第3章 信號源-02-09版

3.4高頻信號發(fā)生器

3.4.1高頻信號發(fā)生器的基本組成與原理高頻信號發(fā)生器主要包括主振級、緩沖級、調(diào)制級、輸出級、監(jiān)測電路和電源等電路。信號頻率范圍一般在20KHz~1GHz。組成的基本框圖如圖3.15所示。桂林工學(xué)院可變電抗器主振蕩器緩沖級調(diào)制級調(diào)制度計輸出級電壓表內(nèi)調(diào)制振蕩器圖3.15高頻信號發(fā)生器框圖外調(diào)制輸入電源O外內(nèi)OOOFMAM

輸出SO主振蕩器：產(chǎn)生基礎(chǔ)高頻信號，常用LC振蕩器；利用可變電抗器實現(xiàn)壓控振蕩，進行調(diào)頻；內(nèi)調(diào)制振蕩器產(chǎn)生一定的低頻調(diào)制信號，用于對高頻信號進行調(diào)制；調(diào)制功能：調(diào)頻和調(diào)幅；調(diào)幅功能由專門調(diào)制電路完成。桂林工學(xué)院3.4.2高頻信號發(fā)生器的分類

按產(chǎn)生主振信號的方法不同，高頻信號發(fā)生器可分為調(diào)諧信號發(fā)生器、鎖相信號發(fā)生器和合成信號發(fā)生器三大類。（1）調(diào)諧信號發(fā)生器由調(diào)諧振蕩器構(gòu)成的信號發(fā)生器稱為調(diào)諧信號發(fā)生器。它們的工作頻率為桂林工學(xué)院鎖相信號發(fā)生器桂林工學(xué)院（2）鎖相信號發(fā)生器鎖相環(huán)路是由基準頻率源、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成的一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)?；鶞暑l率源鑒相器壓控振蕩器低通濾波器圖3.17鎖相環(huán)的基本框圖foUof0frUiUd桂林工學(xué)院3.5.1頻率合成的定義所謂頻率合成，是對一個或多個基準頻率進行頻率的加、減（混頻）、乘（倍頻）、除（分頻）四則運算，從而得到所需的頻率。頻率合成的方法很多，但基本上分為兩類，一類是直接合成法，一類是間接合成法。3.5合成信號發(fā)生器桂林工學(xué)院直接合成法包括模擬直接合成法和數(shù)字直接合成法。模擬直接合成法采用基準頻率通過諧波發(fā)生器，產(chǎn)生一系列諧波頻率，然后利用混頻、倍頻和分頻進行頻率的算術(shù)運算，最終得到所需的頻率；數(shù)字直接合成法則利用RAM和DAC結(jié)合，通過控制電路，從RAM單元中讀出數(shù)據(jù)，再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到一定頻率的輸出波形。間接合成法則是通過鎖相技術(shù)進行頻率的算術(shù)運算，最后得到所需的頻率。桂林工學(xué)院3.5.2直接合成法1.固定頻率合成法石英晶體振蕩器提供基準頻率，基準頻率經(jīng)分頻器、倍頻器后輸出。輸出頻率為（3-16）式中

D——分頻器的分頻系數(shù)；N——倍頻器的倍頻系數(shù)；f0——輸出頻率；fr——基準頻率。

D、N均為給定的正整數(shù)，所以輸出頻率為一固定值，稱為固定頻率合成法?；鶞暑l率計D分頻器N倍頻器frf0圖3.18固定頻率合成法原理圖桂林工學(xué)院2.可變頻率合成法優(yōu)點：頻率切換迅速，相位噪聲很低。缺點：電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價格昂貴，不便于集成化。桂林工學(xué)院3直接數(shù)字合成技術(shù)a)DDS組成原理直接數(shù)字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和計算技術(shù)，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調(diào)的信號。（１）直接數(shù)字合成基本原理

設(shè)取樣時鐘頻率為fc，正弦波每一周期由Ｎ個取樣點構(gòu)成，則該正弦波的頻率為：桂林工學(xué)院DDS的實現(xiàn)原理如圖3.20所示地址計數(shù)器（÷N）正弦波ROM存儲器D/ALPFfcfo圖3.20DDS組成原理輸出信號頻率fo:取決于兩個因數(shù)：⑴參考時鐘頻率；⑵ROM中存儲的正弦波；如果地址計數(shù)器以步進M（M>=1)進行累加，則可在fc和ROM數(shù)據(jù)不變的情況下改變輸出頻率，此時fo為：桂林工學(xué)院b)相位累加器原理

當改變地址計數(shù)器計數(shù)步進值（即以值M來進行累加），同樣可以改變每周期采樣點數(shù)，從而實現(xiàn)輸出頻率的改變。地址計數(shù)器步進值改變可以通過相位累加法來實現(xiàn)相位鎖存器頻率控制字M相位累加器fc波形存儲RAMD/A轉(zhuǎn)換LPFfo24～48位14～16位圖3.21相位累加器原理桂林工學(xué)院為便于理解，可以將正弦波波形看作一個矢量沿相位圓轉(zhuǎn)動，相位圓對應(yīng)正弦波一個周期的波形。波形中的每個采樣點對應(yīng)相位圓上的一個相位點。步進點數(shù)2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248圖3.22數(shù)字相位圓桂林工學(xué)院2基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源

單片集成的DDS芯片合成信號波形的種類較少，靈活性較差，不便于任意波發(fā)生器等場合的應(yīng)用?；诳删幊绦酒瑢崿F(xiàn)的DDS信號合成可具有更大的靈活性。相位累加器參考時鐘相位調(diào)制器D/A轉(zhuǎn)換濾波CPU接口輸出頻率控制字波形存儲器SRAM

圖3.23基于可編程芯片的DDS頻率合成信號源桂林工學(xué)院設(shè)相位累加器位數(shù)為N，頻率控制字為M，參考時鐘頻率為fc，則DDS輸出頻率為：截斷誤差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作為存儲器地址，使得相位的低位被截斷（即相位截尾）。當相位值變化小于1/2A時，波形幅值并不會發(fā)生變化，但輸出頻率的分辨率并不會降低，由于地址截斷而引起的幅值誤差，稱為截斷誤差。實際應(yīng)用中一般取1≤M≤(N-2)桂林工學(xué)院3.5.3間接合成法間接合成法通過鎖相環(huán)來完成頻率的加、減、乘、除，最后獲得需要的頻率。1.基本鎖相環(huán)基本鎖相環(huán)是由基準頻率源、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成的一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。桂林工學(xué)院2.混頻式鎖相環(huán)是能對輸入頻率進行加、減運算的鎖相環(huán)。它是在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加入混頻器和帶通濾波器組成的。如果混頻器是和混頻，則輸出頻率；如果混頻器是差混頻，則輸出頻率。桂林工學(xué)院3.倍頻式鎖相環(huán)是利用鎖相環(huán)對基準頻率進行乘法運算的鎖相環(huán)，簡稱倍頻環(huán)?；鶞暑l率源鑒相器低通濾波器壓控振蕩器分頻器（/N）數(shù)字控制式倍頻器fi圖3.25倍頻式所相環(huán)框圖Udf0桂林工學(xué)院４.分頻式鎖相環(huán)是利用鎖相環(huán)對基準頻率進行除法運算的鎖相環(huán)，簡稱分頻環(huán)。在鎖相環(huán)鎖定條件時，滿足，所以，實現(xiàn)了分頻。如圖3.26（a）、（b）所示。桂林工學(xué)院桂林工學(xué)院５.組合式鎖相環(huán)