第七章信號發(fā)生器

7.1信號發(fā)生器概述

7.2鎖相頻率合成信號發(fā)生器7.3直接數(shù)字頻率合成信號發(fā)生器第7章信號發(fā)生器信號發(fā)生器是為電子測量提供符合一定技術(shù)要求電信號的儀器設(shè)備，其輸出信號的波形、頻率、幅度等參數(shù)是已知的。幾乎所有電子器件、電路部件及整機設(shè)備的技術(shù)性能都需要在信號發(fā)生器輸出信號的激勵下才能測量與表征。7.1信號發(fā)生器1、按照輸出信號波形特點分類，2、按照輸出信號的頻率范圍分類，3、按照產(chǎn)生信號方法及信號發(fā)生器組成不同分類4、其它分類方法7.1.1信號發(fā)生器的分類及性能一、分類信號發(fā)生器應(yīng)用廣泛、種類繁多，分類方法也有多種

正弦信號發(fā)生器是應(yīng)用最廣泛的信號發(fā)生器，這是因為正弦信號容易產(chǎn)生、容易描述，任何線性雙端口網(wǎng)絡(luò)的特性都是通過對正弦信號的響應(yīng)來表征。正弦信號也是應(yīng)用最廣泛的載波信號。7.1.1信號發(fā)生器的分類及性能

1、照輸出信號波形特點，信號發(fā)生器可分為：

正弦信號發(fā)生器（本章重點討論內(nèi)容）、脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等。

2、按照輸出信號的頻率范圍，可分為：可分為：低頻信號發(fā)生器，高頻信號發(fā)生器，可細分：超低頻、低頻、視頻、甚高頻、超高頻信號發(fā)生器

7.1.1信號發(fā)生器的分類及性能分類頻率范圍超低頻信號發(fā)生器0.0001Hz～10000Hz低頻信號發(fā)生器1Hz～1MHz視頻信號發(fā)生器20Hz～10MHz高頻信號發(fā)生器200kHz～30MHz甚高頻信號發(fā)生器30MHz～300MHz超高頻信號發(fā)生器300MHz以上

3、按照產(chǎn)生信號方法及信號發(fā)生器組成不同分類

傳統(tǒng)的通用信號發(fā)生器智能型的合成信號發(fā)生器7.1.1信號發(fā)生器的分類及性能傳統(tǒng)通用信號發(fā)生器：是指采用諧振等方法產(chǎn)生頻率的一類信號發(fā)生器。其中低頻信號發(fā)生器常以RC文氏電橋振蕩器做主振器，高頻信號發(fā)生器常以LC振蕩器做主振器。這種以RC、LC為主振器的信號源中，頻率準確度和頻率穩(wěn)定度只能達到10-2～10-4量級。這類儀器主要由模擬電路組成，其輸出信號頻率和幅度的調(diào)節(jié)需要用人工的方法通過調(diào)節(jié)旋鈕、開關(guān)來實現(xiàn)，輸出幅度一般采用表頭指示，操作自動化程度不夠高。7.1.1信號發(fā)生器的分類及性能

智能型合成信號發(fā)生器：頻率合成是以一個或幾個石英晶體振蕩器產(chǎn)生的信號頻率為基準頻率，通過進行加減乘除運算，得到一系列所需要的頻率，且這些頻率的穩(wěn)定度、準確度可以達到與基準頻率相同的水平（日穩(wěn)定度優(yōu)于10-8量級的頻率）。能支持在很寬的范圍內(nèi)對輸出頻率進行精細的調(diào)節(jié)；可實現(xiàn)多種調(diào)制工作；可產(chǎn)生多種輸出波形。合成信號發(fā)生器一般需要采用微處理器作為控制電路，它的組成是一種典型的智能儀器架構(gòu)，儀器操作具有較高的自動化程度。合成信號發(fā)生器將是應(yīng)用最廣泛的信號發(fā)生器。

合成信號發(fā)生器是本章討論的重點內(nèi)容。

7.1信號發(fā)生器7.1.1信號發(fā)生器的分類及性能二、正弦信號發(fā)生器的性能指標

正弦信號容易產(chǎn)生，容易描述，任何線性雙端口網(wǎng)絡(luò)的特性，都需要用它對正弦信號的響應(yīng)來表征，因而，正弦信號發(fā)生器幾乎滲透到所有的電子學(xué)實驗及測量中，是最普通、應(yīng)用最廣泛的一類信號發(fā)生器。正弦信號發(fā)生器性能通常用頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性三大指標來評價。二、正弦信號發(fā)生器的性能指標

（一）頻率特性1.頻率范圍：2.頻率準確度3.頻率穩(wěn)定度（二）輸出特性1.輸出阻抗：2.輸出電平范圍3.輸出電平的穩(wěn)定度和平坦度4.輸出電平準確度5.輸出信號非線性失真和頻譜純度

（三）調(diào)制特性正弦信號發(fā)生器性能通常用頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性三大指標來評價。二、正弦信號發(fā)生器的性能指標

（一）頻率特性例如，XD1型信號發(fā)生器的頻率范圍為1Hz～1MHz，分六擋即六個頻段，輸出頻率是連續(xù)的。為了保證有效頻率范圍連續(xù)，兩相鄰頻段間存在公共部分。又例如，HP-8660C型頻率合成信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率范圍為10kHz～2600MHz，輸出頻率是離散的，分辨率為1Hz、共可提供約26億個分離的頻率點。1.頻率范圍：指信號發(fā)生器所產(chǎn)生信號的頻率范圍，在頻率范圍內(nèi)，信號發(fā)生器的各項性能指標應(yīng)該都能得到保證，因而，準確地說，該指標應(yīng)稱“有效頻率范圍”。當信號發(fā)生器輸出的頻率范圍太寬時，可以分為若干個頻段。頻率調(diào)節(jié)可以是連續(xù)的，也可以是離散的。二、正弦信號發(fā)生器的性能指標

（一）頻率特性頻率準確度實際上是輸出信號頻率的工作誤差。傳統(tǒng)通用信號發(fā)生器的頻率準確度一般為±0.5％～±10％頻率合成信號發(fā)生器其輸出信號頻率具有基準頻率（晶振）的準確度，可達到10-6以上。2.頻率準確度：是指信號發(fā)生器預(yù)調(diào)值（即儀器度盤指示或數(shù)字顯示的頻率值）與實際輸出的信號頻率值之間的偏差，通常用相對誤差表示

沒有足夠的頻率穩(wěn)定度，就不可能保證測量結(jié)果有足夠的準確度。一般情況下，信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度應(yīng)比它的頻率準確度高1～2個數(shù)量級，

3.頻率穩(wěn)定度：指外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內(nèi)，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小。短期頻率穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，信號頻率在任意15分鐘內(nèi)所發(fā)生的最大變化；長期頻率穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，信號頻率在任意3小時內(nèi)所發(fā)生的最大變化。

頻率穩(wěn)定度表達式為

二、正弦信號發(fā)生器的性能指標

（一）頻率特性1.頻率范圍：2.頻率準確度3.頻率穩(wěn)定度（二）輸出特性1.輸出阻抗：2.輸出電平范圍3.輸出電平的穩(wěn)定度和平坦度4.輸出電平準確度5.輸出信號非線性失真和頻譜純度（三）調(diào)制特性正弦信號發(fā)生器性能通常用頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性三大指標來評價。二、正弦信號發(fā)生器的性能指標

1.輸出阻抗：信號發(fā)生器的輸出阻抗視信號發(fā)生器的類型不同而異。低頻信號發(fā)生器的輸出阻抗一般為600Ω（或1kΩ）；高頻信號發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω。

（二）輸出特性

信號發(fā)生器作為一個激勵源應(yīng)具有一定的內(nèi)阻，當信號發(fā)生器接人被測電路的輸入端時，被測電路將被看作是一個負載，因而存在著一個負載匹配的問題，這個問題在高頻頻段尤為重要。二、正弦信號發(fā)生器的性能指標

2.輸出電平范圍：是指信號發(fā)生器輸出信號幅度的有效范圍，即所能提供的最小和最大輸出電壓的可調(diào)范圍。一般高頻信號發(fā)生器輸出信號幅度范圍為0.1μV～1V，而電平振蕩器的輸出電平范圍為-60dB～+10dB。

（二）輸出特性為了在不過多犧牲信噪比的情況下輸出微伏（μV）級的小信號電壓，信號發(fā)生器的輸出級中一般都設(shè)置有衰減器。例如，XD-1型信號發(fā)生器最大信號電壓為5V，通過0～80dB的步進衰減，最低可輸出500μV的信號電壓。二、正弦信號發(fā)生器的性能指標

1.輸出阻抗：2.輸出電平范圍3.輸出電平的穩(wěn)定度和平坦度4.輸出電平準確度5.輸出信號非線性失真和頻譜純度（二）輸出特性需要說明的是，由于各種儀器用途、精度等級要求不同，并非每類儀器都要用全部指標進行考核。另外，評價信號發(fā)生器性能的指標也不止上述幾項，各生產(chǎn)廠家出廠檢驗標準及采用的術(shù)語也可能不完全一致。本節(jié)僅介紹信號發(fā)生器中最常用的一些基本的性能指標。7.1.2通用信號發(fā)生器的組成一、低頻信號發(fā)生器組成原理由主振級、連續(xù)衰減器（電位器Ｗ）、電壓放大器、輸出衰減器、匹配變壓器（阻抗變換）和檢測用電壓表等組成。設(shè)R1＝R2＝R，C1=C2=C時，振蕩頻率為

f==一、低頻信號發(fā)生器組成原理

主振級：一般采用RC正弦波振蕩器。尤以文氏電橋振蕩器為最多。圖中R1、C1、R2、C2組成正反饋電路，決定振蕩頻率；R3、R4組成負反饋電路，可自動穩(wěn)頻。主振級產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)連續(xù)衰減器W、電壓放大器和輸出衰減器后直接作為信號發(fā)生器的一路輸出，稱電壓輸出。輸出衰減器可對輸出的電壓進行步進調(diào)節(jié)，通常采用電阻式衰減器。該信號再經(jīng)功率放大器放大后能輸出較大的功率，稱功率輸出。輸出變壓器用來匹配不同的負載阻抗，以獲得最大功率輸出。監(jiān)測器實際上是一個簡易的電壓表，通過開關(guān)K進行可監(jiān)測輸出電壓或輸出功率。7.1.2通用信號發(fā)生器的組成二、高頻信號發(fā)生器組成原理

它的組成和高頻發(fā)射機很相似。主振級產(chǎn)生一定頻率范圍的正弦信號；經(jīng)緩沖級（減弱調(diào)制級對主振級的影響）送到調(diào)制級進行幅度調(diào)制和放大，然后再送到輸出級（保證一定的輸出電平調(diào)節(jié)和源阻抗）。與主振級諧振回路耦合的可變電抗器用來實現(xiàn)調(diào)頻。內(nèi)調(diào)振蕩器提供音頻正弦信號，監(jiān)測器檢測載波電平和調(diào)制指數(shù)。二、高頻信號發(fā)生器組成原理通用高頻信號發(fā)生器的主振級主要是一個LC自激正弦波振蕩器，高頻信號發(fā)生器的有效頻率范圍、頻率穩(wěn)定度和準確度、頻率純度等工作特性主要是由主振級來決定的。主振級一般應(yīng)該能連續(xù)覆蓋一個頻段。例如，整個高頻段（200kHz～30MHz），這就要求主振級在電路上和結(jié)構(gòu)上都能便于頻率轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。由于主振級的工作頻率范圍很寬，因此不要采用過于復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，最好只用一個可調(diào)元件來實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)。例如，電感三點式振蕩電路和變壓器耦合式振蕩電路只需要一個可變電容器。（一）通用高頻信號發(fā)生器的主振級：二、高頻信號發(fā)生器組成原理所謂調(diào)幅是在保證載波信號頻率及相位固定不變的情況下，使其幅度按給定規(guī)律變化的過程。為了減少調(diào)幅過程中可能產(chǎn)生的載頻偏移和寄生調(diào)頻，主振級和調(diào)制級之間應(yīng)加入緩沖放大器。在現(xiàn)代射頻信號發(fā)生器中，最常采用的調(diào)制器是二極管環(huán)形調(diào)制器和PIN二極管調(diào)制器，本節(jié)僅討論PIN二極管調(diào)制器。（二）調(diào)制------調(diào)幅二、高頻信號發(fā)生器組成原理（二）調(diào)制------調(diào)幅流過PIN二極管的電流i與高頻輸人電壓u之間又存在如下關(guān)系式若把高頻輸入電壓u作為載波信號電壓，偏流If正比于調(diào)制信號，則PIN可以實現(xiàn)幅度調(diào)制。（二）調(diào)制------調(diào)頻現(xiàn)代高頻信號發(fā)生器基本上都是采用變?nèi)荻O管調(diào)頻電路。圖例如下：二、高頻信號發(fā)生器組成原理現(xiàn)代高頻信號發(fā)生器的輸出級電路一般包括寬帶放大器、濾波器、自動電平控制（ALC）電路和輸出衰減器等部分。本節(jié)重點討論自動電平控制電路以及衰減器。（三）輸出級ALC電路的作用：使信號發(fā)生器的輸出幅度隨頻率變化時有平直的輸出電平；改善信號發(fā)生器的源阻抗特性，提高反射系數(shù)和衰減量值的測量準確度。1，自動電平控制（ALC）電路（三）輸出級ALC電路通常由調(diào)制器、寬帶放大器、射頻檢波器、ALC環(huán)路等組成。QF1076型信號發(fā)生器(10～520MHz)的ALC電路如下二、高頻信號發(fā)生器組成原理（三）輸出級在一些測試場所，例如過載特性、天線及衰減器的測試，希望信號源有較高的輸出電平。在另外一些測試場所，例如接收機靈敏度、放大器、噪聲的測試，則要求信號源有較低的輸出電平。因此，現(xiàn)代信號發(fā)生器要求應(yīng)能對從0.1μV～lV（或2V）范圍內(nèi)的輸出電平內(nèi)進行連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)。許多信號源輸出級采用了高達13節(jié)或14節(jié)的步進衰減器，并且還加有一個微調(diào)電路，以便在10dB內(nèi)提供微調(diào)。

1，自動電平控制（ALC）電路2，衰減器（三）輸出級電阻衰減器的下限工作頻率可以延伸到直流，上限可做到1000MHz，甚至更高。此外，它還具有衰減范圍大、幅頻特性好，衰減準確度高，駐波電壓系數(shù)小等優(yōu)點。是現(xiàn)代信號發(fā)生器使用最廣泛的衰減器。2，衰減器為獲得準確而恒定的輸人和輸出阻抗，信號發(fā)生器的電阻步進衰減器總是采用π型、T型的四端網(wǎng)絡(luò)。

（三）輸出級2，衰減器相同的情況下，T型衰減器所用的電阻具有較小的阻值，因此T型衰減器具有更好的頻率特性?，F(xiàn)代信號發(fā)生器的10dB步進和1dB步進衰減器主要采用T型電路。根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)理論，若給出衰減器特性阻抗R0和電壓衰減系數(shù)N，則“T型衰減器”中的電阻值可按以下公式計算實際高頻信號發(fā)生器（100kHz～35MHz）衰減器電路該信號發(fā)生器沒有設(shè)置ALC電路，為了方便輸出幅度的測量，設(shè)置了電壓表V，并在調(diào)制和緩沖放大電路設(shè)置了載波幅度調(diào)節(jié)電位器，一般使電壓表V指示在1V紅色校正線上。衰減器電路由細調(diào)電位器P、步級衰減器和終端分壓器組成。細調(diào)電位器P的度盤刻度共分十大格,每大格又分十小格,組成了1∶100衰減器?！?～1V”插孔可輸出１V以下的高頻信號。步級衰減器每級20dB，配合細調(diào)電位計P，可在“0～0.1V”端輸出任意微小的電壓，并能以μV為單位讀出其幅度值。實際高頻信號發(fā)生器（100kHz～35MHz）衰減器電路由于該信號發(fā)生器沒有設(shè)置ALC電路，為了方便輸出幅度的測量，設(shè)置了電壓表V，并在調(diào)制和緩沖放大電路設(shè)置了載波幅度調(diào)節(jié)電位器，一般使電壓表V指示在1V紅色校正線上。衰減器電路由細調(diào)電位器P、步級衰減器和終端分壓器組成。實際高頻信號發(fā)生器（100kHz～35MHz）衰減器電路衰減器電路由細調(diào)電位器P、步級衰減器和終端分壓器組成。細調(diào)電位器P的度盤刻度共分十大格,每大格又分十小格,組成了1∶100衰減器?！?～1V”插孔可輸出１V以下的高頻信號。步級衰減器每級20dB，配合細調(diào)電位計P，可在“0～0.1V”端輸出任意微小的電壓，并能以μV為單位讀出其幅度值。7.1信號發(fā)生器7.1.3合成信號發(fā)生器的組成

合成信號發(fā)生器使用一個或多個晶體作為頻率標準，利用電路的加、減、乘、除而產(chǎn)生一系列的離散頻率，因此合成信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號具有很強的頻率精度和長期穩(wěn)定度。合成信號發(fā)生器輸出頻率的改變是基于對環(huán)路分頻比，合成信號發(fā)生器一般都采用微處理器系統(tǒng)作為控制器。合成信號發(fā)生器的基本組成框圖

合成信號發(fā)生器的核心部件可大致分為頻率合成部分和輸出部分（含寬帶放大、步進衰減及ALC電路等）。頻率合成部分用于產(chǎn)生用戶置定的頻率；輸出部分用于控制用戶置定的輸出幅度。使用時，用戶只要通過儀器面板的按鍵輸入數(shù)據(jù)對頻率合成的頻率和輸出幅度值進行置定（并能予以顯示），便能輸出所需信號。典型合成信號發(fā)生器的面板布置圖上半部分為顯示區(qū)，下半部分為控制區(qū)。在控制區(qū)中，各控制鍵按調(diào)制、載波、單位等不同功能分類排列，因而操作簡便，不易出錯。儀器的操作是通過操作鍵盤形成一定格式的指令，再由微處理器按指令去控制信號發(fā)生器中相應(yīng)的功能部件。按鍵應(yīng)按［Frequency］［1］［2］［3］［.］［4］［5］［6］［MHz］的順序操作。在按數(shù)字鍵和單位鍵時，顯示器應(yīng)顯示相應(yīng)的數(shù)字和單位。在這里，單位鍵還兼做執(zhí)行鍵，當微處理器判定執(zhí)行鍵按下時，就會對從鍵盤輸入的數(shù)字、單位和小數(shù)點的位置碼進行分析，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)碼通過數(shù)據(jù)總線送到頻率合成部分。例如，若需要信號發(fā)生器輸出123.456MHz的頻率時，7.1信號發(fā)生器7.1.3合成信號發(fā)生器的組成

頻率合成的方法：1、直接模擬頻率合成法2、鎖相頻率合成法（間接頻率合成法

）3、直接模擬頻率合成法與以RC或LC自激振蕩為主振級的信號發(fā)生器相比，信號源的頻率穩(wěn)定度可以提高3～4個數(shù)量級。頻率合成的方法：利用倍頻、分頻、混頻及濾波等技術(shù)，對一個或多個基準頻率進行算術(shù)運算來產(chǎn)生所需要的頻率。由于倍頻、分頻、混頻及濾波大多是采用模擬電路來實現(xiàn)，所以這種方法稱為直接模擬頻率合成法。優(yōu)點：工作可靠，頻率切換速度快，相位噪聲低。不足：需要大量混頻器、分頻器和濾波器，難于集成化，所以體積大，價格昂貴。

1、直接模擬頻率合成法目前合成信號發(fā)生器主要采用鎖相頻率合成和直接數(shù)字頻率合成兩種方法，但由于直接模擬頻率合成法具有頻率切換速度快、相位噪聲低等突出優(yōu)點，目前還有應(yīng)用。

直接模擬頻率合成的典型例子近年來發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)。它利用計算機按照一定的地址關(guān)系，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。該方法不僅可以直接產(chǎn)生正弦信號的頻率，而且還能可以給出初始相位，甚至可以給出不同形狀的任意波形，這是前兩種方法無法做到的。利用鎖相環(huán)（PLL）把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準頻率上，同時，利用一個基準頻率，通過不同形成的鎖相環(huán)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。優(yōu)點：鎖相環(huán)路相當于一個窄帶跟蹤濾波器，節(jié)省了大量濾波器，簡化了結(jié)構(gòu)，且易于集成化、易于計算機控制。不足：頻率切換時間相對較長。2鎖相頻率合成法3直接數(shù)字頻率合成法7.2鎖相頻率合成信號發(fā)生器7.2.1鎖相環(huán)的基本形式

基本鎖相環(huán)倍頻鎖相環(huán)分頻鎖相環(huán)混頻鎖相環(huán)組合式鎖相環(huán)小數(shù)分頻鎖相環(huán)在鎖相頻率合成器中，可以利用一個基本鎖相環(huán)把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準頻率上，也可以通過不同形式的的鎖相環(huán)對基準頻率頻率進行加、減、乘、除運算，合成所需的頻率。7.2.1鎖相環(huán)的基本形式

基本鎖相環(huán)基本鎖相環(huán)是由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成的閉合環(huán)路，基本形式如圖基本鎖相環(huán)當鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，輸入信號和VCO輸出信號之間只存在一個穩(wěn)態(tài)相位差，而不存在頻率差，即fo=fi。鎖相合成法正是利用鎖相環(huán)的這一特性，把VCO的輸出頻率穩(wěn)定在基準頻率上，并把輸出頻率穩(wěn)定度提高到與基準頻率同一量級。通常，fi是石英晶體振蕩器的振蕩頻率，頻率穩(wěn)定度可達10-8數(shù)量級，因此，環(huán)路鎖定時，普通振蕩器VCO的輸出頻率穩(wěn)定度就可提高到與石英晶體振蕩器頻率同一量級，這是LC、RC振蕩器所遠遠不能達到的。2.倍頻鎖相環(huán)能對輸入信號頻率進行乘法運算的鎖相環(huán)稱倍頻鎖相環(huán)，簡稱倍頻環(huán)。它有數(shù)字倍頻環(huán)和脈沖倍頻環(huán)兩種形式。在相位比較器中進行比較的兩個信號的頻率是fi和fo/N。很顯然，當環(huán)路鎖定時，有fi

=fo／N，即fo

=Nfi，從而達到倍頻。改變分頻器的分頻系數(shù)N，就能改變數(shù)字倍頻環(huán)的倍頻系數(shù)。由于fi是由晶體振蕩送來的基準信號，因此輸出信號fo也具有與基準信號相同等級的頻率穩(wěn)定度。在實際的數(shù)字倍頻環(huán)中，為了提高VCO的工作穩(wěn)定性，分頻器的分頻系數(shù)一般分為固定分頻器和可變分頻器兩部分。3.分頻鎖相環(huán)能對輸入信號頻率進行除法運算的鎖相環(huán)稱分頻鎖相環(huán)，簡稱分頻環(huán)。它有分字倍頻環(huán)和脈沖分頻環(huán)兩種形式。分頻環(huán)的原理可參照上述倍頻環(huán)的原理進行分析，不再贅述。2.倍頻鎖相環(huán)4.混頻鎖相環(huán)能對輸入頻率進行加、減運算的鎖相環(huán)叫混頻鎖相環(huán)，簡稱混頻環(huán)。它是在基本鎖相環(huán)支路中加入混頻器M和帶通濾波器BPF形成的。如果混頻器是差頻式，則fi1

=fo-fi2，即輸出頻率為fo

=fi1

+fi2；如果混頻器是和頻式，則fi1

=fo+fi2，即輸出頻率為fo

=fi1

-fi2。

4.混頻鎖相環(huán)混頻環(huán)在頻率合成器中可用來提供頻率連續(xù)可調(diào)的輸出信號。設(shè)晶體振蕩器的輸出頻率fi1

=2000kHz；內(nèi)插振蕩器的輸出頻率fi2=50～60kHz；混頻器是差頻式。則合成后的輸出頻率fo=2050～2060kHz連續(xù)可調(diào)。內(nèi)插振蕩器一般采用LC振蕩器，其頻率穩(wěn)定度較低，但混頻環(huán)輸出頻率的穩(wěn)定度仍能維持在輸出頻率穩(wěn)定度的量級上設(shè)晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度為1×10-6/日，即△fi1

=2Hz/d，內(nèi)插振蕩器頻率穩(wěn)定度為1×10-4/日，即△fi2=6Hz/日。因為

fo=fi1+fi2，根據(jù)誤差公式，得△fo

=△fi1+△fi2，則輸出頻率穩(wěn)定度為△fo/

fo

≈4×10-6/日，仍與基準頻率的穩(wěn)定度在同一量級?？梢姡没祛l環(huán)，不僅能實現(xiàn)10kHz范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，而且fo的頻率穩(wěn)定度仍可保持與晶振頻率穩(wěn)定度在同一量級。4.混頻鎖相環(huán)單個鎖相環(huán)很難覆蓋較寬的頻率范圍。實際的合成信號發(fā)生器往往通過多種鎖相環(huán)組合而成。4.組合式鎖相環(huán)一個由混頻環(huán)和倍頻環(huán)組成的雙環(huán)合成單元，如圖所示由倍頻環(huán)可得fo1

=Nfi1，由混頻環(huán)可得fo2

=fi1

+fi2，則fo2

=Nfi1

+fi2調(diào)諧VCO1使倍頻環(huán)鎖定在Nfi1上，能夠?qū)崿F(xiàn)在很寬范圍內(nèi)的點頻覆蓋；調(diào)諧內(nèi)插振蕩器的輸出頻率，可以實現(xiàn)相鄰兩個點頻之間頻率的連續(xù)可調(diào)。若要實現(xiàn)在該頻率范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，只需設(shè)計使混頻環(huán)中的內(nèi)插振蕩器輸出頻率fi2在100～110kHz之間連續(xù)可調(diào)，就可以把fi2的10kHz連續(xù)可調(diào)范圍“插入”到Nfi1的每兩個相鄰鎖定點的間隔頻率之間，實現(xiàn)fo2在3400～51000kHz的連續(xù)可調(diào)。例如，若要求fo2=4235.5kHz，第一步，調(diào)節(jié)VCO1，使之鎖定在4130kHz（N=413），第二步，調(diào)節(jié)內(nèi)插震蕩器，使其輸出頻率fi2=105.5kHz，則通過混頻環(huán)最后可合成fo2

=4130+105.5=4235.5kHz。例如，若fi1

=10kHz，N=300～500，則倍頻環(huán)輸出范圍為3000～5000kHz，間隔為10kHz，共170個點頻。4.小數(shù)分頻鎖相環(huán)采用多環(huán)單元可以使分辨力得以提高，但將使電路復(fù)雜，而且是有限度的。例要得到1μHz的分辨力，其電路的復(fù)雜程度在實際上是不能實現(xiàn)的。所謂小數(shù)分頻是一種平均效果，實際上每次分頻的分頻系數(shù)都是整數(shù)，但每次分頻的分頻系數(shù)不一樣。若平時倍頻鎖相環(huán)的分頻器按÷N模式工作，但每P個fi的周期，就使分頻器按÷(N+1）模式工作一次，則該分頻器等效分頻系數(shù)應(yīng)為，這說明它具有小數(shù)分頻能力。顯然，這時鎖相環(huán)的輸出頻率為設(shè)N=18，P=10，則等效的分頻系數(shù)為18.1。若fi為10kHz，則fo=181kHz。使分辨力由10kHz提高到1kHz。分頻系數(shù)中小數(shù)點后面的位數(shù)越多，分辨力就越高。HP3325Ａ型合成發(fā)生器采用的小數(shù)分頻鎖相環(huán)框圖。虛線框內(nèi)的電路是為實現(xiàn)小數(shù)分頻而加入的，其他部分與普通鎖相環(huán)基本相同。小數(shù)寄存器用于存放分頻系數(shù)的小數(shù)部分，由微處理器送入。在輸入信號ｕi的作用下，相位累加器將逐周期地對存入的小數(shù)部分進行累加，當累加器計滿時，它輸出一個溢出脈沖去控制脈沖消除電路，扣除輸出信號ｕo中的一個脈沖，使環(huán)路按÷（N+1）的模式工作。然后，環(huán)路又回復(fù)到÷N模式，直到累加器的下一次溢出。平時環(huán)路按÷N模式工作時，當環(huán)路變?yōu)榘础拢∟+1）的模式工作時，ｕN的相位將會突然滯后ｕi一個相位，所以鑒相器的輸出電壓ｕφ將呈鋸齒波，其周期等于PTi。由于Ｐ值較大，這個鋸齒波將很難被環(huán)路濾波器平滑，從而會對VCO產(chǎn)生寄生調(diào)頻。為了改善輸出信號的頻譜純度，需要對ｕφ的鋸齒波進行補償，為此，在電路中加入了一個Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換器，用于對累加器的存數(shù)進行Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換。由于累加器的存數(shù)隨ｕN相位的遞增而遞加，因此Ｄ/Ａ變換器的輸出電壓ｕa也呈鋸齒波，其周期為PTi。讓ｕa與ｕφ在環(huán)路濾波器前反向疊加，則可期望疊加電壓ｕφˊ在環(huán)路鎖定的時侯是平滑的。小數(shù)分頻法的頻率分辨力主要取決于累加器的容量，而累加器的容量可以很大，因此小數(shù)合成環(huán)的頻率分辨力是很高的。HP3325A型信號發(fā)生器采用了小數(shù)合成環(huán)，其頻率分辨力高達10-6HZ（環(huán)路的參考頻率fi=100kHZ）。目前，帶有鎖相環(huán)的頻率合成器無論在理論上或是在制作上都已達到成熟階段，而且實現(xiàn)了集成化。集成化的鎖相環(huán)器件分為專用的集成鎖相環(huán)電路（定制LIC）和通用型集成鎖相環(huán)。在生產(chǎn)數(shù)量少、品種多的設(shè)備中，設(shè)計人員經(jīng)常選擇通用型集成鎖相環(huán)。7.2.2通用型集成鎖相環(huán)頻率合成器該系列芯片有CD4046、74HC/74VHC4046、74VHC9046多種類型，它們內(nèi)部構(gòu)成、引腳配置及性能稍有不同，例如，CD4046的最高頻率約1MHz，而74HC4046約為10MHz。另外，不同公司的同一類型芯片其性能也可能有差別。一、74HC4046集成鎖相環(huán)7.2.2通用型集成鎖相環(huán)頻率合成器它由一個線性VOC和三個相位比較器組成，使用時，只要在外部增加環(huán)路濾波器就可以構(gòu)成一個基本鎖相環(huán)。一、74HC4046集成鎖相環(huán)二、74HC4046集成鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計頻率合成器可分為基本PLL部分和輸出部分。在基本PLL部分，晶振頻率為10.24MHz，通過1024分頻可得到10kHz的基準頻率；分頻器設(shè)定為1／100～1／1000，使VCO產(chǎn)生的信號頻率范圍為1～10MHz。輸出部分設(shè)計有量程選擇器和緩沖器。輸出部分有量程選擇器和緩沖器，PLL電路輸出的信號經(jīng)6級1/10分頻選擇，可以得到下述7個量程頻率范圍的輸出信號⑴10Hz量程：頻率范圍為1～10Hz，分辨力為10mHz；⑵100Hz量程：頻率范圍為10～100Hz，分辨力為100mHz；⑶1kHz量程：頻率范圍為100Hz～1kHz，分辨力為1Hz；⑷10kHz量程：頻率范圍為1～10kHz，分辨力為10Hz；⑸100kHz量程：頻率范圍為10～100kHz，分辨力為100Hz；⑹1MHz量程：頻率范圍為100kHz～1MHz，分辨力為1kHz；⑺10MHz量程：頻率范圍為1～10MHz，分辨力為10kHz基本PLL部分的電路基準時鐘電路主要由74HC4060和10.24MHz晶體振子組成。4060內(nèi)有振蕩電路和分頻器，產(chǎn)生的頻率為10.24MHz經(jīng)內(nèi)部1024分頻后得到了穩(wěn)定的10kHz基準時鐘。圖中可調(diào)電容CV1用于對輸出頻率進行微調(diào)，可以得到約50ppm的頻率精度?；綪LL部分的電路由于片內(nèi)相位比較器和VCO在封裝時公用一個地，這樣相位比較器在公共阻抗上產(chǎn)生的脈沖電壓可能會混入VCO的輸入信號中。為了避免兩者之間的干擾，使用了兩片74HC4046，使相位比較器與VCO獨立，這樣相位比較器輸出的脈沖就不會影響VCO。為了使VCO輸出的頻率范圍能達到10倍，在74HC4046的引腳R1端接入了穩(wěn)壓二極管D1，使VCO的控制電壓按指數(shù)函數(shù)規(guī)律增加，展寬了VCO輸出的頻率范圍。TC9198P是一種可編程的分頻器／脈沖吞沒式計數(shù)器。當MODE引腳接高電平時，器件設(shè)定為可編程的分頻器，并要求輸入并行的數(shù)據(jù)為BCD碼。在本電路中，D17引腳接高電平，D16引腳接地，則分頻器的最大設(shè)定范圍應(yīng)為5～9999，本電路使用的設(shè)定范圍為999～9999。輸出部分的電路輸出部分的電路頻率合成器輸出部分量程選擇電路由3個雙十進制計數(shù)器74HC390和1個8路選擇器74HC151組成。74HC390芯片構(gòu)成6級10分頻器，各級10分頻器的輸出再由IC74HC151進行選擇，從而得到7個量程頻率范圍的切換。輸出緩沖采用能輸出較大電流的高速緩沖器74AC540。若只使用單個74AC540，驅(qū)動50Ω負載時電流不夠，因此采用4個緩沖電路（在同一封裝內(nèi)）并聯(lián)以增大驅(qū)動電流，每個緩沖器的輸出端都串聯(lián)接入了一個200Ω的電阻，總輸出阻抗為20Ω。7.2.3合成信號發(fā)生器頻率合成單元

本節(jié)以MG31A和8660C兩種頻率合成信號發(fā)生器為例，側(cè)重討論頻率合成單元的組成原理及程控方法。一、AG31A型合成信號發(fā)生器的頻率合成器MG31A合成源的輸出頻率為10Hz到999.9999kHz。它由頻率合成和輸出兩部分組成，其中，頻率合成部分含基本頻率、細度盤振蕩器、七個十進制頻率合成子單元。它的輸出頻率決定于“×0.1Hz”～“×100kHz”這七個十進制頻率度盤的步位（0～9）。MG31A合成源由頻率合成和輸出兩部分組成，其中，頻率合成部分含基本頻率、細度盤振蕩器、七個十進制頻率合成子單元。它的輸出頻率決定于“×0.1Hz”～“×100kHz”這七個十進制頻率度盤的步位（0～9）。一、AG31A型合成信號發(fā)生器的頻率合成器基本頻率單元中，1MHz的標準頻率利用分頻和倍頻電路分別得到100kHz和5MHz信號，作為標準頻率送到有關(guān)部分。頻率合成部分由0.1Hz子單元到100kHz子單元七級組成，各級電路相同。每級子單元都有兩個鎖相環(huán)路：下面鎖相環(huán)路中有一組晶體振蕩器，用一個波段開關(guān)轉(zhuǎn)換十塊晶體，其輸出頻率分別為4.5MHz、4.6MHz～5.4MHz，共分十擋（0～9），每擋相差100kHz；上面環(huán)路中有一個壓控振蕩器，其變?nèi)荻O管的直流電壓由同一個波段開關(guān)來改變，使其工作在所需頻率附近。再由鑒相器來的直流電壓使其準確地鎖定于所需的頻率上。環(huán)路中的低通濾波器的截止頻率fc=700kHz。輸出部分中有一個混頻器。它的一個信號來自100kHz子單元，另一個信號（5MHz）來自基本頻率單元，取其差頻即得到所需的輸出頻率。二、8660C型合成信號發(fā)生器的頻率合成器

8660C型合成信號發(fā)生器是程控式合成信號發(fā)生器，其輸出頻率為10kHz到110MHz，分辨力為1Hz，輸出頻率可由面板上的鍵盤控制。8660C頻率合成信號發(fā)生器的簡化方框圖如圖。圖中主要畫出了與頻率合成有關(guān)的部分。8660C合成單元主要有參考頻率環(huán)，低頻環(huán)N1、N2、N3，相加環(huán)1、2和高頻環(huán)等單元組成。各環(huán)路中的分頻器和D/A轉(zhuǎn)換器所需要輸入的數(shù)據(jù)由數(shù)控單元通過對應(yīng)的端口提供。低頻環(huán)N1的分析系統(tǒng)規(guī)定低頻環(huán)N1的輸出頻率范圍是19.8～29.70MHz。壓控振蕩器的輸出送入環(huán)路分頻器，分頻器的分頻系數(shù)由數(shù)控單元送到輸入端口的BCD碼數(shù)據(jù)6和7確定。當環(huán)路鎖定時，分頻器輸出到鑒相器的信號頻率應(yīng)該為100kHz，所以分頻器分頻系數(shù)的范圍為K1=198/0.1～2970/0.1=198～297。二、8660C型合成信號發(fā)生器的頻率合成器二、8660C型合成信號發(fā)生器的頻率合成器D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和鑒相器的輸出電壓經(jīng)A放大并相加后給變?nèi)荻O管提供控制電壓，從而使壓控振蕩器準確地工作在所需的頻率上，該振蕩信號再經(jīng)VT7放大后輸出。壓控振蕩器的振蕩回路由L5、C16、C17和變?nèi)荻O管CR3組成，其工作頻率范圍為0.01～21.00MHz。7.2.4典型合成信號發(fā)生器分析QFl480型合成信號發(fā)生器是一種智能化、全程控的合成信號發(fā)生器。由合成信號源電路、輸出電路與控制電路三部分組成。一、合成信號源電路原理二、輸出級電路原理三、控制單元工作原理由主鎖相環(huán)、800/40MHz鎖相環(huán)、子合成器、FM功能電路、10MHz基準等功能電路組成。電路框圖如圖所示。一、QFl480型合成信號發(fā)生器合成信號源電路原理合成信號發(fā)生器輸出的頻率范圍為10kHz～l050MHz，內(nèi)部電路將其分為三個頻段：低頻段0.01～245MHz；中頻段245～512MHz；高頻段512～1050MHz。高頻段和中頻段由主鎖相環(huán)產(chǎn)生。低頻段由固定的800MHz信號與800.01MHs～1045MHz頻率差頻產(chǎn)生，其中，固定的800MHz信號由800/40MHz鎖相環(huán)產(chǎn)生,其余部分在輸出部分電路中實現(xiàn)。主鎖相環(huán)由環(huán)路振蕩器VCO、除2分頻器、單邊帶混頻器SSB、三模預(yù)置分頻器、N分頻器、鑒相器和環(huán)路放大器組成，其中，三模預(yù)置分頻器和N分頻器一起組成了一個小數(shù)分頻器。主鎖相環(huán)的主要任務(wù)是產(chǎn)生高頻段(512～l050MHz)的頻率和除2后產(chǎn)生中頻段(245～512MHz)的頻率，此外，主鎖相環(huán)還負責實現(xiàn)FM調(diào)制。一、QFl480型合成信號發(fā)生器合成信號源電路原理主鎖相環(huán)采用了電流型的鑒相器，輸入的參考頻率為lMHz。VCO是主鎖相環(huán)的核心，它的控制電壓范圍為+2～+18V，其輸出信號的頻率為高頻段(512～l050MHz)的頻率。VCO產(chǎn)生的高頻段信號經(jīng)除2分頻得到中頻段(245～512MH2)的頻率，該中頻段信號一路經(jīng)耦合電路直接送至輸出電路，另一路和來自子合成器送來的20kHz～39.995kHz（步進值為5Hz）信號在單邊帶混頻器中混頻，得到抑制了上邊帶的輸出信號。設(shè)中頻段的頻率為f1，子合成器來的信號為fs，則經(jīng)過單邊帶混頻器之后，輸出信號為f1-fs。由三模預(yù)置分頻器和N分頻器組成的小數(shù)分頻器能提供()的分頻比。一、QFl480型合成信號發(fā)生器合成信號源電路原理QFl480輸出電路完成的功能：降低射頻信號的諧波失真；產(chǎn)生0.01～1050MHz的射頻信號；控制射頻信號的幅度；實現(xiàn)幅度調(diào)制以及通過混頻產(chǎn)生0.01～245MHz低頻段信號。產(chǎn)生AM、FM所需調(diào)制信號的振蕩器電路。二、輸出級電路原理合成信號源來的頻率通過7dB增益放大器緩沖放大之后，經(jīng)過幾個低通濾波器送至調(diào)制器。調(diào)制器除了完成AM的任務(wù)之外，還于ALC環(huán)路共同完成自動電平控制。輸出部分還能產(chǎn)生10kHz～245MHz的低頻段頻率，從而把輸出信號的頻率擴展至10kHz～1050MHz。10kHz～245MHz頻段是從基本頻段中的800.01MHz～1045MHz頻率與800MHz進行差頻得到的。在輸出部分之后是一個程控的七節(jié)衰減器(1個6dB，1個l2dB，5個24dB)，負責把輸出信號的電平衰減到最小-127dBm。輸出部分還包括本機的內(nèi)調(diào)制振蕩器，產(chǎn)生400Hz和1000Hz兩種調(diào)制頻率。二、輸出級電路原理ALC環(huán)路的任務(wù)是與調(diào)制器一起完成自動電平控制及調(diào)幅功能，其工作原理框圖如圖所示。二、輸出級電路原理由前級濾波器來的信號首先經(jīng)由PN二極管組成的調(diào)制器，完成AM和輸出電平控制的功能。PN調(diào)制器是實質(zhì)上是一種壓控衰減器，其控制電壓是由ALC環(huán)路反饋支路提供的。當未加調(diào)幅時，由輸出功分器來的一路信號，經(jīng)檢波器檢波后輸出一個直流電壓；該電壓是非線性的并且是溫度的函數(shù)，所以在檢波器之后緊跟著一個線性化電路，使輸出電壓經(jīng)線性化處理后加到環(huán)路積分放大器的負向輸入端；電平控制是由加在環(huán)路積分放大器正向輸入端上的電壓所決定，該電壓由一個12位的電平D/A轉(zhuǎn)換器提供，電平D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)由微機送來，如果積分放大器的正向輸入端末加調(diào)制電壓，該控制電壓僅受控于微機送來的輸出電平信息；最后，環(huán)路積分放大器輸出信號經(jīng)調(diào)制器線性化電路加到調(diào)制器上，于是改變了PN二極管的等效電阻。由反饋理論可知，積分放大器的輸出將促使其負端輸入與正向輸入相等，從而達到自動電平控制的作用。圖中下半部分是調(diào)制信號處理電路，一個由內(nèi)調(diào)振蕩器或外調(diào)制源來的1VP-P調(diào)制信號加到調(diào)幅D/A轉(zhuǎn)換器的參考輸入端，微機送來的8bit調(diào)幅深度數(shù)據(jù)加到D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入端，因而調(diào)幅D/A轉(zhuǎn)換器輸出的調(diào)制信號的幅度取決于微機送來的調(diào)幅度信息。這個加入了制調(diào)幅度信息的調(diào)制信號和參考電壓相加后加到溫度補償D/A轉(zhuǎn)換器的參考輸入端，然后再與溫度補償電壓相加（溫度補償信息加在溫度補償D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入端）。最后，這幾個電壓之和加到電平D/A轉(zhuǎn)換器的參考輸入端，由電平D/A轉(zhuǎn)換器的輸出控制環(huán)路積分放大器正向輸入端電壓的大小。環(huán)路積分放大器輸出的信號再經(jīng)調(diào)制器線性電路處理之后，做為調(diào)制器的壓控衰減電壓，達到幅度調(diào)制的目的。二、輸出級電路原理（ALC環(huán)路）衰減器電路是由衰減器及繼電器控制電路組成，衰減器部分由1節(jié)6dB，1節(jié)12dB和5個24dB衰減單元組成，能提供0～138dB的衰減(步進6dB)。圖7.27給出了其中一節(jié)24dB衰減單元及其控制的電路圖。二、輸出級電路原理控制電路來的控制信號可以控制開關(guān)管的通斷。當控制信號為高電平時，開關(guān)管截止，控制信號為低電平，繼電器處于釋放狀態(tài)，于是K將由R1～R3構(gòu)成的24dB衰減單元接人。當控制信號為低電平時，開關(guān)管飽和，繼電器K的控制信號變高電平，處于直通狀態(tài)，即24dB衰減單元未接人。三、控制單元工作原理三、控制單元工作原理控制單元實現(xiàn)的自診斷、自修正功能是QFl480很有特點的內(nèi)容。本節(jié)以鎖相環(huán)路的自診斷和鎖相環(huán)路帶寬補償?shù)淖孕拚δ転槔M行討論。所謂自診斷就是儀器對自身工作狀態(tài)的檢查。模擬電路的自診斷必須找到該電路工作正常與否的一個特征，并使這個特征轉(zhuǎn)換成微處理器能夠識別的高低電平信號。1、鎖相環(huán)路的自診斷鎖相環(huán)工作是否正常取決于鎖相環(huán)是否鎖定，而鎖相環(huán)的鎖定與否最終反映在鑒相器的輸出上。當鎖相環(huán)鎖定時，鑒相器的輸出為一穩(wěn)定的窄脈沖輸出；當失鎖時，輸出將是一個寬度變化的脈沖。下面，給出了用74LS123和一簡單RC濾波器構(gòu)成的鎖相環(huán)失鎖判別電路如圖7所示。由圖（a）可以看出，如果B腳、CD腳保持高點平，只要A腳輸入一個負脈沖，那么Q端就會產(chǎn)生一個正跳變。如圖（b）所示。當鎖相環(huán)鎖定時，鑒相器的輸出的窄脈沖被RC低通濾波器濾除，而在A端保持高電平，即Q端無脈沖輸出；當失鎖時，其輸出是一個寬度變化的脈沖，RC低通濾波器無法濾波，于是在Q端輸出一個脈沖。微機檢測該信號，即可診斷鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)。由于74LSl23是可重復(fù)觸發(fā)的，所以只要觸發(fā)脈沖周期小于某一與RC相關(guān)的時間常數(shù)，Q端輸出將繼續(xù)保持高電平。鎖相環(huán)帶寬可近似表示為

fc＝kv·kφ／N

式中，kv為VCO調(diào)諧系數(shù)，kφ為鑒相器增益，N為分頻比。kφ可視為常數(shù)，但kv和N值都會隨著VCO輸出頻率而變化，因此使得鎖相環(huán)帶寬fc隨頻率的變化而變化。補償?shù)幕舅悸肥牵簺]計一個電路，使kφ也隨頻率的變化而變化，且與kv／N的變化成反比。這樣，就能使其變化相互抵消，使fc保持恒定。自修正按照以下順序；首先利用Kv／N變化規(guī)律，計算出kφ的補償數(shù)據(jù)；然后。將補償數(shù)據(jù)通過D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號施加到VCO的控制端，從而能對鎖相環(huán)路帶寬進行補償修正。2、鎖相環(huán)路帶寬補償?shù)淖孕拚?.3直接數(shù)字頻率合成信號發(fā)生器7.3.1直接數(shù)字頻率合成技術(shù)概述任何頻率的正弦波形都可以看作是由一系列的取樣點所組成。因此，可以將把要輸出的正弦波形取樣數(shù)據(jù)預(yù)先順序存放在一段ROM單元中，然后在時鐘的控制下，順序從這些ROM單元中讀出，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，就可以得到一定頻率的正弦波形信號。這就是DDS的基本原理。設(shè)取樣時鐘頻率為fc，一個正弦波由2N個取樣點構(gòu)成，則輸出正弦波信號的頻率為：

一、DDS的基本組成原理7.3.1直接數(shù)字頻率合成技術(shù)概述設(shè)圖中的ROM有2N個存儲單元（相應(yīng)有N位地址），并存儲了一個周期正弦波形的采樣數(shù)據(jù)；地址計數(shù)器為一個N位二進制加法計數(shù)器，用以生成控制波形查找表ROM的地址信號。當?shù)刂酚嫈?shù)器在時鐘的作用下進行加1計數(shù)時，就能從波形查找表ROM中按由大到小的地址順序逐單元讀出預(yù)存在ROM中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換及濾波，就可以得到連續(xù)的正弦波形信號，合成后正弦波形信號的頻率fo為fc/2N。1、簡單DDS的組成很顯然，改變時鐘頻率fc或者改變ROM中每周期波形的采樣點數(shù)，均能改變輸出頻率fo。改變時鐘頻率fc

可以通過在時鐘之后加分頻器的方法來實現(xiàn)。該方法不夠靈活，在合成信號發(fā)生器中很少采用。改變ROM中每周期波形的采樣點數(shù)的方法如下：如果能每隔一個地址讀一次數(shù)據(jù)，則其頻率為2×fc／2N，頻率提高一倍；如果每隔K個地址讀一次數(shù)據(jù)，則其頻率為K×fc／2N，頻率增加K倍。這樣，變化K的大小，相當于改變ROM中每周期波形的采樣點數(shù)，就可以實現(xiàn)DDS的輸出頻率fo的調(diào)節(jié)，K與輸出頻率的關(guān)系式為：

通常，將上式稱為DDS方程，將K稱為頻率控制字。K值實際上反映從ROM中讀出兩個取樣數(shù)據(jù)之間相位的大小，因此稱DDS是從相位概念出發(fā)的一種頻率合成技術(shù)。上述簡單DDS電路中的地址計數(shù)器只能實現(xiàn)加K=1計數(shù)。為了能完成K為任意數(shù)的地址計數(shù)，需要采用相位累加器，基于相位累加器DDS的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。2、基于相位累加器DDS的基本結(jié)構(gòu)主要由相位累加器、波形查找表ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器等部件組成。為防止頻率控制字改變時干擾相位累加器的工作，前面加入了頻率字寄存器。

相位累加器由頻率字寄存器、二進制全加器與相位寄存器組成。頻率寄存器用于寄存頻率控制字K；全加器用于累加計算，即將控制字K與相位寄存器輸出數(shù)據(jù)相加；相位寄存器用于寄存全加器的計算結(jié)果，作為波形存儲器的取樣地址。在時鐘作用下，相位累加器能不斷對頻率控制字K進行線性相位累加。相位累加器輸出即波形存儲ROM的地址，這樣就可以把存儲在ROM中的波形采樣值送出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。設(shè)相位累加器長度為Nbit，則累加器的滿偏值為2N。定義相位累加器輸出為0時為0相位，相位累加器輸出為2N時相位為2π。則相位累加器的輸出即可代表輸出正弦波形的相位。

波形查找表ROM（即正弦查找表）：把送來的相位值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)正弦波幅度的數(shù)值。實際DDS設(shè)計中，為了節(jié)省波形存儲器的空間，在不過多引入雜波干擾得前提下，盡可能多的截去相位累加器的低有效位，即只取相位累加器的高M位（而并非全部N位）作為ROM的地址值，于是，ROM就只有2M個存儲單元。設(shè)事先已經(jīng)把0o～360o的正弦信號離散成具有2M個抽樣值的序列存儲在ROM中，則按照不同的地址便能輸出相應(yīng)的正弦信號的幅值。ROM可在給定的時間上把輸入的相位（地址）信息映像成正弦波幅度，因而波形查找可以理解為相位與幅度之間的轉(zhuǎn)換。

D/A轉(zhuǎn)換器：把合成正弦波幅值的序列值轉(zhuǎn)換成包絡(luò)為正弦波的階梯波。注意，合成器對D/A轉(zhuǎn)換器分辨率有一定的要求，D/A轉(zhuǎn)換器分辨率越高，合成正弦波形的臺階就越多，輸出波形就越清晰。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)與ROM的數(shù)據(jù)位一致。低通濾波器：對D/A轉(zhuǎn)換器輸出的包絡(luò)為正弦波的階梯波進行頻譜分析可知，輸出信號中除主頻fo外，還存在許多非諧波分量。因此，為了取出主頻fo，必須在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端接入低通濾波器，從而將包絡(luò)為正弦波的階梯波變?yōu)楣饣恼也ā?.3直接數(shù)字頻率合成信號發(fā)生器7.3.1直接數(shù)字頻率合成技術(shù)概述二、DDS的主要技術(shù)指標分辨率、輸出帶寬無雜散動態(tài)范圍(SFDR)1，分辨率（含頻率分辨率、相位分辨率及幅度分辨率）

頻率分辨率：即DDS的最小頻率步進量，其值等于DDS的最低合成頻率（頻率控制字K=1時），可用下式表示若時鐘fc的頻率不變，頻率分辨率由DDS的相位累加器位數(shù)N決定。只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)DDS的分辨率在1Hz數(shù)量級，許多小于1MHz甚至更小。

相位分辨率：是DDS的最小相位步進量。其值等于兩個相鄰采樣點之間的相位增量。若一個周波的采樣點數(shù)為M，則DDS的相位分辨率為DDS的相位分辨率與一個周波的采樣點數(shù)M成反比。1，分辨率（含頻率分辨率、相位分辨率及幅度分辨率）

頻率分辨率：即DDS的最小頻率步進量，其值等于DDS的最低合成頻率（頻率控制字K=1時），可用下式表示

相位分辨率：是DDS的最小相位步進量。其值等于兩個相鄰采樣點之間的相位增量。若一個周波的采樣點數(shù)為M，則DDS的相位分辨率為

幅度分辨率：取決DDS中D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。若D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為N，參考電壓為VREF，則其幅度分辨率為1，分辨率（含頻率分辨率、相位分辨率及幅度分辨率）2，輸出帶寬DDS輸出的頻率可以很低，因而輸出帶寬主要取DDS能輸出的最高頻率。DDS輸出最高頻率的理論值為系統(tǒng)時鐘頻率fc的50%?？紤]到低通濾波器的特性和設(shè)計難度以及對輸出信號雜散的影響，DDS能輸出的最高頻率（即輸出帶寬）一般按40%fc計算。例如，DDS芯片AD9851允許系統(tǒng)時鐘使用的最高頻率fc為180MHz，則AD9851輸出的最高頻率（即輸出帶寬）為72MHz。二、DDS的主要技術(shù)指標3，無雜散動態(tài)范圍(SFDR)

SFDR：指輸出的最大信號成分幅度（主頻部分）與次最大信號成分幅度（噪聲部分）之比，常以dBc表示。

DDS雜散的來源主要有三個：

相位截斷誤差：為了得到很高的頻率分辨率，相位累加器的位數(shù)N通常做得很大，但由于受ROM存儲能力的限制，用來尋址ROM的位數(shù)M一般要小于N，因而會引入相位截斷誤差；

幅度量化誤差：任意一個幅度值要用無限長的比特流才能精確表示，而實際中ROM的輸出位數(shù)是個有限值，這就會產(chǎn)生幅度量化誤差。

D/A轉(zhuǎn)換器的變換特性函數(shù)的非線性引入誤差：D/A轉(zhuǎn)換器的有限分辨率、非線性特征及轉(zhuǎn)換速率等非理想轉(zhuǎn)換特性會影響DDS輸出頻譜的純度，產(chǎn)生雜散份量。三、DDS的特點

（1）頻率分辨率高：當相位累加器的位數(shù)很高時，頻率分辨率可達到mHz數(shù)量級甚至更小，因而DDS頻率合成信號源輸出頻率的變化可以逼近連續(xù)變化。這是傳統(tǒng)頻率合成不能達到的。

（2）頻率轉(zhuǎn)換時間短：DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間極短。事實上，在DDS的頻率控制字改變之后，只需經(jīng)過一個時鐘周期就能實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此，DDS頻率轉(zhuǎn)換時間等于一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時間越短。DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間可達ns數(shù)量級，比使用其他的頻率合成方法都要短數(shù)個量級。

（3）輸出波形的靈活性：只要在DDS內(nèi)部加上相應(yīng)控制，即可以方便靈活地實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，實現(xiàn)FM、PM、AM、FSK、PSK、ASK和MSK等調(diào)制。只要在DDS的波形存儲器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)各種波形甚至是任意的波形。

（4）其他優(yōu)點：由于DDS中幾平所有部件都屬于數(shù)字電路，因而易于集成，功耗低且可靠性高。DDS易于程控，因而使用相當靈活，除此之外，DDS在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、高分辨力、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平。DDS的優(yōu)點三、DDS的特點

（1）頻率分辨率高：

（2）頻率轉(zhuǎn)換時間短：

（3）輸出波形的靈活性：

（4）其他優(yōu)點：DDS的優(yōu)點

（1）輸出頻帶范圍有限：由于DDS內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器和波形存儲器（ROM）的工作速度限制，使得DDS輸出的最高頻有限。目前市場上采用CMOS、TTL、ECL工藝制作的DDS芯片，最高工作頻率一般在幾百MHz左右。采用GaAs工藝的DDS芯片的工作頻率在2GHz左右。

（2）輸出雜散大：由于DDS采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入了雜散，因而DDS對低通濾波器有較高的要求。DDS的不足之處四、DDS的實現(xiàn)技術(shù)

采用可編程器件構(gòu)成DDS直接采樣集成DDS單片電路芯片。7.3直接數(shù)字頻率合成信號發(fā)生器7.3.1直接數(shù)字頻率合成技術(shù)概述四、DDS的實現(xiàn)技術(shù)DDS技術(shù)的實現(xiàn)主要依賴于大量的高速、高性能的數(shù)字器件?？删幊踢壿嬈骷哂兴俣雀摺⒁?guī)模大、可編程，以及有強大EDA軟件支持等特性，十分適合實現(xiàn)DDS技術(shù)。利用FPGA構(gòu)成DDS可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)各種比較復(fù)雜的功能，具有良好的實用性。雖然專用DDS芯片的功能也較多，但控制方式卻是固定的，不夠靈活。就合成信號的質(zhì)量而言，專用DDS芯片由于采用特定的集成工藝，內(nèi)部數(shù)字信號抖動很小，可以輸出高質(zhì)量的模擬信號。利用FPGA設(shè)計的DDS電路雖然達不到專用DDS芯片的水平，但精心設(shè)計后也能產(chǎn)生較高質(zhì)量的信號。1基于可編程邏輯器件的解決方案隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，許多器件公司都推出了各自的高性能的單片DDS電路系列。與基于FPGA解決方案比較，其輸出信號質(zhì)量高，輸出頻率也較高。還可以使電路的體積和可靠性也有很大的提高。2集成DDS單片電路芯片解決方案表7.2ADI公司推出的常用DDS芯片選用列表型號最高工作頻率(MHz)工作電壓（V）最大功耗（mw)備

注AD98501253.3/5480內(nèi)置比較器和D/A轉(zhuǎn)換器。AD98531653.3/51150可編程數(shù)字QPSK/16-QAM調(diào)制器。AD98511803/3.3/5650內(nèi)置比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和時鐘6倍頻器。AD98523003.31200內(nèi)置12位的D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器、線性調(diào)頻和可編程時鐘倍頻器。AD98543003.31200內(nèi)置12位兩路正交D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器和可編程參考時鐘倍頻器。AD985810003.32000內(nèi)置10位的D/A轉(zhuǎn)換器、150MHz相頻檢測器、充電汞和2GHz混頻器。一、AD9851芯片概述7.3直接數(shù)字頻率合成信號發(fā)生器7.3.2基于DDS芯片的頻率合成信號發(fā)生器的設(shè)計

一、AD9851芯片概述AD9851由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率/相位寄存器、高速DDS、10位的D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器等部分組成。其中高速DDS又由6倍參考時鐘倍乘器、32位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表等部分組成。該高速DDS的系統(tǒng)時鐘頻率可達到180MHz，使輸出信號的最高頻率達70MHz，分辨率為0.04Hz。AD9851內(nèi)部有一個6倍參考時鐘倍乘器，當系統(tǒng)時鐘為180MHz時，參考時鐘輸入端只需輸入30MHz的信號頻率即可。這樣就避免采用高速參考時鐘而可能產(chǎn)生的噪聲。該芯片具有較高的頻譜純度,理論上相位截斷而引入的噪聲與主頻幅度之比為-84dB,由幅度量化和D/A轉(zhuǎn)換器造成的背景噪聲的信噪比為62dB。一、AD9851芯片概述AD9851使用32位頻率控制字和5位相位調(diào)制字，內(nèi)部的頻率累加器和相位累加器相互獨立。AD9851內(nèi)部的數(shù)據(jù)輸入寄存器有5個寄存器，用于儲存來自外部數(shù)據(jù)總線的40位頻率/相位/控制字。該控制字送入高速DDS后，即可生成相應(yīng)頻率和相位的數(shù)據(jù)流，經(jīng)內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器后，得到最終的合成信號。設(shè)需要合成的頻率為fo，對應(yīng)的頻率字K可由下式?jīng)Q定設(shè)相位控制字為Fθ，合成信號的初相位θ可由下式?jīng)Q定為了使AD9851完成頻率和相位的控制，需要向AD9851輸入頻率/相位控制字。AD9851有32位頻率控制字，5位相位調(diào)制字，1位6倍參考時鐘、倍乘器使能控制，1位工作方式控制，1位電源休眠功能控制，共40位。內(nèi)部的數(shù)據(jù)輸入寄存器是5個8位的寄存器，因此需要分5次存儲來自外部8位數(shù)據(jù)總線的頻率/相位控制字。40位的頻率/相位控制字各位的功能如下二、AD9851頻率/相位的控制

二、AD9851頻率/相位的控制

例如，如果要求AD9851滿足如下技術(shù)條件：6倍參考時鐘倍乘器工作；初相位置于1125°；選擇非掉電方式；輸出信號頻率為10MHz；AD9851的外部參考時鐘頻率為30MHz。根據(jù)上表及輸出頻率和相位計算公式