电子测量04电子通信

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1、第四章第四章 信号发生器信号发生器4.1 信号发生器概述信号发生器概述 4.2 模拟信号发生器模拟信号发生器 4.3 合成信号发生器合成信号发生器 4.4 射频合成信号发生器射频合成信号发生器9/17/202414.1 信号发生器概述信号发生器概述一、信号源的作用和组成一、信号源的作用和组成二、信号源的分类二、信号源的分类三、正弦信号发生器的性能指标三、正弦信号发生器的性能指标9/17/20242一、信号源的作用和组成一、信号源的作用和组成1.1.信号源的作用信号源的作用 为测试或实验提供符合一定电技术为测试或实验提供符合一定电技术要求的电信号产生频率可调、幅度可调要求的电信号产生频率可调、幅

2、度可调的规那么或不规那么波形的电信号。的规那么或不规那么波形的电信号。 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： 鼓励信号源鼓励信号源 实际信号的仿真实际信号的仿真 标准信号源标准信号源9/17/202432. 2. 信号源的组成信号源的组成信号发生器结构框图信号发生器结构框图信信号号输出输出主振器主振器缓冲缓冲放大放大调制调制输出输出电电 源源监测监测9/17/202441. 1. 按用途分按用途分 专用专用-电视信号发生器、电平振荡器、误码仪电视信号发生器、电平振荡器、误码仪 通用通用-产生正弦波等通用波形产生正弦波等通用波形 2. 2. 按波形分按波形分 正弦正弦-脉

3、冲脉冲-函数函数-产生函数通用波形产生函数通用波形 噪声噪声-ttttt二、信号源的分类二、信号源的分类3. 3. 按频率产生分按频率产生分 谐振谐振-由频率选择回路控制正反响产生振荡。由频率选择回路控制正反响产生振荡。 合成合成- -由基准频率通过加、减、乘除组合由基准频率通过加、减、乘除组合一系列频率。一系列频率。 9/17/202454. 4. 按频率范围分按频率范围分 无无低频低频高频高频微波微波频段频段频率范围频率范围主振电路主振电路调制方式调制方式RCRC电电路路1Hz1MHz1Hz1MHz磁磁控控管管、体体效效应管、应管、1MHz1GHz1MHz1GHz1GHz100GHz1GH

4、z100GHzLCLC电路电路AMAM、FMFM、PMPMAMAM、FMFM9/17/20246表3.1 频段的划分实用频段划分实用频段划分频率与波长的关系频率与波长的关系（=C=C/f/f，C=310C=3108 8mm） 9/17/20247名 称波形示意图主 要 特 性正弦波信号正弦波是电子系统中最基本的测试信号，频率从Hz至几十GHz。大多信号源都具备正弦波输出。函数信号通常包含正弦波、方波、三角波三种，有的还包含锯齿波、脉冲波、梯形波、阶梯波等波形，频率从几Hz至上百MHz。扫频信号频率可在某区间有规律地扫动，多为用锯齿波进行线性扫频。多数扫频源是以正弦波扫频，也有以方波、三角波扫频

5、。还有非线性的对数扫频。脉冲信号输出的脉冲信号可按需要设置其重复频率、脉冲宽度、占空比、上升及下降时间等参数。脉冲信号有的还有双脉冲输出。数字信号可按编码要求产生0/1逻辑电平（多为TTL或ECL电平），也称数据发生器、图形或模式发生器。通常是具备多路数字输出的。噪声信号提供随机噪声信号，具有很宽的均匀频谱。常用于测量接收机的噪声系数或调制到高频、射频载波上作干扰源。伪随机信号是一串0/1电平随机编码的数字序列信号，因其序列周期相当长（在足够宽的频带内产生相当平坦的离散频谱），故有点类似随机信号。任意波形能产生任意形状的模拟信号，例如：模仿产生心电图、雷电干扰、机械运动等形状复杂的波形。调制信

6、号将模拟信号或数字信号调制到射频载波信号上，以便于远程传输。通常调制方式有：调幅、调频、调相、脉冲调制、数字调制等。数字矢量信号通过正交调制（I-Q调制），可以同时传递幅度和相位信息，故称为数字矢量信号源。该内容将在本章3.4节射频信号发生器中介绍。9/17/20248三、正弦信号发生器的性能指标三、正弦信号发生器的性能指标1. 频率范围频率范围指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可由假设干频段或一系列离散频率覆既可连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。盖，在此范围内应满足全部误差要求。 2. 频率准确

7、度频率准确度 频率准确度是指信号发生器度盘或数字显示频率准确度是指信号发生器度盘或数字显示数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示误差表示 9/17/202493. 频率稳定度频率稳定度 频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情况下，在规定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。时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。频率稳定度。 短期：短期：1515分钟内分钟内

8、长期：长期：3 3小时内小时内 频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率准确度是由频率稳定度来保证的频率稳定度来保证的。9/17/2024104. 输出阻抗输出阻抗低频信号发生器电压输出阻抗一般为低频信号发生器电压输出阻抗一般为600600或或1k1k，功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有5050、7575、150150、600600和和5 k5 k等档等档 高频高频信号发生器一般仅有信号发生器一般仅有5050或或7575档。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，信号发生器

9、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。的读数是不准确的。 9/17/2024115. 5. 输出电平输出电平输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准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。减范围内所得到输出幅度的有效范围。 讨论：讨论：信号源输出：信号源输出： 100mv 100mv示波器显示：示波器显示： 200mv 2

10、00mv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波有效值标定的。波有效值标定的。 5050 5050 ，匹配时，匹配时 100mv 100mv200mv200mv不匹配时，不确知。示波器输入不匹配时，不确知。示波器输入阻抗高约阻抗高约1M1M ，故显示故显示200mv200mv为什么？为什么？9/17/2024126. 失真度与频谱纯度失真度与频谱纯度 定义定义 低频信号发生器用失真度或失真系数低频信号发生器用失真度或失真系数高频信号发生器用频谱纯度高频信号发生器用频谱纯度 U Us sU Un nf fA Af fA At tU U

11、9/17/202413 7. 调制特性调制特性 高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还输出一高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还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信号和调频信号和调频FM信号，有些还带有调相和脉冲调制信号，有些还带有调相和脉冲调制PM等等功能。功能。 调制特性的指标主要包括调制类型，如：调频、调调制特性的指标主要包括调制类型，如：调频、调幅、调相、脉冲调制、视频调制等幅、调相、脉冲调制、视频调制等 其他指标还包括：调制频率范围，调制系数，最大其他指标还包括：调制频率范围，调制系数，最大频偏，调制线性度，寄

12、生调制等。频偏，调制线性度，寄生调制等。9/17/2024143.2 模拟信号发生器模拟信号发生器一、一、正弦信号发生器正弦信号发生器二、脉冲信号发生器二、脉冲信号发生器三、函数信号发生器三、函数信号发生器四、噪声信号发生器四、噪声信号发生器9/17/2024151. 1. 低频信号发生器低频信号发生器n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HzHz1MHz1MHz，而，而20Hz20Hz20KHz20KHz范围又称音频信号发生器范围又称音频信号发生器 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

13、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波段式低频信号发生器组成原理波段式低频信号发生器组成原理输出输出9/17/202416外差式低频信号发生器组成原理外差式低频信号发生器组成原理固定频率固定频率振荡器振荡器混混频频器器滤波滤波放大放大衰减器衰减器阻抗阻抗变换变换输出输出可变频率可变频率振荡器振荡器外差式信号发生器的最大优点是可以提高频率覆盖范围，外差式信号发生器的最大优点是可以提高频率覆盖范围，且在整个低频段内频率连续可调，不需要更换频段。且在整个低频段内频率连续可调，不需要更换频段。9/17/202417RC振荡器原理电路文氏电桥振荡器原理电路文氏电桥9/17/2

14、02418文氏桥正反响电路：文氏桥正反响电路：9/17/202419当当，时时 可见，当 时，RC振荡器满足起振条件。而具有负温度系数的热敏电阻组成的分压电路产生的负反响电压起自动稳幅的作用。 9/17/202420 2. 2.高频信号发生器高频信号发生器n 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300KHz300KHz1GHz1GHz，大，大多数具有调幅，调频及脉冲调制等调制信号输出多数具有调幅，调频及脉冲调制等调制信号输出高频信号发生器原理框图高频信号发生器原理框图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内调制内调制振荡

15、器振荡器监测器监测器外调制外调制输入输入可变电可变电抗器抗器FMAM9/17/202421 高频信号发生器的主振级一般采用高频信号发生器的主振级一般采用LCLC三点式振荡电三点式振荡电路，通常固定电感，改变电容来调整振荡频率，所以也路，通常固定电感，改变电容来调整振荡频率，所以也采用波段式调节，采用波段式调节，但这时频率覆盖范围是有限的，可通但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算：过下式进行估算： 。L L1 1C CL L2 2L Ln n. . .9/17/202422高频信号发生器输出阻抗常取高频信号发生器输出阻抗常取5050、7575欧姆等数值，输出欧姆等数值，输出电压的读数也

16、是在匹配负载的条件下标定的。电压的读数也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匹配，那么信号源输出电假设负载与信号源输出阻抗不匹配，那么信号源输出电压的读数是不准确的，需要增加阻抗变换电路。压的读数是不准确的，需要增加阻抗变换电路。 信号源信号源被测设备被测设备阻阻 抗抗变换器变换器9/17/202423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

17、成脉冲形成和整形和整形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二、脉冲信号发生器二、脉冲信号发生器9/17/202424主振级一般采用自激多谐振荡、晶体振荡器或锁相振荡主振级一般采用自激多谐振荡、晶体振荡器或锁相振荡器产生矩形波器产生矩形波a ab bc cd de et tz z t tr rf fU Ut tt tt tT TU0tUm0.9Um0.1UmU0.5Umtrtf矩形脉冲的参数矩形脉冲的参数9/17/202425三、函数信号发生器三、函数信号发生器函数发生器能输出方波，三角波

18、，锯齿波，函数发生器能输出方波，三角波，锯齿波，正弦波等多种输出波形，具有较宽的频率范正弦波等多种输出波形，具有较宽的频率范围围0.1Hz0.1Hz几十几十MHzMHz及较稳定的频率，分及较稳定的频率，分为正弦式函数信号发生器和脉冲式函数信号为正弦式函数信号发生器和脉冲式函数信号发生器。发生器。正弦式函数发生器根本组成原理正弦式函数发生器根本组成原理正弦振荡器正弦振荡器缓冲级缓冲级放大器放大器方波形成方波形成输出级输出级积分器积分器9/17/202426锯齿波形成电路锯齿波形成电路将将图图(a)(a)所所示示三三角角波波与与图图(b)(b)所所示示方方波波直直接接叠叠加加就就可可得得到到图图(

19、c)(c)所所示示的的交交错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图错锯齿波，再经过全波整流，就得到了图(d)(d)所示的锯齿波。所示的锯齿波。锯齿波的获得原理锯齿波的获得原理ututtut(a)(c)(b)(d)9/17/202427四、噪声发生器四、噪声发生器噪声信号源主要系统性能测试提供测试用噪声信号。噪声信号源主要系统性能测试提供测试用噪声信号。噪声发生器根本组成原理噪声发生器根本组成原理噪声信号源噪声信号源变换器变换器电平指示器电平指示器电源电源输出衰减器输出衰减器9/17/2024283.3 合成信号发生器合成信号发生器一、频率合成的根本概念一、频率合成的根本概念二、间接锁相频率合成二、

20、间接锁相频率合成PLLPLL三、直接数字频率合成三、直接数字频率合成(DDS)(DDS)四、频率合成技术的进展四、频率合成技术的进展9/17/202429 频率合成方法频率合成方法 直接数字频率合成法（直接数字频率合成法（DDS DDS ） 间接锁相式合成法间接锁相式合成法（ Direct Analog Frequency Synthesis Direct Analog Frequency Synthesis）（ Direct Digital Frequency Synthesis Direct Digital Frequency Synthesis ） 直接模拟频率合成法（直接模拟频率合成法

21、（DAFS DAFS ） 信号源信号源 主振级主振级 频率准确度频率准确度 频率稳定度频率稳定度 通用信号源通用信号源 RC RC、LCLC振荡器振荡器 10 10-2-2量级量级 10 10-3-31010-4 -4 合成信号源合成信号源 晶体振荡器晶体振荡器 10 10-8-8量级量级 1010-7-7量级量级 9/17/2024301.1.频率合成原理频率合成原理 通过对基准频率的代数运算通过对基准频率的代数运算( (倍频、分频及混频倍频、分频及混频) )产生所产生所需频率，特点是输出信号频率具有与基准频率相同的频率准需频率，特点是输出信号频率具有与基准频率相同的频率准确度和频率稳定度。

22、确度和频率稳定度。 一、频率合成的根本概念一、频率合成的根本概念频率频率1 1输出输出石英晶体石英晶体振荡器振荡器代数运算代数运算（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9/17/202431 2. 2. 频率合成方法分类及特点频率合成方法分类及特点 直接模拟频率合成直接模拟频率合成 通通过过模模拟拟电电路路实实现现频频率率的的混混频频、倍倍频频和和分分频频等等方方法法来来产产生生一一系系列列频频率率信信号号并并用用窄窄带带滤滤波波器器选选出出所所需需频频率率的信号的信号. .优点：优点：频率切换迅速，频率分辨率高，相位噪声很低。频率切

23、换迅速，频率分辨率高，相位噪声很低。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于 集成化。集成化。9/17/202432n 固定频率合成法固定频率合成法晶体晶体 振振荡器荡器分频器分频器（D）倍频器倍频器（N）frf09/17/202433n 可变频率合成法可变频率合成法晶振晶振谐波发生器谐波发生器（倍频）（倍频）分频（分频（1010）8MHz8MHz混频（混频（+ +）混频（混频（+ +）2MHz2MHz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

24、波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHzf f0 0=3.628MHz=3.628MHz1MHz1MHz1MHz 1MHz 9MHz9MHz9/17/202434f fi1i11010+ + +101010+ + +1010+ + +1010+ + +频频 率率 选选 择择 开开 关关辅助基准频率发生器辅助基准频率发生器2.002.002.09MHz2.09MHz2.0002.0002.099MHz2.099MHz2.00002.00002.0999MHz2.0999MHz2.000002.000002.099999MHz2.099999M

25、Hzf fo of fi2i2f fi3i3f fi4i4f f1 1f f2 2f f3 3f f4 4f fr r2.02.02.9MHz2.9MHzF F=16MHz=16MHz2 2MHzMHz5MHz5MHz=2=21616( (2.02.02.92.9)MHz=(20.0)MHz=(20.020.9)MHz 20.9)MHz = =（2.000002.000002.099992.09999）MHz MHz 9/17/202435 2 2 2 2直接数字频率合成直接数字频率合成直接数字频率合成直接数字频率合成DDSDDSDDSDDS DDS DDS DDS DDS是基于取样技术和数字

26、计算技术来实现是基于取样技术和数字计算技术来实现是基于取样技术和数字计算技术来实现是基于取样技术和数字计算技术来实现频率的数字合成，产生所需频率的输出信号频率的数字合成，产生所需频率的输出信号频率的数字合成，产生所需频率的输出信号频率的数字合成，产生所需频率的输出信号优点：能实现不同频率、不同初始相位的任意波形优点：能实现不同频率、不同初始相位的任意波形优点：能实现不同频率、不同初始相位的任意波形优点：能实现不同频率、不同初始相位的任意波形输出，且集成度高，体积小输出，且集成度高，体积小输出，且集成度高，体积小输出，且集成度高，体积小缺点：频率上限较低，杂散也较大。缺点：频率上限较低，杂散也较

27、大。缺点：频率上限较低，杂散也较大。缺点：频率上限较低，杂散也较大。 9/17/202436 3 3间接锁相频率合成间接锁相频率合成 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phase locked loop, PLLphase locked loop, PLL把压控振荡器把压控振荡器VCOVCO的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同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根底上合形式的锁相环就可以在一个基准频率的根底上合成不同的输出频率。成不同的输出频率。 优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，优点：易于集成化，体

28、积小，结构简单，功耗低，价格低价格低 等优点。等优点。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。 9/17/202437各种频率合成方式的综合各种频率合成方式的综合: : 直接模拟频率合成、直接数字频率合成和间接锁相频直接模拟频率合成、直接数字频率合成和间接锁相频率合成技术都有其优缺点，单独使用其中一种方法都有一率合成技术都有其优缺点，单独使用其中一种方法都有一定的局限性，很难满足作为信号源的要求。因此一般将这定的局限性，很难满足作为信号源的要求。因此一般将这几种方法综合应用，特别是几种方法综合应用，特别是DDSDDS与与PLLPLL的结合，可以实现快

29、的结合，可以实现快捷变，小步进及较高的输出频率上限。捷变，小步进及较高的输出频率上限。9/17/202438二、间接锁相二、间接锁相PLLPLL频率合成频率合成1. 1. 锁相环根本工作原理及性能锁相环根本工作原理及性能 锁相环是一个相位环负反响控制系统。锁相环是一个相位环负反响控制系统。该环路由鉴相器该环路由鉴相器PDPD、环路滤波器、环路滤波器LPFLPF、压控振荡器、压控振荡器VCOVCO及基准晶体振荡器及基准晶体振荡器等局部组成。等局部组成。锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frUrVCOPDLPFUofOUd9/17/202439n 鉴相器鉴相器 (PD)n 鉴相器又称为相位比

30、较器，具有乘法特性，鉴相器又称为相位比较器，具有乘法特性，鉴相器对两路输入信号的相位进行比较，其输出鉴相器对两路输入信号的相位进行比较，其输出的误差电压正比于两个输入电压的相位差。的误差电压正比于两个输入电压的相位差。n 可以证明，鉴相器输出电压为：可以证明，鉴相器输出电压为：n 当当 n 有有 9/17/202440n 环路滤波器环路滤波器 (LPF)n 环路滤波器是一个环路滤波器是一个RC低通滤波器，滤除低通滤波器，滤除相位比较器输出误差电压中的高频成分和干扰相位比较器输出误差电压中的高频成分和干扰噪声，到达稳定环路工作和改善环路性能的作噪声，到达稳定环路工作和改善环路性能的作用。用。9/

31、17/202441n 压控振荡器压控振荡器 (VCO) 压控振荡器是在普通的调谐式振荡电路中改用压控振荡器是在普通的调谐式振荡电路中改用变容二极管作为回路电容，通过调节变容二极管的变容二极管作为回路电容，通过调节变容二极管的反向偏置电压可以改变变容二极管的结电容，从而反向偏置电压可以改变变容二极管的结电容，从而调节振荡电路的输出频率，压控振荡器一般又称为调节振荡电路的输出频率，压控振荡器一般又称为电压控制振荡器或变容二极管扫频振荡器。电压控制振荡器或变容二极管扫频振荡器。9/17/202442变容二极管压控振荡器变容二极管压控振荡器9/17/202443 压控振荡器是基于变容二极管的压控振荡器

32、是基于变容二极管的PN结在反向偏置时，结在反向偏置时，结电容结电容CD与反向偏置电压与反向偏置电压U有如下关系有如下关系其中：其中： ：变容二极管结电容：变容二极管结电容 ：零偏置时的结电容：零偏置时的结电容 ：外加反向偏置电压：外加反向偏置电压 ：接触电位差，如硅管约为：接触电位差，如硅管约为0.7V : 电容变化指数，取决于电容变化指数，取决于PN结的结构和杂质分布结的结构和杂质分布9/17/202444 在满足一定条件的情况下，压控振荡器输出频率在满足一定条件的情况下，压控振荡器输出频率正比于变容二极管反向偏置电压，即压控正比于变容二极管反向偏置电压，即压控反向电反向电压控制输出振荡频率

33、：压控制输出振荡频率：9/17/202445n当锁相环处于锁定状态时，压控振荡器的输出频率等于当锁相环处于锁定状态时，压控振荡器的输出频率等于锁相环的基准输入频率，两信号之间只存在稳态相位差，锁相环的基准输入频率，两信号之间只存在稳态相位差，没有频率差，使输出信号频率与基准信号频率具有相同没有频率差，使输出信号频率与基准信号频率具有相同的频率准确度和频率稳定度等级。的频率准确度和频率稳定度等级。n锁相环具有滤波特性，它的频带可以做的很窄，中心频锁相环具有滤波特性，它的频带可以做的很窄，中心频率便于调节，输出频率可以自动跟踪输入频率的变化，率便于调节，输出频率可以自动跟踪输入频率的变化，所以锁相

34、环电路是一种能够自动实现相位同步的自动跟所以锁相环电路是一种能够自动实现相位同步的自动跟踪系统。踪系统。 9/17/202446 锁相环的主要指标锁相环的主要指标: :同步带宽同步带宽 ：锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围。：锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围。 捕捉带宽捕捉带宽 ：环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许：环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许 的频差。的频差。 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。性，其高频截止频率称为环路带宽。9/17/2024472. 2. 锁相环的

35、根本形式锁相环的根本形式 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，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主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环。环。倍频式锁相环原理图倍频式锁相环原理图fiN PLLNfi（c）倍频环简化图）倍频环简化图（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VCOPDLPFfiN9/17/202448 分频式锁相环分频式锁相环 分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有两种根本形式：谐波分

36、频环和数字分频环。有两种根本形式：谐波分频环和数字分频环。分频式锁相环原理图分频式锁相环原理图fiNPLLfo=fi/N（c）分频环简化图）分频环简化图VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波谐波形成形成（a）谐波分频环）谐波分频环VCOPDLPFfo=fi/NfiN（b）数字分频环）数字分频环9/17/202449 混频式锁相环混频式锁相环 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。 混频锁相环混频锁相环+PLLfi1fi2fo= fi1+ fi2（c）相加环简化图）相加环简化图-PLLfi1fi2fo= fi1- fi2（d）相减环简化图）相减环简化图PDLPFVCOM（）

37、（）fi1fi2fo= fi1+ fi2fo-fi2（a）相加混频环）相加混频环PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环）相减混频环fo= fi1- fi29/17/202450 多环合成单元多环合成单元 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，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。所以一个合成式信号源都是由多环合成单元组成。 双环合成器原理结构图双环合成器原理结构图（a） 双环合成器原理结构框图双环合成器原理结构框图fo= Nfi1+ fi2fi2fi1fo-Nfi1Nfi1倍频环倍频环加法混

38、频环加法混频环10KHz34005100KHzPD2LPF2VCO2M（）（）内插振荡器内插振荡器环环1环环2100110KHzVCO1PD1LPF1谐波谐波形成形成9/17/202451NPLLNfi1+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9/17/202452实例分析：实例分析：十进频率合成信号源十进频率合成信号源 该频率合成信号源采用十进锁相合成单元，输出频率通该频率合成信号源采用十进锁相合成单元，输出频率通过十进数字拨盘来选择。目前十进频率合成器已作为一个标过十进数字拨盘来选择。目前十进

39、频率合成器已作为一个标准频率源而获得广泛应用。准频率源而获得广泛应用。1十进频率合成器组成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的输出加到的输出加到合成单元合成单元DS-4，得到输出频率为，得到输出频率为101122MHz , 合成单元合成单元DS-3输出为输出为10192MHz， DS-3与与DS-4的输出频率加到混的输出频率加到混频器频器M进行相减，最后得到进行相减，最后得到200Hz30MHz的输出频率。的输出频率。 9/17/202453

40、十进锁相式频率合成信号源组成框图十进锁相式频率合成信号源组成框图频率合成单频率合成单元元基准频率基准频率十进数字拨十进数字拨盘盘内插频率源内插频率源DS-10-91HzDS-10-910HzDS-10-9100HzDS-10-91KHzDS-10-910KHzDS-20-9100KHzDS-40-210MHzDS-30-91MHz2122MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz1.21.3MHz内插振荡器01Hz1.21.3MHz9MHz100KHzM()10192MHz101122MHz200Hz30MHz5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHz

41、S1S2S3S4S55MHz1MHz9/17/2024541 1DS-1DS-1合成单元合成单元合成单元合成单元09VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz谐波谐波形成形成NfiM1()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N=1827基准基准9/17/2024552DS-2合成单元合成单元09VCOPDLPF1.82.7MHz100KHz谐波谐波形成形成NfiM1（）（）M2（）（）9MHz1.21.3MHz基准基准“10KHz”单元输出单元输出19.219.3MHz2122MHz倍频

42、环倍频环N=1827218MHz9/17/2024563DS-3合成单元合成单元09VCOPDLPF10192MHz1MHz谐波谐波形成形成Nfi倍频环倍频环N=10192fi9/17/2024574DS-4合成单元合成单元02PDLPFVCOM（）（）DS-2的输出的输出0：80MHz加法混频环加法混频环2122MHz101122MHz基准基准倍频环倍频环N=16,18,205MHzVCOPDLPF谐波谐波形成形成1：90MHz2：100MHz9/17/2024585输出频率的连续调节输出频率的连续调节n为了使输出频率连续可调，十进频率合成信号源中参加为了使输出频率连续可调，十进频率合成信号

43、源中参加了一个内插频率振荡器了一个内插频率振荡器 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+P01Hz9/17/2024591. DDS1. DDS组成原理组成原理直接数字合成直接数字合成Direct Digital Frequency Direct Digital Frequency SynthesisSynthesis的根本原理是基于取样技术和数字技的根本原理是基于取样技术和数字技术，通过数字合成方式生成频率和初始相位可调术，通过数字合成方式生成频率和初始相位可调的信号。的信号。三、直接数字频率合成三、直接数字频率合成

44、DDSDDS9/17/202460AD9850AD9850是美国是美国Analog DevicesAnalog Devices公司生产的公司生产的DDSDDS单片频率合单片频率合成器，在成器，在DDFSDDFS的的ROMROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按中已预先存入正弦函数表：其幅度按二进制分辨率量化；其相位一个周期二进制分辨率量化；其相位一个周期360360按按 的分辨率设立相位取样点，然后存入的分辨率设立相位取样点，然后存入ROMROM的相应地址中。的相应地址中。 9/17/2024612. 相位累加器原理相位累加器原理 当改变地址计数器计数步进值即以当改变地址计数器计数步进值即以k

45、k来进行累加，可来进行累加，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k相位累加器相位累加器fc波形存储波形存储ROMD/A转换转换LPFfoN位位 地址地址相位累加器原理相位累加器原理9/17/202462将正弦波波形看作一个矢量沿相位圆转动，相位圆对应正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。波形中的每个采样点对应相位圆上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

46、点。的一个相位点。 步进步进点数点数2564096655364294967296N8121632数字相位圆数字相位圆9/17/202463在系统时钟频率在系统时钟频率 的控制下，依次读取全部地址中的相位点，的控制下，依次读取全部地址中的相位点，则输出频率最低。因为这时一个周期要读取则输出频率最低。因为这时一个周期要读取2 23232相位点，点间相位点，点间间隔时间为时钟周期间隔时间为时钟周期T Tc c，则，则T Toutout=2=23232T Tc c AD9850 AD9850内部组成框图内部组成框图频率相位码寄存器频率相位码寄存器相位和相位和控制字控制字频率码频率码3232位位高速高速

47、DDSDDS码输入寄存器码输入寄存器并并 行行8 8位位55输入输入时钟输入时钟输入复位复位频率更新频率更新/ /寄存器复位寄存器复位码输入时钟码输入时钟串行串行1 1位位4040输入输入比较器比较器方波输出方波输出模拟输入模拟输入模拟输出模拟输出DACDAC复位复位地地V Vs s9/17/202464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一般表达式可得输出频率的一般表达式式中式中k k 为频率码，是个为频率码，是个32位的二进制值，可写成：位的二进制值，可写成： 输出频率为：输出频率为：032131

48、3023112222A1A1A1A1fout+=（）fc9/17/202465 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k k，参考时钟频率为，参考时钟频率为fcfc，那，那么么DDSDDS输出频率为：输出频率为：实际应用中一般取实际应用中一般取1M2N-2，即，即 9/17/2024663.3.单片集成化的单片集成化的DDSDDS信号源信号源 输出输出输出输出串串/并并选择选择6位地址或位地址或串行编程串行编程8位并行位并行数据数据FSK/BPSK/HOLD数据输入数据输入420参参考时钟倍考时钟倍乘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

49、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 偏偏移移/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 DDS结构结构+-9/17/2024671. 1. 三种频率合成方法的比较三种频率合成方法的比较频谱纯度好频谱纯度好100GHz(100GHz(微波微波) )ms ms 级级间接锁相间接锁相可得任意波形可

50、得任意波形300MHz300MHzss级级直接数字直接数字硬件电路复杂硬件电路复杂100MHz100MHzs s 级级直接模拟直接模拟主要特点主要特点最高工作频率最高工作频率速速 度度合成方法合成方法四、频率合成技术的进展四、频率合成技术的进展9/17/202468DDS/PLLDDS/PLL组合的频率合成信号源组合的频率合成信号源 DDS DDS与与PLLPLL组合的合成信号源有多种形式，以下图是一种组合的合成信号源有多种形式，以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frfcfofPfD基

51、基准准信信号号源源此时输出频率为：此时输出频率为：9/17/2024692 2、提高频率分辨力的方法、提高频率分辨力的方法1 1微差混频法微差混频法如果如果 当当 时时 PLL I（N1）PLL II（N2）M（）fi1fi2f09/17/202470 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VCOBPDBLPFBfBfiNBMVCOCPDCLPFCBPFfoVCOAPDALPFA+NAfANBPLLM PLLNAPLLfifo三环合成器简化框图三环合成器简化框图fAfB9/17/202471环环A A输出频率为输出频率为: :环环环环B B B B的输出频率为的输出频率为

52、的输出频率为的输出频率为: : : : 由环由环C,C,有：有： 因此，合成器的输出频率为因此，合成器的输出频率为 ：9/17/202472四环四环PLL合成器合成器9/17/2024739/17/202474其中：其中：所以：所以：，步，步进频进频率率为为9/17/202475 令令 N N= =1818 那么那么 平均分频系数平均分频系数 18.9 18.9 LPFLPFVCOVCOPDPDf fo o = =1890kHz1890kHzf f i i =100kHz=100kHz小数分频器小数分频器( (N+1N+1) )和和N N次次=18.9=18.9控制电路控制电路3 3小数分频法

53、小数分频法通过可变分频和屡次平均的方法可以实现小数分频。通过可变分频和屡次平均的方法可以实现小数分频。9/17/202476例例如如：要要实实现现4.34.3的的小小数数分分频频，只只要要在在1010次次分分频频中中作作7 7即即10-310-3次次除除4 4，3 3次次除除5 5就就可可以以得得到到。又又如如，要要实实现现7.327.32的的小小数数分分频频，只只要要在在每每100100次次分分频频中中作作6868100-32100-32次次除除7 7，3232次次除除8 8即可。即可。VCOPDLPFuifi=100KHzfouo小数分频器小数分频器(N+1)/N次分频次分频控制电路控制电

54、路9/17/202477VCOPDLPFuifiNfoN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OVFACCU小数分频器小数分频器(F-NPLL)工作原理工作原理写入小数值9/17/202478例例: : 利用利用F-NPLLF-NPLL实现分频比为实现分频比为4.34.3的过程的过程 假设分频比为假设分频比为4.3 ,4.3 ,那么在输入信号的那么在输入信号的1010个周期内，个周期内，输出信号为输出信号为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uiui各周期内，各周期内，累加器的值和其分频系数如下表所示。累加器的值和其分频系数如下表所示。序号序号123

55、45678910累加累加值值0.3 0.6 0.90.20.50.80.10.40.70分分频频系数系数4445445445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4.34.39/17/2024792 2、扩展频率上限的方法、扩展频率上限的方法扩展频率上限的方法扩展频率上限的方法: : 前置分频器法、倍频前置分频器法、倍频- -混频法、多模分频器法。混频法、多模分频器法。1 1前置分频器法前置分频器法 前置分频法是在反响回路加一个前置固定分频器，前置分频法是在反响回路加一个前置固定分频器，先将输出频率进行固定模数为先将输出频率进行固定模数为D D的分

56、频，然后再送到可的分频，然后再送到可编程分频器进行可变的分频。编程分频器进行可变的分频。 9/17/202480前置分频锁相频率合成器前置分频锁相频率合成器PDLPFVCOND模数控制模数控制fifo=DNfifd该方法使频率上限提高了该方法使频率上限提高了D倍，但频率分辨力下降了倍，但频率分辨力下降了D倍倍。9/17/202481 2 2倍频倍频- -混频法混频法fi1fi2fo=N fi1+ fi2PDLPFVCOM（）BPFN9/17/202482 3 3吞脉冲分频法吞脉冲分频法多模分频器多模分频器( (吞脉冲分频器吞脉冲分频器): ): 模值分频比可以在多个固定的值上改变的分频模值分频

57、比可以在多个固定的值上改变的分频器器 , ,称为吞脉冲分频器。多模分频器的最高工作频率虽称为吞脉冲分频器。多模分频器的最高工作频率虽不如固定的前置分频器高，但比可变分频器高得多。不如固定的前置分频器高，但比可变分频器高得多。9/17/202483在一次计数循环中，分频系数在一次计数循环中，分频系数N为为: : 双模分频锁相频率合成器双模分频锁相频率合成器PDLPFVCON1N2P/P+1fi双模分频器双模分频器模式控制模式控制0/1置初值置初值吞食计数器吞食计数器of= =N N fii21f )NN = ( + +P9/17/202484n在锁相环锁定的情况下在锁相环锁定的情况下 ，合成器输

58、出频率为：，合成器输出频率为： 此时双模分频器的工作频率为：此时双模分频器的工作频率为：fo分频器的工作频率为：分频器的工作频率为： f0 P分频器的工作频率为：分频器的工作频率为： f0 P 由上式可知，当由上式可知，当变化时，变化时，f fo o变化为变化为f fi i，即输出频，即输出频率分辨力为率分辨力为f fi i因此在保持频率分辨力不变的前提下提高因此在保持频率分辨力不变的前提下提高了合成器的最大输出频率。了合成器的最大输出频率。9/17/202485四、射频合成信号源数字调制信号源、矢量信号源四、射频合成信号源数字调制信号源、矢量信号源 “ “射频指能通过天线发射变为电磁波进行无

59、线传播的射频指能通过天线发射变为电磁波进行无线传播的信号频率。当今射频频率范围已做到信号频率。当今射频频率范围已做到10kHz110GHz10kHz110GHz。 高频信号发生器属射频信号发生器，其主振级是建立高频信号发生器属射频信号发生器，其主振级是建立在在LCLC振荡器根底上的模拟信号源。要用多波段来实现频率振荡器根底上的模拟信号源。要用多波段来实现频率覆盖，即使这样频率范围不宽，频率准确度和稳定度都满覆盖，即使这样频率范围不宽，频率准确度和稳定度都满足不了现在应用的要求，因此现代射频信号发生器建立在足不了现在应用的要求，因此现代射频信号发生器建立在频率合成技术根底上。频率合成技术根底上。

60、 上述三种频率合成技术，其中直接数字频率合成上述三种频率合成技术，其中直接数字频率合成(DDS)(DDS)使用方便，但目前工作频率只能做到几百使用方便，但目前工作频率只能做到几百MHzMHz，可用于主振，可用于主振级射频低端。高端那么采用锁相频率合成技术，选用适宜级射频低端。高端那么采用锁相频率合成技术，选用适宜的压控振荡器作主振器。的压控振荡器作主振器。9/17/2024861. 1. 射频合成信号发生器根本原理射频合成信号发生器根本原理 射频合成波形示意射频合成波形示意图图tDtBtAtC 射频合成信号发生器射频合成信号发生器原理原理AB中频调中频调制器制器调制信调制信号发生号发生器器CD

61、混频、带混频、带通滤波器通滤波器稳幅输出稳幅输出射频合成射频合成 本振本振9/17/2024871) 1)射频合本钱振即是主振器，因为在进行调制的过程中，主振射频合本钱振即是主振器，因为在进行调制的过程中，主振器处于混频器的本振位置，故此将它称为本振，是产生射频器处于混频器的本振位置，故此将它称为本振，是产生射频载波的根底。载波的根底。2) 2)2) 2) 直接对压控振荡器进行调制操作难度较大，且影响频率直接对压控振荡器进行调制操作难度较大，且影响频率的准确度。较好的方案是先将要调制的信号，调制到一中频的准确度。较好的方案是先将要调制的信号，调制到一中频上。这里以正弦调幅信号为例上。这里以正弦

62、调幅信号为例 3) 3)3) 3) 混频器输出频率分量很多，要用中心频率可调的带通滤混频器输出频率分量很多，要用中心频率可调的带通滤波器提取和频分量即以上变频输出，波形波器提取和频分量即以上变频输出，波形D D 。 4) 4)4) 4) 信号源输出幅度应保证稳定，故输出级中要设置有自动信号源输出幅度应保证稳定，故输出级中要设置有自动稳幅电路稳幅电路 。5) 5)5) 5) 将调制信号用上变频方式实现射频输出是射频合成信号将调制信号用上变频方式实现射频输出是射频合成信号发生器的一大特色。发生器的一大特色。 9/17/202488例：例：AV1485AV1485数字调制信号发生器数字调制信号发生器

63、 AV1485射频合成信号发生器原理组成框图射频合成信号发生器原理组成框图射频变换模射频变换模块块I/Q调制模块调制模块射频本振模块射频本振模块滤波稳幅输出模滤波稳幅输出模块块基带信号发生模基带信号发生模块块AV1485AV1485射频合成信号发生器是中囯电子科技集团公司第射频合成信号发生器是中囯电子科技集团公司第4141研究所研制的产品研究所研制的产品 。假设深入了解需要假设深入了解需要? ?数字通信数字通信? ?中的数字调制信号和调制电路中的数字调制信号和调制电路等根底知识，本课不讲了。等根底知识，本课不讲了。 频频率范率范围围250kHz4GHz频频率分辨率分辨率率0.01Hz功率范功率

64、范围围+7136dBm调调制功能制功能AM、FM、PM、和、和脉冲，脉冲，I/Q信号信号单边带单边带相位噪声相位噪声 -116dBc/Hz（1GHz，20kHz）9/17/202489例：例：QF1484QF1484矢量信号发生器矢量信号发生器QF14841484矢量信号发生器是成都前锋电子仪器厂的产品。矢量矢量信号发生器是成都前锋电子仪器厂的产品。矢量信号发生器简称矢量信号源，它以载波的幅度和相位的组合信号发生器简称矢量信号源，它以载波的幅度和相位的组合变化，来传送信息内容的射频源。变化，来传送信息内容的射频源。 输出输出 QF1484矢量合成信号源原理框图矢量合成信号源原理框图EXT INEXT INVCOVCO锁相合成及锁相合成及分频分频/倍频单元倍频单元数据产生单元低频段混低频段混频单元频单元参考本振参考本振程控衰减器程控衰减器Q路I路I/QI/Q调制单元调制单元AGC控控制制及及输输出出放放大大单单元元IQ基带处理单元基带处理单元9/17/2024909/17/202491