電子測量與智能儀3信號發(fā)生器

電子丈量與智能儀器第3章信號發(fā)生器授課教師：林志源1/10/20241第3章信號發(fā)生器3.1信號發(fā)生器概述3.1.1信號發(fā)生器的功用3.1.2信號發(fā)生器的分類3.1.3正弦信號發(fā)生器的性能目的3.2模擬信號發(fā)生器3.2.1低頻信號發(fā)生器3.2.2高頻信號發(fā)生器3.2.3脈沖信號發(fā)生器3.2.4函數(shù)信號發(fā)生器3.2.5噪聲發(fā)生器1/10/202423.3合成信號發(fā)生器3.3.1直接模擬頻率合成法3.3.2直接數(shù)字頻率合成法3.3.3間接合成法3.3.4頻率合成技術(shù)的進展本章小結(jié)作業(yè)布置1/10/20243第3章信號發(fā)生器1/10/202443.1信號發(fā)生器概述3.1.1信號發(fā)生器的功用丈量用信號發(fā)生器，通常稱為信號源，是最根本、運用最廣泛的丈量儀器。其功用主要包括以下三方面：1.作鼓勵源作為某些電氣設(shè)備的鼓勵信號。2.信號仿真在設(shè)備丈量中，常需求產(chǎn)生模擬實踐環(huán)境一樣特性的信號，如對干擾信號進展仿真。3.校準(zhǔn)源產(chǎn)生一些規(guī)范信號，用于對普通訊號源進展校準(zhǔn)〔或比對〕。1/10/20245圖3.1信號源的功用輸入激勵信號發(fā)生器被測設(shè)備測試儀器輸出響應(yīng)1/10/202463.1.2信號發(fā)生器的分類1.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、FM1/10/20247表3.1信號源按頻率劃分表名稱頻率范圍主要應(yīng)用領(lǐng)域超低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器視頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器甚高頻信號發(fā)生器超高頻信號發(fā)生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz電聲學(xué)、聲納電報通訊無線電廣播廣播、電報電視、調(diào)頻廣播、導(dǎo)航雷達、導(dǎo)航、氣象1/10/202483.按性能分普通----功率大，頻率、電壓刻度不大準(zhǔn)確，用于天線測試等規(guī)范----頻率、電壓刻度準(zhǔn)確，屏蔽好，供計測用2.按波形分正弦----脈沖----函數(shù)----產(chǎn)生函數(shù)通用波形噪聲----ttttt1/10/202493.1.3正弦信號發(fā)生器的性能目的1.頻率范圍指信號發(fā)生器所產(chǎn)生信號的頻率范圍，該范圍內(nèi)既可延續(xù)又可由假設(shè)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)確度是指信號發(fā)生器度盤〔或數(shù)字顯示〕數(shù)值與實踐輸出信號頻率間的偏向，通常用相對誤差表示〔3.1〕信號發(fā)生器最根本、最常用的性能目的有：1/10/2024103.頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度目的要求與頻率準(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)定時間內(nèi)，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國家規(guī)范，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小時內(nèi)〔3.2〕式中，f0為預(yù)調(diào)頻率，fmax和fmin分別為恣意15分鐘內(nèi)信號頻率的最大值和最小值。1/10/2024114.失真度與頻譜純度定義為了丈量上的方便，也用下面的公式：高頻信號發(fā)生器用頻譜純度來評價用失真度來評價低頻信號發(fā)生器輸出信號波形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數(shù)γ表示U1為輸出信號基波有效值，U2，U3，…Un為各次諧波有效值。Us是信號幅度，Un是高次諧涉及干擾噪聲的幅度。1/10/2024125.輸出阻抗低頻信號發(fā)生器電壓輸出端的輸出阻抗普通為600Ω〔或1kΩ〕。功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等檔。高頻信號發(fā)生器普通僅有50Ω或75Ω檔。信號發(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，假設(shè)負(fù)載與信號源輸出阻抗不相等，那么信號源輸出電壓的讀數(shù)是不準(zhǔn)確的。1/10/2024136.輸出電平輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍，即由產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的信號發(fā)生器的最大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。在信號發(fā)生器的輸出級中，普通都包括衰減器，其目的是獲得從微伏級〔μV〕到毫伏級〔mV〕的小信號電壓。在信號發(fā)生器的性能目的中，包括“衰減器特性〞這一目的，主要指衰減范圍和衰減誤差。與頻率穩(wěn)定度目的類似的還有輸出信號幅度穩(wěn)定度及平坦度目的。幅度穩(wěn)定度是指信號發(fā)生器經(jīng)規(guī)定的時間預(yù)熱后，在規(guī)定時間間隔內(nèi)輸出信號幅度對預(yù)調(diào)幅度值的相對變化量。平坦度指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動量。1/10/2024147.調(diào)制特性高頻信號發(fā)生器在輸出正弦波的同時，普通還能輸出一種或一種以上的已被調(diào)制的信號，多數(shù)情況下是調(diào)幅AM信號和調(diào)頻FM信號，有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制PM等功能當(dāng)調(diào)制信號由信號發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時，稱為內(nèi)調(diào)制；當(dāng)調(diào)制信號由外部加到信號發(fā)生器進展調(diào)制時，稱為外調(diào)制。這種帶有輸出已調(diào)波功能的信號發(fā)生器，是測試無線電收發(fā)設(shè)備不可短少的儀器。1/10/2024153.2模擬信號發(fā)生器模擬信號發(fā)生器是指一些常用的傳統(tǒng)信號發(fā)生器，即以單元模擬電路為主組成的儀器。這類儀器性能目的不是很高，但價錢廉價，且能滿足普通實驗測試的要求，在模擬電子線路與系統(tǒng)的設(shè)計、測試和維修中獲得廣泛運用，依然是當(dāng)前大量運用的信號發(fā)生器。1/10/2024163.2.1低頻信號發(fā)生器如今普通“低頻信號發(fā)生器〞是指1Hz~1MHz頻段，輸出波形以正弦波為主，或兼有方涉及其他波形的發(fā)生器。1、低頻信號發(fā)生器的組成原理主振器放大器衰減器輸出電壓指示(a)波段式帶負(fù)載才干弱，只能提供電壓輸出。1/10/202417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差頻式最大優(yōu)點是頻率覆蓋范圍大，容易做到整個低頻段內(nèi)頻率可延續(xù)調(diào)理而不用改換波段，且輸出電平也比較平衡。1/10/202418頻率覆蓋范圍大小通常用頻率覆蓋系數(shù)表示：〔3.7〕以通訊中常用的某電平振蕩器〔實踐上就是低頻信號發(fā)生器〕為例，f1=3.3997MHz～5.1000MHz，f2=3.4000MHz，那么f0=300Hz～1.7000MHz。比較一下頻率覆蓋系數(shù)1/10/202419而可變頻率振蕩器〔相當(dāng)波段式中一個波段〕的頻率覆蓋系數(shù)為可見，差頻式信號發(fā)生器的頻率覆蓋范圍大得多。1/10/2024202.主振蕩器的特點低頻信號發(fā)生器中的主振蕩器大多都采用文氏橋式振蕩器，其特點是頻率穩(wěn)定，易于調(diào)理，并且波形失真小和易于穩(wěn)幅。輸出(f0)R1AR1R3C1C2R2?文氏橋式振蕩器的振蕩頻率決議于RC式反響網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率，表達式為：1/10/202421在低頻信號發(fā)生器中為何不采用較熟習(xí)的LC振蕩器呢？這是由于LC振蕩器的頻率決議于：〔3.9〕緣由①頻率較低時，L、C數(shù)值大，相應(yīng)的體積、分量也相當(dāng)大，分布電容、漏電導(dǎo)等也都相應(yīng)很大，而質(zhì)量因數(shù)Q值降低很多，諧振特性變壞，頻率調(diào)理也困難。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。1/10/202422緣由②在LC振蕩器中成反比，因此同一波段內(nèi)頻率覆蓋系數(shù)很小。例如L固定，調(diào)理電容C改動振蕩頻率，設(shè)電容器調(diào)理范圍為40pF～450pF，那么頻率覆蓋系數(shù)為而用RC振蕩器：1/10/2024233.低頻信號發(fā)生器的主要技術(shù)特性目前，低頻信號發(fā)生器主要技術(shù)目的的典型數(shù)據(jù)大致如下：頻率范圍：1Hz～1MHz分頻段，均勻延續(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延續(xù)可調(diào)輸出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ輸出方式：平衡輸出與不平衡輸出1/10/2024244、運用方法輸出頻率調(diào)理與指示：運用時，先將頻率范圍置于相應(yīng)的擋位，按所需的頻率調(diào)理頻率度盤于相應(yīng)頻率點上，在通常情況下，頻率微調(diào)旋鈕置于零位。輸出阻抗的配接：信號發(fā)生器要求負(fù)載與其輸出阻抗相匹配，使輸出信號失真小，功率大。輸出電路選擇：根據(jù)外接電路的輸入方式，選擇相應(yīng)的平衡或不平衡輸出。輸出電壓的調(diào)理和測讀：調(diào)理輸出電壓旋鈕，可以延續(xù)改動輸出電壓的大小。1/10/2024253.2.2高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器是指可以供應(yīng)等幅正弦波和調(diào)制波信號的信號發(fā)生器，通常分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。其任務(wù)頻率普通在100kHz~35MHz范圍內(nèi)，輸出幅度能在較大的范圍內(nèi)調(diào)理，并具有輸出微弱信號的才干，可以順應(yīng)測試接納機的需求。1/10/2024261.高頻信號發(fā)生器的組成原理圖3.4高頻信號發(fā)生器原理框圖主振級緩沖級調(diào)制級輸出級監(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)外規(guī)范調(diào)制：F=1000Hzm=30%假設(shè)語音調(diào)制那么成小電臺1/10/202427l)主振級主振級通常是LC三點式振蕩電路，經(jīng)過固定電感L，改動電容C來調(diào)整振蕩頻率。但這時頻率覆蓋范圍是有限的，可經(jīng)過下式進展估算。1/10/202428假設(shè)要擴展頻率范圍，必需變卦電感L，可以象收音機那樣用多波段任務(wù)方式：圖3.7LC回路L1CL2Ln....1/10/202429例3.1XFC-6型高頻信號發(fā)生器f=4MHz～300MHz，試問應(yīng)劃分幾個波段？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，即要劃分8個波段。這時相鄰波段的電感值可按下式計算?！?.11〕〔3.10〕1/10/2024302)緩沖級它主要起阻抗變換作用，用來隔離調(diào)制級對主振級。3)調(diào)制級調(diào)制的方式主要有調(diào)幅、調(diào)頻和脈沖調(diào)制。調(diào)幅多用于100kHz～35MHz的高頻信號發(fā)生器中，高頻信號發(fā)生器中的調(diào)幅，普通采用正弦調(diào)制。調(diào)頻主要用于30MHz～1000MHz信號發(fā)生器中，還有線性掃頻。脈沖調(diào)制多用于300MHz以上的微波信號源中。規(guī)范調(diào)制：F=1000Hzm=30%1/10/2024314)輸出級輸出級主要由放大器、濾波器、輸出微調(diào)〔延續(xù)衰減電路〕、輸出倍乘〔步進衰減電路〕等組成。對輸出級的主要要求是：輸出電平的調(diào)理范圍寬，衰減量應(yīng)能準(zhǔn)確讀數(shù)，有良好的頻率特性，在輸出端有準(zhǔn)確且固定的輸出阻抗。1/10/2024322、高頻信號發(fā)生器的運用信號發(fā)生器是向外提供鼓勵信號的儀器，運用比較簡單容易。它主要調(diào)理輸出頻率和幅度。關(guān)鍵是留意其運用闡明書上輸出幅度是如何標(biāo)定的，然后才干正確讀數(shù)。1〕、輸出頻率的讀數(shù)模擬式高頻信號發(fā)生器的頻率準(zhǔn)確度不太高，通常只需±1%左右。2〕、輸出幅度的讀數(shù)高頻信號發(fā)生器的輸出幅度計數(shù)通常有兩種方式：一種采用電壓值表示；另一種采用分貝電平表示。輸出幅度標(biāo)稱值的準(zhǔn)確度常用輸出幅度的絕對誤差與標(biāo)稱值之比來衡量，也可把這個比值轉(zhuǎn)化為用分貝表示。1/10/2024333〕、輸出阻抗變換器信號發(fā)生器只需在匹配的情況下才干正常任務(wù)。同時，信號發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負(fù)載的條件下按正弦有效值標(biāo)定的，假設(shè)負(fù)載與信號源輸出阻抗不相等，那么信號源輸出電壓的讀數(shù)是不準(zhǔn)確的。1/10/202434信號源被測設(shè)備阻抗變換器(a)(b)R3R1Rs50ΩR2RL75ΩRsRL衰減量N取3.16，正好電壓衰減10dB1/10/2024353.2.3脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器通常是指矩形窄脈沖發(fā)生器，它廣泛用于測試和校準(zhǔn)脈沖設(shè)備和寬帶設(shè)備。1、矩形脈沖的參數(shù)U0tUm0.9Um0.1UmδΔU0.5UmτtrtfΔ矩形脈沖的參數(shù)反復(fù)頻率：f占空系數(shù)：τ/T脈沖幅度：Um上沖量：δ脈沖寬度：τ反沖量：△上升時間：tr平頂落差：△U下降時間：tf偏移：E1/10/2024362、脈沖信號發(fā)生器的組成原理外同步放大主振級同步輸出外同步輸入延遲級構(gòu)成級整形級輸出級主脈沖acbdef1〕、主振級主振級可采用自激多諧振蕩器、晶體振蕩器或鎖相振蕩器產(chǎn)生矩形波，也可將正弦振蕩信號放大、限幅后輸出，作為下級的觸發(fā)信號。主要用于調(diào)理脈沖反復(fù)周期T。1/10/2024372〕、延遲級延遲級電路通常由單穩(wěn)態(tài)電路和微分電路組成。對延遲級的要求是：在全波段內(nèi)獲得一定的延時量td，并滿足觸發(fā)下一級電路所需的輸出幅度。3〕、構(gòu)成級是脈沖信號發(fā)生器的中心環(huán)節(jié)，要求產(chǎn)生寬度準(zhǔn)確、波形良好的矩形脈沖，且脈沖的寬度τ可獨立調(diào)理，并具有較高的穩(wěn)定性。1/10/2024384〕、整形級與輸出級整形級與輸出級的電路普通由放大、限幅電路組成。整形級具有電流放大作用，輸出級具有功率放大作用，還具有保證儀器輸出的主脈沖幅度可調(diào)，極性可切換，以及良好的前、后沿等性能的作用。3、脈沖發(fā)生器的主要性能脈沖發(fā)生器的主要任務(wù)特性：能輸出同步脈沖及與同步脈沖有一定延遲時間的主脈沖；延遲時間可調(diào)；主脈沖的頻率可調(diào)，脈寬可調(diào)，極性可切換，且具有良好的上升時間、下降時間，以及較小的上沖量。1/10/2024393.2.4函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器是一種寬帶頻率可調(diào)的波形發(fā)生器，它可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等。1、正弦式函數(shù)信號發(fā)生器其任務(wù)過程為：正弦振蕩器輸出正弦波，經(jīng)緩沖級隔離后，分為兩路信號，一路送至放大器輸出正弦波，另一路作為方波構(gòu)成電路的觸發(fā)信號。方波構(gòu)成電路通常為施密特觸發(fā)器。后者也輸出兩路信號，一路送放大器，經(jīng)放大后輸出方波；另一路作為積分器的輸入信號。積分器普通是密勒積分電路。積分器將方波積分構(gòu)成三角波，經(jīng)放大后輸出。三種波形的輸出由放大器中的選擇開關(guān)控制。1/10/2024403、脈沖式函數(shù)信號發(fā)生器其任務(wù)過程如下：在觸發(fā)脈沖的作用下，施密特觸發(fā)器產(chǎn)生方波，積分器將方波積分構(gòu)成三角波，正弦波轉(zhuǎn)換電路將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波；放大器選擇三個波形輸出，可單獨輸出一個波形，也可同時輸出三個波形。1/10/2024413.2.5噪聲發(fā)生器噪聲是指元器件、電路、儀器設(shè)備或電子系統(tǒng)中出現(xiàn)的非預(yù)期的電信號。由噪聲所呵斥的不良效應(yīng)稱為干擾。在電子丈量中，利用噪聲作為測試信號具有重要的意義：一方面，噪聲可以模擬許多實踐系統(tǒng)的任務(wù)形狀；另一方面，用噪聲信號替代正弦信號進展測試時，可以搜集到被測系統(tǒng)動態(tài)特性的有關(guān)數(shù)據(jù)，從而可以對被測系統(tǒng)做出全面的評價。噪聲發(fā)生器能提供在特定頻率范圍內(nèi)有足夠高的輸出電平，并具有一定統(tǒng)計參數(shù)的噪聲信號。圖3.14噪聲發(fā)生器的構(gòu)造噪聲源變換器電平指示器電源輸出衰減器t1/10/2024423.3合成信號發(fā)生器采用頻率合成技術(shù)，可以把信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度提高到與基準(zhǔn)頻率一樣的程度，并且可以在很寬的頻率范圍內(nèi)進展精細(xì)的頻率調(diào)理。合成信號源可任務(wù)于調(diào)制形狀，可對輸出電平進展調(diào)理，也可輸出各種波形。它是當(dāng)前用得最廣泛的性能較高的信號源。頻率合成的方法很多，但根本上分為兩大類，直接合成法和間接合成法。在詳細(xì)實現(xiàn)中可分為下面三種方法。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〕1/10/2024433.3.1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)，對一個或多個基準(zhǔn)頻率進展算術(shù)運算來產(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現(xiàn)的，所以又稱為直接模擬頻率合成，這樣正好與下面引見的直接數(shù)字頻率合成相對應(yīng)。1.固定頻率合成法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)。其輸出頻率為在式中，D和N均為給定的正整數(shù)。1/10/2024442.可變頻率合成法帶通13MHz10MHz1M2M34混頻十進制延續(xù)混頻分頻電路……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圖中頻率選擇開關(guān)的作用是：根據(jù)所需輸出頻率f0的值，選擇相應(yīng)數(shù)值分別作為f1~f41/10/202445直接模擬合成技術(shù)特點：1)頻率分辨力高2)頻率切換快----用于跳頻通訊對抗〔因頻率點不太多〕3)電路龐大、復(fù)雜----現(xiàn)不用它做信號源〔因信號源頻率范圍寬〕1/10/2024463.3.2直接數(shù)字頻率合成法直接數(shù)字合成法〔DDS，DirectDigitalFrequencySynthests〕。它是從“相位〞的概念出發(fā)進展頻率合成的。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，甚至可以給出各種恣意波形。這在前述模擬頻率合成方法中是無法實現(xiàn)的。1.直接數(shù)字合成根本原理三角波：+1、+1……-1、-1……方波：0、0、……1、1、……1/10/202447以正弦波為例：在正弦波一周期內(nèi)，按相位劃分為假設(shè)干等份△Ф，將各相位對應(yīng)的幅值A(chǔ)按二進制編碼并存入ROM中，見表3.4〔P93〕2、信號的頻率關(guān)系圖中，K為累加值，即相位步進碼，也稱頻率碼。普通地，對于n位地址來說，共有2n個ROM地址，限制K的最大值為：Kmax=2n-21/10/202448根據(jù)以上討論，可以得到如下頻率關(guān)系：最低輸出頻率fomin為最高輸出頻率fomax為當(dāng)fomax和fomin曾經(jīng)設(shè)定，其間可輸出的頻率個數(shù)M為頻率分辨率：為了改動輸出信號頻率，除了調(diào)理累加器的K值外，還可以調(diào)理控制時鐘的頻率fc。1/10/2024493、噪聲分析在DDFS中，噪聲有兩種：1〕量化噪聲相位和幅度量化噪聲，簡稱為量化噪聲。在一定的電路中，它普通是不變的。2〕濾波器噪聲是D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的階梯波中的雜散頻率經(jīng)過非理想低通濾波器而帶來的噪聲。這類噪聲將隨頻率添加而加大。1/10/2024504、直接數(shù)字合成信號源實例AD9850是美國AnalogDevices公司消費的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：其幅度按二進制分辨率量化；其相位一個周期360°按的分辨率設(shè)立相位取樣點，然后存入ROM的相應(yīng)地址中。適用中，改動讀取ROM的地址數(shù)目，即可改動的控制下，依次讀取全部地址中的相位點，那么輸出頻率最低。由于這時一個周期要讀取232相位點，點間間隔時間為時鐘周期Tc，那么輸出頻率。假設(shè)在系統(tǒng)時鐘頻率Tout=232Tc因此這時輸出頻率為圖3.19AD9850內(nèi)部組成框圖頻率相位碼存放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輸入時鐘輸入復(fù)位頻率更新/存放器復(fù)位碼輸入時鐘串行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＋Vs1/10/202451〔3.16〕假設(shè)隔一個相位點讀一次，那么輸出頻率就會提高一倍。依次類推可得輸出頻率的普通表達式〔3.17〕式中k為頻率碼，是個32位的二進制值，可寫成：〔3.18〕對應(yīng)于32位碼值〔0或1〕。為1/10/202452便于看到頻率碼的權(quán)值對控制頻率高低的影響，〔3.18〕代入〔3.17〕式得：〔3.19〕按AD9850允許最高時鐘頻率fc=125MHz來進展詳細(xì)闡明，當(dāng)A0＝1，而A31，A30，…，A1均為0時，那么輸出頻率最低，也是AD9850輸出頻率的分辨率：1/10/202453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，輸出頻率最高：該當(dāng)指出，這時一周只需兩個取樣點，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。實踐運用中，為了得到好的波形，設(shè)計最高輸出頻率小于時鐘頻率的1/3。這樣，只需改動32位頻率碼值，那么可得到所需求的頻率，且頻率的準(zhǔn)確度與時鐘頻率同數(shù)量級。1/10/2024545.恣意波形的產(chǎn)生方法直接數(shù)字頻率合成技術(shù)重要的特征，它可以產(chǎn)生恣意波形。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器的數(shù)據(jù)。因此，產(chǎn)生恣意波形的方法取決于向該存儲器〔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)按幅度相對值進展二進制量化，橫坐標(biāo)按時間間隔編制地址，然后制成對應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，按序放入RAM。對經(jīng)常運用的定了“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)運用。1/10/2024552〕用數(shù)學(xué)表達式對能用數(shù)學(xué)方程描畫的波形，先將其方程〔算法〕存入計算機中，在運用時，輸入方程中的有關(guān)參量，計算機經(jīng)過運算后提供波形數(shù)據(jù)。也可用多個表達式分段鏈接成一個組合的波形。1/10/2024563〕復(fù)制法將其它儀器〔例如數(shù)字存儲示波器，X—Y繪圖儀〕獲得的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過微機系統(tǒng)總線或GPIB接口總線傳輸給波形數(shù)據(jù)存儲器。該法很適于復(fù)制不再復(fù)現(xiàn)的信號波形。自然界中有很多無規(guī)律的景象，例如雷電、地震及機器運轉(zhuǎn)時的振動等景象都是無規(guī)律的，甚至一去不復(fù)返。為了研討這些問題，就要模擬這些景象的產(chǎn)生。在過去只能采用很復(fù)雜的方法來實現(xiàn)，如今采用恣意波形產(chǎn)生器那么方便得多了。國內(nèi)外已有多種型號的恣意波形產(chǎn)生器可供選用。1/10/202457恣意波形發(fā)生器的主要技術(shù)目的〔見表3.5〔P97〕〕，闡明：1〕、恣意波形長度或波形存儲器容量由于恣意波形發(fā)生器的波形本質(zhì)上是由許多樣點拼湊出來的，樣點多那么可拼湊較長的波形，所以用點數(shù)來表示波形長度。波形存儲器容量亦稱波形存儲器深度，是指每個通道能存儲的最大點數(shù)。2〕采樣率通常將A/D轉(zhuǎn)換對模擬信號采樣的時鐘頻率稱為采樣率，在AWG中是指D/A轉(zhuǎn)換器從波形存儲器中讀取數(shù)據(jù)的時鐘頻率。1/10/2024583〕幅度分辨率幅度分辨率為AWG能表現(xiàn)幅度細(xì)小變化的程度，它主要取決于DAC的倍數(shù)。4〕通道數(shù)雖然各種信號源都可以有不同的通道數(shù)目，但多通道的AWG更容易表現(xiàn)復(fù)雜波形的相關(guān)關(guān)系，因此通道數(shù)目在AWG中較受注重。1/10/2024593.3.3間接合成法1.根本鎖相環(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。根本鎖相環(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)開場：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1/10/202460相位比較器即鑒相器，它比較兩個輸入信號fo和fi的相位差△Ф，輸出與相位差成比例的電壓，這個電壓稱為誤差電壓ud，其鑒相特性如圖b所示：環(huán)路濾波器是一種RC低通濾波器，它濾去誤差電壓中的高頻成分及噪聲，用以改善環(huán)路的性能。壓控振蕩器是在外加電壓的作用下能改動其輸出頻率的振蕩器，其壓控特性如圖c所示。誤差電壓經(jīng)濾波后送VCO，改動VCO的固有振蕩頻率fo，并使fo向輸入信號的頻率靠攏，這個過程稱為頻率牽引。綜上所述，鎖相環(huán)的任務(wù)過程就是經(jīng)過頻率牽引，到達相位鎖定的過程。當(dāng)環(huán)路鎖定時，fo=fi，△Ф=c。通常，fi是石英晶體振蕩器的振蕩頻率。因此，在環(huán)路鎖定時，其輸出頻率具有與輸入頻率一樣的頻率特性。這就是鎖相環(huán)的根本原理。ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf(a)(b)(c)開場：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1/10/202461根本鎖相環(huán)只能輸出一個頻率，而作為信號源必需求能輸出一系列頻率。2.鎖相環(huán)的幾種根本方式1)倍頻鎖相環(huán)fiLPFVCOPDfo=Nfi÷N1MHzi10MHzifo/N當(dāng)環(huán)路鎖定時，PD兩輸入信號的頻率相等，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:重點掌握1/10/202462脈沖倍頻環(huán)LPFVCOPDfo=Nfifi脈沖構(gòu)成NfiNfi脈沖構(gòu)成電路將輸入信號變換為含有豐富諧波成分的窄脈沖，因此，環(huán)路的輸入信號中包含了多種諧波，經(jīng)過改動VCO中可變電容的偏置電壓，調(diào)諧其固有振蕩頻率，選擇某一高次諧波，可以到達倍頻的目的。倍頻環(huán)在信號合成中的作用是實現(xiàn)寬頻范圍內(nèi)的點頻覆蓋，擴展合成器的高端頻率，特別適用于制造頻率間隙較大的高頻及甚高頻合成器。1/10/202463①根據(jù)PD兩輸入頻率相等列出等式:fi1MHzLPFVCOPDfo=fi/N100kHz×NNfifi＝Nfo②從等式中解出輸出頻率:2)分頻鎖相環(huán)對輸入信號頻率進展除法運算的鎖相環(huán)叫分頻鎖相環(huán)〔簡稱分頻環(huán)〕。分頻環(huán)可用于向低端擴展合成器的頻率范圍。LPFVCOPDfofiNfo1/10/202464混頻器fi11MHzLPVCOPDfo=|fi1-fi2|=1000-100=900kHzBPFM+fi2=100kHzf0+fi23)混頻鎖相環(huán)當(dāng)兩個輸入頻率之和或之差超出了允許的范圍時，環(huán)路不能進入鎖定形狀，也無法控制VCO的輸出頻率，即環(huán)路“失鎖〞。這時需求調(diào)整VCO的任務(wù)參數(shù)以改動其固有振蕩頻率，或者調(diào)整輸入信號的頻率，均可以到達鎖定的目的。1/10/202465例：設(shè)fi1為晶體振蕩器的輸出頻率，fi1=10000kHz，頻率穩(wěn)定度為1×10-6/d。Fi2為內(nèi)插振蕩器的輸出頻率，且fi2在100~110kHz范圍內(nèi)延續(xù)可調(diào)，頻率穩(wěn)定度為1×10-4/d。按和頻式混頻器合成。1/10/2024663.頻率合成單元1)組合環(huán)一個典型的組合環(huán)及其輸出頻率，如下圖。由于所以LPFPDfo=—fiVCO÷N2÷N1fiN1N21/10/2024672)多環(huán)合成單元由倍頻環(huán)可得由混頻環(huán)可得:由于所以(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fi2同軸倍頻環(huán)混頻環(huán)fo2=Nfi1+fi2Nfi1fo11/10/2024683)十進合成單元圖3.29DS-1合成單元的級聯(lián)100KHz9MHz×1Hz0～90～90～90～90～9×10Hz×100Hz×1KHz×10KHz基準(zhǔn)DS-11DS-12DS-13DS-14DS-151/10/2024694)可程控合成單元圖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fo采用頻率預(yù)調(diào)技術(shù)來預(yù)置VCO的頻率。預(yù)調(diào)是由頻率控制數(shù)碼，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換與加法放大器放大后送VCO來實現(xiàn)的。但準(zhǔn)確的頻率調(diào)整是由鎖相環(huán)來完成的。1/10/2024703.3.4頻率合成技術(shù)的進展1.三種合成方法的比較頻譜純度好100GHz(微波)ms級間接鎖相可得恣意波形300MHzμs級直接數(shù)字硬件電路復(fù)雜100MHzμs級直接模擬主要特點最高任務(wù)頻率速度合成方法1/10/2024712.提高頻率分辨力的方法1)微差混頻法該方法將兩個頻率相差甚微的信號源進展差頻混頻，如圖3.31所示。混頻器的輸出頻率為圖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信號頻率非常接近，所以分辨力得到提高。但是當(dāng)這兩個頻率很接近時，在混頻器任務(wù)中頻率牽引景象也很嚴(yán)重，且很難處理。1/10/2024722)多環(huán)合成法PLL1(N1=2)fo=(N2+0.1N1)fr=(10+0.2)10Hz=102Hzfr10HzPLL2(N2=10)M(+)110N1fr20HzN2fr100Hz0.1N1fr2Hz1/10/2024733)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那么平均分頻系數(shù)18.9假設(shè)要平均分頻系數(shù)=18.6，怎樣控制？假設(shè)希望分頻系數(shù)有整數(shù)部分也有小數(shù)部分，其整數(shù)部分為N，小數(shù)部分為k，小數(shù)部分的位數(shù)為n，那么需求進展k次〔N+1〕分頻，〔10n-k〕次N分頻并循環(huán)進展即可，每次循環(huán)總的分頻次數(shù)為10n1/10/2024743.擴展頻率上限的方法前題條件：VCO能任務(wù)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÷N10÷D100fo＝DNfi固定1/10/2024752)倍頻混頻法fo=Nfi1+fi2=101MHzVCOLPFMBPFPDfi110MHz圖3.35倍頻—混頻環(huán)÷N10(－)(fo-fi2)/Nfi21MHz由于fi2的參與提高了輸出頻率的上限，其提高的程度取決于fi2的大小，而且其頻率分辨率仍和單環(huán)倍頻式鎖相環(huán)的一樣，△f=fi1。由于混頻器引入寄生信號將會影響頻譜純度，雖然其后接帶通濾波器〔BPF〕對寄生信號有抑制造用，但是濾波器的延時又將對環(huán)路帶來不利的影響。1/