電子測量原理第9章-信號源課件

1、第九章 信號源9.1 概述9.2 傳統(tǒng)的信號源9.3 鎖相頻率合成信號源9.4 直接數(shù)字合成信號源9.1 概述9.1.1 信號源在系統(tǒng)測量中的作用 關(guān)于信號與系統(tǒng)的測量，前面曾指出: 電路和系統(tǒng)的參數(shù)是無源量，在對電子系統(tǒng)進(jìn)行測量時(shí)，必須對其施加一定的激勵(lì)信號，通過觀測系統(tǒng)響應(yīng)的方法進(jìn)行測量。 電子測量中涉及到的信號分兩類,一類是天然的信號,另一類是人造的信號。前者通常是未知的、被測的信號；后者是已知的、測量用的信號。系統(tǒng)測量用的信號是人造的信號。9.1 概述9.1.1 信號源在系統(tǒng)測量中的作用 人工制造標(biāo)準(zhǔn)信號的電子儀器稱為信號源，或稱信號發(fā)生器。 歸納起來，信號源的主要有以下三方面的用途。

2、 （1）激勵(lì)源。作為被測電子系統(tǒng)的激勵(lì)信號，激勵(lì)信號的特性是已知的。 （2）仿真信號源。當(dāng)研究一個(gè)特定的系統(tǒng)時(shí)，需要施加與實(shí)際相同的仿真信號。 （3）校準(zhǔn)源。用于對各種電子設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)（或比對）的參考源，有時(shí)稱為標(biāo)準(zhǔn)源。9.1.2 信號源的分類1直流（恒值）信號源 恒值信號是指幅值恒定不變的電壓或電流信號。這類信號在電子系統(tǒng)的靜態(tài)特性測量中作標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)。 直流（恒值）信號源國內(nèi)外均有系列化產(chǎn)品，其基本技術(shù)指標(biāo)有輸出幅值范圍、精度、穩(wěn)定度、分辨力和輸出阻抗等。9.1.2 信號源的分類2周期性（交流）信號源 周期信號亦稱交流信號，為最常見的信號形式。在大多數(shù)電子系統(tǒng)的交流（穩(wěn)態(tài)）性能測量中，周期信號

3、是激勵(lì)信號的主要形式。 根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)周期信號可分為通用信號和專用信號兩大類。 通用信號是指可普遍用于各種系統(tǒng)的測量中，其波形是簡單的函數(shù)關(guān)系，如正弦波、三角波（鋸齒波）、方波（矩形波）等。專用信號則通常只用于特定系統(tǒng)的測量中，其波形特殊或復(fù)雜.9.1.2 信號源的分類2周期性（交流）信號源 （1）交流（周期性）信號源按輸出波形分類，可分為正弦波信號源和非正弦波信號源。其中正弦波信號源包括掃頻信號源等，非正弦波信號源包括矩形脈沖、三角波、方波、鋸齒波、函數(shù)波形和任意波形等信號源。 （2）交流信號源按工作頻率范圍分類，如表9-1所示。9.1.2 信號源的分類9.1.2 信號源的分類3非

4、周期性激勵(lì)信號源 為測量系統(tǒng)瞬態(tài)特性（過渡特性），需要提供一種與外部事件同步產(chǎn)生的非周期性信號或單次信號，其信號波形可以是單脈沖、脈沖串或其它復(fù)雜波形。 測量數(shù)字系統(tǒng)使用的數(shù)字信號源，也是一種與外部事件同步產(chǎn)生的非周期性信號，其信號波形可以是用脈沖串表示的數(shù)據(jù)流，也可以是多路二進(jìn)制數(shù)字邏輯信號。為了測試數(shù)字系統(tǒng)的動態(tài)性能，還需輸出一種波形格式化的數(shù)字信號。9.1.2 信號源的分類4非確定性的信號源 常見的非確定性信號是噪聲信號。噪聲也可用作為測試的激勵(lì)信號，去測量各種電子系統(tǒng)的性能（諸如噪聲抑制等性能）。 標(biāo)準(zhǔn)的噪聲信號通常用其功率譜密度和功率電平進(jìn)行說明。噪聲信號源可產(chǎn)生特定形式的功率譜密度

5、，輸出信號功率電平在一定范圍內(nèi)可調(diào)。9.1.2 信號源的分類4非確定性的信號源 按信號的性能進(jìn)行分類，分為一般信號源、功率信號源和標(biāo)準(zhǔn)信號源等。標(biāo)準(zhǔn)信號源的輸出頻率和輸出電平能夠連續(xù)調(diào)節(jié)，讀數(shù)準(zhǔn)確，波形參數(shù)已知，且有良好的屏蔽性能。一般的信號源則對上述參數(shù)沒有很高的要求。9.1.2 信號源的分類4非確定性的信號源 此外，信號源還有多種分類方法。例如，按調(diào)制類型可分為調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖調(diào)制和組合調(diào)制等；按頻率調(diào)節(jié)方式可分為手動、電調(diào)、掃頻、程控等；按產(chǎn)生頻率的方式可分為直接振蕩式、倍頻式、分頻式、混頻式和合成式等。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)1頻率特性 頻率特性是正弦信號源的一個(gè)重要工作特性，主要包括

6、頻率的范圍、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。（1）頻率范圍 信號源的頻率范圍是指各項(xiàng)指標(biāo)都能得到保證的輸出頻率范圍，是“有效頻率范圍”的簡稱。為獲得較寬的頻率范圍，可以采用波段式、差頻式或合成式等方法。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)（2）頻率準(zhǔn)確度 信號源的頻率準(zhǔn)確度是指頻率的實(shí)際值 對其標(biāo)稱值（即指示器的數(shù)值） 的相對偏差，其表達(dá)式為 式中， 為頻率的絕對偏差， 。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)（3）頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度是指在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，在其他環(huán)境條件不變時(shí)，頻率源維持其工作于恒定頻率的能力。定義為： 式中， 、 分別表示頻率在任何一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)的最大值和最小值。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)（3）頻率穩(wěn)定度

7、頻率穩(wěn)定度可分為長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度。 頻率短期穩(wěn)定度定義為信號源經(jīng)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，頻率在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)（1s或15min）的最大變化。 頻率長期穩(wěn)定度是指長時(shí)間（年、月、天、小時(shí)的范圍內(nèi)）頻率的變化，如3h、24h等。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)2輸出特性（1）輸出阻抗 低頻信號源的輸出阻抗一般為600或1000。 功率輸出時(shí)有多種阻抗可供選用，它們是50、75、150、600和5000等擋位。 高頻信號源的輸出阻抗一般使用50或75兩擋。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)（2）輸出電平特性 它是指輸出電平的范圍、輸出電平的準(zhǔn)確度和平坦度。例如，一般標(biāo)準(zhǔn)高頻信號源的輸出電壓為0.1V1V，電平振蕩器

8、的輸出電平為+10dB-60dB。現(xiàn)代信號源一般都使用自動電平控制電路，可使平坦度保持在1dB0.1dB以內(nèi)。 輸出電平的準(zhǔn)確度包括0dB準(zhǔn)確度、輸出衰減器換擋誤差、指示電表的刻度誤差等幾個(gè)方面。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)（3）最大輸出功率 又稱資用功率或可用功率，是指信號源所能輸出的最大功率，它是一個(gè)度量信號源容量大小的參數(shù)，只取決于信號源本身的內(nèi)阻和電動勢，是信號源的一個(gè)屬性，而與負(fù)載無關(guān)。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)（4）波形特性 包括輸出波形的種類及參數(shù)。信號源一般都可以輸出正弦、脈沖等波形，函數(shù)信號源還可以輸出方波、三角波、鋸齒波、階梯波、甚至任意波形。 正弦信號源應(yīng)輸出單一頻率的正弦信號

9、，但由于非線性失真、噪聲等原因，其輸出信號中含有諧波等其他成分，即信號的頻譜不純。因此，要求信號源具有一定的頻譜純度，并常以失真度來表示。一般信號源的失真度應(yīng)小于1%0.1%。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)3調(diào)制特性 實(shí)際的通信和雷達(dá)信號都是進(jìn)行了某種調(diào)制的，信號源調(diào)制功能決定了其模擬復(fù)雜信號的能力。 調(diào)制特性包括調(diào)制的種類、頻率、調(diào)幅系數(shù)、最大頻偏和調(diào)制線性等。 通常高頻信號源中為調(diào)幅和調(diào)頻，調(diào)幅的調(diào)制頻率一般固定為400Hz或1000Hz，高檔的信號源往往同時(shí)具有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相和脈沖調(diào)制等多種調(diào)制功能。調(diào)制波形則可以是正弦、方波、脈沖、三角波和鋸齒波，甚至噪聲。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo) 有的信

10、號源本身不提供調(diào)制信號，而只提供各種調(diào)制信號的接口，從外部送入適當(dāng)?shù)恼{(diào)制信號才能實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制，這種方式稱為外調(diào)制。 信號源內(nèi)置一個(gè)函數(shù)波形發(fā)生器，不但可以接收外部調(diào)制信號，還能根據(jù)需要產(chǎn)生調(diào)制信號，用戶只需簡單地設(shè)定調(diào)制信號參數(shù)和調(diào)制參數(shù)即可獲得所需的調(diào)制信號，這種稱為內(nèi)調(diào)制。 雷達(dá)測量中采用脈沖調(diào)制，這是一種特殊的幅度調(diào)制，主要參數(shù)包括脈寬、重復(fù)頻率調(diào)節(jié)范圍、脈沖前后沿時(shí)間及通斷比（隔離度）。9.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)3調(diào)制特性 矢量信號源具有更為強(qiáng)大的信號調(diào)制能力，其核心部件是矢量調(diào)制器。矢量信號源的基帶調(diào)制信號可以由外部輸入，也可由內(nèi)置的正交基帶產(chǎn)生器生成。 信號源除了頻率特性、輸出特性

11、和調(diào)制特性等技術(shù)指標(biāo)外，通常還包括非線失真度和頻譜純度等。9.2 傳統(tǒng)的信號源 補(bǔ)充：低頻信號源 低頻信號源是指以輸出正弦波信號為主，工作頻率在1Hz1MHz范圍內(nèi)的信號源。它能輸出正弦波電壓，有的還能輸出一定的功率。 低頻信號源是一種用途廣泛的信號源，主要用于測量或檢修電子設(shè)備及家用電器中的低頻電路，也可用于測量音頻放大器、揚(yáng)聲器、低頻濾波器等元器件的頻率特性，還可作為高頻信號源的外調(diào)制信號源。此外，低頻信號源在校準(zhǔn)電子電壓表時(shí)，可用作基準(zhǔn)電壓源。補(bǔ)充： 低頻信號源1對低頻信號源的一般要求 （1）輸出信號的頻率在滿足各項(xiàng)規(guī)定指標(biāo)的范圍內(nèi)，能連續(xù)或分波段調(diào)節(jié)，并且具有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。一般

12、穩(wěn)定度應(yīng)在0.1%1%范圍內(nèi)。 （2）輸出電壓在010V內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，并且在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，其不均勻性應(yīng)在1dB范圍內(nèi)。補(bǔ)充： 低頻信號源1對低頻信號源的一般要求 （3）輸出阻抗應(yīng)具有一種或幾種不同的值，以適應(yīng)不同的需要，通常為600。此外， 還有8、50和5k等幾種不同的輸出阻抗。 （4）輸出信號波形的非線性失真系數(shù)一般不超過1%。補(bǔ)充：低頻信號源2低頻信號源的工作原理 低頻信號源的一般原理框圖如圖9-1所示，主要包括主振器、連續(xù)衰減器（電位器 ）、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器（輸出變壓器）和監(jiān)測電壓表。補(bǔ)充：低頻信號源（1）主振器 主振器是低頻信號源的核心，其作用是

13、產(chǎn)生頻率連續(xù)可調(diào)、穩(wěn)定的正弦波電壓。低頻信號源中產(chǎn)生振蕩信號的方法有多種，在通用信號發(fā)生器中，主振器通常采用RC正弦振蕩電路或差頻電路來實(shí)現(xiàn)。RC振蕩器可分為三種：RC移相振蕩器、RC雙T型振蕩器和RC文氏電橋振蕩器。補(bǔ)充：低頻信號源（1）主振器 RC文氏電橋振蕩器具有頻率調(diào)節(jié)方便、可調(diào)范圍寬（工作頻率范圍為100Hz100kHz）、振蕩頻率穩(wěn)定、波形失真小等優(yōu)點(diǎn),因此低頻信號源中的主振器通常采用RC文氏電橋振蕩器。 RC文氏電橋振蕩器實(shí)際上是一種電壓反饋式振蕩器，它由同相運(yùn)算放大器和一個(gè)具有選頻作用的RC正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。補(bǔ)充：低頻信號源（1）主振器 正反饋網(wǎng)絡(luò)由R1、C1、R2和C2（文氏電

14、橋）組成。電路的振蕩頻率由網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定， 由熱敏電阻 組成的負(fù)反饋支路主要起穩(wěn)幅作用。 輸出頻率的調(diào)節(jié)可通過改變 R1、R2 的值進(jìn)行頻率粗調(diào)，利用波段開關(guān)來切換電阻元件以實(shí)現(xiàn)頻段的覆蓋。改變C1 、 C2的值進(jìn)行頻率微調(diào)，實(shí)現(xiàn)波段內(nèi)的覆蓋。在電子調(diào)諧的振蕩電路中C1、C2通常由兩只變?nèi)荻O管來擔(dān)當(dāng)。補(bǔ)充：低頻信號源（2）放大器 低頻信號源內(nèi)的放大器包括電壓放大器和功率放大器。 電壓放大的作用是放大振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號，以獲得足夠的輸出電壓，因此放大器由多個(gè)單級放大器按一定的耦合方式連接而成。 對電壓放大器的基本要求是通頻帶寬，波形失真小，輸入阻抗高，輸出阻抗低。補(bǔ)充： 低頻信號源（2）放大器

15、 當(dāng)?shù)皖l信號源要求有功率輸出時(shí)，必須進(jìn)行功率放大。對功率放大器的要求是：有額定的輸出功率，效率高，非線性失真小。為了提高帶負(fù)載能力，功率放大器通常采用OTL電路（無輸出變壓器的功放），并設(shè)置過載、短路保護(hù)等電路。補(bǔ)充： 低頻信號源（3）衰減器 衰減器用于改變信號發(fā)生器輸出的電壓或功率，通常包括連續(xù)調(diào)節(jié)衰減器（R）和步進(jìn)衰減器 （ ）兩類，如圖所示。它們利用電阻分壓的降壓作用逐級衰減，得到不同的輸出電壓。連續(xù)調(diào)節(jié)衰減器和步進(jìn)衰減器補(bǔ)充：低頻信號源（4）指示器 指示器的作用是指示信號源輸出電壓或功率的大小，通常采用監(jiān)測電壓表作為指示器。指示方式通常有模擬與數(shù)字兩種，一種是用指針表頭，另一種是用數(shù)碼

16、管。對于后一種指示方式，是利用A/D轉(zhuǎn)換電路，將輸出電壓轉(zhuǎn)換為成比例的數(shù)字量，最后驅(qū)動數(shù)字顯示單元。 隨著DDS（數(shù)字直接合成）技術(shù)的發(fā)展，目前低頻信號源正向合成化方向發(fā)展。補(bǔ)充： 低頻信號源3低頻信號發(fā)生器的應(yīng)用 頻信號源產(chǎn)生的正弦波信號為各類低頻電路提供測試信號。圖9-4所示為低頻放大器的頻率特性測試原理。 利用類似于測試放大器的方法，還可測試晶體管、衰減器、濾波器、揚(yáng)聲器和其它各種低頻線性四端器件或網(wǎng)絡(luò)的特性。9.2.1 高頻信號源 高頻信號源是能夠產(chǎn)生等幅高頻正弦波信號或調(diào)制波信號的信號源，這種信號源的工作頻率一般在100kHz35MHz范圍內(nèi)，具有較高的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，穩(wěn)定度一般

17、優(yōu)于 ，輸出幅度可在幾微伏至1V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，輸出阻抗為50或75，通常具有調(diào)幅和調(diào)頻兩種調(diào)制方式，以適應(yīng)測試接收機(jī)的需要。測試各類高頻接收機(jī)靈敏度、選擇性等工作特性是高頻信號源最重要的用途之一。9.2.1 高頻信號源1高頻信號源的工作原理 高頻信號源的組成原理框圖如下圖所示。高頻信號源主要由主振器器及調(diào)頻電路、放大調(diào)幅器、內(nèi)調(diào)制振蕩器、指示器和衰減器等部分組成。9.2.1 高頻信號源（1）主振器及調(diào)頻電路 主振器的作用是產(chǎn)生高頻等幅正弦信號，高頻信號源的主振器通常采用各種LC振蕩電路。LC振蕩電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)正反饋調(diào)諧放大器，主要包括放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。 根據(jù)反饋方式，又可分為變壓器反饋

18、式、電感反饋式（也稱電感三點(diǎn)式）和電容反饋式（也稱電容三點(diǎn)式）振蕩電路，如下圖所示。9.2.1 高頻信號源LC振蕩器電路的三種構(gòu)成形式9.2.1 高頻信號源（1）主振器及調(diào)頻電路 雖然三種振蕩電路的構(gòu)成形式不同，但是它們的工作頻率均為 電感三點(diǎn)式振蕩電路輸出的高頻信號具有 頻率范圍寬、頻率調(diào)節(jié)方便、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 頻率的調(diào)節(jié)方法是：通過切換振蕩回路的不同電感來改變振蕩器的頻段，通過改變振蕩回路的可變電容來對振蕩頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。9.2.1 高頻信號源（2）放大調(diào)幅器 其作用是對主振器及調(diào)頻電路的信號進(jìn)行放大及調(diào)幅，同時(shí)還起隔離作用，以減小輸出端負(fù)載大小和性質(zhì)變化時(shí)對主振器的影響。（3）內(nèi)

19、調(diào)制振蕩器 其作用是為放大調(diào)幅器提供調(diào)制信號。調(diào)制信號的頻率有固定的，也有在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的。常用的調(diào)制頻率有400Hz和1kHz。9.2.1 高頻信號源（4）指示器 其作用是指示輸出信號的頻率、電壓、調(diào)制度和頻偏等性能參數(shù)。（5）衰減器 其作用是改變輸出信號的幅度，通常由連續(xù)調(diào)節(jié)衰減器和步進(jìn)調(diào)節(jié)衰減器構(gòu)成。9.2.1 高頻信號源2高頻信號源應(yīng)用實(shí)例 選用高頻信號源應(yīng)根據(jù)測量要求的頻率范圍、調(diào)制方式、輸出電平及輸出阻抗等主要技術(shù)指標(biāo)來進(jìn)行選擇。（1）XFG7型高頻信號源 XFG7型高頻信號源是一種既能產(chǎn)生等幅波又能產(chǎn)生調(diào)幅波的高頻信號源，它可以方便地用來測量高頻放大器、調(diào)制器、濾波器和無線

20、電接收機(jī)的性能指標(biāo)。9.2.1 高頻信號源（1）XFG7型高頻信號源 其主要的技術(shù)指標(biāo)如下： 頻率范圍：100kHz30MHz，分8個(gè)波段；頻率刻度誤差1%。 輸出電壓與輸出阻抗：輸出電壓分為0.1V10mV、1V100mV和01V三個(gè)量程，每個(gè)量程內(nèi)可分檔調(diào)節(jié)或連續(xù)可變，輸出阻抗為40左右。9.2.1 高頻信號源（1）XFG7型高頻信號源 調(diào)制頻率：內(nèi)調(diào)幅分400Hz和1000Hz兩種，外調(diào)幅為508000kHz。 調(diào)幅范圍：0%100%連續(xù)可調(diào)。9.2.1 高頻信號源（2）XFC6型標(biāo)準(zhǔn)高頻信號源 XFC6是一種產(chǎn)生高頻載波和調(diào)幅信號、調(diào)頻信號及調(diào)幅調(diào)頻信號的標(biāo)準(zhǔn)高頻信號源。 XFC6主要

21、用于測試、調(diào)試及維修各種無線電接收設(shè)備，其輸出載波的頻率范圍為4300MHz，分8擋；頻率穩(wěn)定度優(yōu)于 ；輸出載波電壓為0.1V100mV，可低至0.05V；輸出阻抗75；調(diào)幅波的調(diào)幅范圍為0%80%；調(diào)頻波的頻偏為0100kHz。9.2.1 高頻信號源（3）應(yīng)用實(shí)例 高頻信號源可直接測定接收機(jī)的各項(xiàng)電氣參數(shù)，測試方案如圖9-3所示。圖9-3 接收機(jī)測試方法 圖9-4 調(diào)制器測試方法 9.2.1 高頻信號源（3）應(yīng)用實(shí)例 利用圖9-4所示的方案配置，可以測試調(diào)制器的頻率特性、調(diào)制靈敏度和調(diào)制失真等各種性能。亦可用來（或?qū)﹄娐飞约有薷模y試混頻器、參量放大器等各種非線性電路或參變電路的性能。9.2

22、.2 脈沖信號源 脈沖信號源用于產(chǎn)生重復(fù)頻率、脈沖寬度和延遲量可調(diào)的脈沖信號，特別是產(chǎn)生矩形窄脈沖。 脈沖信號源是電路與系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域測試不可少的激勵(lì)信號源，主要是用來對視頻放大器、寬帶電路的瞬態(tài)特性、過渡特性等時(shí)域特性測試，以及為脈沖與數(shù)字電路的動態(tài)測試提供激勵(lì)信號。 例如，測試限幅器、鉗位電路的限幅特性，觸發(fā)電路與門電路的轉(zhuǎn)換特性和延遲時(shí)間，開關(guān)電路的開關(guān)速度，以及測試集成電路和計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)的特性，均需要用到脈沖信號。9.2.2 脈沖信號源1矩形脈沖的參數(shù) （a）矩形脈沖的參數(shù) （b）同頻脈沖與主脈沖9.2.2 脈沖信號源1矩形脈沖的參數(shù) 其主要參數(shù)有:（1）重復(fù)頻率 ：每秒時(shí)間內(nèi)脈沖出

23、現(xiàn)的個(gè)數(shù)。（2）脈沖幅度 ：從零上升到100% 對應(yīng)的電壓值。（3）脈沖寬度（脈寬） ：電壓上升到50% 至下降到50% 所對應(yīng)的時(shí)間間隔 。（ 4）上升時(shí)間 ：電壓從10% 上升到90% 的時(shí)間。（5）下降時(shí)間 ：電壓從90% 下降到10% 的時(shí)間。9.2.2 脈沖信號源（6）占空系數(shù) ：脈沖寬度 與脈沖周期T的比值稱為占空系數(shù)或占空比，如圖9-9（b）所示。（7）上沖量 ：上升超過100% 部分的幅度。（8）反沖量 ：下降到零以下部分的幅度。（9）平頂落差 ：脈沖頂部不能保持平坦而降落的幅度。（10）偏移E：矩形脈沖通常以水平0軸為基準(zhǔn)，有些脈沖發(fā)生器輸出脈沖可在0軸上、下平移，其平移的幅

24、度稱為偏移。9.2.2 脈沖信號源2分類（1）通用脈沖信號源 通用脈沖信號源是最常用的脈沖信號源，其輸出脈沖信號的頻率、幅度、延遲時(shí)間等，在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出脈沖一般都有正、負(fù)兩種極性。有些產(chǎn)品還具有前、后沿可調(diào)、雙脈沖、群脈沖、閘門、外觸發(fā)，以及單次觸發(fā)等功能。9.2.2 脈沖信號源（2）快沿脈沖信號源 快沿脈沖信號源以快速前沿為特征，主要用于各類電路瞬態(tài)特性測試，例如，測試示波器的瞬態(tài)響應(yīng)等。（3）數(shù)字可編程脈沖信號源 數(shù)字可編程脈沖信號源或稱數(shù)字信號源，它是伴隨集成電路、微處理器技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新型脈沖與數(shù)字信號源，它輸出格式化的數(shù)字信號波形，并一般帶有GPIB（General

25、Purpose Interface Bus）接口，實(shí)現(xiàn)可編程控制功能。9.2.2 脈沖信號源（4）特種脈沖信號源 特種脈沖信號源是指具有特殊用途、對某些性能指標(biāo)有特定要求的脈沖信號源，如功率脈沖信號源和數(shù)字序列脈沖源等。 9.2.2 脈沖信號源3脈沖信號源的組成原理 主要包括主振級、延遲級、形成級、整形級、輸出級等部分。脈沖信號源的基本組成框圖9.2.2 脈沖信號源（1）主振級 通常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，作為下級的觸發(fā)信號。 要求主振級頻率的穩(wěn)定，波形的一致性好，并具有足夠的幅度，而對輸出波形的前、后沿等參量要求不很高。在實(shí)際應(yīng)用中也可不使用儀器內(nèi)的主振級，而直

26、接由外部信號經(jīng)同步放大后作為延遲級的觸發(fā)信號。9.2.2 脈沖信號源（2）延遲級 在很多場合下要求脈沖信號源能輸出同步脈沖和主脈沖，主振級輸出的未經(jīng)延時(shí)的脈沖稱為同步脈沖，經(jīng)延時(shí)后形成的輸出脈沖稱為主脈沖，即同步脈沖超前于主脈沖一段時(shí)間 。 主脈沖延遲的任務(wù)由延遲級完成，延遲級電路通常由單穩(wěn)電路和微分電路組成，延遲時(shí)間 可以通過脈沖信號發(fā)生器的面板旋鈕來調(diào)整。9.2.2 脈沖信號源（3）形成級 通常由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等脈沖電路組成。它是脈沖信號源的中心環(huán)節(jié)，它能產(chǎn)生寬度準(zhǔn)確、波形良好的矩形脈沖，脈沖的寬度可獨(dú)立調(diào)節(jié)，并具有較高的穩(wěn)定性。（4）整形級與輸出級 一般由放大、限幅電路組成。整形級進(jìn)行電壓

27、放大，輸出級進(jìn)行功率放大，以保證輸出的主脈沖的幅度可調(diào)、極性可切換，并具有良好的前、后沿等。9.2.3 函數(shù)信號源 函數(shù)信號源是一種多波形信號源，可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等多種波形，由于其輸出的波形均可用數(shù)學(xué)函數(shù)描述，故命名為函數(shù)信號源。1函數(shù)信號源的工作原理9.2.3 函數(shù)信號源1函數(shù)信號源的工作原理 函數(shù)信號的產(chǎn)生通常是以某種波形為第一波形，然后利用第一波形導(dǎo)出其他波形。構(gòu)成函數(shù)信號源的方案大致有三種：一種是先產(chǎn)生方波，經(jīng)積分產(chǎn)生三角波或斜波，再由三角波經(jīng)過非線性函數(shù)變換網(wǎng)絡(luò)形成正弦波；另一種是先產(chǎn)生正弦波，再形成方波、三角波等。近來較為流行的方案是先產(chǎn)生三角波，然后產(chǎn)

28、生方波、正弦波等。9.2.3 函數(shù)信號源2函數(shù)信號源的典型電路（1）三角波產(chǎn)生電路 三角波產(chǎn)生電路有很多種，它們的基本思想都是利用電容的充放電來獲得線性斜升、線性斜降的電壓。三角波產(chǎn)生電路的基本原理如圖所示，它由恒流源、積分器（包括積分電容C和運(yùn)算放大器A）和幅度控制電路構(gòu)成。9.2.3 函數(shù)信號源（1）三角波產(chǎn)生電路三角波產(chǎn)生電路及其波形9.2.3 函數(shù)信號源1）電壓斜升過程。當(dāng)開關(guān)S撥向“1”端時(shí)，正恒流源 向積分電容充電，形成三角波斜升過程，積分器輸出電壓為 (9-3) 式中， 為斜升輸出電壓的瞬時(shí)值；i為積分電容支路的電流瞬時(shí)值；C為積分電容的電容量。因?yàn)槌潆婋娏魇呛懔髟?，故式（9-

29、3）可表示為 9.2.3 函數(shù)信號源2）電壓斜降過程。當(dāng)開關(guān)S撥向“2”端時(shí)，接通負(fù)恒流源，負(fù)恒流源 向積分電容充電，且充電方向與開關(guān)S撥向“1”相反，電容上的電荷減少，形成三角波斜降過程。當(dāng)電壓下降到幅度控制電路的限值電平-E 時(shí)，控制電路又使S從“2”斷開，三角波的斜降過程結(jié)束。同理可得斜降電壓瞬時(shí)值 為：輸出電壓從+E 到-E 的斜降時(shí)間 為：9.2.3 函數(shù)信號源（2）正弦波形成電路 正弦波形成電路的任務(wù)是將三角波變換成正弦波。實(shí)際中，較好的方法是利用非線性網(wǎng)絡(luò)將三角波“限幅”為正弦波。非線性網(wǎng)絡(luò)可以用二極管或三極管及電阻元件組成。 圖中，正、負(fù)直流電源（+E和 ）和電阻 及 為二極管

30、 ， 提供適當(dāng)?shù)钠珘?，以控制三角波逼近正弦波時(shí)非線性曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置。9.2.3 函數(shù)信號源（2）正弦波形成電路由三角波產(chǎn)生正弦波電路示例9.2.3 函數(shù)信號源（2）正弦波形成電路 隨著三角波輸入電壓 Vi的變化，4對二極管依次導(dǎo)通和截止，把電阻 依次接入電路或與電路斷開，從而改變電路的輸出/輸出比值，它實(shí)際上是一個(gè)由輸入三角波Vi控制的可變分壓器。在三角波的正半周，當(dāng)Vi的瞬時(shí)值很小時(shí)，所有的二極管都被偏置電壓+E和-E 截止，輸入三角波經(jīng)過電阻R0直接輸送到輸出端作為 Vo，即未經(jīng)分壓， 。9.2. 3 函數(shù)信號源（2）正弦波形成電路 當(dāng)三角波的瞬時(shí)電壓Vi上升到二極管 的偏壓 時(shí)（+E是

31、直流偏壓源），二極管 導(dǎo)通，于是由電阻R1 和R0 組成的分壓器接通，使三角波通過該分壓器輸送到輸出端，且輸出電壓 V0經(jīng)分壓后為:9.2.3 函數(shù)信號源（2）正弦波形成電路 隨著三角波電壓Vi 瞬時(shí)值不斷上升，二極管 、 、 將依次導(dǎo)通，使分壓器的分壓比逐漸減小，對三角波的分壓作用逐漸加強(qiáng)，從而使三角波斜率逐步減少而趨于正弦波，三角波的正峰過后就是斜降過程，由于瞬時(shí)電壓逐漸下降，二極管 、 、 、 又相繼截止，分壓作用則由大逐漸減小。進(jìn)入負(fù)半周后，二極管 、 、 、 也按相同的過程相繼導(dǎo)通和截止，從而在輸出端得到正弦波 Vo，如圖9-13（b）所示。9.2.3 函數(shù)信號源（2）正弦波形成電路

32、 從圖9-13可知，該波形變換網(wǎng)絡(luò)由4級構(gòu)成，實(shí)際上對正弦波的逼近 條折線段將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。當(dāng)然網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)越高逼近的程度就越好，實(shí)踐證明，如果用12個(gè)二極管組成的6級整形網(wǎng)絡(luò)，即采用 條段逼近正弦波，可以得到正弦波的非線性失真優(yōu)于0.25%。9.2.3 函數(shù)信號源（2）正弦波形成電路 按照上述原理專門設(shè)計(jì)了單片集成的函數(shù)信號發(fā)生器芯片（如5G8038），以一片集成電路芯片為核心，只需少量的外部元件，就可以構(gòu)成一個(gè)簡單實(shí)用的函數(shù)信號源，產(chǎn)生方波、三角波、鋸齒波及正弦波，甚至可實(shí)現(xiàn)掃頻或調(diào)頻。9.2.3 函數(shù)信號源3函數(shù)信號源的技術(shù)指標(biāo) 函數(shù)信號源的主要性能指標(biāo)如下： （1）輸出波形：函數(shù)信

33、號源的輸出波形有正弦波、方波、脈沖和三角波等，具有TTL同步輸出及單次脈沖輸出等。 （2）頻率范圍：函數(shù)信號源的頻率范圍一般為1Hz1MHz，分為若干頻段，如劃分為1Hz10Hz、10Hz100Hz、100Hz1kHz、1kHz10kHz、10kHz100kHz、100kHz1MkHz等六個(gè)波段。9.2.3 函數(shù)信號源 （3）輸出電壓：一般指輸出信號電壓的峰峰值，直接輸出不小于10V。 （4）波形特性：不同波形有不同的表示方法，正弦波的特性一般用非線性失真系數(shù)表示，一般要求3%；三角波的特性用非線系數(shù)表示，一般要求2%；方波的特性參數(shù)是上升時(shí)間，一般要求100ns。9.2.3 函數(shù)信號源 （5

34、）輸出阻抗：函數(shù)信號輸出50和TTL同步輸出600。 （6）調(diào)制特性：調(diào)頻范圍010%，調(diào)幅范圍0100%，失真1.5%。 （7）掃頻特性：掃頻速率10ms1000s，掃頻比不小于10001。補(bǔ)充： 掃頻信號源1概述（1）掃頻信號的作用 輸出信號的頻率隨時(shí)間按一定規(guī)律、在一定范圍內(nèi)重復(fù)連續(xù)變化的信號源稱為掃頻信號源。在頻域測試中，電路頻率特性的測量系統(tǒng)常用掃頻信號源作為激動源。 掃頻信號源之所以能獲得廣泛應(yīng)用，是因?yàn)閽哳l與點(diǎn)頻測量方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)充： 掃頻信號源1）可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的自動測量。 一條頻率特性曲線是由許多個(gè)頻率點(diǎn)構(gòu)成的，在進(jìn)行電路調(diào)試過程中，用掃頻方法可以快速地、實(shí)時(shí)

35、地獲得一條頻率特性曲線，這樣可以一面調(diào)節(jié)電路中的有關(guān)元件，一面觀察熒光屏上頻率特性曲線的變化（即圖示測量），從而迅速地將電路性能調(diào)整到預(yù)定的要求。補(bǔ)充： 掃頻信號源2）由于掃頻信號的頻率是連續(xù)變化的，因此，所得到的被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線也是連續(xù)的，不會出現(xiàn)由于點(diǎn)頻法中頻率點(diǎn)離散而遺漏細(xì)節(jié)的問題。3）點(diǎn)頻法是人工逐點(diǎn)改變輸入信號的頻率，速度慢，得到的是被測電路穩(wěn)態(tài)情況下的頻率特性曲線。掃頻測量法是在一定掃描速度下獲得被測電路的動態(tài)頻率特性，而后者更符合被測電路的應(yīng)用實(shí)際。補(bǔ)充： 掃頻信號源對掃頻信號源的基本要求是：1）中心頻率范圍大且可連續(xù)調(diào)節(jié)。中心頻率是指掃頻信號從低頻到高頻之間中心位置的頻率

36、。不同測試對象對中心頻率的要求也不同。2）掃頻寬度（常用頻偏進(jìn)行描述）要寬且可任意調(diào)節(jié)。頻偏是指掃頻信號的瞬時(shí)頻率與中心頻率的差值。顯然，頻偏應(yīng)能覆蓋被測電路的通頻帶，以便測出完整的頻率特性曲線。補(bǔ)充： 掃頻信號源3）寄生調(diào)幅要小。理想的調(diào)頻波應(yīng)是等幅波，因?yàn)橹挥性趻哳l信號幅度保持恒定不變的情況下，被測電路輸出信號的包絡(luò)才能表征該電路的幅頻特性曲線。4）掃頻線性度好。掃頻信號的頻率和控制電壓之間的關(guān)系為掃頻特性。當(dāng)掃頻特性為直線關(guān)系時(shí)，示波管的水平軸則變換成線性的頻率軸，這時(shí)幅頻特性曲線上的頻率標(biāo)尺是均勻分布的。5）掃頻信號能產(chǎn)生同步的掃描信號和頻率標(biāo)志。補(bǔ)充： 掃頻信號源（3）掃頻源的主要指

37、標(biāo)1）有效掃頻寬度即掃頻源輸出的掃頻線性度和振幅平穩(wěn)性均符合要求的最大頻率覆蓋范圍，一般用相對值表示： 其中f = f2f1，表示掃頻起點(diǎn)f1與終點(diǎn)f2之間的頻率范圍；f0 = (f1f2 ) /2，表示掃頻輸出的中心頻率或平均頻率。補(bǔ)充： 掃頻信號源2）掃頻線性表示掃頻振蕩器的壓控特性曲線的非線性（或線性）程度，可以用線性系數(shù)表征： 線性系數(shù) 其中(k0)max表示壓控振蕩器VCO的最大控制靈敏度， (k0)min表示VCO最小控制靈敏度。補(bǔ)充： 掃頻信號源3）輸出振幅平穩(wěn)性通常用掃頻信號的寄生調(diào)幅表示。調(diào)幅系數(shù)為： 其中A1、A2分別指發(fā)生寄生調(diào)幅時(shí)的最大、最小幅度。補(bǔ)充：掃頻信號源2掃頻

38、信號源的組成原理（1）掃頻信號源的組成 包括掃頻振蕩器、掃描信號發(fā)生器、頻標(biāo)產(chǎn)生電路及自動穩(wěn)幅控制環(huán)路ALC）等。補(bǔ)充：掃頻信號源 掃頻振蕩器用于產(chǎn)生掃頻信號。掃描信號發(fā)生器一方面產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膾呙桦妷夯螂娏鳎瑢φ袷幤鬟M(jìn)行電調(diào)諧，使其頻率在f1f2范圍內(nèi)的任意頻段上掃變；另一方面為了自動重復(fù)掃頻，產(chǎn)生一個(gè)幅度可變的鋸齒波用來驅(qū)動顯示器。取樣檢波器用于對掃頻輸出信號的幅度進(jìn)行取樣監(jiān)測，并和穩(wěn)幅放大器一同組成閉環(huán)反饋通路，實(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)幅控制。 圖中虛線框表示其中的本振和混頻部分并不是所有掃頻源都必備的電路。補(bǔ)充：掃頻信號源（2）掃頻振蕩器的原理 振蕩器是掃頻信號源的核心部件。實(shí)現(xiàn)掃頻振蕩的方法很多，目前

39、廣泛采用的是變?nèi)荻O管掃頻；若要獲得較高的掃頻頻率（幾十到幾百兆赫茲）可采用磁調(diào)電感掃頻；要得到更高的掃頻頻率（千兆赫茲級），可則采用Y1G（釓鐵石榴石）掃頻。1）變?nèi)荻O管掃頻 變?nèi)荻O管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性而制成的半導(dǎo)體二極管，它是一種電壓控制的可變電抗器。補(bǔ)充： 掃頻信號源1）變?nèi)荻O管掃頻 變?nèi)荻O管的電容特性為 式中： 變?nèi)荻O管反向電壓為零時(shí)的結(jié)電容； U0PN結(jié)勢壘電壓；n電容的變化系數(shù)，取決于PN結(jié)的變化結(jié)構(gòu)；U加到變?nèi)荻O管兩端的反向電壓。補(bǔ)充：掃頻信號源2）磁調(diào)電感掃頻 磁調(diào)電感法掃頻是通過磁場改變電感量，從而達(dá)到改變振蕩器頻率的目的。 根據(jù)電磁

40、學(xué)理論可知，一個(gè)帶磁芯的電感線圈，其電感量 與該磁芯的有效導(dǎo)磁系數(shù) 之間存在著線性關(guān)系。 式中 L空心線圈的電感量； 有效導(dǎo)磁系數(shù)； 磁芯的增量導(dǎo)磁系數(shù)； 磁芯的利用率。補(bǔ)充： 掃頻信號源 磁調(diào)電感法掃頻原理 補(bǔ)充： 掃頻信號源2）磁調(diào)電感掃頻 將繞有高頻線圈 的高頻磁芯M鑲在一個(gè)低頻磁芯SM的磁路中，低頻磁芯上繞有兩組線圈 和 ，在 L0中通以直流電流I0 ，I0在高頻磁芯中產(chǎn)生直流偏置磁場 H0，H0用以改變高頻磁芯的工作點(diǎn)。在Lm中通過掃描電流Im ，經(jīng)變壓器耦合產(chǎn)生電流 Io，Io 在高頻磁芯中產(chǎn)生可變化的偏置磁場 Hm。 補(bǔ)充： 掃頻信號源2）磁調(diào)電感掃頻 磁調(diào)電感振蕩器的振蕩頻率為

41、 式中 L空心線圈的電感量； 磁芯的增量導(dǎo)磁系數(shù)； 磁芯的利用率；C諧振回路的電容。補(bǔ)充： 掃頻信號源3） YIG電調(diào)掃頻 YIG是一種單晶鐵氧體材料釔鐵石榴石的簡稱，具有鐵磁諧振特性。 YIG掃頻的基本原理是：將YIG材料做成小球形狀，適當(dāng)定向后置于直流磁場H0內(nèi)。利用單晶鐵氧體內(nèi)電子的自旋產(chǎn)生磁矩，在外加偏置磁場的作用下運(yùn)動并由此產(chǎn)生鐵磁諧振，諧振頻率為f (MHz) = 0.0112H0 (A/m)，其中H0為外置直流磁場強(qiáng)度。諧振頻率f與YIG小球的尺寸無關(guān)，僅隨H0的大小作線性變化。補(bǔ)充： 掃頻信號源3） YIG電調(diào)掃頻 YIG掃頻常用于產(chǎn)生GHz以上頻段的信號，利用下變頻可以實(shí)現(xiàn)寬

42、帶掃頻。由于這種掃頻方式可覆蓋高達(dá)10倍頻程的頻率范圍、掃頻線性好，因而得到廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)在于建立外加偏置磁場的速度不能過快，否則會引起H0的滯后進(jìn)而影響掃頻線性。補(bǔ)充： 掃頻信號源4）合成掃頻源 同時(shí)具有掃頻源和合成源特性的信號源被稱為“合成掃頻源”。通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式：直接合成方式，如直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis，簡作DDS）；間接合成方式，如利用鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，簡作PLL）。補(bǔ)充： 掃頻信號源4）合成掃頻源 合成掃頻源通過軟件使源按照一定的頻率間隔和停留時(shí)間，將輸出頻率依次鎖定在一定范圍內(nèi)的一系列頻點(diǎn)上，達(dá)到掃頻效果。合成掃

43、頻的輸出頻率準(zhǔn)確，是一種自動跳頻的連續(xù)波工作方式，頻率不是完全連續(xù)變化的，而且各頻點(diǎn)之間必須保證留有足夠的頻率預(yù)置及捕獲時(shí)間。只不過合成掃頻源的頻率步進(jìn)可以做得非常小甚至遠(yuǎn)小于整機(jī)的頻率輸出分辨率，所以從宏觀上看，這種掃頻源的頻率是連續(xù)變化的。補(bǔ)充： 掃頻信號源3寬頻段掃頻方法（1）差頻式寬頻段掃頻 差頻式寬帶掃頻的實(shí)現(xiàn)方案補(bǔ)充： 掃頻信號源（1）差頻式寬頻段掃頻 原理：將一個(gè)固定頻率的振蕩器與一個(gè)作為本振信號的掃頻振蕩源同時(shí)加到混頻器上并取差頻。 根據(jù)混頻原理，只要令定頻振蕩器的輸出電平遠(yuǎn)小于掃頻本振的電平，則差頻信號的幅度便由定頻振蕩器的幅度決定，于是掃頻過程中差頻幅度可基本保持不變。使兩

44、個(gè)參加混頻的信號幅度相差極大的另一個(gè)好處是，混頻輸出的各種由交調(diào)產(chǎn)生的雜散信號較小。如果在定頻振蕩器之后加上穩(wěn)幅電路（如PIN調(diào)制器），輸出的掃頻信號性能更佳。補(bǔ)充：掃頻信號源（2）全基波多頻段聯(lián)合式掃頻 將幾個(gè)頻段相互銜接的單頻段基波掃頻振蕩器組件封裝起來，用邏輯電路控制微波開關(guān)，就能任意選用某個(gè)頻段的振蕩器輸出，同時(shí)也能夠使幾個(gè)振蕩器依次產(chǎn)生連續(xù)的輸出頻率，由此實(shí)現(xiàn)寬頻帶掃頻。補(bǔ)充： 掃頻信號源（2）全基波多頻段聯(lián)合式掃頻 圖中寬頻帶掃頻方案中，多個(gè)輸出頻率互相銜接的YIG調(diào)諧基波掃頻源結(jié)合在一起。其中一個(gè)頻段的掃頻信號用定向耦合器分出一部分，并通過低通濾波器與另一個(gè)固定本振信號進(jìn)行混頻，

45、取差頻得到最低頻段的掃頻輸出。 上述多頻段掃頻信號由控制信號通過PIN開關(guān)進(jìn)行選擇、組合，按需提供單頻段或多頻段聯(lián)合掃頻輸出。圖中的另兩個(gè)定向耦合器分別與兩個(gè)檢波器組合起來，實(shí)現(xiàn)對高、低頻段穩(wěn)幅信號的取樣。補(bǔ)充： 掃頻信號源（3）多倍頻程寬帶掃頻 獲得多頻段掃頻輸出的另一種方法是以較寬頻帶的基波掃頻振蕩器為基礎(chǔ)，除了可以直接輸出這個(gè)低頻段信號外，還可以將它加到可選倍率n的倍頻器，以產(chǎn)生若干個(gè)較高頻段?；ɑ芈放c倍頻器是同時(shí)調(diào)諧的。 這種倍頻式（諧波式）寬帶掃頻源比全基波式構(gòu)造簡單，但在高頻段輸出時(shí)可能夾雜來自低頻段的部分諧波頻率寄生信號；另外，倍頻之后的信號寄生調(diào)頻及噪聲也隨之倍增。9.3 鎖

46、相頻率合成信號源9.3.1 合成信號源概述及直接合成原理1合成信號源概述（1）頻率合成的基本概念 現(xiàn)代測量和現(xiàn)代通信技術(shù)中，需要高穩(wěn)定度的頻率信號源。LC或RC振蕩器的頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到 量級，而晶體振蕩器的穩(wěn)定度可以優(yōu)于 量級，但晶體振蕩器只能產(chǎn)生一個(gè)固定的頻率。采用頻率合成的方法，可獲得許多穩(wěn)定的信號頻率。9.3.1 合成信號源概述及直接合成原理（1）頻率合成的基本概念 頻率合成是由一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率，通過基本的代數(shù)運(yùn)算的組合，合成一系列所需的頻率。通過合成產(chǎn)生的各種頻率信號，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到與基準(zhǔn)頻率源相同的量級。 頻率的代數(shù)運(yùn)算是通過倍頻、分頻及混頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。分頻實(shí)現(xiàn)頻率的

47、除，即輸入頻率是輸出頻率的某一整數(shù)倍。倍頻實(shí)現(xiàn)頻率的乘，即輸出頻率為輸入頻率的整數(shù)倍。頻率的加減則是通過混頻來實(shí)現(xiàn)。9.3.1 合成信號源概述及直接合成原理（2）頻率合成方法的分類 1）直接模擬頻率合成法 早期的頻率合成是直接利用倍頻、分頻、混頻及濾波等模擬電路技術(shù)來合成所需要的頻率。所以這種方法稱為直接模擬頻率合成法。 直接頻率合成法的優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，頻率切換速度快，相位噪聲低。但是它需要大量的混頻器、分頻器和濾波器，特別雖可調(diào)的窄帶濾波器，設(shè)計(jì)與制作模擬電路的技術(shù)難度大，且難于集成化，體積龐大，價(jià)格昂貴。9.3.1 合成信號源概述及直接合成原理2）鎖相頻率合成法（間接頻率合成法） 鎖相環(huán)（

48、PLL）能把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，鎖相頻率合成方法是通過不同形式的鎖相環(huán)從一個(gè)基準(zhǔn)頻率合成所需的各種頻率。由于鎖相頻率合成的輸出頻率間接取自VCO，所以該方式也稱間接頻率合成法。 鎖相環(huán)路本身相當(dāng)于一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，它替代了大量可調(diào)的窄帶濾波器，簡化了結(jié)構(gòu)，且易于集成化、易于計(jì)算機(jī)控制。不足之處是它的頻率切換時(shí)間相對較長。9.3.1 合成信號源概述及直接合成原理3）直接數(shù)字頻率合成法 它利用相位累加器提供一定增量的地址，去讀取數(shù)據(jù)存儲器中的正弦取樣值，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到一定頻率的正弦信號。該方法是從相位的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成，不僅可以直接產(chǎn)生正弦信號的頻率，而且還可

49、以給出初始相位，甚至可以給出不同形狀的任意波形。 直接數(shù)字頻率合成具有頻率切換速度快、頻率分辨率高、頻率和相位易于程控等優(yōu)點(diǎn)。9.3.1 合成信號源概述及直接合成原理2模擬直接合成法原理 模擬直接合成法將晶體振蕩器產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率信號，利用倍頻器，分頻器、混頻器及濾波器等模擬電路進(jìn)行四則運(yùn)算，以獲得需要的頻率輸出。 在這種合成法中，又可分相干式直接合成法和非相干式直接合成法。如果用多個(gè)石英晶體產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，各個(gè)基準(zhǔn)頻率之間是相互獨(dú)立的，就叫做非相干直接合成器；如果只用一個(gè)石英晶體產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，然后通過分頻、倍頻等，使加入合成的頻率之間是相關(guān)的，稱為相干式頻率合成器。9.3.1 合成信號源概述及直

50、接合成原理模擬式直接頻率合成器原理圖9.3.1 合成信號源概述及直接合成原理 從圖9-18可以看出，為了得到4.628MHz信號，只須把頻率合成器的開關(guān)S1、S2、S3、S4相應(yīng)地放在4MHz、6MHz、2MHz、8MHz的位置上。 從圖還可以看出，增加一級基本運(yùn)算單元，就可以使頻率分辨率提高一個(gè)量級。這種直接式頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，并能產(chǎn)生任意小的頻率增量。它的缺點(diǎn)是要用大量的倍頻、混頻、濾波等部件，不僅使成本高、體積大，而且輸出諧波、噪聲及寄生調(diào)制都難以抑制，從而影響頻率的穩(wěn)定度。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理1鎖相環(huán)的組成原理（1）組成 基本鎖相環(huán)是由鑒相器

51、（PD）、低通濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）三部份組成的一個(gè)閉環(huán)相位負(fù)反饋環(huán)路。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理（1）組成鎖相環(huán)的輸出頻率f0是從壓控振蕩器（VCO）引出的。所謂壓控振蕩器是指它的輸出頻率f0受外加電壓 控制的一種振蕩器；產(chǎn)生控制電壓的電路單元是鑒相器（PD），它比較兩個(gè)輸入信號的相位，并輸出與兩輸入信號的相位差成正比的誤差電壓 ；誤差電壓 可以直接去控制VCO，但考慮到 中含有無用的高頻成分和噪聲，用一個(gè)低通濾波器（LPF），濾除無用成分，形成需要的電壓 。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理（2）原理 鎖相環(huán)的輸入頻率 fi為基準(zhǔn)頻率，當(dāng)

52、鎖相環(huán)開路時(shí)，VCO的自由振蕩頻率稱為它的固有頻率。通常固有頻率并不等于輸入頻率，其頻率之差稱為固有頻差。在鎖相環(huán)閉合的瞬間，環(huán)路并未鎖定，則PD兩輸入信號之間的相位差將隨時(shí)間而變化。鑒相器將這個(gè)相位差變化鑒出并形成誤差電壓，并通過環(huán)路濾波器加到VCO上。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理（2）原理 VCO受誤差電壓控制，其輸出頻率朝著減小fo與fi 之間頻差的方向變化，即fo向fi靠攏，這一過程稱為頻率牽引。只要fo尚未等于fi，牽引過程就會繼續(xù)，直到fo等于fi，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。環(huán)路從失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)的過程，稱為鎖相環(huán)的捕捉過程。所以，鎖相的過程是一個(gè)從失鎖狀態(tài)頻率牽引

53、鎖定狀態(tài)的過程。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理（2）原理 當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，輸入信號和VCO輸出信號之間只存在一個(gè)穩(wěn)定的相位差，而不存在頻率差，即 。鎖相合成法正是利用鎖相環(huán)的這一特性，把VCO的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，并且把VCO輸出頻率穩(wěn)定度提高到與基準(zhǔn)頻率同一量級,這是LC、RC振蕩器所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到的。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理（2）原理 判定鎖相環(huán)是否處于鎖定狀態(tài)主要觀察鑒相器的工作。鎖定時(shí)它有三個(gè)特點(diǎn)：一是鑒相器的兩輸入信號頻率相同；二是兩輸入信號的相位差為常數(shù)；三是鑒相器的輸出基本上是直流電壓。 鎖定時(shí)鑒相器輸出基本上為直流的特點(diǎn)常被

54、用做鎖定指示。只有在未鎖定時(shí)鑒相器才有較大的交流輸出，所以可把 進(jìn)行交流放大、檢波，并用所得電壓控制電子開關(guān).。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理（3）同步帶寬和捕捉帶寬 從鎖定狀態(tài)連續(xù)加大固有頻差，到剛剛失鎖時(shí)對應(yīng)的固有頻差稱為同步帶寬，它說明鎖相環(huán)保持VCO輸出與基準(zhǔn)頻率一致的能力。 反之，并不是有任何大的固有頻差，鎖相環(huán)都能進(jìn)入鎖定狀態(tài)。從失鎖狀態(tài)逐漸減小固有頻差，到環(huán)路剛剛能夠進(jìn)入鎖定過程，所對應(yīng)的固有頻差稱為捕捉帶寬，它說明鎖相環(huán)能通過牽引進(jìn)入鎖定的能力。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理2鎖相環(huán)的基本形式（1）倍頻式鎖相環(huán)(倍鎖環(huán)) 是實(shí)現(xiàn)對輸入頻率進(jìn)行

55、乘法運(yùn)算的鎖相環(huán)。倍頻環(huán)主要有兩種形式：諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理1）諧波倍頻環(huán) 如圖（a）,輸入頻率fi信號經(jīng)諧波形成電路形成含豐富諧波分量的窄脈沖，使第N次諧波與VCO信號在鑒相器中進(jìn)行相位比較，使VCO被鎖定在輸入信號的N次諧波上，環(huán)路鎖定后 。2）數(shù)字倍頻環(huán) 如圖（b），在反饋回路中加入數(shù)字分頻器，將輸出信號N分頻后送入相位比較器，與輸入信號進(jìn)行比較，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)， 。倍頻式鎖相環(huán)的功能可用圖（c）所示的簡化圖標(biāo)表示。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理（2）分頻式鎖相環(huán)(分頻環(huán)) 分頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對輸入頻率的除法運(yùn)算，與倍頻環(huán)相似，

56、也有兩種基本形式。分頻式鎖相環(huán)原理圖a）諧波分頻環(huán) b）數(shù)字分頻環(huán) c）分頻環(huán)簡的化圖標(biāo)9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理1）諧波分頻環(huán)與倍頻不同的是，在諧波分頻式鎖相環(huán)中，諧波形成電路放于反饋回路中，在鑒相器中將輸入頻率與輸出頻率的N次諧波進(jìn)行相位比較，因此鎖定后，輸出頻率2)數(shù)字分頻環(huán)在數(shù)字分頻式鎖相環(huán)中，數(shù)字分頻器置于鎖相環(huán)外見圖9-21(b)，分頻器的輸出頻率與VCO的輸出頻率進(jìn)行相位比較，則當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí) 。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理（3）混頻式鎖相環(huán)(混頻環(huán)) 混頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對頻率的加減運(yùn)算a）相加混頻環(huán) b）相減混頻環(huán) c）相加環(huán)的簡化圖標(biāo) d）相減

57、環(huán)的簡化圖標(biāo)9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理1）相加環(huán) 在圖9-14（a）中輸出頻率fo與輸入頻率 混頻后，取差頻 與輸入頻率 進(jìn)行相位比較，因此環(huán)路鎖定后， 。2）相減環(huán) 在圖9-14(b)中輸出頻率fo與輸入頻率 混頻后，取和頻 與輸入頻率 進(jìn)行相位比較，因此環(huán)路鎖定后， 。相加混頻器的簡化圖標(biāo)如圖9-14（c）所示，相減混頻器的簡化圖標(biāo)如圖9-14（d）所示。9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理3.多環(huán)組合式鎖相頻率合成原理 以圖9-15所示的雙環(huán)合成單元為例，說明多環(huán)合成的原理。圖9-15 雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)圖a）雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)框圖 b）雙環(huán)合成器的簡化

58、圖標(biāo)9.3.2 鎖相環(huán)的基本形式及鎖相頻率合成的原理 圖9-15所示的雙環(huán)合成器由一個(gè)倍頻環(huán)（虛線下方部分）和一個(gè)加法混頻環(huán)（虛線上方部分）組成，倍頻環(huán)的輸出 作為加法混頻環(huán)的一個(gè)輸入，內(nèi)插振蕩器的連續(xù)可變輸出 作為加法混頻環(huán)的另一個(gè)輸入，則混頻環(huán)的輸出頻率為 從上式可知，通過調(diào)諧VCO1固有頻率來改變倍頻系數(shù)N，調(diào)諧 即可實(shí)現(xiàn)輸出頻率的連續(xù)可調(diào)。9.3.3 提高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù) 當(dāng)需要進(jìn)一步提高鎖相環(huán)的輸出頻率的上限和頻率的分辨力時(shí)，數(shù)字倍頻環(huán)存在兩個(gè)問題。首先，由于可編程分頻器的最高工作頻率比固定分頻器的最高工作頻率低很多，將VCO的輸出直接加到程控分頻器上就限制了頻率合成器輸出頻

59、率的上限。另一個(gè)問題是輸出頻率以增量fi變化，即合成器的頻率分辨力等于fi。 若要提高分辨力，要求增量越小，則要求 越低，鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)換時(shí)間越長。分辨力高與轉(zhuǎn)換時(shí)間短的要求相矛盾。下面將討論如何解決上述兩個(gè)問題。9.3.3 提高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù) 1微差混頻法 微差混頻法是將兩個(gè)頻率相差甚微的信號進(jìn)行差頻混頻，如圖9-16所示。圖9-16微差混頻原理（a）倍頻混頻式（b）混頻倍頻式9.3.3 提高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù)在圖9-16（a）中，混頻器的輸出頻率 在圖9-16（b）中，VCO的輸出頻率 在微差混頻法中，由于參與混頻的兩個(gè)信號頻率十分接近， 很小，使分辨率得到提高。9.3.3 提

60、高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù)2后置分頻法 提高頻率分辨力的途徑之一如圖9-17所示 在鎖相環(huán)后設(shè)置一分頻器，則輸出頻率 ，當(dāng)N改變1時(shí)，fo變化量為 ，因此在不加長轉(zhuǎn)換時(shí)間的前提下使分辨力提高為原來的M倍，但相應(yīng)地輸出頻率范圍也縮減為原來的1/M。圖9-17 后置分頻器的PLL合成器9.3.3 提高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù) 為了在提高頻率分辨力的時(shí)，輸出頻率范圍不變，可以采用基于后置分頻的多環(huán)頻率合成方法，圖9-18中是一個(gè)三環(huán)鎖相率合成器原理框圖。 圖9-18 三環(huán)PLL合成器（a）組成原理圖（b）簡化框圖9.3.3 提高頻率分辨力的鎖相合成技術(shù) 環(huán)A、環(huán)B是兩個(gè)倍頻環(huán)，均以fi為參考輸入頻率