式RC電路1Hz~1MHz磁控管、體效應(yīng)管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC電路AM、FM、PMAM、FM表3.1頻段的劃分λ實(shí)用頻段劃頻率與波長的關(guān)系（λ=C/f，C=3×108m）名稱波形示意圖主要特性正弦波信號(hào)正弦波是電子系統(tǒng)中最基本的測試信號(hào)，頻率從μHz至幾十GHz。大多信號(hào)源都具備正弦波輸出。函數(shù)信號(hào)通常包含正弦波、方波、三角波三種，有的還包含鋸齒波、脈沖波、梯形波、階梯波等波形，頻率從幾Hz至上百M(fèi)Hz。掃頻信號(hào)頻率可在某區(qū)間有規(guī)律地掃動(dòng)，多為用鋸齒波進(jìn)行線性掃頻。多數(shù)掃頻源是以正弦波掃頻，也有以方波、三角波掃頻。還有非線性的對(duì)數(shù)掃頻。脈沖信號(hào)輸出的脈沖信號(hào)可按需要設(shè)置其重復(fù)頻率、脈沖寬度、占空比、上升及下降時(shí)間等參數(shù)。脈沖信號(hào)有的還有雙脈沖輸出。數(shù)字信號(hào)可按編碼要求產(chǎn)生0/1邏輯電平（多為TTL或ECL電平），也稱數(shù)據(jù)發(fā)生器、圖形或模式發(fā)生器。通常是具備多路數(shù)字輸出的。噪聲信號(hào)提供隨機(jī)噪聲信號(hào)，具有很寬的均勻頻譜。常用于測量接收機(jī)的噪聲系數(shù)或調(diào)制到高頻、射頻載波上作干擾源。偽隨機(jī)信號(hào)是一串0/1電平隨機(jī)編碼的數(shù)字序列信號(hào)，因其序列周期相當(dāng)長（在足夠?qū)挼念l帶內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)平坦的離散頻譜），故有點(diǎn)類似隨機(jī)信號(hào)。任意波形能產(chǎn)生任意形狀的模擬信號(hào)，例如：模仿產(chǎn)生心電圖、雷電干擾、機(jī)械運(yùn)動(dòng)等形狀復(fù)雜的波形。調(diào)制信號(hào)將模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)調(diào)制到射頻載波信號(hào)上，以便于遠(yuǎn)程傳輸。通常調(diào)制方式有：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制、數(shù)字調(diào)制等。數(shù)字矢量信號(hào)通過正交調(diào)制（I-Q調(diào)制），可以同時(shí)傳遞幅度和相位信息，故稱為數(shù)字矢量信號(hào)源。該內(nèi)容將在本章3.4節(jié)射頻信號(hào)發(fā)生器中介紹。在各類信號(hào)發(fā)生器中，正弦信號(hào)發(fā)生器是最普通、應(yīng)用最廣泛的一類，幾乎滲透到所有的電子學(xué)實(shí)驗(yàn)及測量中。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（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）第三個(gè)問題：信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)？3.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。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，頻率穩(wěn)定度又分為短期頻率穩(wěn)定度和長期頻率穩(wěn)定度。短期：15分鐘內(nèi)長期：3小時(shí)內(nèi)（3.2）4.失真度與頻譜純度

定義測量：低頻信號(hào)發(fā)生器用失真系數(shù)高頻信號(hào)發(fā)生器用頻譜純度USUnfAfAtU5.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600Ω（或1kΩ）功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計(jì)而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等檔高頻信號(hào)發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω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。6.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。討論：信號(hào)源輸出：100mv示波器顯示：200mv信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負(fù)載的條件下按正弦波有效值標(biāo)定的。7.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50Ω50Ω，匹配時(shí)100mv100mv不匹配時(shí)，不確知。示波器輸入阻抗高約1MΩ，故顯示200mv不匹配時(shí)，不確知。示波器輸入阻抗高約1MΩ，故顯示200mv為什么？本節(jié)介紹的通用信號(hào)發(fā)生器是指一些常用的傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器，以區(qū)別后面介紹的合成信號(hào)發(fā)生器。專業(yè)課講系統(tǒng)、整機(jī)的組成的框圖原理、特點(diǎn)及實(shí)例基礎(chǔ)課講部件、單元電路如振蕩器、放大器等單元模擬電路課程特點(diǎn)

例：超外差接收機(jī)已經(jīng)歷電子管、晶體管、集成電路幾代發(fā)展，但框圖原理未變。高放天線混頻器中放檢波低放功放本振第四個(gè)問題：信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)（通用信號(hào)發(fā)生器）？1低頻信號(hào)發(fā)生器主振器放大器衰減器輸出電壓指示(a)圖3.3低頻信號(hào)源組成框圖輸出(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=3.3997~5.1000MHzf0=300Hz~1.7000MHz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=3.3997MHz～5.1000MHz，f2=3.4000MHz，則f0=300Hz～1.7000MHz。比較一下頻率覆蓋系數(shù)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，差頻式信號(hào)發(fā)生器的頻率覆蓋范圍大得多。2.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)是頻率穩(wěn)定，易于調(diào)節(jié)，并且波形失真小和易于穩(wěn)幅。文氏橋式振蕩器是典型的RC正弦振蕩器。其振蕩頻率決定于RC式反饋網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率，表達(dá)式為：（3.8）選頻網(wǎng)絡(luò)放大器放大器0o180o180oU0輸出(f0)R1AR1R3C1C2R2?振蕩條件？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C振蕩器的頻率決定于：（3.9）原因①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。原因②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，設(shè)電容器調(diào)節(jié)范圍為40pF～450pF，則頻率覆蓋系數(shù)為而用RC振蕩器，由（3.8）式可知，成反比，頻率覆蓋系數(shù)為在一個(gè)波段內(nèi)有較大的頻率覆蓋系數(shù)。3.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：1Hz～1MHz分頻段，均勻連續(xù)可調(diào)頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于0.1%非線性失真：＜0.1%～1%輸出電壓：0V～10V輸出功率：0.5W～5W連續(xù)可調(diào)輸出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ輸出形式：平衡輸出與不平衡輸出2高頻信號(hào)發(fā)生器1.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)測器輸出電源內(nèi)調(diào)制振蕩器可變電抗器外調(diào)制輸入AMFM內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制：F=1000Hzm=30%若語音調(diào)制則成小電臺(tái)主振級(jí)主振級(jí)通常是LC三點(diǎn)式振蕩電路，產(chǎn)生具有一定工作頻率范圍的正弦信號(hào)。高頻信號(hào)發(fā)生器主振級(jí)的LC振蕩器，通常是固定電感L，通過改變電容C來調(diào)整振蕩頻率。但這時(shí)頻率覆蓋范圍是有限的，可通過下式進(jìn)行估算：圖3.4LC回路L1CL2Ln....例3.1XFC-6型高頻信號(hào)發(fā)生器f=4MHz～300MHz，試問應(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下式計(jì)算。（3.11）（3.10）2.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，使用比較簡單容易。主要調(diào)節(jié)輸出頻率和幅度，關(guān)鍵是注意其使用說明書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)LC振蕩器，通過調(diào)節(jié)電容來改變輸出頻率的，調(diào)節(jié)頻率時(shí)來回轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其齒輪的回差會(huì)給頻率讀數(shù)帶來誤差，因此頻率準(zhǔn)確度不太高，通常只有±1％左右。2)輸出幅度的讀數(shù)圖3.6信號(hào)源模型及加載等效電路輸出電阻常取50、75、150、600歐姆等數(shù)值輸出電壓顯示值均為阻抗匹配時(shí)信號(hào)源輸出端電壓值:V、mV、μV；或分貝電平dBm（分貝毫瓦）、dBV（分貝伏）的電壓。浮地信號(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。RiR0RbRbRbRbRLR0RaRaRa3）輸出匹配變換器圖3.8阻抗匹配信號(hào)源被測設(shè)備阻抗變換器(a)(b)R3R1Rs50Ω

R2RL75Ω

RsRL美國夏威夷大學(xué)曾來電詢問如何設(shè)計(jì)？3脈沖信號(hào)發(fā)生器外同步放大主振級(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acbdefabcdetzτtrfUtttTU0tUm0.9Um0.1UmδΔU0.5UmτtrtfΔ矩形脈沖的參數(shù)4函數(shù)信號(hào)發(fā)生器圖3.12函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的基本組成正弦振蕩器緩沖級(jí)放大級(jí)輸出級(jí)方波形成積分器（a）（b）積分器外觸發(fā)輸入施密特觸發(fā)器脈沖觸發(fā)器正弦波轉(zhuǎn)換電路放大器（a）正弦式（b）脈沖式現(xiàn)在多用數(shù)字頻率合成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，待述5噪聲發(fā)生器圖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t3.3合成信號(hào)發(fā)生器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（DirectAnalogFrequencySynthesis）（DirectDigitalFrequencySynthesis）直接模擬頻率合成法（DAFS）信號(hào)源主振級(jí)頻率準(zhǔn)確度頻率穩(wěn)定度通用信號(hào)源RC、LC振蕩器10-2量級(jí)10-3～10-4合成信號(hào)源晶體振蕩器10-8量級(jí)10-7量級(jí)3.3.1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)算來產(chǎn)生所需頻率的方法，稱為直接合成法，由于大多是采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)的，所以又稱為直接模擬頻率合成，且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3.15固定頻率合成法原理晶體振蕩器÷D×Nfrfo圖3.15為固定頻率合成的原理電路。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)。因此，圖3.15固定頻率合成法輸出頻率為在式中，D和N均為給定的正整數(shù)。輸出頻率人為定值，所以稱為固定頻率合成法。2.可變頻率合成法帶通13MHz10MHz1M2M34混頻圖3.16固定頻率合成法原理……fi1÷10++÷10++÷10++÷10++頻率選擇開關(guān)輔助基準(zhǔn)頻率發(fā)生器2.00～2.09MHz2.000～2.099MHz2.0000～2.0999MHz2.00000～2.099999MHzfofi2fi3fi4f1f2f3f4fr2.0～2.9MHzF=16MHz2MHz5MHz=[2＋16＋(2.0～2.9)]MHz=(20.0～20.9)MHz=（2.00000～2.09999）MHz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）3.3.2直接數(shù)字頻率合成法直接數(shù)字合成法（DDS，DirectDigitalFrequencySynthests）。它突破了頻率合成法的原理，從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。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，甚至可以給出各種任意波形。這在前述模擬頻率合成方法中是無法實(shí)現(xiàn)的。這里先討論正弦波的合成問題，關(guān)于任意波形將在后面進(jìn)行討論。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、……正弦波：預(yù)存正弦函數(shù)表，如圖3.18。2實(shí)例說明（信號(hào)的頻率關(guān)系）：AD9850是美國AnalogDevices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ROM的相應(yīng)地址中。實(shí)用中，改變讀取ROM的地址數(shù)目，即可改變輸出頻率。若在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的控制下，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Tout=232Tc

因此這時(shí)輸出頻率為圖3.19AD9850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＋Vs（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。依次類推可得輸出頻率的一般表達(dá)式（3.17）3.任意波形發(fā)生器直接數(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。圖3.21表格法示意圖0.20UAPQRST0.40.6t(s)（AWG）或任意函數(shù)發(fā)生器（AFG）2)數(shù)學(xué)方程法3)復(fù)制法將其它儀器（例如數(shù)字存儲(chǔ)示波器，X—Y繪圖儀）獲得的波形數(shù)據(jù)通過微機(jī)系統(tǒng)總線或GPIB接口總線傳輸給波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該法很適于復(fù)制不再復(fù)現(xiàn)的信號(hào)波形。自然界中有很多無規(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)象都是無規(guī)律的，甚至一去不復(fù)返。為了研究這些問題，就要模擬這些現(xiàn)象的產(chǎn)生。在過去只能采用很復(fù)雜的方法來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在采用任意波形產(chǎn)生器則方便得多了。國內(nèi)外已有多種型號(hào)的任意波形產(chǎn)生器可供選用。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)，經(jīng)過運(yùn)算提供波形數(shù)據(jù)。任意波形發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo)1)任意波形長度或波形存儲(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)拼湊出來的，樣點(diǎn)多則可拼湊較長的波形，所以用點(diǎn)數(shù)來表示波形長度。波形存儲(chǔ)器容量亦稱波形存儲(chǔ)器深度，是指每個(gè)通道能存儲(chǔ)的最大點(diǎn)數(shù)。容量越大，存儲(chǔ)的點(diǎn)數(shù)越多，表現(xiàn)波形隨時(shí)間變化的內(nèi)容越豐富，當(dāng)然存儲(chǔ)器的成本也相應(yīng)提高。曾經(jīng)提出一些技術(shù)或算法用來節(jié)省波形存儲(chǔ)器容量。2)采樣率：通常將A/D對(duì)模擬信號(hào)采樣的時(shí)鐘頻率稱為采樣率。在AWG中是指D/A從波形存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率。因此，將A/D或D/A轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘頻率都稱作采樣率。在AWG中可以這樣理解，采樣率中的“采樣”不是從波形采集，而是從波形存儲(chǔ)器中“采集”。3)幅度分辨率---表現(xiàn)幅度細(xì)小變化的程度，它主要取決于DAC的位數(shù)，通常幅度分辨率取10位或略高。4)通道數(shù)---可實(shí)現(xiàn)2至多路的任意波形發(fā)生器。石家莊無線電四廠生產(chǎn)的DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器按AD9850允許最高時(shí)鐘頻率fc=125MHz來進(jìn)行具體說明，當(dāng)A0＝1，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：與上面從概念導(dǎo)出的結(jié)果一致。當(dāng)A31＝1，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)A31＝1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)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)。例如HP33120A函數(shù)/任意波形發(fā)生器可以產(chǎn)生10種標(biāo)準(zhǔn)波形和任意波形，采樣速率為40MS/s，輸出最高頻率15MHz（正弦波），波形幅度分辨力為12位。HP33120A3.3.3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?；炬i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。ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf

(a)(b)(c)開始：f0≈fi→PD→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的相位差輸出與相位差成比例的電壓，這個(gè)電壓稱為誤差電壓ud其鑒相特性如圖3.22(b)所示?；炬i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)fiLPFVCOPDfo=Nfi÷N1MHzi10MHzifo/N當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，PD兩輸入信號(hào)的頻率相等，即①根據(jù)PD兩輸入頻率相等列出等式:

fo/N＝fi②從等式中解出輸出頻率:

重點(diǎn)掌握脈沖倍頻環(huán)LPFVCOPDfo=Nfifi脈沖形成NfiNfi①根據(jù)PD兩輸入頻率相等列出等式:fi1MHzLPFVCOPDfo=fi/N100kHz×NNfifi＝Nfo

②從等式中解出輸出頻率:2)分頻鎖相環(huán)脈沖分頻環(huán)LPFVCOPDfofi

Nfo3)混頻鎖相環(huán)混頻器fi11MHzLPVCOPDfo=|fi1-fi2|=1000-100=900kHzBPFM+fi2=100kHzf0+fi2①②-3.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)樗訪PFPDfo=—fiVCO÷N2÷N1fiN1N22)多環(huán)合成單元由倍頻環(huán)可得由混頻環(huán)可得:因?yàn)樗?3.22)(3.23)LPFPDfo1=Nfi1VCO1fi

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)fo2=Nfi1+fi2Nfi1fo13)十進(jìn)合成單元圖3.29DS-1合成單元的級(jí)聯(lián)100KHz9MHz×1Hz0～90～90～90～90～9×10Hz×100Hz×1KHz×10KHz基準(zhǔn)DS-11DS-12DS-13DS-14DS-154)可程控合成單元頻率范圍為1.200000MHz～1.299999MHz圖3.30可程控合成單元PDLPF＋VCOD/A可程控分頻器fi頻率控制數(shù)碼fo3.3.4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300MHzμs級(jí)直接數(shù)字硬件電路復(fù)雜100MHzμs級(jí)直接模擬主要特點(diǎn)最高工作頻率速度合成方法2.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)象也很嚴(yán)重，且很難解決。2)多環(huán)合成法PLL1(N1=2)fo=(N2+0.1N1)fr=(10+0.2)10Hz=102Hzfr10HzPLL2(N2=10)M(+)110N1fr20HzN2fr100Hz0.1N1fr2Hz3)小數(shù)合成法LPFVCOPDfo=1890kHzfi=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？3.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。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)fi8MHzLPFVCOPDfo=DNfi==

8GHz÷N

10÷D100

fo＝DNfi

固定

2)倍頻混頻法fo=Nfi1+fi2=101MHzVCOLPFMBPFPDfi10MHz圖3.35倍頻—混頻環(huán)÷N10(－)(fo-fi2)Nfi21MHz3)吞脈沖分頻法吞脈沖分頻法是在鎖相環(huán)的反饋支路中加入吞脈沖分頻器，這時(shí)鎖相環(huán)的組成如圖3.36所示。VCOLPFfiPD圖3.36吞脈沖分頻法頻率合成器原理框圖參考分頻÷N1÷N2雙模分頻器÷P/（P+1）晶體振蕩器頻率合成器集成電路模式控制1/0吞食計(jì)數(shù)器fo=(PN1+N2)fi÷11/10教材上少箭頭在一次計(jì)數(shù)循環(huán)開始時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，“模式控制”信號(hào)為“1”，雙模分頻器分頻系數(shù)為11；當(dāng)N2計(jì)數(shù)器溢出后“模式控制”信號(hào)就為“0”，雙模分頻器分頻數(shù)為10。例如設(shè)N2=4,則雙模分頻器分頻系數(shù)有4次為11，而后為10，直至N計(jì)數(shù)結(jié)束，控制信號(hào)再恢復(fù)為“1”。由于在N2計(jì)數(shù)期間雙模分頻器要多計(jì)一個(gè)脈沖，就認(rèn)為由于N2而吞食了一個(gè)被計(jì)數(shù)的脈沖，因此稱為吞食計(jì)數(shù)器。

N＝(P＋1)N2＋(N1－N2)P=PN1＋N2即N=PN1＋N2（3.30）在前述討論中，P＝10，因此得N=10N1＋N2

吞脈沖分頻器小結(jié)如下：（1）雙模分頻器的分頻系數(shù)為P／(P＋1），對(duì)于N1和N2兩個(gè)分頻器，分頻系數(shù)的設(shè)置必須N1＞N2，例如，N2＝0～9，那么N1至少為10；（2）由N1和N2可以求得Nmin和Nmax的范圍。例3.2P=10，N1=10，N2＝0～9，則Nmin=100；若設(shè)N1＝10～19，則Nmax=199。例3.3P＝100，N1＝100～199，N2=0～99，則N＝PN1+N2=100（100~199）+0~99=10000～19999。（3）吞脈沖分頻器可以提高鎖相環(huán)的輸出頻率上限。3.4射頻合成信號(hào)發(fā)生器（數(shù)字調(diào)制信號(hào)源、矢量信號(hào)源）所謂“射頻”是指能通過天線發(fā)射變?yōu)殡姶挪?/p>