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发布于:2021-11-28 20:18:41

第3章 信号发生器

本章要点
测量用信号发生器,通常称为信号源。 信号源的功用、种类和主要性能指标 通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用 合成信号源的组成原理、特性和应用
频率合成技术的发展状况
射频率合成信号发生器(数字调制信号源、矢 量信号源)---新增内容

3.1 信号发生器概述
3.1.1 信号发生器的功用
1.作激励源 作为某些电气设备的激励信号。
2.信号仿真 在设备测量中,常需要产生模拟实际环境相同特 性的信号,如对干扰信号进行仿真。 3.校准源 产生一些标准信号,用于对一般信号源进行校准 (或比对)。



号 发

输入

被 测

输出

测 试



激励



响应









图3.1 信号源的功用

3.1.2 信号发生器的分类
专用----电视信号发生器、电*振荡器、误码仪 1. 按用途分 通用----产生正弦:波等通用波形

正弦----

t

2. 按波形分 脉冲----

t

t

函数----产生函数通用波形

t

噪声----

t

普通----功率大,频率、电压刻度不大准确,

3. 按性能分

用于天线测试等

标准----频率、电压刻度准确,屏蔽好,供计测用

4. 按频率产生办法分

谐振----由频率选择回路控制正反馈 产生振荡。
合成----由基准频率通过加、减、乘、 除组合一系列频率。

5. 按频率范围分

频段 低频 高频 微波

频率范围 1Hz~1MHz 1MHz~1GHz 1GHz~100GHz

主振电路
RC 电 路 LC电路
磁控管、体效 应管、……

调制方式 无
AM、FM AM、FM、PM

实用频段划

5超音0 %频 频

100 %音 频 36
%频 01亚%4

%频

表3.1 频段的划分

λ f (Hz)

1T
300G 100G
30G 10G
3G 1G
300M 100M

1mm 1cm 1dm 1m

10M

1M
300K 100K

1Km

10K

1K

100

10

0

频率与波长的关系
(λ=C/f,C=3×108m)

极高频 超高频 特高频 甚高频
高频 中高频
中频 低频 甚低频

毫米波 微
厘米波 波
分米波



米波



短波





中短波 中

中波



长波

超长波

通雷 达
信 电 视
通 信探
伤 加 广热 播
感 应 加 热
(应 用 )

名称
正弦波信 号

波形示意图









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*費Hz。

扫频信号
脉冲信号
U 0
数字信号

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。还有非线性的对数 扫频。
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。
t
可按编码要求产生0/1逻辑电*(多为TTL或ECL电*),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*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*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。

3.1.3 正弦信号发生器的性能指标

在各类信号发生器中,正弦信号发生器是最普通、应用最广泛 的一类,几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。
1. 频率范围
指信号发生器所产生信号的频率范围,该范围内既可连续又可 由若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)数值与实际输 出信号频率间的偏差,通常用相对误差表示

f f0 f 10% 0 (3.1)

f0

f0

3. 频率稳定度
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 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。

fmaxfmin10% 0 短期:15分钟内 (3.2)

f0

长期:3小时内

4.失真度与频谱纯度
定义 U22U32Un2 10% 0 U
U1
测量:低频信号发生器用失真系数
A
U22U32Un2 100%
U12U22Un2
高频信号发生器用频谱纯度
A
20lgUS 80~100dB Un

t
f US
Un f

5. 输出阻抗
低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为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5 kΩ等档
高频信号发生器一般仅有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,若 负载与信号源输出阻抗不相等,则信号源输出电压的读数是不 准确的。

6. 输出电*
输出电*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。

讨论: 信号源输出: 100mv

示波器显示:

200mv

为什么?

50Ω

50Ω,匹配时 100mv

信号发生器输出2电0压0m的v读数是在匹配不阻2不阻2负00匹抗匹抗00载配高配高mm时约时约vv的,11,MM条不不ΩΩ确确件,,知知下故。故。显示显示按示波示波正器器输输弦入入波 有效值标定的。

7.调制特性

高频信号发生器在输出正弦波的同时,一般还能输出一种或一

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

3.2 通用信号发生器
本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器, 以区别后面介绍的合成信号发生器。
基础课讲部件、单元电路如振荡器、放大器等单元 模拟电路
课程特点
专业课讲系统、整机的组成的框图原理、特点及实例
例:超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展, 但框图原理未变。
天线 高 放 混频器 中 放 检 波 低 放 功放
本振

3.2.1 低频信号发生器
电压指示

主振器

放大器

衰减器

输出

(a)

固定频率 f2=3.4000MHz 振荡器
混频器

f0=300Hz~1.7000MHz

滤波放大

衰减器

输出

可变频率
振荡器 f1=3.3997~5.1000MHz (b)

图3.3 低频信号源组成框图

频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示:

k f max f min

(3.7)

以通信中常用的某电*振荡器(实际上就是低频信号发生器)
为例,f1=3.3997MHz~5.1000MHz,f2=3.4000MHz,则 f0=300Hz~1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数

k0

1.70M 00H 6z13 0 30H0z

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

k1

5.10001.5 3.3997

可见,差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。

2. 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,易于调节,并且波形失真小和易于稳幅。

选频网络 0? 放大器 180? 放大器 180?

U0

振荡条件?

R1 A

C1

? 输出(f0)

C2

R2

R3

R1

文氏桥式振荡器是典型的RC正弦振荡器。其振荡频率决定于

RC式反馈网络的谐振频率,表达式为:

f0



1
2RC

(3.8)

在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的LC振荡器呢?这是

因为LC振荡器的频率决定于:

f0



2

1 LC

(3.9)

原因① 频率较低时,L、C 数值大,相应的体积、重量也相当 大,分布电容、漏电导等也都相应很大,而品质因数Q值降低
很多,谐振特性变坏,频率调节也困难。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。

原因②

在LC振荡器中

f


0

LC 成反比,因而同一波段内频率

覆盖系数很小。例如L固定,调节电容C改变振荡频率,设电容

器调节范围为40 pF~450pF,则频率覆盖系数为

kfmax Cmax 45 03 fmin Cmin 40

而用RC振荡器,由(3.8)式可知, f0与RC成反比,频率
覆盖系数为
kfmaxCmax45011 fmin Cmin 40
在一个波段内有较大的频率覆盖系数。 3.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指标的典型数据大致如下:
频率范围: 1Hz~1MHz分频段,均匀连续可调 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:0.5 W~5W 连续可调 输出阻抗:50Ω,75Ω,600Ω,5kΩ 输出形式:*衡输出与不*衡输出

3.2.2 高频信号发生器
1. 高频信号发生器的组成原理

可变 电抗器

主振级

缓冲级 调制级 输出级 输出

FM AM

电源

内外 内调制
振荡器

监测器 外调制输入
若语音调制则成小电台

图3.4 高频信号发生器原理框图
标准调制:F=1000Hz m=30%

l)主振级 主振级通常是LC三点式振荡电路,产生具有一定工作频率 范围的正弦信号。
三点式振荡器

高频信号发生器主振级的LC振荡器,通常是固定电感L,通过改变电容C
来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的,可通过下式进行估算:

1

....

k fmax 2 LCmin Cmax2~3

fmin

1

Cmin

Ln

L2 L1

C

2 LCmax

图3.4 LC回路

例3.1 XFC-6型高频信号发生器f =4 MHz~300MHz,
试问应划分几个波段?

k



300 75 4

k kn

lgknlgk

nlg k lg 75 1.87 7.3 58 (3.10) lg 0.9k lg 1.8 0.254

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。

L n1 k 2 Ln

(3.11)

2)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 标准调制:F=1000Hz m=30% 为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标,必须用已 调制正弦信号作为测试信号,这个任务在调制级中完成。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,一般 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
4)输出级
输出级可进一步控制输出电压的幅度,使最小输出电压达到μV 数量级。输出电*的调节范围宽,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。

2.高频信号发生器的使用 信号发生器是向外提供激励信号的仪器,使用比较简单容易。主
要调节输出频率和幅度,关键是注意其使用说明书上输出幅度 是如何标定的,然后才能正确读数。 1) 输出频率的读数 LC振荡器,通过调节电容来改变输出频率的,调节频率时来回 转动时其齿轮的回差会给频率读数带来误差,因此频率准确度 不太高,通常只有±1%左右。

2) 输出幅度的读数

输出电阻常取50、75、150、 600欧姆等数值

Rs
(输出阻抗)

Rs

RL
(负载)

UO

输出电压显示值均为阻抗匹配时

Us
(电动势)

Us

信号源输出端电压值:V、mV、

μV;或分贝电*dBm(分贝毫 (a)信号源等效模型

(b)加载等效电路

瓦)、dBV(分贝伏)的电压。

浮地

图3.6 信号源模型及加载等效电路

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, 若负载与信号源输出阻抗不相等,则信号源输出电压的读数 是不准确的。

Ri

R0

Ra

Ra

Ra

Rb

Rb

Rb

R0

Rb

RL

3)输出匹配变换器

信号源

阻抗 变换器

被测设备

Rs 50 Ω

R1 Rs

R3

RL

R2

RL

75 Ω

(a)

(b)

图3.8 阻抗匹配 美国夏威夷大学曾来电询问如何设计?

R2N 2 RSRL(141 N)41.8

R3 RL

1 R22 RSRL

R2

49

R1RS

1 R22 RSRL

R2

18.7

2l0 N g 2l0 3 g .1 6 1d0B

3.2.3 脉冲信号发生器

a
主振级

延迟级 c 形成级 d 整形级 e 输出级 f 主脉冲

外同步 b

同步输出 a

放大

外同步输入

T

t

b

t

t

U

c tz

Um δ

ΔU

0.9Um

0.5Um

τ

d

τ

0.1Um
0 tr

Δt tf

e tr

矩形脉冲的参数

f

U

3.2.4 函数信号发生器

正弦振荡器

缓冲级

放大级

输出级

方波形成

积分器

(a)

外触发输入

积分器

正弦波转 换电路

脉冲 触发器

施密特 触发器

放大器

(b)

(a)正弦式

(b)脉冲式

图3.12 函数信号发生器的基本组成

现在多用数字频率合成技术来实现函数信号发生器,待述

3.2.5 噪声发生器

噪声源

变换器

电*指示器

电源

输出衰减器
t

图3.14 噪声发生器的结构

3.3 合成信号发生器

信号源 通用信号源 合成信号源

主振级 频率准确度 频率稳定度

RC、LC振荡器 10-2量级 晶体振荡器 10-8量级

10-3~10-4 10-7量级

直接模拟频率合成法(DAFS ) ( Direct Analog Frequency Synthesis) 频率合成的方法 直接数字频率合成法(DDS ) ( Direct Digital Frequency Synthesis )
间接锁相式合成法

3.3.1 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 进行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, 且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。

1.固定频率合成法

晶体振荡器 fr ÷D

×N

fo

图3.15 固定频率合成法原理

图3.15为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供

基准频率f r,D为分频器的分频系数,N为倍频器的倍频系数。

因此,图3.15固定频率合成法输出频率 f 0为

f0



N D

fr

在式中,D和N均为给定的正整数。输出频率人为定值,所以

称为固定频率合成法。

2.可变频率合成法

10MHz

混频 带通

M
(+ )

10

13MHz

1M

2 2M
3 3 4 4

2.00~ 2.09MHz

2.000~

2.0000~

2.00000~

2.099MHz 2.0999MHz 2.099999MHz

÷10

÷10

÷10

÷10

+

fi1

+

+

fi2

+

+

fi3

+

+

fi4

+

fo

f1

f2

f3

f4

频率选择开关

F=16MHz

…… 辅助基准频率发生器

2.0~2.9MHz fr

2MHz

5MHz

图3.16 固定频率合成法原理

fi1 F f1 =[2+16+(2.0~2.9)]MHz=(20.0~20.9)MHz
f 0 =(2.00000~2.09999)MHz

直接模拟合成技术特点:
1)频率分辨力高 2)频率切换快 ----用于跳频通信对抗
(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)

3.3.2 直接数字频率合成法
直接数字合成法(DDS,Direct Digital Frequency Synthests)。它突破了频率合成法的原理,从“相位”的 概念出发进行频率合成。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 可以给出各种任意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无 法实现的。这里先讨论正弦波的合成问题,关于任意波形将 在后面进行讨论。
1.直接数字合成基本原理
三角波:+1、+1…… -1、-1……
方 波:0、0、…… 1、1、……

正弦波:预存正弦函数表,如图3.18。
2 实例说明(信号的频率关系): AD9850是美国Analog Devices公司生产的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 min2/232
的分辨率设立相位取样点,然后存入ROM的相应地址中。

实用中,改变读取ROM的地址数目,即可改变输出频率。若

在系统时钟频率 f c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232相位点,点间

间隔时间为时钟周期Tc,则

+Vs



时钟输入 复位

高速DDS

DAC复位 模拟输出

频率更新/ 寄存器复位

32位 频率码

相位和 控制字

频率相位码寄存器

码输入时钟

码输入寄存器

串行

并行

模拟输入

+ -

方波输出

比较器

1位×40输入 8位×5输入

图3.19 AD9850内部组成框图

Tout=232Tc

因此这时输出频率为

f out



fc 2 32

(3.16)

若隔一个相位点读一次,则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

f out

k

fc 232

(3.17)

式中k为频率码,是个32位的二进制值,可写成:

k A 3 2 3 1 1 A 3 2 3 0 0 ? ? ? A 1 2 1 A 0 2 0 (3.18) A 3, 1A 3, 0???A 1, A 0对应于32位码值(0或1)。为便于看
出频率码的权值对控制频率高低的影响,将(3.18)代入 (3.17)式得:
fou 2 tf1 cA 3 12 f2 cA 3 0???2 f3 cA 112 f3 cA 20 (3.19)

按AD9850允许最高时钟频率fc=125MHz来进行具体说明, 当A0=1,而A31,A30,…,A1均为0时,则输出频率最低,
也是AD9850输出频率的分辨率:

fou mtin2f3c24122M 954H 96 z0.7 02 2H 9 96 1z

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:

foutmax

fc 2

12562.5M Hz 2

应当指出,这时一周只有两个取样点,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。实际应用中,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,只要改变32位频率码值,则可得到所需要的频率,且频率
的准确度与时钟频率同数量级。

3. 任意波形发生器 (AWG)或任意函数发生器(AFG)
直接数字频率合成技术重要的特色,它可以产生任意波形。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,产生任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 按幅度相对值进行二进制量化, 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。对经常使用的定了“形” 的波形,可将数据固化于ROM 或存入非易失性RAM中,以便 反复使用。

A

R

P

T

U

Q

S

0

0.2 0.4 0.6 t(s)

图3.21 表格法示意图

2)数学方程法
用数学方程描述的波形,先将其方程(算法)存入计算机, 经过运算提供波形数据。
3)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 数据通过微机系统总线或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现象,例如雷电、地震及机器运转时 的振动等现象都是无规律的,甚至一去不复返。为了研究这些 问题,就要模拟这些现象的产生。在过去只能采用很复杂的方 法来实现,现在采用任意波形产生器则方便得多了。国内外已 有多种型号的任意波形产生器可供选用。

任意波形发生器的主要技术指标
1) 任意波形长度或波形存储器容量:因为任意波形发生器的 波形实质上是由许多样点拼凑出来的,样点多则可拼凑较 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。容量越大,存储的点数越多,表现波形随时间变 化的内容越丰富,当然存储器的成本也相应提高。 曾经提出一些技术或算法用来节省波形存储器容量。
2) 采样率:通常将A/D对模拟信号采样的时钟频率称为采样率。 在AWG中是指D/A从波形存储器中读取数据的时钟频率。因 此,将A/D或D/A转换的时钟频率都称作采样率。在AWG中 可以这样理解,采样率中的“采样”不是从波形采集,而是 从波形存储器中“采集”。
3) 幅度分辨率---表现幅度细小变化的程度,它主要取决于 DAC的位数 ,通常幅度分辨率取10位或略高 。
4) 通道数 ---可实现 2 至多路的任意波形发生器。

石家庄无线电四肖厂生产的 DDS函数信号发生 器

例如HP33120A函数/任意波形发生器可以产生10种标准波形 和任意波形,采样速率为40MS/s,输出最高频率15MHz (正弦波),波形幅度分辨力为12位。
HP33120A

3.3.3 间接合成法

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。
1.基本锁相环路

基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。

ud

f

f i PD LPF VCO (a)
(a) 锁相环

fo

o

Δφ

(b) (b) PD的鉴相特性

fo

o

ud

(c)

(c) VCO的压控特性

开始:f0≈fi→PD →LPF →VCO 最后: f0=fi

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
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3.22(b)所示。

基本锁相环只能输出一个频率,而作为信号源必须要能输出 一系列频率。
2.锁相环的几种基本形式 1)倍频锁相环

PD

LPF

fi

1MHzi

f o /N

÷N

VCO

f o =Nfi 10MHzi

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=fi
② 从等式中解出输出频率: fo Nfi

重点掌握

脉冲倍频环

Nf i

fi

PD

LP

F

脉冲形成 Nf i

VCO

f o =Nfi

2)分频锁相环

fi 1MHz PD
Nf i

LPF ×N

VCO
f o = fi/N 100kHz

① 根据PD两输入频率相等列出等式: fi=Nfo ② 从等式中解出输出频率: fo fi /N

脉冲分频环

fi PD

LPF

Nf o

VCO f o

fo fi /N

3)混频锁相环

f i1 1MHz

PD

LP

f 0 +f i 2

BPF

VCO M+

f o=| f i1 -f i2|
=1000-100
=900kHz

fi2 混频器 =100kHz

① fi1f0fi2

② fo fi1-fi2

3. 频率合成单元 1)组合环 一个典型的组合环及其输出频率,如图所示。

fi

÷N1

PD

÷N2

LPF VCO

f o =—NN1f2i

因为 所以

fi /N1fo/N2

fo

N2 N1

fi

2)多环合成单元
晶振
fi

Nfi1
PD

倍频环 混频环

fo1
M(-)

内插振荡器

fo2 fo1
PD
f i2

LPF VCO1 VCO2 LPF

图3.27 双环合成单元

由倍频环可得 fo1 Nfi1
由混频环可得 : 因为 fo2 fo1 fi2
所以 fo2 Nfi1fi2

f o 1=Nfi1 f o 2=Nfi1+fi2
同轴
(3.22) (3.23)

3)十进合成单元

100KHz

基准

DS-11

9MHz

DS-12

DS-13

DS-14

DS-15

0~9 ×1Hz

0~9

0~9

0~9

×10Hz ×100Hz ×1KHz

0~9 ×10KHz

图3.29 DS-1合成单元的级联
频率范围为 1.200000MHz~1.299999MHz 4)可程控合成单元

fi

PD

LPF



VCO

fo

D/A

可程控 分频器

频率控制数码

图3.30 可程控合成单元

3.3.4 频率合成技术的进展
1. 三种合成方法的比较

合成方法 速 度 最高工作频率

主要特点

直接模拟 μs 级 100MHz

硬件电路复杂

直接数字 μs级 300MHz

可得任意波形

间接锁相 ms 级 100GHz(微波) 频谱纯度好

2. 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行差频混频,如图3.31

所示。混频器的输出频率为
fo fi1fi2

fi1 fi2

M (-)

fo

图3.31 微差混频原理

在微差混频法中,由于参与混频的两个信号频率十分接*, 所以分辨力得到提高。但是当这两个频率很接*时,在混频 器工作中频率牵引现象也很严重,且很难解决。

2)多环合成法

fr
10Hz

N1 fr 0.1N1 fr
20Hz 2Hz

PLL1

1

M

(N1=2)

10

(+)

PLL2

N2 fr
100Hz

(N2=10)

fo= (N2+0.1N1)fr =(10+0.2)10Hz =102Hz

3)小数合成法

fi

PD

=100kHz

LPF VCO
小数分频器 (N+1)和N次
=18.9

fo
=1890kHz

控制电路

令 N=18

则 *均分频系数 19918118.9 91

若要*均分频系数=18.6,怎么控制?

19618418.6 91

3. 扩展频率上限的方法

前题条件:VCO能工作在很高频率(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

fo=D N fi




fi

PD

8MHz

LPF

VCO

f o =DN f i == 8GHz

÷N

÷D

10

100

图3.34 前置分器的锁相环

2)倍频混频法

fi 10MH
z

PD

LPF VCO

(f o - fi2) N

÷N 10

BPF

M (-)

fi2 1MHz
图3.35 倍频—混频环

fo = Nfi1+fi2 =101MHz

3)吞脉冲分频法
吞脉冲分频法是在锁相环的反馈支路中加入吞脉冲分频器, 这时锁相环的组成如图3.36所示。

教材上 少箭头

频率合成器集成 电路

晶 体 参考分频 PD

振荡器

fi

÷N1

÷N2 吞食计数器

LPF VCO
模式控 制 1/0 双模分频器 ÷P/(P+1)

f o =(PN1+N2)fi

÷11/10

图3.36 吞脉冲分频法频率合成器原理框图

在一次计数循环开始时,计数器开始计数,“模式控制”信
号为“1”,双模分频器分频系数为11;当N2计数器溢出后
“模式控制”信号就为“0”,双模分频器分频数为10。例
如设N2=4,则双模分频器分频系数有4次为11,而后为10, 直至N计数结束,控制信号再恢复为“1”。由于在N2计数 期间双模分频器要多计一个脉冲,就认为由于N2而吞食了
一个被计数的脉冲,因此称为吞食计数器。

N=(P+1)N2+(N1-N2)P=PN1+N2



N=PN1+ N2

在前述讨论中,P=10,因此得

(3.30)

N=10N1+N2

吞脉冲分频器小结如下:
(1)双模分频器的分频系数为P/(P+1),对于N1和N2两 个分频器,分频系数的设置必须N1>N2,例如,N2=0~9, 那么N1至少为10; (2)由N1和N2可以求得 Nmin和Nmax的范围。
例3.2 P=10,N1=10,N2=0~9,则Nmin=100;若设 N1=10~19,则Nmax=199。
例3.3 P=100,N1=100~199,N2=0~99,则 N=PN1+N2=100(100~199)+0~99
=10000~20199。 (3)吞脉冲分频器可以提高锁相环的输出频率上限。

3.4 射频合成信号发生器(数字调制信号源、矢量信号源)
所谓“射频”是指能通过天线发射变为电磁波进行无线传 播的信号频率。当今射频频率范围很宽,有的已做到 10kHz~110GHz。
前面介绍的高频信号发生器属射频信号发生器,其主振级 是建立在LC振荡器基础上的模拟信号源。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 都满足不了现在应用的要求,因此现代射频信号发生器要建 立在频率合成技术基础上。
上面介绍的三种频率合成技术,其中数字直接频率合成 (DDS)使用方便,但目前工作频率只能做到几百MHz,可用 于主振级射频低端。高端则采用锁相频率合成技术,选用合 适的压控振荡器作主振器。

作为射频信号发生器主振级只产生载波,各种传送信号要靠调 制级实现。为了满足实用要求现代射频信号发生器应能方便实 现模拟、数字、矢量等多种调制方式。相应地用数字信号调制 的称为数字调制信号源;调制信号中包含幅度和相位信息的称 为矢量信号源;使频率快速跳变的称为频率捷变信号源
3.4.1 射频合成信号发生器基本原理

射频合成 本振

C 混频、带 通滤波器
B 中频调
制器

稳幅输出 D

A 调制信 号发生 器
图3.36(a) 射频合成信号发生器原理

A t
B t
C
t
D
t
图3.36(b) 射频合成波形示意图

原理要点:
1) 射频合成本振即是主振器,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 载波的基础。
2) 直接对压控振荡器直接进行调制操作难度较大,且也影响频 率的准确度。较好的方案是采用图中的方法,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
3) 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D 。
4) 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 。
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发生 器的一大特色。

3.4.2实例 1 :AV1485数字调制信号发生器

AV1485射频合成信号发生器是中囯电子科技集团公司第41

研究所研制的产品 。

频率范围 250kHz~

射频本振模块

射频变换模 块

滤波稳幅输出模 块

4GHz
频率分辨 0.01Hz 率

I/Q调制模块

功率范围 +7~136dBm

基带信号发生模 块
图3.37 AV1485射频合成信号发生器原理组成框图

调制功能
单边带 相位噪声

AM、FM、 PM、和 脉冲, I/Q信号
< -116dBc/Hz (1GHz,
20kHz)

若深入了解需要《数字通信》中的数字调制信号和调制电 路等基础知识,本课不讲了。

3.4.3实例 2:QF1484矢量信号发生器 QF1484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,它是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。

VCO锁相合成及 分频/倍频单元

I/Q调制单元

低频段混 频单元

I

Q





EXT IN IQ基带处理单元 参考本振

AGC 控 制 及 输出放大单 元
程控衰减器

数据产生单元

输出

图3.39 QF1484矢量合成信号源原 理框图


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