電子測量與智能儀3信號發(fā)生器

電子丈量與智能儀器第3章信號發(fā)生器授課教師：林志源1/10/20241第3章信號發(fā)生器3.1信號發(fā)生器概述3.1.1信號發(fā)生器的功用3.1.2信號發(fā)生器的分類3.1.3正弦信號發(fā)生器的性能目的3.2模擬信號發(fā)生器3.2.1低頻信號發(fā)生器3.2.2高頻信號發(fā)生器3.2.3脈沖信號發(fā)生器3.2.4函數信號發(fā)生器3.2.5噪聲發(fā)生器1/10/202423.3合成信號發(fā)生器3.3.1直接模擬頻率合成法3.3.2直接數字頻率合成法3.3.3間接合成法3.3.4頻率合成技術的進展本章小結作業(yè)布置1/10/20243第3章信號發(fā)生器1/10/202443.1信號發(fā)生器概述3.1.1信號發(fā)生器的功用丈量用信號發(fā)生器，通常稱為信號源，是最根本、運用最廣泛的丈量儀器。其功用主要包括以下三方面：1.作鼓勵源作為某些電氣設備的鼓勵信號。2.信號仿真在設備丈量中，常需求產生模擬實踐環(huán)境一樣特性的信號，如對干擾信號進展仿真。3.校準源產生一些規(guī)范信號，用于對普通訊號源進展校準〔或比對〕。1/10/20245圖3.1信號源的功用輸入激勵信號發(fā)生器被測設備測試儀器輸出響應1/10/202463.1.2信號發(fā)生器的分類1.按頻率范圍分無低頻高頻微波頻段頻率范圍主振電路調制方式RC電路1Hz~1MHz磁控管、體效應管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC電路AM、FM、PMAM、FM1/10/20247表3.1信號源按頻率劃分表名稱頻率范圍主要應用領域超低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器視頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器甚高頻信號發(fā)生器超高頻信號發(fā)生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz電聲學、聲納電報通訊無線電廣播廣播、電報電視、調頻廣播、導航雷達、導航、氣象1/10/202483.按性能分普通----功率大，頻率、電壓刻度不大準確，用于天線測試等規(guī)范----頻率、電壓刻度準確，屏蔽好，供計測用2.按波形分正弦----脈沖----函數----產生函數通用波形噪聲----ttttt1/10/202493.1.3正弦信號發(fā)生器的性能目的1.頻率范圍指信號發(fā)生器所產生信號的頻率范圍，該范圍內既可延續(xù)又可由假設干頻段或一系列離散頻率覆蓋，在此范圍內應滿足全部誤差要求。2.頻率準確度頻率準確度是指信號發(fā)生器度盤〔或數字顯示〕數值與實踐輸出信號頻率間的偏向，通常用相對誤差表示〔3.1〕信號發(fā)生器最根本、最常用的性能目的有：1/10/2024103.頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度目的要求與頻率準確度相關，頻率準確度是由頻率穩(wěn)定度來保證的。頻率穩(wěn)定度是指其它外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預調值變化的大小。按照國家規(guī)范，頻率穩(wěn)定度又分為短期頻率穩(wěn)定度和長期頻率穩(wěn)定度。短期：15分鐘內長期：3小時內〔3.2〕式中，f0為預調頻率，fmax和fmin分別為恣意15分鐘內信號頻率的最大值和最小值。1/10/2024114.失真度與頻譜純度定義為了丈量上的方便，也用下面的公式：高頻信號發(fā)生器用頻譜純度來評價用失真度來評價低頻信號發(fā)生器輸出信號波形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數γ表示U1為輸出信號基波有效值，U2，U3，…Un為各次諧波有效值。Us是信號幅度，Un是高次諧涉及干擾噪聲的幅度。1/10/2024125.輸出阻抗低頻信號發(fā)生器電壓輸出端的輸出阻抗普通為600Ω〔或1kΩ〕。功率輸出端依輸出匹配變壓器的設計而定，通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ等檔。高頻信號發(fā)生器普通僅有50Ω或75Ω檔。信號發(fā)生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下標定的，假設負載與信號源輸出阻抗不相等，那么信號源輸出電壓的讀數是不準確的。1/10/2024136.輸出電平輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍，即由產品規(guī)范規(guī)定的信號發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率在其衰減范圍內所得到輸出幅度的有效范圍。在信號發(fā)生器的輸出級中，普通都包括衰減器，其目的是獲得從微伏級〔μV〕到毫伏級〔mV〕的小信號電壓。在信號發(fā)生器的性能目的中，包括“衰減器特性〞這一目的，主要指衰減范圍和衰減誤差。與頻率穩(wěn)定度目的類似的還有輸出信號幅度穩(wěn)定度及平坦度目的。幅度穩(wěn)定度是指信號發(fā)生器經規(guī)定的時間預熱后，在規(guī)定時間間隔內輸出信號幅度對預調幅度值的相對變化量。平坦度指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動量。1/10/2024147.調制特性高頻信號發(fā)生器在輸出正弦波的同時，普通還能輸出一種或一種以上的已被調制的信號，多數情況下是調幅AM信號和調頻FM信號，有些還帶有調相和脈沖調制PM等功能當調制信號由信號發(fā)生器內部產生時，稱為內調制；當調制信號由外部加到信號發(fā)生器進展調制時，稱為外調制。這種帶有輸出已調波功能的信號發(fā)生器，是測試無線電收發(fā)設備不可短少的儀器。1/10/2024153.2模擬信號發(fā)生器模擬信號發(fā)生器是指一些常用的傳統(tǒng)信號發(fā)生器，即以單元模擬電路為主組成的儀器。這類儀器性能目的不是很高，但價錢廉價，且能滿足普通實驗測試的要求，在模擬電子線路與系統(tǒng)的設計、測試和維修中獲得廣泛運用，依然是當前大量運用的信號發(fā)生器。1/10/2024163.2.1低頻信號發(fā)生器如今普通“低頻信號發(fā)生器〞是指1Hz~1MHz頻段，輸出波形以正弦波為主，或兼有方涉及其他波形的發(fā)生器。1、低頻信號發(fā)生器的組成原理主振器放大器衰減器輸出電壓指示(a)波段式帶負載才干弱，只能提供電壓輸出。1/10/202417輸出(b)固定頻率振蕩器可變頻率振蕩器混頻器濾波放大衰減器f2=3.4000MHzf1=3.3997~5.1000MHzf0=300Hz~1.7000MHz差頻式最大優(yōu)點是頻率覆蓋范圍大，容易做到整個低頻段內頻率可延續(xù)調理而不用改換波段，且輸出電平也比較平衡。1/10/202418頻率覆蓋范圍大小通常用頻率覆蓋系數表示：〔3.7〕以通訊中常用的某電平振蕩器〔實踐上就是低頻信號發(fā)生器〕為例，f1=3.3997MHz～5.1000MHz，f2=3.4000MHz，那么f0=300Hz～1.7000MHz。比較一下頻率覆蓋系數1/10/202419而可變頻率振蕩器〔相當波段式中一個波段〕的頻率覆蓋系數為可見，差頻式信號發(fā)生器的頻率覆蓋范圍大得多。1/10/2024202.主振蕩器的特點低頻信號發(fā)生器中的主振蕩器大多都采用文氏橋式振蕩器，其特點是頻率穩(wěn)定，易于調理，并且波形失真小和易于穩(wěn)幅。輸出(f0)R1AR1R3C1C2R2?文氏橋式振蕩器的振蕩頻率決議于RC式反響網絡的諧振頻率，表達式為：1/10/202421在低頻信號發(fā)生器中為何不采用較熟習的LC振蕩器呢？這是由于LC振蕩器的頻率決議于：〔3.9〕緣由①頻率較低時，L、C數值大，相應的體積、分量也相當大，分布電容、漏電導等也都相應很大，而質量因數Q值降低很多，諧振特性變壞，頻率調理也困難。而在RC振蕩器中，頻率降低，增大電阻容易做到，且功耗也可減小。1/10/202422緣由②在LC振蕩器中成反比，因此同一波段內頻率覆蓋系數很小。例如L固定，調理電容C改動振蕩頻率，設電容器調理范圍為40pF～450pF，那么頻率覆蓋系數為而用RC振蕩器：1/10/2024233.低頻信號發(fā)生器的主要技術特性目前，低頻信號發(fā)生器主要技術目的的典型數據大致如下：頻率范圍：1Hz～1MHz分頻段，均勻延續(xù)可調頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于0.1%非線性失真：＜0.1%～1%輸出電壓：0V～10V輸出功率：0.5W～5W延續(xù)可調輸出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ輸出方式：平衡輸出與不平衡輸出1/10/2024244、運用方法輸出頻率調理與指示：運用時，先將頻率范圍置于相應的擋位，按所需的頻率調理頻率度盤于相應頻率點上，在通常情況下，頻率微調旋鈕置于零位。輸出阻抗的配接：信號發(fā)生器要求負載與其輸出阻抗相匹配，使輸出信號失真小，功率大。輸出電路選擇：根據外接電路的輸入方式，選擇相應的平衡或不平衡輸出。輸出電壓的調理和測讀：調理輸出電壓旋鈕，可以延續(xù)改動輸出電壓的大小。1/10/2024253.2.2高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器是指可以供應等幅正弦波和調制波信號的信號發(fā)生器，通常分為調幅和調頻兩種。其任務頻率普通在100kHz~35MHz范圍內，輸出幅度能在較大的范圍內調理，并具有輸出微弱信號的才干，可以順應測試接納機的需求。1/10/2024261.高頻信號發(fā)生器的組成原理圖3.4高頻信號發(fā)生器原理框圖主振級緩沖級調制級輸出級監(jiān)測器輸出電源內調制振蕩器可變電抗器外調制輸入AMFM內外規(guī)范調制：F=1000Hzm=30%假設語音調制那么成小電臺1/10/202427l)主振級主振級通常是LC三點式振蕩電路，經過固定電感L，改動電容C來調整振蕩頻率。但這時頻率覆蓋范圍是有限的，可經過下式進展估算。1/10/202428假設要擴展頻率范圍，必需變卦電感L，可以象收音機那樣用多波段任務方式：圖3.7LC回路L1CL2Ln....1/10/202429例3.1XFC-6型高頻信號發(fā)生器f=4MHz～300MHz，試問應劃分幾個波段？上式中0.9k的含義是讓單回路覆蓋系數取小—些，這里取k=2，以保證各波段能銜接覆蓋。該例算出n=8，即要劃分8個波段。這時相鄰波段的電感值可按下式計算?！?.11〕〔3.10〕1/10/2024302)緩沖級它主要起阻抗變換作用，用來隔離調制級對主振級。3)調制級調制的方式主要有調幅、調頻和脈沖調制。調幅多用于100kHz～35MHz的高頻信號發(fā)生器中，高頻信號發(fā)生器中的調幅，普通采用正弦調制。調頻主要用于30MHz～1000MHz信號發(fā)生器中，還有線性掃頻。脈沖調制多用于300MHz以上的微波信號源中。規(guī)范調制：F=1000Hzm=30%1/10/2024314)輸出級輸出級主要由放大器、濾波器、輸出微調〔延續(xù)衰減電路〕、輸出倍乘〔步進衰減電路〕等組成。對輸出級的主要要求是：輸出電平的調理范圍寬，衰減量應能準確讀數，有良好的頻率特性，在輸出端有準確且固定的輸出阻抗。1/10/2024322、高頻信號發(fā)生器的運用信號發(fā)生器是向外提供鼓勵信號的儀器，運用比較簡單容易。它主要調理輸出頻率和幅度。關鍵是留意其運用闡明書上輸出幅度是如何標定的，然后才干正確讀數。1〕、輸出頻率的讀數模擬式高頻信號發(fā)生器的頻率準確度不太高，通常只需±1%左右。2〕、輸出幅度的讀數高頻信號發(fā)生器的輸出幅度計數通常有兩種方式：一種采用電壓值表示；另一種采用分貝電平表示。輸出幅度標稱值的準確度常用輸出幅度的絕對誤差與標稱值之比來衡量，也可把這個比值轉化為用分貝表示。1/10/2024333〕、輸出阻抗變換器信號發(fā)生器只需在匹配的情況下才干正常任務。同時，信號發(fā)生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下按正弦有效值標定的，假設負載與信號源輸出阻抗不相等，那么信號源輸出電壓的讀數是不準確的。1/10/202434信號源被測設備阻抗變換器(a)(b)R3R1Rs50ΩR2RL75ΩRsRL衰減量N取3.16，正好電壓衰減10dB1/10/2024353.2.3脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器通常是指矩形窄脈沖發(fā)生器，它廣泛用于測試和校準脈沖設備和寬帶設備。1、矩形脈沖的參數U0tUm0.9Um0.1UmδΔU0.5UmτtrtfΔ矩形脈沖的參數反復頻率：f占空系數：τ/T脈沖幅度：Um上沖量：δ脈沖寬度：τ反沖量：△上升時間：tr平頂落差：△U下降時間：tf偏移：E1/10/2024362、脈沖信號發(fā)生器的組成原理外同步放大主振級同步輸出外同步輸入延遲級構成級整形級輸出級主脈沖acbdef1〕、主振級主振級可采用自激多諧振蕩器、晶體振蕩器或鎖相振蕩器產生矩形波，也可將正弦振蕩信號放大、限幅后輸出，作為下級的觸發(fā)信號。主要用于調理脈沖反復周期T。1/10/2024372〕、延遲級延遲級電路通常由單穩(wěn)態(tài)電路和微分電路組成。對延遲級的要求是：在全波段內獲得一定的延時量td，并滿足觸發(fā)下一級電路所需的輸出幅度。3〕、構成級是脈沖信號發(fā)生器的中心環(huán)節(jié)，要求產生寬度準確、波形良好的矩形脈沖，且脈沖的寬度τ可獨立調理，并具有較高的穩(wěn)定性。1/10/2024384〕、整形級與輸出級整形級與輸出級的電路普通由放大、限幅電路組成。整形級具有電流放大作用，輸出級具有功率放大作用，還具有保證儀器輸出的主脈沖幅度可調，極性可切換，以及良好的前、后沿等性能的作用。3、脈沖發(fā)生器的主要性能脈沖發(fā)生器的主要任務特性：能輸出同步脈沖及與同步脈沖有一定延遲時間的主脈沖；延遲時間可調；主脈沖的頻率可調，脈寬可調，極性可切換，且具有良好的上升時間、下降時間，以及較小的上沖量。1/10/2024393.2.4函數信號發(fā)生器函數信號發(fā)生器是一種寬帶頻率可調的波形發(fā)生器，它可以產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等。1、正弦式函數信號發(fā)生器其任務過程為：正弦振蕩器輸出正弦波，經緩沖級隔離后，分為兩路信號，一路送至放大器輸出正弦波，另一路作為方波構成電路的觸發(fā)信號。方波構成電路通常為施密特觸發(fā)器。后者也輸出兩路信號，一路送放大器，經放大后輸出方波；另一路作為積分器的輸入信號。積分器普通是密勒積分電路。積分器將方波積分構成三角波，經放大后輸出。三種波形的輸出由放大器中的選擇開關控制。1/10/2024403、脈沖式函數信號發(fā)生器其任務過程如下：在觸發(fā)脈沖的作用下，施密特觸發(fā)器產生方波，積分器將方波積分構成三角波，正弦波轉換電路將三角波轉換成正弦波；放大器選擇三個波形輸出，可單獨輸出一個波形，也可同時輸出三個波形。1/10/2024413.2.5噪聲發(fā)生器噪聲是指元器件、電路、儀器設備或電子系統(tǒng)中出現的非預期的電信號。由噪聲所呵斥的不良效應稱為干擾。在電子丈量中，利用噪聲作為測試信號具有重要的意義：一方面，噪聲可以模擬許多實踐系統(tǒng)的任務形狀；另一方面，用噪聲信號替代正弦信號進展測試時，可以搜集到被測系統(tǒng)動態(tài)特性的有關數據，從而可以對被測系統(tǒng)做出全面的評價。噪聲發(fā)生器能提供在特定頻率范圍內有足夠高的輸出電平，并具有一定統(tǒng)計參數的噪聲信號。圖3.14噪聲發(fā)生器的構造噪聲源變換器電平指示器電源輸出衰減器t1/10/2024423.3合成信號發(fā)生器采用頻率合成技術，可以把信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準確度提高到與基準頻率一樣的程度，并且可以在很寬的頻率范圍內進展精細的頻率調理。合成信號源可任務于調制形狀，可對輸出電平進展調理，也可輸出各種波形。它是當前用得最廣泛的性能較高的信號源。頻率合成的方法很多，但根本上分為兩大類，直接合成法和間接合成法。在詳細實現中可分為下面三種方法。頻率合成的方法直接數字頻率合成法〔DDS〕間接鎖相式合成法〔DirectAnalogFrequencySynthesis〕〔DirectDigitalFrequencySynthesis〕直接模擬頻率合成法〔DAFS〕1/10/2024433.3.1直接模擬頻率合成法利用倍頻、分頻和混頻以及濾波技術，對一個或多個基準頻率進展算術運算來產生所需頻率的方法，稱為直接合成法，由于大多是采用模擬電路來實現的，所以又稱為直接模擬頻率合成，這樣正好與下面引見的直接數字頻率合成相對應。1.固定頻率合成法圖中石英晶體振蕩器提供基準頻率，D為分頻器的分頻系數，N為倍頻器的倍頻系數。其輸出頻率為在式中，D和N均為給定的正整數。1/10/2024442.可變頻率合成法帶通13MHz10MHz1M2M34混頻十進制延續(xù)混頻分頻電路……fi1÷10++÷10++÷10++÷10++頻率選擇開關輔助基準頻率發(fā)生器2.00～2.09MHz2.000～2.099MHz2.0000～2.0999MHz2.00000～2.099999MHzfofi2fi3fi4f1f2f3f4fr2.0～2.9MHzF=16MHz2MHz5MHz圖中頻率選擇開關的作用是：根據所需輸出頻率f0的值，選擇相應數值分別作為f1~f41/10/202445直接模擬合成技術特點：1)頻率分辨力高2)頻率切換快----用于跳頻通訊對抗〔因頻率點不太多〕3)電路龐大、復雜----現不用它做信號源〔因信號源頻率范圍寬〕1/10/2024463.3.2直接數字頻率合成法直接數字合成法〔DDS，DirectDigitalFrequencySynthests〕。它是從“相位〞的概念出發(fā)進展頻率合成的。這種合成方法不僅可以給出不同頻率的正弦波，而且還可以給出不同初始相位的正弦波，甚至可以給出各種恣意波形。這在前述模擬頻率合成方法中是無法實現的。1.直接數字合成根本原理三角波：+1、+1……-1、-1……方波：0、0、……1、1、……1/10/202447以正弦波為例：在正弦波一周期內，按相位劃分為假設干等份△Ф，將各相位對應的幅值A按二進制編碼并存入ROM中，見表3.4〔P93〕2、信號的頻率關系圖中，K為累加值，即相位步進碼，也稱頻率碼。普通地，對于n位地址來說，共有2n個ROM地址，限制K的最大值為：Kmax=2n-21/10/202448根據以上討論，可以得到如下頻率關系：最低輸出頻率fomin為最高輸出頻率fomax為當fomax和fomin曾經設定，其間可輸出的頻率個數M為頻率分辨率：為了改動輸出信號頻率，除了調理累加器的K值外，還可以調理控制時鐘的頻率fc。1/10/2024493、噪聲分析在DDFS中，噪聲有兩種：1〕量化噪聲相位和幅度量化噪聲，簡稱為量化噪聲。在一定的電路中，它普通是不變的。2〕濾波器噪聲是D/A轉換器產生的階梯波中的雜散頻率經過非理想低通濾波器而帶來的噪聲。這類噪聲將隨頻率添加而加大。1/10/2024504、直接數字合成信號源實例AD9850是美國AnalogDevices公司消費的DDS單片頻率合成器，在DDFS的ROM中已預先存入正弦函數表：其幅度按二進制分辨率量化；其相位一個周期360°按的分辨率設立相位取樣點，然后存入ROM的相應地址中。適用中，改動讀取ROM的地址數目，即可改動的控制下，依次讀取全部地址中的相位點，那么輸出頻率最低。由于這時一個周期要讀取232相位點，點間間隔時間為時鐘周期Tc，那么輸出頻率。假設在系統(tǒng)時鐘頻率Tout=232Tc因此這時輸出頻率為圖3.19AD9850內部組成框圖頻率相位碼存放器相位和控制字頻率碼32位高速DDS碼輸入寄存器并行8位×5輸入時鐘輸入復位頻率更新/存放器復位碼輸入時鐘串行1位×40輸入比較器＋－方波輸出模擬輸入模擬輸出DAC復位地＋Vs1/10/202451〔3.16〕假設隔一個相位點讀一次，那么輸出頻率就會提高一倍。依次類推可得輸出頻率的普通表達式〔3.17〕式中k為頻率碼，是個32位的二進制值，可寫成：〔3.18〕對應于32位碼值〔0或1〕。為1/10/202452便于看到頻率碼的權值對控制頻率高低的影響，〔3.18〕代入〔3.17〕式得：〔3.19〕按AD9850允許最高時鐘頻率fc=125MHz來進展詳細闡明，當A0＝1，而A31，A30，…，A1均為0時，那么輸出頻率最低，也是AD9850輸出頻率的分辨率：1/10/202453與上面從概念導出的結果一致。當A31＝1，而A0，A1，…，A30均為0時，輸出頻率最高：該當指出，這時一周只需兩個取樣點，已到取樣定理的最小允許值，所以當A31＝1后，以下碼值只能取0。實踐運用中，為了得到好的波形，設計最高輸出頻率小于時鐘頻率的1/3。這樣，只需改動32位頻率碼值，那么可得到所需求的頻率，且頻率的準確度與時鐘頻率同數量級。1/10/2024545.恣意波形的產生方法直接數字頻率合成技術重要的特征，它可以產生恣意波形。從上述直接數字頻率合成的原理可知，其輸出波形取決于波形存儲器的數據。因此，產生恣意波形的方法取決于向該存儲器〔RAM〕提供數據的方法。目前有以下幾種方法：1)表格法將波形畫在小方格紙上，縱坐標按幅度相對值進展二進制量化，橫坐標按時間間隔編制地址，然后制成對應的數據表格，按序放入RAM。對經常運用的定了“形〞的波形，可將數據固化于ROM或存入非易失性RAM中，以便反復運用。1/10/2024552〕用數學表達式對能用數學方程描畫的波形，先將其方程〔算法〕存入計算機中，在運用時，輸入方程中的有關參量，計算機經過運算后提供波形數據。也可用多個表達式分段鏈接成一個組合的波形。1/10/2024563〕復制法將其它儀器〔例如數字存儲示波器，X—Y繪圖儀〕獲得的波形數據經過微機系統(tǒng)總線或GPIB接口總線傳輸給波形數據存儲器。該法很適于復制不再復現的信號波形。自然界中有很多無規(guī)律的景象，例如雷電、地震及機器運轉時的振動等景象都是無規(guī)律的，甚至一去不復返。為了研討這些問題，就要模擬這些景象的產生。在過去只能采用很復雜的方法來實現，如今采用恣意波形產生器那么方便得多了。國內外已有多種型號的恣意波形產生器可供選用。1/10/202457恣意波形發(fā)生器的主要技術目的〔見表3.5〔P97〕〕，闡明：1〕、恣意波形長度或波形存儲器容量由于恣意波形發(fā)生器的波形本質上是由許多樣點拼湊出來的，樣點多那么可拼湊較長的波形，所以用點數來表示波形長度。波形存儲器容量亦稱波形存儲器深度，是指每個通道能存儲的最大點數。2〕采樣率通常將A/D轉換對模擬信號采樣的時鐘頻率稱為采樣率，在AWG中是指D/A轉換器從波形存儲器中讀取數據的時鐘頻率。1/10/2024583〕幅度分辨率幅度分辨率為AWG能表現幅度細小變化的程度，它主要取決于DAC的倍數。4〕通道數雖然各種信號源都可以有不同的通道數目，但多通道的AWG更容易表現復雜波形的相關關系，因此通道數目在AWG中較受注重。1/10/2024593.3.3間接合成法1.根本鎖相環(huán)路間接合成法即鎖相合成法，它是利用鎖相環(huán)〔PLL〕的頻率合成方法。根本鎖相環(huán)路是由相位比較器〔PD〕，壓控振蕩器〔VCO〕和環(huán)路濾波器〔LPF〕組成的閉合環(huán)路，如圖3.22(a)所示。ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf(a)(b)(c)開場：f0≈fi→PD→LPF→VCO最后：f0=fi(a)鎖相環(huán)(b)PD的鑒相特性(c)VCO的壓控特性1/10/202460相位比較器即鑒相器，它比較兩個輸入信號fo和fi的相位差△Ф，輸出與相位差成比例的電壓，這個電壓稱為誤差電壓ud，其鑒相特性如圖b所示：環(huán)路濾波器是一種RC低通濾波器，它濾去誤差電壓中的高頻成分及噪聲，用以改善環(huán)路的性能。壓控振蕩器是在外加電壓的作用下能改動其輸出頻率的振蕩器，其壓控特性如圖c所示。誤差電壓經濾波后送VCO，改動VCO的固有振蕩頻率fo，并使fo向輸入信號的頻率靠攏，這個過程稱為頻率牽引。綜上所述，鎖相環(huán)的任務過程就是經過頻率牽引，到達相位鎖定的過程。當環(huán)路鎖定時，fo=fi，△Ф=c。通常，fi是石英晶體振蕩器的振蕩頻率。因此，在環(huán)路鎖定時，其輸出頻率具有與輸入頻率一樣的頻率特性。這就是鎖相環(huán)的根本原理。ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf(a)(b)(c)開場：f0≈fi→PD→LPF→VCO最后：f0=fi(a)鎖相環(huán)(b)PD的鑒相特性(c)VCO的壓控特性1/10/202461根本鎖相環(huán)只能輸出一個頻率，而作為信號源必需求能輸出一系列頻率。2.鎖相環(huán)的幾種根本方式1)倍頻鎖相環(huán)fiLPFVCOPDfo=Nfi÷N1MHzi10MHzifo/N當環(huán)路鎖定時，PD兩輸入信號的頻率相等，即①根據PD兩輸入頻率相等列出等式:fo/N＝fi②從等式中解出輸出頻率:重點掌握1/10/202462脈沖倍頻環(huán)LPFVCOPDfo=Nfifi脈沖構成NfiNfi脈沖構成電路將輸入信號變換為含有豐富諧波成分的窄脈沖，因此，環(huán)路的輸入信號中包含了多種諧波，經過改動VCO中可變電容的偏置電壓，調諧其固有振蕩頻率，選擇某一高次諧波，可以到達倍頻的目的。倍頻環(huán)在信號合成中的作用是實現寬頻范圍內的點頻覆蓋，擴展合成器的高端頻率，特別適用于制造頻率間隙較大的高頻及甚高頻合成器。1/10/202463①根據PD兩輸入頻率相等列出等式:fi1MHzLPFVCOPDfo=fi/N100kHz×NNfifi＝Nfo②從等式中解出輸出頻率:2)分頻鎖相環(huán)對輸入信號頻率進展除法運算的鎖相環(huán)叫分頻鎖相環(huán)〔簡稱分頻環(huán)〕。分頻環(huán)可用于向低端擴展合成器的頻率范圍。LPFVCOPDfofiNfo1/10/202464混頻器fi11MHzLPVCOPDfo=|fi1-fi2|=1000-100=900kHzBPFM+fi2=100kHzf0+fi23)混頻鎖相環(huán)當兩個輸入頻率之和或之差超出了允許的范圍時，環(huán)路不能進入鎖定形狀，也無法控制VCO的輸出頻率，即環(huán)路“失鎖〞。這時需求調整VCO的任務參數以改動其固有振蕩頻率，或者調整輸入信號的頻率，均可以到達鎖定的目的。1/10/202465例：設fi1為晶體振蕩器的輸出頻率，fi1=10000kHz，頻率穩(wěn)定度為1×10-6/d。Fi2為內插振蕩器的輸出頻率，且fi2在100~110kHz范圍內延續(xù)可調，頻率穩(wěn)定度為1×10-4/d。按和頻式混頻器合成。1/10/2024663.頻率合成單元1)組合環(huán)一個典型的組合環(huán)及其輸出頻率，如下圖。由于所以LPFPDfo=—fiVCO÷N2÷N1fiN1N21/10/2024672)多環(huán)合成單元由倍頻環(huán)可得由混頻環(huán)可得:由于所以(3.22)(3.23)LPFPDfo1=Nfi1VCO1fi圖3.27雙環(huán)合成單元VCO2M(-)晶振PDLPF內插振蕩器fi2同軸倍頻環(huán)混頻環(huán)fo2=Nfi1+fi2Nfi1fo11/10/2024683)十進合成單元圖3.29DS-1合成單元的級聯(lián)100KHz9MHz×1Hz0～90～90～90～90～9×10Hz×100Hz×1KHz×10KHz基準DS-11DS-12DS-13DS-14DS-151/10/2024694)可程控合成單元圖3.30可程控合成單元PDLPF＋VCOD/A可程控分頻器fi頻率控制數碼fo采用頻率預調技術來預置VCO的頻率。預調是由頻率控制數碼，經D/A轉換器轉換與加法放大器放大后送VCO來實現的。但準確的頻率調整是由鎖相環(huán)來完成的。1/10/2024703.3.4頻率合成技術的進展1.三種合成方法的比較頻譜純度好100GHz(微波)ms級間接鎖相可得恣意波形300MHzμs級直接數字硬件電路復雜100MHzμs級直接模擬主要特點最高任務頻率速度合成方法1/10/2024712.提高頻率分辨力的方法1)微差混頻法該方法將兩個頻率相差甚微的信號源進展差頻混頻，如圖3.31所示。混頻器的輸出頻率為圖3.31微差混頻原理fofi1fi2M(-)在微差混頻法中，由于參與混頻的兩個信號頻率非常接近，所以分辨力得到提高。但是當這兩個頻率很接近時，在混頻器任務中頻率牽引景象也很嚴重，且很難處理。1/10/2024722)多環(huán)合成法PLL1(N1=2)fo=(N2+0.1N1)fr=(10+0.2)10Hz=102Hzfr10HzPLL2(N2=10)M(+)110N1fr20HzN2fr100Hz0.1N1fr2Hz1/10/2024733)小數合成法LPFVCOPDfo=1890kHzfi=100kHz小數分頻器(N+1)和N次=18.9控制電路令N=18那么平均分頻系數18.9假設要平均分頻系數=18.6，怎樣控制？假設希望分頻系數有整數部分也有小數部分，其整數部分為N，小數部分為k，小數部分的位數為n，那么需求進展k次〔N+1〕分頻，〔10n-k〕次N分頻并循環(huán)進展即可，每次循環(huán)總的分頻次數為10n1/10/2024743.擴展頻率上限的方法前題條件：VCO能任務在很高頻率〔如GHz微波段〕，然后鎖定。1)前置分頻法前置分頻法是在程序分頻器之前設置一個固定分頻器，如圖3.34所示。圖中D為固定分頻器，其分頻系數為D。因此，其輸出頻率fo為圖3.34前置分器的鎖相環(huán)fi8MHzLPFVCOPDfo=DNfi==8GHz÷N10÷D100fo＝DNfi固定1/10/2024752)倍頻混頻法fo=Nfi1+fi2=101MHzVCOLPFMBPFPDfi110MHz圖3.35倍頻—混頻環(huán)÷N10(－)(fo-fi2)/Nfi21MHz由于fi2的參與提高了輸出頻率的上限，其提高的程度取決于fi2的大小，而且其頻率分辨率仍和單環(huán)倍頻式鎖相環(huán)的一樣，△f=fi1。由于混頻器引入寄生信號將會影響頻譜純度，雖然其后接帶通濾波器〔BPF〕對寄生信號有抑制造用，但是濾波器的延時又將對環(huán)路帶來不利的影響。1/