電子測(cè)量原理第五章ppt課件

1、第五章第五章 信號(hào)源信號(hào)源一、引言一、引言1.用途用途(1)鼓勵(lì)源鼓勵(lì)源例如例如:鼓勵(lì)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音鼓勵(lì)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音(2)信號(hào)仿真信號(hào)仿真例如例如:高頻干擾信號(hào)需求對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)展高頻干擾信號(hào)需求對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)展仿真仿真(3)校準(zhǔn)源校準(zhǔn)源2.2.分類分類信號(hào)源分為通用和公用兩大類信號(hào)源分為通用和公用兩大類, ,這里只討論通用信號(hào)源這里只討論通用信號(hào)源正弦信號(hào)源正弦信號(hào)源函數(shù)信號(hào)源函數(shù)信號(hào)源脈沖信號(hào)源脈沖信號(hào)源恣意波形信號(hào)源恣意波形信號(hào)源按輸出波形分按輸出波形分超低頻信號(hào)源超低頻信號(hào)源(0.00011000HZ)低頻信號(hào)源低頻信號(hào)源(1HZ20K/1MHZ)視頻信號(hào)源視頻信號(hào)源 (20HZ10MH

2、Z)高頻信號(hào)源高頻信號(hào)源(200KHZ30MHZ)甚高頻信號(hào)源甚高頻信號(hào)源(30M300MHZ)超高頻信號(hào)源超高頻信號(hào)源 300MHZ以上以上射頻信號(hào)源射頻信號(hào)源 1GHZ以上以上按信號(hào)產(chǎn)生方法分按信號(hào)產(chǎn)生方法分調(diào)幅調(diào)幅AM調(diào)頻調(diào)頻FM脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制PM按調(diào)制類型分按調(diào)制類型分諧振法諧振法合成法合成法3.3.主要技術(shù)目的正弦信號(hào)源主要技術(shù)目的正弦信號(hào)源(1)(1)頻率范圍頻率范圍 (2)(2)頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度 低頻信號(hào)源低頻信號(hào)源: (13)%, 10-3 : (13)%, 10-3 ； 高頻信號(hào)源高頻信號(hào)源: (0.51)%, 10-310-4: (0.51)%, 10

3、-310-4(3)(3)非線性失真和頻譜純度非線性失真和頻譜純度非線性失真表征低頻信號(hào)源輸出波形的好壞，非線性失真表征低頻信號(hào)源輸出波形的好壞，(0.11)%(0.11)%頻譜純度表征高頻信號(hào)源輸出波形的質(zhì)量頻譜純度表征高頻信號(hào)源輸出波形的質(zhì)量( (高次諧波，非諧波高次諧波，非諧波(4)(4)輸出電平調(diào)理范圍輸出電平調(diào)理范圍 普通輸出電平不高，但調(diào)理范圍較寬，可達(dá)普通輸出電平不高，但調(diào)理范圍較寬，可達(dá)(5)(5)輸出電平準(zhǔn)確度輸出電平準(zhǔn)確度 普通在普通在310310% % (6)(6)輸出電平穩(wěn)定度和平坦度輸出電平穩(wěn)定度和平坦度 輸出電平穩(wěn)定度指輸出電平隨時(shí)間變化的情況，輸出電平穩(wěn)定度指輸出電

4、平隨時(shí)間變化的情況， 平坦度指調(diào)理頻率時(shí)輸出電平的變化情況。平坦度指調(diào)理頻率時(shí)輸出電平的變化情況。710(7)(7)輸出阻抗輸出阻抗 低頻信號(hào)源：低頻信號(hào)源：5050，600 600 ，5000 5000 高頻信號(hào)源：高頻信號(hào)源：5050，75 75 (8)(8)調(diào)制類型：調(diào)制類型：AM, FM, PM, VM AM, FM, PM, VM (9)(9)調(diào)制頻率及其范圍：調(diào)制頻率及其范圍： 調(diào)幅：調(diào)幅：400Hz, 1000Hz; 400Hz, 1000Hz; 調(diào)頻：調(diào)頻：10110kHz10110kHz(10)(10)調(diào)制系數(shù)的有效范圍：調(diào)制系數(shù)的有效范圍：080%080%(11)(11)調(diào)

5、制系數(shù)的準(zhǔn)確度調(diào)制系數(shù)的準(zhǔn)確度: : 普通優(yōu)于普通優(yōu)于10% 10% (12)(12)調(diào)制線性度調(diào)制線性度: 1%5%: 1%5%(13)(13)寄生調(diào)制：應(yīng)低于寄生調(diào)制：應(yīng)低于-40dB-40dB4、信號(hào)源的開展過(guò)程及現(xiàn)狀：、信號(hào)源的開展過(guò)程及現(xiàn)狀：1928年，第一臺(tái)射頻信號(hào)源；年，第一臺(tái)射頻信號(hào)源；20世紀(jì)世紀(jì)30年代，低頻信號(hào)源；年代，低頻信號(hào)源；20世紀(jì)世紀(jì)40年代，脈沖信號(hào)源；年代，脈沖信號(hào)源；1962年，函數(shù)發(fā)生器；年，函數(shù)發(fā)生器；20世紀(jì)世紀(jì)60年代，合成信號(hào)發(fā)生器；年代，合成信號(hào)發(fā)生器；20世紀(jì)世紀(jì)80年代，恣意波形發(fā)生器；年代，恣意波形發(fā)生器；0112212fRC R C二、

6、低頻及高頻信號(hào)源二、低頻及高頻信號(hào)源1.低頻信號(hào)源低頻信號(hào)源 信號(hào)源由主振和和輸出兩部分組成。信號(hào)源由主振和和輸出兩部分組成。主振部分為主振部分為RC振蕩器，由文氏電橋和兩級(jí)振蕩器，由文氏電橋和兩級(jí)放大器組成如圖放大器組成如圖5-1所示所示R1和和R2用于細(xì)調(diào)頻率，用于細(xì)調(diào)頻率，C1和和C2用于粗調(diào)頻用于粗調(diào)頻率率2.2.高頻信號(hào)源高頻信號(hào)源 高頻信號(hào)的頻率范圍在高頻信號(hào)的頻率范圍在30kHz30kHz1GHz1GHz之間；之間； 高頻信號(hào)的組成如圖高頻信號(hào)的組成如圖5-25-2所示所示, ,其中主振級(jí)其中主振級(jí)為為L(zhǎng)CLC振蕩器振蕩器, ,內(nèi)調(diào)制振蕩器用于產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)內(nèi)調(diào)制振蕩器用于產(chǎn)生調(diào)制

7、信號(hào)3.3.脈沖信號(hào)源脈沖信號(hào)源 通用脈沖信號(hào)源的組成如圖通用脈沖信號(hào)源的組成如圖5-35-3所示。所示。組成：組成： 主振極通常采用射極耦合自激多諧振蕩器；主振極通常采用射極耦合自激多諧振蕩器； 延遲級(jí)使主脈沖產(chǎn)生延遲，可以使同步脈沖超延遲級(jí)使主脈沖產(chǎn)生延遲，可以使同步脈沖超前主脈沖一段時(shí)間；前主脈沖一段時(shí)間； 構(gòu)成級(jí)用于調(diào)理輸出脈沖的寬度。構(gòu)成級(jí)用于調(diào)理輸出脈沖的寬度。 4.4.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1.1.原理原理 以某種波形為第一波形以某種波形為第一波形, ,然后導(dǎo)出其它波形。如然后導(dǎo)出其它波形。如今比較流形的方案是先產(chǎn)生三角波，然后產(chǎn)生其他今比較流形的方案是先產(chǎn)生三角波，然后產(chǎn)

8、生其他波形，這種方案的框圖如圖波形，這種方案的框圖如圖5-45-4所示。所示。2.2.函數(shù)發(fā)生器的典型電路函數(shù)發(fā)生器的典型電路1)1)三角波產(chǎn)生電路三角波產(chǎn)生電路圖圖5-5 三角波產(chǎn)生電路三角波產(chǎn)生電路圖圖5-6 5-6 三角波產(chǎn)生原理三角波產(chǎn)生原理充電電流是充電電流是I1,所以有所以有:10IVtC三角波期從三角波期從E上升到上升到112 E CTI三角波期從下降到三角波期從下降到E222 E CTI001tVidtC三角波的周期為三角波的周期為121222E CE CTTTII對(duì)稱三角波：對(duì)稱三角波：1212IIITT4 E CTI14IfTE C討論：討論：I1=I2 I1=I2 時(shí)可以

9、得到對(duì)稱三角波，改動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)可以得到對(duì)稱三角波，改動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，改動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)粗調(diào)，改動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào); ;積分電容一定，越小，輸出信號(hào)的頻率越低積分電容一定，越小，輸出信號(hào)的頻率越低; ;I1I1和和I2I2不等時(shí)，調(diào)理不等時(shí)，調(diào)理I1I1或或I2I2可以改動(dòng)三角波可以改動(dòng)三角波的不對(duì)稱度的不對(duì)稱度; ;4 4三角波的幅度取決于三角波的幅度取決于+E+E和和E E，假設(shè)兩者幅度相等，假設(shè)兩者幅度相等，可得到幅度對(duì)稱的波形?？傻玫椒葘?duì)稱的波形。2 2正弦波構(gòu)成電路正弦波構(gòu)成電路1 1用二極管組成的正弦波構(gòu)成電路用二極管組成的正弦波構(gòu)成電路 在圖在圖5-75-7中用二極管和電阻構(gòu)成三角波的

10、中用二極管和電阻構(gòu)成三角波的“限限幅電路，它實(shí)踐上是由輸入三角波控制的可變分幅電路，它實(shí)踐上是由輸入三角波控制的可變分壓器。壓器。 當(dāng)三角波的瞬時(shí)電壓上升到當(dāng)三角波的瞬時(shí)電壓上升到1125AiAAARVERRR 時(shí)，時(shí)，D1A 導(dǎo)通，這時(shí)輸出電壓導(dǎo)通，這時(shí)輸出電壓為為1111AoiARRVVRRR 12125AAiAAARRVERRR 隨著三角波電壓值不斷上升隨著三角波電壓值不斷上升 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)這時(shí)輸出電壓為這時(shí)輸出電壓為11221122()()AAoiAARRRRVVRRRRR 此時(shí)的分壓比此時(shí)的分壓比 小于小于 之前僅之前僅D1A導(dǎo)通時(shí)的分壓比。導(dǎo)通時(shí)的分壓比。 隨著隨著Vi不斷上升，二極

11、管不斷上升，二極管D3A、D4A相繼導(dǎo)通相繼導(dǎo)通, 分壓比分壓比進(jìn)一步減小。進(jìn)一步減小。除了除了D1AD1A導(dǎo)通，導(dǎo)通，D2AD2A也開場(chǎng)導(dǎo)通。也開場(chǎng)導(dǎo)通。負(fù)半周：負(fù)半周： 類似的，類似的， D1B D1B、 D2B D2B、 D3B D3B、 D4B D4B 在輸入逐漸減小在輸入逐漸減小的過(guò)程中相繼導(dǎo)通，輸出與輸入的分壓比逐漸減?。坏倪^(guò)程中相繼導(dǎo)通，輸出與輸入的分壓比逐漸減小； D1B D1B、 D2B D2B、 D3B D3B、 D4B D4B 在輸入逐漸增大的過(guò)程中相在輸入逐漸增大的過(guò)程中相繼截止，輸出與輸入的分壓比逐漸增大。繼截止，輸出與輸入的分壓比逐漸增大。三角波三角波- -正弦波的

12、變換：正弦波的變換： 實(shí)踐是用實(shí)踐是用1616條線段逼近條線段逼近斜降期：隨著三角波電壓值不斷下降，斜降期：隨著三角波電壓值不斷下降，二極管二極管D4A、 D3A、 D2A 、 D1A 又依次截止，又依次截止， 輸出與輸入的分壓比又逐漸增大。輸出與輸入的分壓比又逐漸增大。3.3.集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 典型芯片是典型芯片是5G8038,5G8038,電路組成如圖電路組成如圖5-85-8所示所示 該芯片產(chǎn)生的三角波的頻率為該芯片產(chǎn)生的三角波的頻率為: :015(1)32BATABfRR CRR其中設(shè)其中設(shè)1224,55CCABEEEEE IIRR 假設(shè)假設(shè)RA = RB = RT，

13、那么，那么 TT0CR3 . 0f (1)(1)假設(shè)改動(dòng)假設(shè)改動(dòng)RARA和和RBRB的比值的比值, ,可以輸出非對(duì)稱三角波或鋸齒波可以輸出非對(duì)稱三角波或鋸齒波 ; ;(2)(2)在在RSRS觸發(fā)器的輸出觸發(fā)器的輸出Q Q端后接緩沖器端后接緩沖器2 2可以從引腳可以從引腳9 9輸出方波輸出方波或脈沖波或脈沖波; ;(3)(3)三角波在緩沖器三角波在緩沖器1 1后經(jīng)過(guò)正弦波變換電路就可以輸出正弦后經(jīng)過(guò)正弦波變換電路就可以輸出正弦波波; ;(4)(4)在引腳在引腳7 7輸入調(diào)頻電壓輸入調(diào)頻電壓, ,引腳引腳8 8外接適當(dāng)控制信號(hào)控制外接適當(dāng)控制信號(hào)控制I1I1、I2I2可以使輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)掃頻或調(diào)頻可

14、以使輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)掃頻或調(diào)頻. . 以以5G80385G8038為中心接入少量外部元件就可以構(gòu)成一個(gè)適用為中心接入少量外部元件就可以構(gòu)成一個(gè)適用的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，原理電路如圖的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，原理電路如圖5 59 9所示。所示。三、合成信號(hào)源三、合成信號(hào)源以以RC、LC為主振的信號(hào)源：為主振的信號(hào)源：頻率準(zhǔn)確度：頻率準(zhǔn)確度： ，頻率穩(wěn)定度：，頻率穩(wěn)定度： 石英晶振：石英晶振：頻率穩(wěn)定度：頻率穩(wěn)定度：頻率合成技術(shù)：頻率合成技術(shù)：對(duì)一個(gè)或幾個(gè)高穩(wěn)定度頻率進(jìn)展加、對(duì)一個(gè)或幾個(gè)高穩(wěn)定度頻率進(jìn)展加、減、乘、除的頻率運(yùn)算，得到一系列所要求減、乘、除的頻率運(yùn)算，得到一系列所要求的頻率。的頻率。合成信號(hào)源：合成

15、信號(hào)源：采用頻率合成技術(shù)的信號(hào)源。采用頻率合成技術(shù)的信號(hào)源。4310 10210日/108合成信號(hào)源主要技術(shù)目的合成信號(hào)源主要技術(shù)目的: :1 1頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度 取決于內(nèi)部基準(zhǔn)源取決于內(nèi)部基準(zhǔn)源, ,普通可達(dá)普通可達(dá)10-8/10-8/日日2 2頻率分辨力頻率分辨力 合成信號(hào)源的分辨力較好合成信號(hào)源的分辨力較好, ,可達(dá)可達(dá)(0.01(0.0110)Hz10)Hz3 3相位噪聲：信號(hào)相位的隨機(jī)變化相位噪聲：信號(hào)相位的隨機(jī)變化4 4相位雜散：頻率合成時(shí)產(chǎn)生的寄生頻率分量相位雜散：頻率合成時(shí)產(chǎn)生的寄生頻率分量5 5頻率轉(zhuǎn)換速度：頻率轉(zhuǎn)換速度： 直接合成：微秒級(jí)別；直接合成：微

16、秒級(jí)別； 間接合成：毫秒級(jí)別；間接合成：毫秒級(jí)別；四、間接合成信號(hào)源的根本原理四、間接合成信號(hào)源的根本原理 間接合成法是基于鎖相環(huán)間接合成法是基于鎖相環(huán)(PLL)的的原理原理鎖相環(huán)鎖相環(huán)鑒相器鑒相器 fr (PD)低通濾波器低通濾波器 (LPF)壓控振蕩器壓控振蕩器 (VCO)輸出頻率輸出頻率0f環(huán)路穩(wěn)定時(shí)環(huán)路穩(wěn)定時(shí)0rff圖圖5-11(a)5-11(a)中中, ,反響支路接入反響支路接入N N分頻器分頻器, ,所以環(huán)路穩(wěn)定時(shí)所以環(huán)路穩(wěn)定時(shí)0rffN0rfNf即即: :圖圖5-11(b)5-11(b)中基準(zhǔn)頻率首先被構(gòu)成窄脈沖中基準(zhǔn)頻率首先被構(gòu)成窄脈沖, ,再以再以N N次諧波作用次諧波作用于

17、鎖相環(huán)于鎖相環(huán), ,因此有因此有分頻式鎖相環(huán)分頻式鎖相環(huán)同樣對(duì)圖同樣對(duì)圖5-12(a)5-12(a)和圖和圖(b)(b)都可以得到都可以得到0rfNfu倍頻式鎖相環(huán)倍頻式鎖相環(huán)(NPLL)01rffNu混頻式鎖相環(huán)混頻式鎖相環(huán)u圖圖5-135-13為混頻式鎖相環(huán)。為混頻式鎖相環(huán)。u混頻器后加一帶通濾波器以消除由于混頻作用而引入的混頻器后加一帶通濾波器以消除由于混頻作用而引入的組合干擾組合干擾, ,提高合成信號(hào)的頻譜純度。提高合成信號(hào)的頻譜純度。u環(huán)路穩(wěn)定時(shí)有環(huán)路穩(wěn)定時(shí)有 fo fo fr2 = fr1fr2 = fr1u即即: fo = fr1: fo = fr1fr2fr2u在圖中混頻器假設(shè)

18、取在圖中混頻器假設(shè)取“為和頻混頻為和頻混頻, ,相應(yīng)地相應(yīng)地“為差頻為差頻混頻?；祛l。u小結(jié)小結(jié): :u(1)(1)鎖相環(huán)的輸出信號(hào)是基準(zhǔn)頻率經(jīng)有關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式的運(yùn)鎖相環(huán)的輸出信號(hào)是基準(zhǔn)頻率經(jīng)有關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式的運(yùn)算結(jié)果算結(jié)果; ;u(2)(2)表達(dá)式中的運(yùn)算符號(hào)正好與運(yùn)算電路的相反；表達(dá)式中的運(yùn)算符號(hào)正好與運(yùn)算電路的相反；u(3)(3)數(shù)字環(huán)的數(shù)字環(huán)的N N值可以借助微處置器實(shí)現(xiàn)程控設(shè)定。值可以借助微處置器實(shí)現(xiàn)程控設(shè)定。12NN02122()iifNffNf假設(shè)假設(shè)那么那么輸出頻率的分辨力就是輸出頻率的分辨力就是f f。由于混頻的兩個(gè)頻率很接近，所。由于混頻的兩個(gè)頻率很接近，所以分辨力得到提高

19、。以分辨力得到提高。2 2多環(huán)合成法多環(huán)合成法 在混頻式鎖相環(huán)中，假設(shè)混頻器的輸入信號(hào)頻率在混頻式鎖相環(huán)中，假設(shè)混頻器的輸入信號(hào)頻率fi2fi2可可變，且變化的增量很小，小于變，且變化的增量很小，小于fi1fi1，那么可以提高頻率分，那么可以提高頻率分辨力。可變的辨力。可變的fi2fi2是由另一個(gè)鎖相環(huán)產(chǎn)生的，如圖是由另一個(gè)鎖相環(huán)產(chǎn)生的，如圖5-265-26所所示。示。由鎖相環(huán)由鎖相環(huán)有：有：由鎖相環(huán)由鎖相環(huán)有：有：所以所以0112rrfN ff222rrNffD20112rrNfN ffD頻率分辨力為頻率分辨力為 fr2 fr2/D /D ，假設(shè)要進(jìn)一步提高頻率分辨力，假設(shè)要進(jìn)一步提高頻率分

20、辨力，可以采用三環(huán)等多環(huán)合成方法?？梢圆捎萌h(huán)等多環(huán)合成方法。例：設(shè)計(jì)一鎖相頻率合成器，輸出頻率范圍為例：設(shè)計(jì)一鎖相頻率合成器，輸出頻率范圍為0.10.113099999.9Hz,13099999.9Hz,步進(jìn)頻率為步進(jìn)頻率為0.1Hz,0.1Hz,基準(zhǔn)頻率為基準(zhǔn)頻率為100kHz.100kHz.解解: 0 13000000 Hz (0130)100k + 0 99000 Hz (099)100k100+ 0.1 9.9 Hz (099)100k10000000.1 13099999.9 Hz + 0 990 Hz (099)100k10000 PD1M1N1(0130)VCO11rf0f10

21、0kHz PD2M2N2(099)VCO21rfD(100) PD3M3N3(099)VCO31rfD(100) PD4N4(099)VCO41rfD(100)3)3)小數(shù)合成法小數(shù)合成法器具有小數(shù)部分的倍頻鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)器具有小數(shù)部分的倍頻鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn) 小數(shù)分頻技術(shù)圖小數(shù)分頻技術(shù)圖5-285-28在鎖相環(huán)中在鎖相環(huán)中VCOVCO至至N N之間插入一個(gè)脈沖刪除電路，設(shè)之間插入一個(gè)脈沖刪除電路，設(shè)F=0.1,F=0.1,累加器的起始值為累加器的起始值為0,0,那么經(jīng)過(guò)那么經(jīng)過(guò)1010次累加次累加, ,全加器溢出全加器溢出, ,產(chǎn)生產(chǎn)生一次一次(N+1)(N+1)分頻分頻, ,其它其它9 9次均為次均為

22、N N分頻分頻, ,因此因此: :09(1)(0.1)10.1rrrNNffNfNf例例: : 設(shè)設(shè)F=0.32,F=0.32,相位累加器初值為零。相位累加器初值為零。 第四個(gè)周期時(shí)，全加器溢出，余數(shù)為第四個(gè)周期時(shí)，全加器溢出，余數(shù)為 0.32 0.324 41=0.281=0.28 再經(jīng)過(guò)三個(gè)周期再經(jīng)過(guò)三個(gè)周期, ,將有將有0.28+0.320.28+0.323=1+0.24,3=1+0.24,又產(chǎn)又產(chǎn)生一次溢出生一次溢出一共經(jīng)過(guò)一共經(jīng)過(guò)2525個(gè)周期，全加器個(gè)周期，全加器8 8次溢出，并次溢出，并且累加器存數(shù)為零。因此且累加器存數(shù)為零。因此03(1) 2(1)2(1)25(0.32).32

23、rrrNNNNNNffNfNfF-NPLLF-NPLL和和NPLLNPLL比較比較例：要求一頻率合成器例：要求一頻率合成器, ,輸出頻率為輸出頻率為505082MHz,82MHz,頻率分辨力頻率分辨力 為為1Hz1Hz。NPLL NPLL 需求需求5 5個(gè)環(huán)路：個(gè)環(huán)路：3 3個(gè)個(gè)NPLLNPLL和和2 2個(gè)相加環(huán)，如圖個(gè)相加環(huán)，如圖5-295-29所示。所示。F-NPLL F-NPLL 需求需求3 3個(gè)環(huán)路：個(gè)環(huán)路：1 1個(gè)個(gè)F-NPLLF-NPLL、1 1個(gè)個(gè)NPLLNPLL和和1 1個(gè)相加環(huán)。個(gè)相加環(huán)。 如圖如圖5-305-30所示。所示。 用用F-NPLLF-NPLL比只用比只用NPLL

24、NPLL簡(jiǎn)約得多，而且簡(jiǎn)約得多，而且F-NPLLF-NPLL在頻率分辨力、在頻率分辨力、頻率范圍、噪聲性能方面都比較優(yōu)越。頻率范圍、噪聲性能方面都比較優(yōu)越。 用用F-NPLLF-NPLL的缺陷是環(huán)路比較復(fù)雜。的缺陷是環(huán)路比較復(fù)雜。2.2.擴(kuò)展頻率上限的方法擴(kuò)展頻率上限的方法1)1)前置分頻法前置分頻法如以下圖如以下圖5-315-31所示所示, ,在積分分頻器前設(shè)置一個(gè)固定分頻器在積分分頻器前設(shè)置一個(gè)固定分頻器0rfDNf優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 可以提高頻率上限可以提高頻率上限, ,且電路構(gòu)造簡(jiǎn)單且電路構(gòu)造簡(jiǎn)單缺陷缺陷: : 頻率分辨力下降頻率分辨力下降, ,rfDf2)2)倍頻混頻法倍頻混頻法如圖如圖

25、5-325-32所示所示,VCO,VCO的輸出的輸出 在和在和 進(jìn)展差頻混頻進(jìn)展差頻混頻后后, ,再進(jìn)展再進(jìn)展N N分頻分頻, ,以降低對(duì)程序分頻器的要求。以降低對(duì)程序分頻器的要求。0f2rf圖圖5-32 倍頻倍頻-混頻環(huán)混頻環(huán)1rff 優(yōu)點(diǎn)：頻率上限的提高取決于優(yōu)點(diǎn)：頻率上限的提高取決于 的大小，而其的大小，而其分辨力仍和單環(huán)倍頻式鎖相環(huán)一樣分辨力仍和單環(huán)倍頻式鎖相環(huán)一樣 2rf012rrfNff缺陷：由于混頻器引入寄生信號(hào)將要影響頻譜純度；其缺陷：由于混頻器引入寄生信號(hào)將要影響頻譜純度；其后的帶通濾波器對(duì)寄生信號(hào)有抑制造用，但是濾波器的后的帶通濾波器對(duì)寄生信號(hào)有抑制造用，但是濾波器的延時(shí)又

26、有不利的影響。延時(shí)又有不利的影響。 3 3吞脈沖分頻法如圖吞脈沖分頻法如圖5-335-33所示所示吞脈沖分頻器主要由雙模分頻器和吞食計(jì)數(shù)器組成。吞脈沖分頻器主要由雙模分頻器和吞食計(jì)數(shù)器組成。雙模分頻器分頻系數(shù)有雙模分頻器分頻系數(shù)有P P和和P+1P+1兩種方式。兩種方式。N N分頻器由分頻器由N1 N1 高位計(jì)數(shù)器和高位計(jì)數(shù)器和N2N2低位計(jì)數(shù)器組成，低位計(jì)數(shù)器組成，N2N2還用于發(fā)出方還用于發(fā)出方式控制信號(hào)。式控制信號(hào)。任務(wù)過(guò)程：在一次計(jì)數(shù)循環(huán)開場(chǎng)時(shí)，計(jì)數(shù)器開場(chǎng)計(jì)數(shù)，方式任務(wù)過(guò)程：在一次計(jì)數(shù)循環(huán)開場(chǎng)時(shí)，計(jì)數(shù)器開場(chǎng)計(jì)數(shù)，方式控制信號(hào)為控制信號(hào)為1 1，分頻系數(shù)為，分頻系數(shù)為1111； 當(dāng)計(jì)數(shù)器

27、溢出后方式控制信號(hào)為當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出后方式控制信號(hào)為0 0，分頻系數(shù)為，分頻系數(shù)為1010。假設(shè)取假設(shè)取P=10P=10，那么有：，那么有：21212(1)()NPNNN PPNN1210NNN例：假設(shè)例：假設(shè)P=10P=10，N1=10N1=1019 19 ，N2=0N2=09 9 那么那么min2min10 10100NNmax1max2max1010 199199NNN例：例：P=100P=100，N1=100N1=100199199，N2=0N2=09999max1max2max100100 1999919999NNNmin1min2min100100 100010000NNN對(duì)吞脈沖分頻

28、器的小結(jié)：對(duì)吞脈沖分頻器的小結(jié)：1 1雙模分頻器的分頻系數(shù)為雙模分頻器的分頻系數(shù)為P/P/P+1P+1，對(duì)于，對(duì)于N1N1和和N2N2兩個(gè)分頻器，那么必需兩個(gè)分頻器，那么必需N1N1大于大于N2N2。2 2由由N1N1和和N2N2可以求得可以求得N N的范圍。的范圍。3 3吞脈沖分頻器可以提高鎖相環(huán)的輸出頻率上限。吞脈沖分頻器可以提高鎖相環(huán)的輸出頻率上限。六、直接合成法之一六、直接合成法之一模擬直接合成法模擬直接合成法1、固定頻率合成法如圖、固定頻率合成法如圖5-14 石英晶體振蕩器提供基準(zhǔn)頻率石英晶體振蕩器提供基準(zhǔn)頻率fr,Dfr,D為分頻器的分頻系數(shù)為分頻器的分頻系數(shù),N,N為倍頻器的倍頻

29、系數(shù)為倍頻器的倍頻系數(shù), ,因此因此 其中其中D D和和N N都是給定的正整數(shù)都是給定的正整數(shù), ,輸出頻率為定值。輸出頻率為定值。2 2、可變頻率合成法、可變頻率合成法 常見(jiàn)的電路方式是延續(xù)混頻分頻電路，見(jiàn)圖常見(jiàn)的電路方式是延續(xù)混頻分頻電路，見(jiàn)圖5-155-15。0rNffD晶振晶振DNrfof 首先運(yùn)用基準(zhǔn)頻率在輔助基準(zhǔn)頻率發(fā)生器中首先運(yùn)用基準(zhǔn)頻率在輔助基準(zhǔn)頻率發(fā)生器中, ,產(chǎn)生各種輔助產(chǎn)生各種輔助基準(zhǔn)頻率基準(zhǔn)頻率, ,然后借助混頻器和分頻器和分頻器進(jìn)展頻率運(yùn)算然后借助混頻器和分頻器和分頻器進(jìn)展頻率運(yùn)算, ,實(shí)現(xiàn)頻率合成實(shí)現(xiàn)頻率合成. . 例如例如: :從左邊開場(chǎng)的第一單元從左邊開場(chǎng)的第一

30、單元, fi1, fi1和和F F進(jìn)展混頻進(jìn)展混頻, ,其結(jié)果再其結(jié)果再與與f1f1進(jìn)展混頻進(jìn)展混頻, ,兩次混頻得兩次混頻得 fi1+F+f1 = 2+16+(2.0 2.9)MHz = 20.020.9MHz fi1+F+f1 = 2+16+(2.0 2.9)MHz = 20.020.9MHz 經(jīng)經(jīng)1010分頻得分頻得(2.00(2.002.09)MHz2.09)MHz。 從左到右經(jīng)過(guò)四次運(yùn)算從左到右經(jīng)過(guò)四次運(yùn)算, ,最后得輸出信號(hào)的頻率為最后得輸出信號(hào)的頻率為 fo = (2.00002.09999)MHz fo = (2.00002.09999)MHz直接模擬合成的優(yōu)點(diǎn)直接模擬合成的優(yōu)

31、點(diǎn): : (1) (1)從原理來(lái)說(shuō)從原理來(lái)說(shuō), ,頻率分辨力幾乎是無(wú)限的頻率分辨力幾乎是無(wú)限的. .添加添加一級(jí)根本運(yùn)算單元可以使頻率分辨力提高一個(gè)量級(jí)一級(jí)根本運(yùn)算單元可以使頻率分辨力提高一個(gè)量級(jí) (2) (2)轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快, ,通常轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒量級(jí)通常轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒量級(jí). .缺陷缺陷: : 采用混頻等電路會(huì)引入很多寄生頻率分量采用混頻等電路會(huì)引入很多寄生頻率分量, ,帶來(lái)帶來(lái)相位雜散相位雜散, ,必需采用大量濾波器以改善輸出信號(hào)的頻必需采用大量濾波器以改善輸出信號(hào)的頻譜純度。這些將導(dǎo)致電路龐大、復(fù)雜、不易集成。譜純度。這些將導(dǎo)致電路龐大、復(fù)雜、不易集成。七七. .直接合成法之二直接

32、合成法之二數(shù)字直接合成法數(shù)字直接合成法原理如圖原理如圖5-165-16所示所示在規(guī)范時(shí)鐘在規(guī)范時(shí)鐘CLKCLK的作用下的作用下, ,經(jīng)過(guò)控制電路按照一定的地址經(jīng)過(guò)控制電路按照一定的地址關(guān)系從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器關(guān)系從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ROMROM中讀出數(shù)據(jù)中讀出數(shù)據(jù), ,再進(jìn)展數(shù)模轉(zhuǎn)換再進(jìn)展數(shù)模轉(zhuǎn)換, ,就可以得就可以得到一定頻率的輸出波形。到一定頻率的輸出波形。以正弦波為例以正弦波為例: : 一個(gè)周期內(nèi)一個(gè)周期內(nèi), ,按相位劃分為假設(shè)干等分按相位劃分為假設(shè)干等分, ,將各相位所對(duì)應(yīng)將各相位所對(duì)應(yīng)的幅值按二進(jìn)制編碼并存入的幅值按二進(jìn)制編碼并存入ROMROM。 由于對(duì)稱性，由于對(duì)稱性，ROMROM中只需存入中只需

33、存入0 09090范圍的幅值碼。范圍的幅值碼。假設(shè)以假設(shè)以= 6 = 6 計(jì)算，在計(jì)算，在0 09090之間共有之間共有1515等分，其幅值在等分，其幅值在ROMROM中占中占1616個(gè)地址單元，所以可按個(gè)地址單元，所以可按4 4位地址碼對(duì)數(shù)據(jù)位地址碼對(duì)數(shù)據(jù)ROMROM進(jìn)展尋進(jìn)展尋址。址。 設(shè)幅度碼為設(shè)幅度碼為5 5位，那么在位，那么在 0 0-90-90范圍內(nèi)編碼關(guān)系如表范圍內(nèi)編碼關(guān)系如表5-15-1所示。所示。信號(hào)的頻率關(guān)系信號(hào)的頻率關(guān)系 在在CLKCLK作用下，依次讀出作用下，依次讀出ROMROM中數(shù)據(jù)，其輸出正弦信號(hào)的頻中數(shù)據(jù)，其輸出正弦信號(hào)的頻率為率為fo1fo1，假設(shè)每隔一個(gè)地址讀

34、一次數(shù)據(jù)，其輸出信號(hào)的頻率，假設(shè)每隔一個(gè)地址讀一次數(shù)據(jù)，其輸出信號(hào)的頻率為為fo2fo2，那么有，那么有f02 = 2fo1f02 = 2fo1，這樣就可以實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合，這樣就可以實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器的輸出頻率的調(diào)理。成器的輸出頻率的調(diào)理。 相位累加原理相位累加原理 輸出波形的產(chǎn)生是相位逐漸累加的結(jié)果；這是由累加器實(shí)輸出波形的產(chǎn)生是相位逐漸累加的結(jié)果；這是由累加器實(shí)現(xiàn)，如圖現(xiàn)，如圖5-175-17所示。相位步進(jìn)碼為所示。相位步進(jìn)碼為K K，假設(shè)，假設(shè)K=1K=1，每次累加結(jié)果，每次累加結(jié)果的增量為的增量為1 1，那么依次從數(shù)據(jù)，那么依次從數(shù)據(jù)ROMROM中讀取數(shù)據(jù)。假設(shè)中讀取數(shù)據(jù)。假設(shè)

35、K=2K=2，那么，那么每隔一個(gè)每隔一個(gè)ROMROM地址讀一次數(shù)據(jù)，依次類推，因此地址讀一次數(shù)據(jù)，依次類推，因此K K值越大，相位值越大，相位步進(jìn)也越快，輸出信號(hào)的頻率也越高。步進(jìn)也越快，輸出信號(hào)的頻率也越高。 改動(dòng)輸出信號(hào)頻率，也可以調(diào)理控制時(shí)鐘的頻改動(dòng)輸出信號(hào)頻率，也可以調(diào)理控制時(shí)鐘的頻率率fc。/2ncff 頻率分辨力頻率分辨力兩個(gè)相鄰頻率之間的間隔兩個(gè)相鄰頻率之間的間隔(2)maxmin2,1nKK時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率fc一定的情況下，一定的情況下，ncocoffff2/, 4/minmax調(diào)理調(diào)理K值，可改動(dòng)輸出信號(hào)頻率值，可改動(dòng)輸出信號(hào)頻率fc。ncoff2/k在在fominfomax

36、范圍內(nèi)，可輸出范圍內(nèi)，可輸出 種頻率。種頻率。22n雜散分量和噪聲分析簡(jiǎn)介雜散分量和噪聲分析簡(jiǎn)介(1)(1)采樣信號(hào)的鏡像頻率分量采樣信號(hào)的鏡像頻率分量根據(jù)采樣實(shí)際，未經(jīng)過(guò)濾波的根據(jù)采樣實(shí)際，未經(jīng)過(guò)濾波的DDSDDS輸出信號(hào)的頻譜如輸出信號(hào)的頻譜如圖圖5-185-18所示由圖可見(jiàn)，所示由圖可見(jiàn)， DDS DDS輸出信號(hào)中除了要求的輸出信號(hào)中除了要求的 f0 f0基頻信號(hào)外，還有一系列鏡像頻率信號(hào)，其頻率為基頻信號(hào)外，還有一系列鏡像頻率信號(hào)，其頻率為 ，n=1,2,3,n=1,2,3, 由于由于fo=fc/2fo=fc/2時(shí)，第一鏡像頻率與時(shí)，第一鏡像頻率與fofo重合，無(wú)法濾除，重合，無(wú)法濾除

37、，因此，通常選擇因此，通常選擇fofc/3fofc/3。( () )幅度量化噪聲幅度量化噪聲 正弦查閱表內(nèi)存儲(chǔ)的波形碼是一個(gè)模擬信號(hào)被均勻化正弦查閱表內(nèi)存儲(chǔ)的波形碼是一個(gè)模擬信號(hào)被均勻化后的值。假設(shè)選用的后的值。假設(shè)選用的DACDAC有有D D位，那么模擬量在個(gè)離散區(qū)位，那么模擬量在個(gè)離散區(qū)間內(nèi)進(jìn)展量化，由此呵斥的誤差均勻分布在間內(nèi)進(jìn)展量化，由此呵斥的誤差均勻分布在 之間。之間。)(0fnfcD222(3)(3)相位噪聲相位噪聲 為了得到高的頻率分辨率，相位累加器的位數(shù)為了得到高的頻率分辨率，相位累加器的位數(shù)L L普通獲得比較大，但實(shí)踐上普通獲得比較大，但實(shí)踐上ROMROM容量有限，因此就要容

38、量有限，因此就要從從L L位相位累加字中，截取高位相位累加字中，截取高n n位來(lái)尋址位來(lái)尋址ROMROM，這就導(dǎo)，這就導(dǎo)致相位噪聲。致相位噪聲。(4)D/A(4)D/A轉(zhuǎn)換器非線性引起的雜散分量轉(zhuǎn)換器非線性引起的雜散分量 D/A D/A轉(zhuǎn)換器的非線性轉(zhuǎn)換特性會(huì)使它的輸出電壓轉(zhuǎn)換器的非線性轉(zhuǎn)換特性會(huì)使它的輸出電壓 產(chǎn)生失真，從而使產(chǎn)生失真，從而使DDSDDS的輸出信號(hào)頻譜中添加雜散分的輸出信號(hào)頻譜中添加雜散分量，這主要是量，這主要是 f0 f0 的各次諧波分量。的各次諧波分量。 圖圖5-195-19是是DACDAC非線性引起輸出電壓失真。非線性引起輸出電壓失真。圖圖5-20 5-20 實(shí)踐的實(shí)踐

39、的DDSDDS輸出頻譜輸出頻譜 實(shí)踐的DDS輸出頻譜，除fo外，還包括： fo的各次諧波；走漏的fc；鏡像頻率fc-nfo；幅度及相位量化產(chǎn)生的噪聲；其它未知雜散分量。 為減小DDS輸出電壓中的雜散和噪聲，應(yīng)采取以下措施：1設(shè)計(jì)良好的低通濾波器，以濾除各種雜散及各種帶外噪聲；2選用性能優(yōu)良的D/A轉(zhuǎn)換器，以減小非線性引起的雜散分量；3減小fo/fc的比值普通fo/fc1/3，以利于較好的濾除鏡像頻率；4適當(dāng)提高D/A位數(shù)及查詢表的長(zhǎng)度，以減小相位噪聲；5謹(jǐn)慎排板、布線，以減小各種走漏和干擾；數(shù)字直接合成器芯片數(shù)字直接合成器芯片AD9850AD9850芯片的內(nèi)部組成芯片的內(nèi)部組成 AD9850

40、AD9850是美國(guó)是美國(guó)ADAD公司于公司于19961996年推出的年推出的DDSDDS頻率合成器頻率合成器芯片。它內(nèi)部包含可編程芯片。它內(nèi)部包含可編程DDSDDS系統(tǒng)、系統(tǒng)、DACDAC及獨(dú)立的高速比較及獨(dú)立的高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字程控的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字程控的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。 圖圖5-215-21是是AD9850AD9850的功能框圖。的功能框圖。AD9850AD9850芯片的引腳功能芯片的引腳功能 AD9850AD9850共有共有2828條引腳，其陳列如圖條引腳，其陳列如圖5-225-22所示所示 。控制字格式及并行發(fā)送次序控制字格式及并行發(fā)送次序 表表5

41、-25-2表示了表示了AD9850AD9850芯片芯片4040位控制字的安排位控制字的安排AD9850AD9850的典型運(yùn)用的典型運(yùn)用 圖圖5-235-23表示由表示由AD9850AD9850構(gòu)成的典型的時(shí)鐘發(fā)生器框圖。構(gòu)成的典型的時(shí)鐘發(fā)生器框圖。 圖圖5-245-24表示了表示了AD9850AD9850在頻率合成器中運(yùn)用的兩個(gè)例子。在頻率合成器中運(yùn)用的兩個(gè)例子。三種合成方法的比較三種合成方法的比較v模擬合成法模擬合成法轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快, ,但電路復(fù)雜但電路復(fù)雜, ,難以集成難以集成; ;v數(shù)字直接合成法數(shù)字直接合成法基于大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)基于大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)技術(shù), ,尤其適

42、用于函數(shù)波形和恣意波形的信號(hào)源尤其適用于函數(shù)波形和恣意波形的信號(hào)源; ;v 從從“相位概念出發(fā)進(jìn)展頻率合成，可以輸出不相位概念出發(fā)進(jìn)展頻率合成，可以輸出不同初始相位的信號(hào)；可以輸出各種不同外形的波形。同初始相位的信號(hào)；可以輸出各種不同外形的波形。v鎖相頻率合成鎖相頻率合成轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢, ,但輸出頻率范圍很但輸出頻率范圍很廣、頻率分辨力高采用多環(huán)、輸出信號(hào)頻譜純廣、頻率分辨力高采用多環(huán)、輸出信號(hào)頻譜純度高。度高。八、恣意波形發(fā)生器八、恣意波形發(fā)生器組成：組成：傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的AWG原理框圖如圖原理框圖如圖5-34所示。所示。傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的AWGAWG：采用可變時(shí)鐘，存儲(chǔ)器可分段；：采用可變時(shí)鐘，存儲(chǔ)器可分段； 適于產(chǎn)生復(fù)雜波形適于產(chǎn)