《電子測量技術(shù)及應(yīng)用》課件-第6章

第6章測量用信號源

6.1信號源概述6.2常見信號的產(chǎn)生方法6.3鎖相頻率合成技術(shù)6.4直接數(shù)字頻率合成技術(shù)思考與練習(xí)題

6.1信號源概述

6.1.1信號源的作用能產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器稱為信號源,信號源是電子測量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。歸納起來,信號源的用途主要有以下三個(gè)方面:

(1)激勵(lì)源。

在研制、生產(chǎn)、使用、測試和維修各種電子元器件、部件及整機(jī)設(shè)備時(shí),都需要有信號源產(chǎn)生一定頻率、波形的電壓或電流信號作為激勵(lì)信號,施加到被測器件或設(shè)備的輸入端,然后在輸出端,用相關(guān)測量儀器觀察、測量其響應(yīng),以分析、確定有關(guān)性能參數(shù)。例如,在電阻兩端施加一定電壓幅度的信號,測量流過的電流來獲得阻值;在放大器輸入端加正弦激勵(lì)信號,根據(jù)放大器輸出大小測量其放大倍數(shù)等。

(2)標(biāo)準(zhǔn)信號源。

一般的電子測量系統(tǒng)或儀器都需要一定的專用參考信號作用才能發(fā)揮測量功能,如數(shù)字電路中的時(shí)鐘信號,交流電橋中的參考信號,信號調(diào)制中的載波信號,信號解調(diào)時(shí)的參考信號,超聲波探傷、診斷中的工作頻率信號,掃頻儀中的掃頻信號等。常見的參考信號有正弦波信號、方波信號、脈沖波信號、電視信號等。另一方面,還需要高標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)信號作為基準(zhǔn)源對一般各類信號源進(jìn)行校準(zhǔn)。

(3)信號仿真。

若要研究設(shè)備在實(shí)際環(huán)境下所受到的影響,而又暫時(shí)無法到實(shí)際環(huán)境中測量時(shí),可以利用信號源給其施加信號來測量(所施加的信號具有與實(shí)際的特征信號相同的特性),這時(shí)信號源就要仿真實(shí)際的特征信號,如噪聲信號、高頻干擾信號等。

6.1.2信號源的分類

信號源的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,種類繁多,性能指標(biāo)各異,分類方法亦不同:按用途有專用和通用信號源之分;按性能有一般和標(biāo)準(zhǔn)信號源之分;按調(diào)試類型可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制及組合調(diào)制信號發(fā)生器等;按頻率調(diào)節(jié)方式可分為掃頻、程控信號發(fā)生器等。

下面介紹幾種常見的分類方法。

按照輸出信號的頻率來分,大致可以分為6類:超低頻率信號發(fā)生器,頻率范圍為0.001~1000Hz;低頻信號發(fā)生器,頻率范圍為1Hz~1MHz;視頻信號發(fā)生器,頻率范圍為20Hz~10MHz;高頻信號發(fā)生器,頻率范圍為200kHz~30MHz;甚高頻信號發(fā)生器,頻率范圍為30kHz~300MHz;超高頻信號發(fā)生器,頻率在300MHz以上。應(yīng)該指出,按頻段劃分的方法并不是一種嚴(yán)格的界限,目前許多信號發(fā)生器可以跨越幾個(gè)頻段。

按輸出的波形可以分為:正弦波形發(fā)生器,產(chǎn)生正弦波形或受調(diào)制的正弦信號;脈沖信號發(fā)生器,產(chǎn)生脈沖寬度不同的重復(fù)脈沖;函數(shù)信號發(fā)生器,產(chǎn)生幅度與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系的信號;噪聲信號發(fā)生器,產(chǎn)生模擬各種干擾的電壓信號。

按照信號發(fā)生器的性能標(biāo)準(zhǔn),可以分為一般的信號發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器。標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)要求較高,有的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器用于為收音機(jī)、電視機(jī)和通信設(shè)備的測量校準(zhǔn)提供標(biāo)準(zhǔn)信號;還有一類高精度的直流或交流標(biāo)準(zhǔn)信號源用于對數(shù)字多用表等高精度儀器或一般信號源進(jìn)行校準(zhǔn),其輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),而且準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、波形失真等指標(biāo)要求很高,而一般信號源對輸出信號的頻率、幅度的技術(shù)指標(biāo)要求相對低一些。

6.1.3信號發(fā)生器的基本組成

信號源的種類很多,信號產(chǎn)生方法各不相同,但其基本結(jié)構(gòu)是一致的,如圖6－1所示。它主要包括主振級、緩沖級、調(diào)制級、輸出級及相關(guān)的外部環(huán)節(jié)。圖6－1信號發(fā)生器一般結(jié)構(gòu)

主振級:是信號源的核心,由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號。由于要產(chǎn)生的信號頻率、波形不同,其原理、結(jié)構(gòu)差異很大。

緩沖級:對主振器產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大、整形等。

調(diào)制級:在需要輸出調(diào)制波形時(shí),對原始信號按照調(diào)幅、調(diào)頻等要求進(jìn)行調(diào)制。

輸出級:調(diào)節(jié)輸出信號的電平和輸出阻抗,可以由衰減器、匹配變壓器以及射極跟隨器等構(gòu)成。

指示器:用來監(jiān)視輸出信號,可以是電子電壓表、功率計(jì)、頻率計(jì)和調(diào)制度表等,有些脈沖信號發(fā)生器還附帶有簡易示波器。使用時(shí)可通過指示器來調(diào)節(jié)輸出信號的頻率、幅度及其它特征。通常情況下指示器接于衰減器之前,并且由于指示儀表本身準(zhǔn)確度不高,其示值僅供參考,從輸出端輸出信號的實(shí)際特性需要其它更準(zhǔn)確的測量儀表來測量。

電源:提供信號發(fā)生器各部分的工作電源電壓。通常是將50Hz交流市電整流成直流并加有良好的穩(wěn)壓措施。

6.1.4正弦信號發(fā)生器的性能指標(biāo)

在各類信號發(fā)生器中,正弦信號發(fā)生器是最普通、應(yīng)用最廣泛的一類,幾乎滲透到所有的電子學(xué)實(shí)驗(yàn)及測量中,其原因除了正弦信號容易產(chǎn)生、容易描述又是應(yīng)用最廣的載波信號外,還由于任何線性雙口網(wǎng)絡(luò)的特性都可以用其對正弦信號的響應(yīng)來表征。信號發(fā)生器作為測量系統(tǒng)的激勵(lì)源,其性能直接影響到測量的質(zhì)量。通常用頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性(俗稱三大指標(biāo))來評價(jià)正弦信號發(fā)生器的性能,其中包括30余項(xiàng)具體指標(biāo)。由于各種儀器的用途和精度等級不同,所以并非每類、每臺產(chǎn)品都用全部指標(biāo)進(jìn)行考核。

1.頻率特性

正弦信號的頻率特性包括頻率范圍、頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度三項(xiàng)指標(biāo)。

(1)頻率范圍:信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號頻率范圍,該范圍既可連續(xù)又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋,在此范圍內(nèi)應(yīng)滿足全部誤差要求。例如傳統(tǒng)國產(chǎn)XD1型信號發(fā)生器,輸出信號頻率范圍為1Hz~1MHz,分六擋即六個(gè)頻段。為了保證有效頻率范圍連續(xù),兩相鄰頻段間有相互銜接的公共部分即頻段重疊。又如(美)HP公司HP8660C型頻率合成器產(chǎn)生的正弦信號的頻率范圍為10kHz~2600MHz,可提供間隔為1Hz總共近26億個(gè)分立頻率。

(2)頻率準(zhǔn)確度:信號發(fā)生器度盤(或數(shù)字顯示)數(shù)值與實(shí)際輸出信號頻率間的偏差,通常用相對誤差表示,即

(3)頻率穩(wěn)定度:與頻率準(zhǔn)確度相關(guān),是指其他外界條件恒定不變的情況下,在規(guī)定時(shí)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。按照國家標(biāo)準(zhǔn),頻率穩(wěn)定度又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長期穩(wěn)定度。頻率短期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后,信號頻率在任意15min內(nèi)所發(fā)生的最大變化,表示為

式中,f0為預(yù)調(diào)頻率,fmax、fmin分別為任意15min內(nèi)的信號頻率的最大值和最小值。頻率長期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后,信號頻率在任意3h所發(fā)生的最大變化,表示為

2.輸出特性

輸出特性指標(biāo)主要有輸出阻抗、輸出電平、非線形失真系數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)。

(1)輸出阻抗。作為信號源,輸出阻抗的概念在“電路”或“電子電路”課程中都有說明。信號發(fā)生器的輸出阻抗視其類型不同而異。對于低頻信號發(fā)生器,電壓輸出端的輸出阻抗一般為600Ω(或1kΩ),功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計(jì)而定,通常有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω、和5kΩ等擋。高頻信號發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω擋。當(dāng)使用高頻信號發(fā)生器時(shí),要特別注意阻抗的匹配。

(2)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(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率及其衰減范圍內(nèi)所得到的輸出幅度的有效范圍。輸出電平可以用電壓(V、mV、μV)或分貝表示。例如XD1低頻率信號發(fā)生器的最大電壓輸出為1Hz~1MHz>5V,最大功率輸出為10Hz~700kHz(50Ω、75Ω、150Ω、600Ω)>4W。

(3)非線性失真系數(shù)(失真度)。正弦信號發(fā)生器的輸出在理想情況下應(yīng)為單一頻率的正弦波,但由于信號發(fā)生器內(nèi)部放大器等元器件的非線性,會(huì)使輸出信號產(chǎn)生非線性失真,除了所需要的正弦波頻率外,還有其他諧波分量。人們通常用信號頻譜純度來說明輸出信號波形接近正弦波的程度,并用非線性失真系數(shù)γ表示:

3.調(diào)制特性

高頻信號發(fā)生器在輸出正弦波的同時(shí),一般還能輸出一種或兩種以上的已被調(diào)制的信號,多數(shù)情況下是調(diào)幅信號和調(diào)頻信號,有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制功能。當(dāng)調(diào)制信號由信號發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)稱為內(nèi)調(diào)制,當(dāng)調(diào)制信號由外部加到信號發(fā)生器時(shí)稱為外調(diào)制。這類帶有輸出已調(diào)波功能的信號發(fā)生器,是測試無線電收發(fā)設(shè)備等場合不可缺少的儀器。

6.1.5信號發(fā)生器的發(fā)展趨勢

由于電子測量及其它部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展,信號發(fā)生器種類日益增多,性能日益提高,尤其隨著20世紀(jì)70年代微處理器的出現(xiàn),信號發(fā)生器不斷向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。現(xiàn)在,許多信號發(fā)生器帶有微處理器,因而具備了自校、自檢、自動(dòng)故障診斷、自動(dòng)波形形成和修正等功能外,還帶有IEEE488或RS232總線,可以和控制計(jì)算機(jī)及其它測量儀器一起方便地構(gòu)成自動(dòng)測試系統(tǒng)。當(dāng)前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、高頻率穩(wěn)定度、多功能、多用途、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。

6.2常見信號的產(chǎn)生方法

6.2.1正弦信號發(fā)生器正弦信號發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦信號或受調(diào)制的正弦信號。它包括低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器、微波信號發(fā)生器、合成信號發(fā)生器和掃頻信號發(fā)生器等。這里對正弦低頻信號發(fā)生器和高頻信號發(fā)生器作簡單介紹。

1.低頻信號發(fā)生器

低頻信號發(fā)生器是信號發(fā)生器大家族中一個(gè)非常重要的組成部分。在模擬電子線路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試和維修中獲得廣泛的應(yīng)用,其中最明顯的一個(gè)例子是收音機(jī)、電視機(jī)、有線廣播和音響設(shè)備中的音頻放大器。事實(shí)上,“低頻”就是從“音頻”(20Hz~20kHz)的含義演化而來的,由于其他電路測試的需要,頻率向上、向下分別延伸至超低頻和高頻段。一般“低頻信號發(fā)生器”是指1Hz~1MHz頻段,現(xiàn)今一些低頻信號發(fā)生器的頻率范圍可到1Hz~10MHz。輸出波形以正弦波為主,或兼有方波及其它波形。

信號發(fā)生器的核心是主振級,欲實(shí)現(xiàn)主振級電路對某一頻率的正弦信號振蕩,需滿足振蕩器的兩個(gè)基本條件,即振蕩起振條件和振蕩平衡條件。為了滿足這兩個(gè)條件,主振級必須是正反饋振蕩結(jié)構(gòu),即主振級電路是由主網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成的閉合環(huán)路,如圖6－2所示。圖6－2正弦振蕩器主振級結(jié)構(gòu)

1)文氏橋振蕩器

正弦信號發(fā)生器主振級的類型有多種,在一般低頻正弦信號發(fā)生器中,主振級使用RC振蕩器,一般主網(wǎng)絡(luò)是放大器,反饋網(wǎng)絡(luò)是RC分壓網(wǎng)絡(luò),其中應(yīng)用最多的當(dāng)屬文氏橋RC主振器。圖6－3(a)為文氏橋振蕩器的原理電路,電路的R1C1、R2C2、R3、R4四個(gè)支路可看作電橋的四個(gè)橋臂,若電橋的端點(diǎn)c接地,將運(yùn)算放大器A的輸入、輸出分別接至電橋的端點(diǎn)b、d及a,就滿足了振蕩器的兩個(gè)基本條件,對應(yīng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖6－3(b)所示。合理地確定電路中各元件的參數(shù)值,就可以滿足正弦振蕩器的振蕩條件與平衡條件,從而產(chǎn)生對應(yīng)頻率的正弦振蕩信號。此技術(shù)方法由文氏發(fā)明,故稱為文氏橋振蕩器。圖6－3文氏橋振蕩器組成

反饋系數(shù)F的計(jì)算:

反饋網(wǎng)絡(luò)及其幅頻特性F(ω)、相頻特性φF示意圖分別如圖6－4(a)、(b)及(c)所示。圖6－4正反饋網(wǎng)絡(luò)示意圖

由于文氏橋電路的選頻特性較差,會(huì)造成輸出波形失真,且放大器增益的波動(dòng)會(huì)引起振蕩幅度不穩(wěn)定,因此,通常使用高增益的二級放大器加上負(fù)反饋,并在負(fù)反饋支路中設(shè)置穩(wěn)增益措施,使得在維持振蕩期間,總電壓增益為3。圖6－5為采用熱敏電阻穩(wěn)幅的文氏橋振蕩器結(jié)構(gòu)。圖6－5使用熱敏電阻Rt穩(wěn)幅的文氏橋振蕩器結(jié)構(gòu)

在分析中,沒有考慮放大器的輸入電阻Ri和輸出電阻Ro對正反饋網(wǎng)絡(luò)特性的影響?？紤]Ri和Ro對RC正反饋網(wǎng)絡(luò)特性影響的等效電路如圖6－6所示。從圖中不難看出,為了減小Ri和Ro對RC正反饋網(wǎng)絡(luò)特性的影響,應(yīng)使Ri盡可能大而Ro盡可能小。為此,實(shí)際振蕩器電路中放大器輸入級常采用場效應(yīng)管,以提高輸入阻抗Ri,輸出時(shí)加接射極跟隨器,以降低輸出阻抗Ro。圖6－6放大器輸入、輸出阻抗對RC網(wǎng)絡(luò)的影響

例如L固定,調(diào)節(jié)電容C改變振蕩頻率,設(shè)電容調(diào)節(jié)范圍為40~450pF,則頻率覆蓋系數(shù)為

．

3)差頻式振蕩器

RC振蕩器的每一波段的頻率覆蓋系數(shù)(最高頻率與最低頻率的比值)通常為10。因此,要覆蓋1Hz~1MHz的頻率范圍,至少要6個(gè)波段,對于某些測量,特別是掃頻測量就極不方便。而差頻式低頻信號發(fā)生器可以在不分波段的情況下得到較寬的頻率覆蓋范圍。圖6－7為差頻式低頻信號發(fā)生器的原理圖。圖6－7差頻式低頻信號發(fā)生器原理框圖

2.高頻信號發(fā)生器

高頻信號發(fā)生器的輸出頻率范圍一般為300kHz~1GHz,穩(wěn)定度一般優(yōu)于10-4/15min,輸出電壓為0.1μV~1V,輸出阻抗為標(biāo)準(zhǔn)的50Ω(或75Ω),大多數(shù)具有調(diào)幅、調(diào)頻及脈沖調(diào)制等功能。其主要結(jié)構(gòu)由主振級、緩沖級、調(diào)制級及輸出級組成。主振級通常采用LC正弦波振蕩器,通過選擇不同電感值元件的方式來實(shí)現(xiàn)波段選擇,用可調(diào)電容方式實(shí)現(xiàn)頻率細(xì)調(diào)控制;緩沖級一般采用選頻放大器;調(diào)制級產(chǎn)生不同功能的高頻調(diào)制信號,調(diào)制信號可以由內(nèi)部調(diào)制振蕩器產(chǎn)生,也可由外部輸入;輸出級對信號進(jìn)行放大、濾波、電平調(diào)節(jié)以及獲得準(zhǔn)確固定的源阻抗(一般為50Ω或75Ω)。

主振級是高頻信號發(fā)生器的核心,是采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋式振蕩器,其電路形式有多種。按反饋網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不同,LC振蕩器主要有變壓器耦合反饋振蕩器和三點(diǎn)式振蕩器兩種類型。在這兩種類型中,應(yīng)用最多的是三點(diǎn)式振蕩器。三點(diǎn)式振蕩器是指從LC諧振回路引出三個(gè)端點(diǎn),分別與三極管的三個(gè)電極相連接,由于只有在三極管發(fā)射極到基極、發(fā)射極到集電極之間連接相同性質(zhì)的電抗元件,在基極到集電極之間連接相反性質(zhì)的電抗元件才能滿足振蕩器的相位條件,因此三點(diǎn)式振蕩器又有電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式之分。

要設(shè)計(jì)LC三點(diǎn)式主振級振蕩電路,首先要設(shè)計(jì)三極管的直流工作點(diǎn)及交流等效電路,其次是確定交流等效電路中各元件參數(shù),使之府合振蕩器的起振條件。圖6－8(a)為一電容三點(diǎn)式振蕩器,L、C1、C2為諧振回路元件。其中電感L既是諧振回路元件,又起著集電極直流通路的作用;RB1、RB2、RE為偏置電阻;CB、CC為交流旁路隔直流電容;RL為負(fù)載電阻。其交流通路如圖6－8(b)所示。圖6－8電容三點(diǎn)式振蕩電路

6.2.2函數(shù)信號發(fā)生器

在低頻(或超低頻)信號發(fā)生器的家族中,還有一種被稱為函數(shù)信號發(fā)生器,簡稱函數(shù)發(fā)生器,因其時(shí)間波形可用某些時(shí)間函數(shù)來描述而得名。它在輸出正弦波的同時(shí)還能輸出同頻率的三角波、方波、鋸齒波等波形,以滿足不同的測試需求。

作為信號源,函數(shù)發(fā)生器要求具有較寬的頻率范圍(0.1Hz至幾十兆赫茲)及較穩(wěn)定的頻率,具有可變的上升時(shí)間(對方波)以及可變的直流補(bǔ)償,具有較高的頻率準(zhǔn)確度和較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,波形失真應(yīng)比較小。

1.函數(shù)信號的產(chǎn)生方法

函數(shù)發(fā)生器一般以某種波形為第一波形,然后在該波形基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換導(dǎo)出其它波形。因第一波形的不同,而采取不同的波形導(dǎo)出方式,主要的導(dǎo)出方式有:方波→三角波→正弦波,正弦波→方波→三角波,三角波→正弦波→方波等,這里主要討論第一種方式。

圖6－9(a)是方波→三角波→正弦波形式的函數(shù)發(fā)生器原理結(jié)構(gòu)圖。圖中,由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、上限比較器、下限比較器、積分器構(gòu)成方波及三角波振蕩電路,然后由二極管整形網(wǎng)絡(luò)將三角波整形成正弦波。圖6－9(b)為信號波形變化過程。圖6－9函數(shù)發(fā)生器原理圖圖6－9函數(shù)發(fā)生器原理圖

將對稱的三角波轉(zhuǎn)換為正弦波的原理如圖6－10(a)所示。正弦波可以看作是由許多斜率不同的直線段連接而成的,只要直線段足夠多,由折線構(gòu)成的波形就可以相當(dāng)好地近似正弦波形。斜率不同的直線段可由三角波經(jīng)過不同的電阻分壓得到(各直線段對應(yīng)的分壓系數(shù)不同),因此,只要將三角波ui通過一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò),根據(jù)ui大小改變分壓網(wǎng)絡(luò)的分壓系數(shù),便可以得到近似的正弦波輸出。二極管整形網(wǎng)絡(luò)就可實(shí)現(xiàn)這種功能,現(xiàn)以圖6－10(b)所示的二極管整形網(wǎng)絡(luò)為例說明其整形原理。圖6－10基于二極管整形網(wǎng)絡(luò)的三角波到正弦波的整形原理圖6－10基于二極管整形網(wǎng)絡(luò)的三角波到正弦波的整形原理

2.集成函數(shù)信號發(fā)生器

由大規(guī)模集成電路構(gòu)成的集成函數(shù)信號發(fā)生器,能產(chǎn)生方波、三角波、鋸齒波及正弦波;由于這種集成電路的功能很強(qiáng),除了輸出固定頻率的信號外,還可以輸出調(diào)頻或掃頻信號,其典型芯片國外有ICL8038,國內(nèi)有5G8038。以下介紹5G8038的工作原理及使用。

1)性能指標(biāo)

單片集成電路5G8038是精密函數(shù)信號發(fā)生器,外接少許元件就可構(gòu)成一個(gè)可輸出多種波形的振蕩器。由于它采用肖特基勢壘二極管等先進(jìn)工藝,能夠在很寬的溫度范圍和電源電壓范圍內(nèi)取得穩(wěn)定的輸出。該器件的特點(diǎn)是頻率的溫度漂移小于50×10-6/℃;正弦波輸出失真度小于1%;工作頻率范圍為0.01Hz~300kHz;占空比可調(diào)范圍為2%~98%;輸出電平從TTL電平至28V;輸出電平特性:方波輸出是從零至外接電源電壓,三角波輸出幅度是電源電壓的1/3,正弦波輸出幅度是電源電壓的1/4。

2)結(jié)構(gòu)及工作原理

5G8038電路結(jié)構(gòu)如圖6－11(a)所示。圖中,除外接的電阻RA、RB及電容CT之外,其余皆為芯片的內(nèi)部資源。內(nèi)部資源主要有可控恒流源I1及I2、比較器1及比較器2、緩沖器1及緩沖器2、基本RS觸發(fā)器、緩沖器3、正弦波整形電路、內(nèi)部電壓偏置電路等。下面結(jié)合芯片內(nèi)部資源及已連接好的外接元件簡述各波形產(chǎn)生的原理。圖6－11集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片原理圖圖6－11集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片原理圖

三角波信號由可控的內(nèi)部電流源I1、I2對外接電容器CT充、放電產(chǎn)生。當(dāng)RS觸發(fā)器輸出Q=0時(shí),內(nèi)部開關(guān)S斷開,電流源I1對CT正向充電,充電電流使電容CT的端電壓uC上升,當(dāng)uC上升到比較器1的上門限電平(1/3)E時(shí),比較器1使RS觸發(fā)器輸出置位,即Q=1,并使開關(guān)S接通,CT被電流I1-I2充電。調(diào)節(jié)外接電阻RB阻值可使I2=2I1,則電流源以I1-I2=-I1的反向充電電流(在電容CT上從下往上)充電。在反向充電過程中,電容上的電壓uC線性下降,當(dāng)下降至比較器2的下門限電平-(1/3)E時(shí),觸發(fā)器復(fù)位,即Q=0,開關(guān)S再次斷開,再由I1向CT正向充電。依此循環(huán)進(jìn)行,波形圖如圖6－11(b)所示(如果管腳11接地,則上門限電平為(2/3)E,下門限電平為(1/3)E)。

在CT上形成的三角波經(jīng)過緩沖器1在引腳3輸出。由于改變外接電阻RA、RB的阻值,分別改變了恒流源I1、I2的大小,從而改變了電容充、放電時(shí)間,也就調(diào)整了三角波信號的頻率,故三角波信號的頻率f0

取決于外接元件CT、RA和RB,其大小可以參考下面的關(guān)系式:

3)管腳功能

5G8038管腳功能如圖6－11(c)所示。管腳1為正弦波線性調(diào)節(jié)端1,通過外接電壓來調(diào)整;管腳2為正弦波信號輸出端;管腳3為三角波/鋸齒波信號輸出端,當(dāng)4腳、5腳外接的電阻值平衡時(shí)其輸出為三角波,反之為鋸齒波;管腳4為恒流源1調(diào)節(jié),通過4腳到6腳(電源)之間的外接電阻RA來控制恒流源1的大小,其電阻值應(yīng)使恒流源電流在11mA之間較為合適,在4腳、5腳外接電阻正常的情況下,也可以通過外接電壓在8μ腳A~控制;管腳5為恒流源2調(diào)節(jié),通過5腳到6腳(電源)之間的外接電阻RB來控制恒流源2的大小,其電阻值應(yīng)使恒流源電流

在1μA~1mA之間較為合適,在4腳、5腳外接電阻正常的情況下,也可以通過外接電壓在8腳控制(注意,4腳、5腳的電阻比值決定著矩形波占空比的大小);管腳6為正電源供電端;管腳7為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出端,若不需要8腳外接電壓調(diào)整頻率,則可以把7腳內(nèi)部基準(zhǔn)電壓連接到8腳;管腳8為外接調(diào)頻控制輸入端,可以外接固定電壓,也可以外接掃描電壓,還可以連接7腳,利用7腳芯片內(nèi)部的固定基準(zhǔn)電壓;管腳9為方波/矩形波輸出端,由于是集電極開路輸出,所以在使用時(shí)需外接幾千歐的電阻到正電源(上拉電阻),才能從9腳輸出方波/矩形波信號;管腳10為外接積分電容端,電容連接到10腳與11腳之間;管腳11為負(fù)電源或接地,若為雙電源供電,則該端接負(fù)電源,若為單電源供電,則該端接地;管腳12為正弦波線性調(diào)節(jié)端2,通過外接電壓來調(diào)整;管腳13為空腳;管腳14為空腳。

4)使用舉例

以5G8038為核心,接入少量外部元件就可以構(gòu)成一個(gè)實(shí)用的函數(shù)信號發(fā)生器。如圖6－12為正弦波線性度、矩形波占空比及信號頻率可調(diào)的函數(shù)發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)。圖中,10腳的外接積分電容CT為0.01μF;9腳外接10kΩ的上拉電阻;RW1為正弦波線性度(平滑度)調(diào)節(jié);RW2為矩形波占空比調(diào)節(jié);調(diào)整RW3改變電位器的分壓值,可以改變送入8腳的電壓值,從而改變內(nèi)部恒流源I1、I2的大小,以此調(diào)節(jié)輸出信號的頻率;各信號輸出通過1kΩ電阻隔離。為了保證信號精度,正、負(fù)電源端最好通過100μF電容濾波。如果欲得到更大頻率范圍的信號,可采用改變積分電容粗調(diào)、調(diào)整電位器阻值細(xì)調(diào)的方法,即可將10腳的外接積分電容CT分擋選擇,如0.1μF、0.01μF、1000pF等,從而實(shí)現(xiàn)頻率范圍分擋調(diào)節(jié)輸出。圖6－125G8038函數(shù)發(fā)生器實(shí)用電路

也可以由微處理器(如單片機(jī))通過程序來控制芯片8腳的電壓,從而實(shí)現(xiàn)基于微處理器和5G8038的掃頻信號發(fā)生器。如圖6－13所示,芯片管腳8的電位由數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供,當(dāng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出定值電壓時(shí),信號源輸出點(diǎn)頻,當(dāng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出掃描電壓時(shí),芯片輸出信號的頻率隨掃描電壓變化的規(guī)律而變化,從而實(shí)現(xiàn)掃頻。數(shù)/模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括D/A轉(zhuǎn)換器(DAC0832)、運(yùn)算放大器A1和A2,A3是跟隨器,起緩沖作用;D/A所需數(shù)據(jù)線由微處理器提供;還可以用二位數(shù)字量通過4選1模擬開關(guān)選擇所需要的信號。圖6－13基于5G8038的掃頻信號發(fā)生器

6.2.3數(shù)字邏輯振蕩信號發(fā)生器

1.555振蕩信號發(fā)生器

圖6－14是555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖。從圖6－14(a)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出,它包含兩個(gè)比較器A1和A2、基本RS觸發(fā)器、集電極開路輸出泄放三極管V以及由三個(gè)阻值為5kΩ的電阻組成的電阻分壓器。圖6－14555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳

定時(shí)器的主要功能取決于兩個(gè)比較器輸出對RS觸發(fā)器和泄放三極管V狀態(tài)的控制。當(dāng)U1>UA1、U2>UA2時(shí),比較器A1輸出為0,A2輸出為1,則基本RS觸發(fā)器輸出為0;當(dāng)U1<UA1,U2<UA2時(shí),A1輸出為1,A2輸出為0,則基本RS觸發(fā)器輸出為1;當(dāng)U1<UA1,U2>UA2時(shí),兩個(gè)比較器均輸出1,則基本RS觸發(fā)器輸出保持原狀態(tài)不變。從圖6－14可知,基本RS觸發(fā)器輸出為1(Q=1)時(shí),V管截止;基本RS觸發(fā)器輸出為0(Q=0)時(shí),V管導(dǎo)通。一旦V管導(dǎo)通,V管c、e間的等效小電阻就可以為外接電容提供一個(gè)到地的放電通路。Rd是異步置0端,只要在Rd端加入低電平,則基本RS觸發(fā)器就置0(下降邊觸發(fā)置零)。通常Rd處于高水平。555定時(shí)器功能表如表61所示。

用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖6－15(a)所示。R1、R2和電容C是外接的定時(shí)元件,0.01μF電容起直流濾波作用,用以穩(wěn)定管腳5的直流電壓。振蕩器工作波形圖如圖6－15(b)所示。下面從起始狀態(tài)開始的第一個(gè)周期分析其振蕩原理。圖6－15用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

2.遲滯門(施密特門)振蕩器

具有遲滯特性的邏輯門符號如圖6－16(a)所示,其遲滯特性如圖6－16(b)所示。由于邏輯門的遲滯特性,若在邏輯門的輸入、輸出兩端接上適當(dāng)?shù)腞、C網(wǎng)絡(luò),如圖6－16(c)所示,則電容C上的電壓就會(huì)在遲滯邏輯的作用下進(jìn)行連續(xù)的充、放電關(guān)系轉(zhuǎn)換,從而在遲滯邏輯門的輸出端產(chǎn)生與電容充、放電周期相同的振蕩信號,其波形如圖6－16(d)所示。振蕩頻率f≈0.7RC。圖6－16遲滯門振蕩原理

6.2.4合成信號發(fā)生器

合成信號發(fā)生器是借助電子技術(shù)或計(jì)算機(jī)技術(shù)將一個(gè)(或幾個(gè))基準(zhǔn)頻率通過合成產(chǎn)生一系列滿足實(shí)際需要頻率的信號源,其基準(zhǔn)信號通常由石英晶體振蕩器產(chǎn)生。

1.合成信號發(fā)生器的特點(diǎn)

隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對信號頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度提出了愈來愈高的要求。在電子測量技術(shù)中,如果信號源頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度不夠高,就很難做到對電子設(shè)備特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

2.合成信號源的主要技術(shù)指標(biāo)

合成信號源的工作特性包括頻率特性、頻譜純度、輸出特性、調(diào)制特性等。下面就頻率特性和頻譜純度作進(jìn)一步的敘述。

(1)頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度:取決于內(nèi)部基準(zhǔn)源,一般能達(dá)到10-8/日或更好的水平。HP8663A合成信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到5×10-10/日。

(2)頻率分辨力:由于合成信號源的頻率穩(wěn)定度較高,所以分辨力也較好,可達(dá)0.01~10Hz。

(3)相位噪聲:信號相位的隨機(jī)變化稱為相位噪聲,相位噪聲會(huì)引起頻率穩(wěn)定度的下降。在合成信號源中,由于其頻率穩(wěn)定度較高,所以對相位噪聲也應(yīng)該嚴(yán)格限制,通常帶寬相位噪聲應(yīng)低于-60dB,遠(yuǎn)端相位噪聲(功率譜密度)應(yīng)低于-120dB/Hz。

(4)相位雜散:在頻率合成的過程中常常會(huì)產(chǎn)生各種寄生頻率分量,稱為相位雜散。相位雜散一般限制在-70dB以下。

需要說明的是:在頻域里,相位雜散在信號譜兩旁呈對稱的離散譜線分布,而相位噪聲則在兩旁呈連續(xù)分布。

(5)頻率轉(zhuǎn)換速度:指信號源的輸出從一個(gè)頻率變換到另一個(gè)頻率所需要的時(shí)間。直接合成信號源的轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒量級,而間接合成的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒量級。

3.頻率合成技術(shù)分類

頻率合成技術(shù)已發(fā)展近五十年的時(shí)間,伴隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展而不斷地發(fā)展和完善。當(dāng)前主要的頻率合成方式有直接頻率合成和間接頻率合成。直接頻率合成又可以分為模擬直接頻率合成和數(shù)字直接頻率合成。

1)直接頻率合成法

(1)模擬直接合成法。模擬直接合成法借助電子線路直接對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算,輸出各種需要的頻率,鑒于它采用模擬電子技術(shù),所以又稱為直接模擬頻率合成法(DirectAnalogFrequencySynthesis,DAFS)。常見的電路有以下兩種。

②可變頻率合成法。圖6－18是利用直接模擬式頻率合成實(shí)現(xiàn)可變頻率合成的原理框圖,它通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法,由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生一系列頻率信號并用窄帶濾波器選出。以實(shí)現(xiàn)3.628MHz輸出信號為例,由晶體振蕩器產(chǎn)生的1MHz基準(zhǔn)頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生1MHz、2MHz、…、9MHz等多個(gè)基準(zhǔn)頻率信號,將這些頻率信號進(jìn)行10分頻(完成÷10運(yùn)算)、混頻(完成加法運(yùn)算)和濾波,最后產(chǎn)生所需的3.628MHz輸出信號。只要選取不同的諧波并進(jìn)行相應(yīng)的組合就可以得到所需頻率的信號。圖6－18模擬直接式可變頻率合成原理框圖

(2)數(shù)字直接合成法。模擬合成方法基于模擬的方法,通過對基準(zhǔn)頻率fr進(jìn)行加、減、乘、除算術(shù)運(yùn)算得到所需要的輸出頻率。自20世紀(jì)70年代以來,由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及,開創(chuàng)了另一種信號合成技術(shù)———直接數(shù)字頻率合成法(DirectDigitalFrequencySynthesis,DDFS),其原理是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字合成,產(chǎn)生所需要頻率的信號。它從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成,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,甚至可以給出各種形狀的任意波形。在模擬合成方法中,后兩個(gè)性能是無法實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字直接合成法的優(yōu)點(diǎn)是能夠解決快捷變和小步進(jìn)之間的矛盾,且集成度高,體積小,但是由于D/A轉(zhuǎn)換器等器件的速度限制,其頻率上限較低,雜散也較大。

2)間接頻率合成法

間接頻率合成法基于鎖相環(huán)(PhaseLockedLoop,PLL)的原理,利用鎖相環(huán)把壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上。鎖相環(huán)可以看作中心頻率能自動(dòng)跟蹤輸入基準(zhǔn)頻率的窄帶濾波器。如果在鎖相環(huán)內(nèi)加入有關(guān)電路,就可以對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算,產(chǎn)生人們所需要的各種頻率信號。由于它不同于模擬直接合成法,不是用電子線路直接對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行運(yùn)算,故稱其為間接合成法。鎖相式頻率合成的優(yōu)點(diǎn)是易于集成化、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、價(jià)格低等,但其頻率切換時(shí)間相對較長。

6.3鎖相頻率合成技術(shù)

6.3.1鎖相頻率合成原理．1.鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理鎖相環(huán)是一個(gè)相位環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng),該環(huán)路由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)及基準(zhǔn)晶體振蕩器等部分組成,如圖6－19所示。圖6－19鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)圖

2.鎖相環(huán)的基本形式

上面介紹的是鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu),要真正實(shí)現(xiàn)鎖相頻率合成,則須在鎖相環(huán)路中插入一定的頻率變換單元,從而利用鎖相環(huán)的頻率控制功能產(chǎn)生在一定頻率范圍內(nèi)步進(jìn)的或連續(xù)可調(diào)的輸出信號。內(nèi)插的頻率變換單元形式不同,就組成了不同形式的鎖相環(huán)。常見的鎖相環(huán)形式主要有以下幾種:

(1)倍頻式鎖相環(huán)(倍頻環(huán))。倍頻環(huán)是實(shí)現(xiàn)對輸入信號頻率進(jìn)行乘法運(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)。圖6－20是其原理結(jié)構(gòu)框圖。圖6－20倍頻式鎖相環(huán)原理結(jié)構(gòu)框圖

(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,也有兩種基本形式,如圖6－21所示。圖6－21分頻式鎖相環(huán)原理結(jié)構(gòu)框圖

(3)混頻式鎖相環(huán)(混頻環(huán))?；祛l環(huán)實(shí)現(xiàn)對頻率的加減運(yùn)算。圖6－22(a)是一個(gè)加法混頻環(huán),圖6－22(b)是一個(gè)減法混頻環(huán)。圖6－22混頻式鎖相環(huán)

(4)多環(huán)合成單元。以上幾種鎖相環(huán)都是單環(huán)形式,其不足之處在于頻率點(diǎn)數(shù)目較少,頻率分辨力不高,無法合成所需的輸出頻率覆蓋并實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào),所以,一般合成式信號源都是由多環(huán)合成單元組成的。多環(huán)結(jié)構(gòu)形式的鎖相環(huán)也是多種多樣的,下面以一個(gè)雙環(huán)合成單元為例說明頻率合成原理,其原理結(jié)構(gòu)如圖6－23(a)所示。

該雙環(huán)合成器由一個(gè)倍頻環(huán)和一個(gè)加法混頻環(huán)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)插頻率連續(xù)可調(diào)振蕩器的輸出作為加法混頻環(huán)的另一個(gè)輸入,其簡化結(jié)構(gòu)如圖6－23(b)所示。當(dāng)兩個(gè)鎖相環(huán)輸入信號的相位鎖定時(shí),混頻環(huán)的輸出頻率為圖6－23雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)圖

綜上可知,由于在鎖相環(huán)的反饋支路中加入頻率運(yùn)算電路(加、減、乘、除等),所以,鎖相環(huán)的輸出頻率fo是基準(zhǔn)頻率fi經(jīng)有關(guān)數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果,環(huán)路結(jié)構(gòu)不同,數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果不同。在鎖相環(huán)頻率合成信號源中,倍頻式鎖相環(huán)和混頻式鎖相環(huán)獲得了更多的應(yīng)用,數(shù)字環(huán)的N值還可以借助微處理器實(shí)現(xiàn)程序控制。

6.3.2應(yīng)用舉例

現(xiàn)有一基準(zhǔn)頻率為fi=1kHz的脈沖信號,設(shè)計(jì)輸出脈沖信號頻率為fo=Nfi

的倍頻鎖相信號發(fā)生器,其中N的取值在1至9之間選擇。選擇有關(guān)器件,畫出具體電路詳圖。1.原理結(jié)構(gòu)選擇圖6－24的倍頻鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)形式,其輸出信號頻率為fo=Nfi,調(diào)整N的大小可以調(diào)整輸出信號的頻率。圖6－24倍頻式鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

2.所選用器件及功能

1)數(shù)字集成鎖相環(huán)芯片

CD4046CD4046為數(shù)字鎖相環(huán),是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路,其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬(為3~18V),輸入阻抗高(約100MΩ),動(dòng)態(tài)功耗小,在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600μW,屬微功耗器件。其內(nèi)部主要由相位比較器Ⅰ、相位比較器Ⅱ、壓控振蕩器(VCO)、線性放大器、整形器、源跟隨器等部分構(gòu)成。圖6－25為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列。圖6－25CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳排列

CD4046采用16腳雙列直插式,各管腳功能如下:

1腳,相位比較結(jié)果標(biāo)志(輸出)端,環(huán)路入鎖時(shí)為高電平,環(huán)路失鎖時(shí)為低電平;2腳,相位比較器Ⅰ的輸出端;3腳,相位比較器Ⅰ(相位比較器Ⅱ)的比較信號輸入端;4腳,壓控振蕩器振蕩信號輸出端;5腳,禁止端,高電平時(shí)禁止壓控振蕩器工作,低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作;6、7腳,外接振蕩電容端;8、16腳,負(fù)電源供電端及正電源供電端,若為單電源供電,則8腳接地;9腳,壓控振蕩器的頻率控制端;10腳,解調(diào)結(jié)果輸出端,用于FM解調(diào);11、12腳,外接振蕩電阻端;13腳,相位比較器Ⅱ的輸出端;14腳,參考(基準(zhǔn))頻率信號輸入端;15腳,內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極端。

相位比較器Ⅰ采用異或門結(jié)構(gòu),當(dāng)兩個(gè)輸入端信號的電平狀態(tài)相異(即一個(gè)為高電平、一個(gè)為低電平)時(shí),輸出端信號為高電平;當(dāng)兩個(gè)輸入端信號的電平狀態(tài)相同(即兩個(gè)均為高電平或均為低電平)時(shí),其輸出為低電平,如圖6－26所示。當(dāng)兩個(gè)輸入端信號的相位差Δφ在0°~180°范圍內(nèi)變化時(shí),輸出端信號的脈沖寬度即占空比隨之改變。從圖中可以看出,其輸出信號的頻率等于輸入信號頻率的兩倍,并且與兩個(gè)輸入信號之間的中心頻率保持90°相移。對相位比較器Ⅰ,要求兩個(gè)輸入端信號的占空比均為50%(即方波),這樣才能使鎖定范圍為最大。圖6－26相位比較器Ⅰ工作原理

相位比較器Ⅱ是一個(gè)由信號的上升沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)。它對輸入信號占空比的要求不高,允許輸入非對稱波形。它具有很寬的捕捉頻率范圍,而且不會(huì)鎖定在輸入信號的諧波。它提供數(shù)字誤差信號和鎖定標(biāo)志信號兩種輸出,當(dāng)達(dá)到相位鎖定時(shí),在相位比較器Ⅱ的兩個(gè)輸入信號之間保持0°相移。對相位比較器Ⅱ而言,當(dāng)14腳的輸入信號比3腳的比較信號的電壓低時(shí),輸出為邏輯“0”,反之則輸出邏輯“1”;如果兩信號的頻率相同而相位不同,當(dāng)輸入信號的相位超前于比較信號時(shí),相位比較器Ⅱ輸出為正脈沖,當(dāng)相位滯后時(shí)則輸出為負(fù)脈沖。

在這兩種情況下,1腳標(biāo)志端都有與上述正、負(fù)脈沖寬度相同的負(fù)脈沖產(chǎn)生;從相位比較器Ⅱ輸出的正、負(fù)脈沖的寬度均等于兩個(gè)輸入脈沖上升沿之間的相位差;而當(dāng)兩個(gè)輸入脈沖的頻率和相位均相同時(shí),相位比較器Ⅱ的輸出為高阻態(tài),則1腳輸出高電平。上述波形如圖6－27所示。由此可見,從1腳輸出的信號是負(fù)脈沖還是固定高電平就可以判斷兩個(gè)輸入信號的情況了。

圖6－27相位比較器Ⅱ工作原理

圖6－28CD4522的管腳及功能

3)低通濾波器(LPF)

低通濾波器需外接,實(shí)驗(yàn)中可用普通的RC低通濾波器完成,具體參數(shù)見系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)中的濾波器部分。實(shí)際使用中,要根據(jù)具體的鎖定頻率對象適當(dāng)調(diào)整濾波電阻及濾波電容參數(shù)。

3.系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

圖6－29為系統(tǒng)電路總體圖。圖中,將CD4046的輸出端(4腳)和CD4522的時(shí)鐘輸入端(6腳)相連,將CD4522的溢出端(12腳)與CD4046的相位比較器Ⅱ輸入端(14腳)相連接。分頻器÷N功能由CD4522可預(yù)置減法計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn),分頻量的大小由減法計(jì)數(shù)器的模來決定,具體模的大小由可預(yù)置端D4、D3、D2、D1的電平來決定,具體各預(yù)置端點(diǎn)的電平由四個(gè)開關(guān)S4、S3、S2、S1來控制。圖6－29系統(tǒng)電路總體圖

6.4直接數(shù)字頻率合成技術(shù)

6.4.1直接數(shù)字頻率合成原理直接數(shù)字頻率合成(DirectDigitalFrequenceSynthesis,DDFS或DDS)的原理是在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下,通過控制電路,按照一定的地址關(guān)系從數(shù)據(jù)存儲器ROM(或RAM)單元中讀出數(shù)據(jù),再通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換(D/A),就可以得到一定頻率的波形信號輸出。由于輸出信號(在D/A的輸出端)為階梯狀,為了使之成為理想正弦波還必須進(jìn)行濾波,濾除其中的高頻分量,所以在D/A之后需接具有一定特性的濾波器來平滑信號,最后輸出頻率為fo的正弦信號波形。

1.DDS組成

直接數(shù)字頻率合成的基本原理是基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù),通過數(shù)字合成生成頻率和相位可調(diào)的正弦信號。

任何頻率的正弦波形都可以看作是由一系列取樣點(diǎn)組成的,設(shè)取樣時(shí)鐘頻率為fc,正弦波每個(gè)周期由K個(gè)取樣點(diǎn)構(gòu)成,則該正弦波的頻率為

式中,Tc為取樣時(shí)鐘周期。如果改變?nèi)訒r(shí)鐘頻率fc,則可以改變輸出正弦波的頻率fo。其基本的原理結(jié)構(gòu)如圖630所示。圖6－30DDS原理結(jié)構(gòu)

如果將一個(gè)完整周期的正弦波形各點(diǎn)函數(shù)值存放于波形存儲器ROM中,地址計(jì)數(shù)器在參考時(shí)鐘fc的作用下進(jìn)行加1的累加計(jì)數(shù),生成對應(yīng)的地址,并將該地址存儲的波形數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出,就完成了波形的合成。其合成波形的輸出頻率取決于兩個(gè)因數(shù):

①參考時(shí)鐘頻率fc;

②ROM中存儲的正弦波采樣點(diǎn)數(shù)K。因此改變時(shí)鐘頻率fc或改變ROM中每個(gè)周期波形的采樣點(diǎn)數(shù)K,均能改變輸出頻率fo。

2.相位累加器原理

如果改變地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)值(即以值M(M>1))來進(jìn)行累加),則在保持時(shí)鐘頻率fc和ROM數(shù)據(jù)不變的情況下,就可以改變每個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù),從而實(shí)現(xiàn)輸出頻率fo的改變。例如:設(shè)存儲器中存儲了K個(gè)數(shù)據(jù)(一個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)),則當(dāng)?shù)刂酚?jì)數(shù)器步進(jìn)為1時(shí),輸出頻率fo=fc/K,如果地址計(jì)數(shù)步進(jìn)為M,則每個(gè)周期取樣點(diǎn)數(shù)為K/M,輸出頻率fo=(M/K)fc。地址計(jì)數(shù)器步進(jìn)值的改變可以通過相位累加器來實(shí)現(xiàn),其基本原理如圖6－31所示。圖6－31相位累加器原理

為便于理解,可以將正弦波看作一個(gè)矢量沿相位圓轉(zhuǎn)動(dòng),相位圓對應(yīng)正弦波一個(gè)周期的波形。波形中的每個(gè)采樣點(diǎn)對應(yīng)相位圓上的一個(gè)相位點(diǎn),如圖6－32所示。圖6－32數(shù)字相位圓

3.DDS的性能

因?yàn)檩敵鲂盘枌?shí)際上是以時(shí)鐘fc的速率對波形進(jìn)行取樣,從獲得的樣本值中恢復(fù)出來的,而根據(jù)取樣定理fomax≤(fc/2),所以M≤2N-1。實(shí)際中一般取M≤2N-2,當(dāng)M=1時(shí),輸出頻率最小,fomin=(1/2N)fc。輸出頻率的分辨力Δf由相位累加器的位數(shù)N決定,即Δf=(1/2N)fc。

6.4.2DDS頻率合成信號源

1.集成單片DDS信號源

DDS可以合成頻率分辨力和精度很高的信號,解決了快捷變與小步進(jìn)之間的矛盾,并且實(shí)現(xiàn)了DDS信號源的單片集成化。圖6－33為集成單片DDS芯片AD9854的原理結(jié)構(gòu)框圖,它包括了相位累加器、波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器及時(shí)鐘源等部分。圖6－33AD9854DDS原理結(jié)構(gòu)框圖

2.可編程芯片DDS合成信號源

單片DDS合成信號波形種類較少,靈活性較差,不便于任意波形發(fā)生器等場合的應(yīng)用,基于可編程芯片實(shí)現(xiàn)的DDS信號合成具有較大的靈活性,其基本原理框圖如圖6－34所示。圖6－34可編程芯片DDS頻率合成信號原理框圖

3.DDSPLL組合式頻率合成信號源

DDS具有