直接数字频率合成器DDS研究设计毕业论文.doc

兰州交通大学博文学院毕业设计(论文) 直接数字频率合成器DDS研究设计毕业论文目 录1. 引 言11.1 频率合成器的研究背景11.2频率合成器的研究现状12. 频率合成技术32.1频率合成技术概述32.2频率合成器的主要指标32.3频率合成的基本方法52.4 频率合成器的长期频率稳定度和相位噪声52.4.1长期频率稳定度52.4.2 相位噪声62.4.3噪声来源73. 直接频率合成（DS）技术83.1 直接频率合成器的基本原理和组成83.2直接频率合成器的几个主要组成电路93.2.1混频器93.2.2倍频器113.2.3分频器123.2.5石英晶体振荡器144. 直接数字频率合成(DDS)技术174.1 直接数字频率合成的组成及其特点174.2 直接数字频率合成的基本原理194.3 直接数字频率合成的相位噪声和杂散204.3.1 直接数字频率合成的相位噪声204.3.2 直接数字频率合成的杂散分析214.3.3 降低杂散电平的方法214.4 集成直接数字频率合成器的芯片介绍235. 直接数字频率合成器的设计265.1 DDS芯片在跳频系统中应用的总体框图265.2 控制模块265.2.1 AT89C51引脚说明265.2.2 单片机外围电路设计285.3 频率合成模块295.3.1 AD9852的引脚说明295.4电平转换模块325.5低通滤波模块335.6 放大电路35结 束 语36致 谢37参 考 文 献38II1. 引 言1.1 频率合成器的研究背景 频率合成（频率综合）是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。实现频率合成的电路叫频率合成器，频率合成器是现代电子系统的重要组成部分。在通信、雷达和导航等设备中，频率合成器既是发射机的激励信号源，又是接收机的本地振荡器；在电子对抗设备中，它可以作为干扰信号发生器；在测试设备中，可作为标准信号源，因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。频率源是雷达、通信、电子系统实现高性能技术指标的关键部分，许多现代电子设备和系统的功能的实现，都直接依赖于所用的频率源的性能，而当今高性能的频率源都是通过频率合成技术来实现的。频率合成技术大约出现于20世纪30年代，最初产生并进入实现应用的是直接频率合成技术，它具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好等优点，但是，由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，直接式频率合成器的结构复杂、体积大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。到60年代末70年代初，相位反馈理论和模拟锁相技术在频率合成领域里的应用，引发了频率合成技术发展史上的一次革命，相参锁相式合成技术就是这场革命的直接产物。随后数字化的锁相环路器件，如数字鉴相器、数字可编程分频器等器件的出现，以及其在锁相频率合成技术中的应用，标志着数字锁相频率合成技术得以实现。由于不断吸收和利用脉冲计数器、小数分频器、多模分频器等数字技术发展的新成果，数字锁相频率合成技术日益成熟，锁相式频率合成器具有良好的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且可避免使用大量滤波器，十分有利于集成化和小型化。此外，还具有良好的长期频率稳定度和短期频率稳定度。但是，由于锁相环本身是一个惰性环节，使得频率锁定时间较长，故锁相式频率合成器的频率捷变时间较长。目前，锁相环频率合成器在各电子领域中获得较为广泛的应用。1.2频率合成器的研究现状频率合成技术是现代雷达，通信等电子系统实现高性能指标的关键技术之一传统的频率合成技术包括模拟直接式频率合成和间接式频率合成。近几年来随着大规模集成电路和高速数字电路技术的日益成熟，以全数字结构为特征的直接数字频率合成技术得到了迅速发展，从而引发了频率合成领域的一次革命。它突破了传统频率合成器的诸多局限，具有相对带宽很宽，频率分辨率很高，频率捷变速度快，频率变换时输出信号相位保持连续和全球集成化等优点，这些优点是由于DDS的全数字结构所赋予的，但也正是这种全数字结构造成了DDS的主要缺陷，即输出相位噪声和杂散电平高。 2. 频率合成技术2.1频率合成技术概述 频率合成器是利用一个或多个标准信号，通过各种技术途径产生大量离散频率信号的设备。 直接数字式频率合成（DDS）技术的出现，导致了频率合成领域的第二次革命。1971年J.Tierney、C.M.Rader和B.Goid在A Digital Frequency Synthesizer 一文中发表了关于新型数字频率合成的研究成果，第一次提出了具有工程实现可能和实际应用价值的直接数字频率合成的概念。尽管当时该项技术未能立即得以普遍的重视，但是随着数字集成电路和微电子技术的发展，DDS逐渐充分体现出其具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨力很高、输出相位连续、可以输出宽带正交信号、任意波形输出能力、数字调制功能、可编程，以及全数字化结构便与集成等优越性能。DDS的缺点是工作频带的限制和杂散抑制差。 近年来，随着单片锁相式频率合成器等芯片的发展，锁相式、直接数字式，以及直接数字频率合成器（DDS）和锁相环（PLL）相结合所构成的频率合成器，以其容易实现系列化、小型化、模块化、工程化和其优越的性能已逐步成为三中最为典型、用处最为广泛的频率合成器。更宽的工作频带、更精确的频率分辨力、更低的相位噪声和寄生特性、更宽的频率转换时间，以及减小体积、降低功耗是对现代频率合成器提出的越来越严重的要求。DDS+PLL混合式频率合成技术将DDS的高频率分辨力和快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机结合，以尽可能全面的满足各种系统对频率源苛刻的要求。目前，开发应用最为广泛的一种方法，是采用DDS技术、变频技术和锁相环技术来实现高性能的频率合成器。 当今世界，由于通信、雷达技术的飞速发展，对系统相位噪声的要求越来越高。DDS与PLL相结合所构成的频率合成器，以其优越的相位稳定性和极低的颤噪效应，成为比较理想的频率源。2.2频率合成器的主要指标 为了正确理解、使用与设计频率合成器，首先应对它的质量指标进行了解。频率合成器的使用场所不同，对它的要求也不全相同。大体说来，有如下几项主要技术指标：频率范围、频率间隔、频率稳定度和准确度、频率纯度（杂散输出和相位噪声）、频率转换时间等等。合成器的体积、重量、功耗与成本等，就是由这些指标决定的。 （1）频率范围 这是指频率合成器的工作频率范围，视用途而定，有短波、超短波微波等频段。一般包括合成器输出信号的中心频率fo及带宽B。 （2）频率间隔 频率合成器的输出频谱是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔，就是频率间隔。频率间隔又称为分辨力。不同用途的频率合成器对频率分辨力有不同的要求。有的可以达到 MHz 的分辨力，有的可达到kHz 级的分辨力，有的则需要达到Hz 甚至是 MHz 级的分辨力。 （3）频率稳定度和准确度 频率稳定度是指在一定的时间间隔内，合成器输出频率变化的大小。频率准确度是指频率合成器的实际输出频率偏离标称工作频率的程度。 频率准确度与稳定度之间有区别又有联系，只有稳定才能保证准确。因此，常将工作频率相对于标称值的偏差也计入在不稳定偏差之内，因此，只需考虑频率稳定度即可。 频率稳定度从时域角度分为长期稳定度、短期稳定度和瞬时稳定度。其中，长期稳定度是指在年、月等长期时间内频率的变化，频率的漂移主要是有石英晶体振荡器老化引起的，属于确定性的变化。短期稳定性是指日、小时内的频率变化，这种频率的变化实际上是晶振老化漂移和频率的随机起伏引起的。瞬时稳定度是秒，甚至是毫秒时间内频率的漂移，这个漂移是随机的，主要由噪声和干扰引起的。 （4）频率转换时间频率合成器从一个频率转换到另一个频率，并且达到稳定所需要的时间称之为频率转换时间。在雷达、通信以及电子对抗等许多领域，对频率合成器的频率转换时间往往提出了严格甚至苛刻的要求，频率转换时间有时要达到us数量级。 频谱纯度是指合成器信号源输出频谱偏离纯正弦波谱的量度。影响信号源频谱纯度的因素较多，主要包括： 相位噪声 AM噪声 非谐波相关杂散边带（杂散） 谐波相关带 有源器件产生的闪烁噪声 分频器的噪声 倍频器的噪声上述影响频谱纯度的因素中，起主要作用的是相位噪声和杂散，因此，在讨论频率稳定度和频谱纯度时主要考虑这两个指标。 （5）系列化、标准化和模块化的可实现性。 任何单只频率合成器不可能包含所有频段，因此有系列化要求。另外，在实现不同频率合成器时，还要考虑所有模块的通用性（在转换频段工作时，需要换模块的品种越少越好）和互换性。 （6）成本、体积及质量。2.3频率合成的基本方法 频率合成法基本上可分为直接合成法和间接合成法。而在具体实现中又可划分为三种，即通常所说的直接模拟频率合法、间接锁相式合成法、直接数字频率合成法。对于这三种方法的比较如下。 （1）直接模拟频率合成技术：直接模拟合成利用倍频(乘)、分频(除)、混频(加减)和滤波技术，所需的频率是从一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源产生。它的优点是频率转换时间短，载频相位好等。缺点是该方法采用了大量的分频、混频、倍频和滤波等模拟元件导致了硬件电路体积大、功耗大且容易产生过多的杂散分量，元件差难以抑制的非线性影响，所以合成的正弦波的幅度、相位等参数难以控制。 （2）间接锁相式（PLL）频率合成技术：该技术能够很好选择频率、抑制杂散分量，而且频率的稳定性很好。但是，由于锁相环有惰性，该技术中频率转换时间和频率分辨率难找到平衡点，因而该技术一般用于步进较大的频率合成中。 （3）直接数字频率合成法：即DDS技术，该技术采用数字化技术，引入“相位”的概念，是通过控制相位的变化速度来直接产生各种频率的信号。DDS具有可编程、相位可控、频率转换快、分辨率高、频谱纯度高、频率输出范围宽、生成的正弦余弦信号正交特性好等优良性能，所以在现代频率合成领域中地位日益重要。而且DDS是全数字化结构，易于集成、功耗低、体积小、重量轻、易于程序控制、灵便实用，性价比很高，故应用广泛。2.4 频率合成器的长期频率稳定度和相位噪声2.4.1长期频率稳定度 频率稳定度发信机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。 设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为f，则频率稳定度的定义为频率稳定度式中为K为频率稳定度。 K=f/f0 公式 (2-1) 一般频率稳定度可以取 110-5210-5左右。目前较好的介质稳频振荡器可达到110-5210-5左右。当对频率稳定度有严格要求时，例如，要求 110-6510-6时，则必须采用石英晶体控制的分频锁相或脉冲锁相振荡源。 收信设备频率稳定度应和发信设备具有相同的指标，通常为110-5210-5，高性能发信机可达 110-6510-6。收信本振和发信本振常采用同一方案，用两个相互独立的振荡器，在有些中继设备里，收信本振功率是发信本振功率取出一部分进行移频得到的，收信与发信本振频率间隔约300MHz 左右。这种方案的好处是收信与发信本振频率必是同方向漂移，因此用于中频转接站时，可以适当降低对振荡器频率稳定度的要求。 频率稳定度标识了数传电台工作频率的稳定程度。单位为ppm（part per million百万分比），通常的频率稳数传电台定度应在：1.5ppm左右。 2.4.2 相位噪声相位噪声作为频率合成器的一项重要技术指标，其性能好坏直接影响了电子系统的性能。用这种信号不论做发射激励信号，还是接收机本振信号以及各种频率基准时，这些相位噪声将在解调过程中都会和信号一样出现在解调终端，引起基带信噪比下降，影响电子系统目标的分辨能力，即改善因子。接收机本振的相位噪声，当遇到强干扰信号时，会产生“倒混频”使接收机有效噪声系数增加。所以随着电子技术的发展，对频率合成器的相位噪声要求就越来越高，因此研究低相位噪声、高可靠性频率合成器成为系统发展的重要方向。(1)相位噪声概述相位噪声，就是指在系统内各种噪声作用下所表现的相位随机起伏，相位的随机起伏必然引起频率随机起伏，这种起伏速度较快，所以又称之为短期频率稳定度。理想情况下，合成器的输出信号在频域中为一根单一的谱线，而实际上任何信号的频谱都不可能绝对纯净，总会受到噪声的调制产生调制边带。由于相位噪声的存在，使波形发生畸变。在频域中其输出信号的谱线就不再是一条单根的谱线，而是以调制边带的形式连续地分布在载波的两边，在主谱两边出现了一些附加的频谱，从而导致频谱的扩展，相位噪声的边带是双边的，是以f0为中心对称的，但为了研究方便，一般只取一个边带。其定义为偏离载频1 Hz带宽内单边带相位噪声的功率与载频信号功率之比，它是偏离载频的复氏频率fm的函数，记为E(fm)，单位为dBcHz，即 E(fm)=10lg PSSB /PO 公式(2-2)公式(2-2)中，PSSB为偏离载频fm处，1 Hz带宽内单边带相位噪声功率；P0为载波信号功率。 (2)频率合成器中的噪声特性分析在频率合成器中，噪声的来源是多方面的，既有外部噪声，也有电子电路的内部噪声，一般只考虑随机噪声的影响。2.4.3噪声来源 微波管的相位噪声在其诞生之初就为人们所注意，但在很长时间内都没有很明确的解释，不过大多数研究都认为与电子束的脉动起伏有关。离子噪声的重要特点是频率很低，一般在几兆赫兹，有时可达到低声频以至超低声，这样低的频率是无法由微波谐振电路产生的，也远低于管子内的任何等离子体振荡频率，近似于张驰振荡。 具体的物理过程大致如下：电子束由于非平衡的布里渊聚焦而产生了沿轴向的脉动，由于空间电荷效应，在轴线产生了静电势。由电子束碰撞产生的正离子被俘获在势阱中，当填充到一定程度，电子束聚焦状况会发生变化，势阱向阴极移动，离子随之被释放，打在阴极上，这一过程周期性地反复进行。在离子被俘获、逃逸、再俘获的过程中，沿轴线静电势阱要相应发生变化，使电子束的轴向速度改变，再与高频场相互作用，形成输出信号的噪声。 速调管与行波管作为大功率微波真空器件，广泛应用于通信、雷达、电子对抗、遥感等领域。但是和所有真空器件一样，管子不可能处于绝对的真空中，总是带有少量的残余气体。电子束碰撞电离这些背景气体，会产生正离子，其空间电荷效应会改变电子束的状态，进而影响到电子束与波的互作用，使信号产生振幅与相位(特别是相位)的周期性扰动，这种扰动被称为离子噪声，有时也称为相位。 3. 直接频率合成（DS）技术 直接频率合成方法是最早出现的频率合成方法，也是最为经典的频率合成技术。该方法是指利用一个或多个高温定高频谱纯度的参考晶体振荡器，经过混频器、倍频器、分频器、带通滤波器实现对输入参考晶体振荡频率的加、减、乘、除运算，以产生所需要的各种频率。按频率合成器所需要的参考晶振源的数量多少，合成方法可以分为两种：非相干法和相干法。由于非相干法需要多个参考晶振源，而且制作具有相同的频率稳定度和频率精度的多个晶体难度非常大，同时还存在着体积大、造价高和系统复杂的缺点。另外该方法输出的频率与参考晶振无固定的相位关系。如果在全相参雷达系统、通信相干接收系统等场合采用该合成方法是不能实现相参要求的。因此，这种合成方法现已较少采用。而相干法仅仅使用一个参考晶振，频率合成器输出的各种频率都由该参考晶振直接或间接产生，因此，输出频率的稳定度和频率精度与参考源一致，同时也可以使输出频率与参考晶振保持严格固定的相位关系，因此，这种合成方法得到广泛应用。3.1 直接频率合成器的基本原理和组成 直接模拟合成利用倍频(乘)、分频(除)、混频(加减)和滤波技术，所需的频率是从一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源产生。它的优点是频率转换时间短，载频相位好等。缺点是该方法采用了大量的分频、混频、倍频和滤波等模拟元件导致了硬件电路体积大、功耗大且容易产生过多的杂散分量，元件差难以抑制的非线性影响，所以合成的正弦波的幅度、相位等参数难以控制。 用混频器、倍频器和分频器实现频率间的加、减、乘、除来产生新频率，并靠滤波器选择使信号纯净。图3-1是直接合成式频率合成器的原理图，用插入除10的分频器来获得十进位。当开关S1、S2都在1位时,频率合成器输出频率为频率合成当开关S1、S2都在10位时，频率合成器输出频率为由此可知，频率合成器的输出频段为09.9fr，分辨率式。fR是参考源频率,n1、n2、m根据电路实现的可能和有利情况来选择。直接合成的分辨率高，转换时间短，频段宽，相位噪声小，但设备大而且复杂，成本高。全数字化的直接合成利用计算机技术，其分辨率高，转换速度可小到 1纳秒，但最高频率仅为参考源频率的四分之一，而且还与所采用器件的转换速度有关。 A位相位累加器波形ROM低频滤波器参考频率源D/A转换器frKf0 图3-1 直接合成式频率合成器的原理图 如图3-2所示，输出信号频率fo=f3f2f1 。其中f3决定了工作频段，f2决定了工作带宽，f1决定了频率分辨力。该框图看起来易于实现，其实不然，因为，每个频标发生器和开关滤波器组不仅成本昂贵，而且由于混频窗口、滤波器可实现性和开关隔离度等因素的限制，实现起来非常复杂。f1基准源低频频标发生器开关滤波器组1f2参中频频标发生器考信高频频标发生器开关滤波器组2号 f3 输出信号f0 图3-2直接频率合成原理方框图3.2直接频率合成器的几个主要组成电路3.2.1混频器 混频是指将信号从一个频率变换到另外一个频率的过程，其实质是频谱线性搬移的过程。在超外差接收机中，混频的目的是保证接收机获得较高的灵敏度，足够的放大量和适当的通频带，同时又能稳定地工作。混频电路包括三个组成部分：本机振荡器、非线性器件、带通滤波器。混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频， coscos=cos(+)+cos(-)/2 公式（3-1） 可以这样理解，为信号频率量，为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。 从工作性质可分为二类，即加法混频器和减法混频器分别得到和频及差频。从电路元件也可分为三极管混频器和二极管混频器。 从电路分有混频器和变频器。 混频器和频率混合器是有区别的。后者是把几个频率的信号线性的迭加在一起，不产生新的频率。 1.混频器的一些性能指标 （1）工作频率 信号工作频率外，还应注重本振和中频频率应用范围。 （2）噪声系数 混频器的噪声定义为：NF=Pno/Pso 。Pno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时，传输到输出端口的总噪声资用功率。Pno主要包括热噪声，内部损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。 （3）变频损耗 混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗，二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。 （4）1dB压缩点 在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，混频器出现饱和。当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性，一般比本振功率低6dB。 （5）动态范围 动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。（6）双音三阶交调 假如有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fL0一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频四周的地方，落入中频通带以内，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号减小1dB时，三阶交调信号抑制比增加2dB。 （7）隔离度 混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dB。 （8）本振功率 混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。原则上本振功率愈大，动态范围增大，线性度改善（1dB压缩点上升，三阶交调系数改善）。 （9）端口驻波比 端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参数。 （10）中频剩余直流偏差电压当混频器作鉴相器时，只有一个输入时，输出应为零。但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因，将在中频输出一个直流电压，即中频剩余直流偏差电压。这一剩余直流偏差电压将影响鉴相精度。3.2.2倍频器 倍频器（frequency multiplier）使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路。输入频率为f1，则输出频率为f0nf1，系数n为任意正整数，称倍频次数。倍频器用途广泛，如发射机采用倍频器后可使主振器振荡在较低频率，以提高频率稳定度；调频设备用倍频器来增大频率偏移；在相位键控通信机中，倍频器是载波恢复电路的一个重要组成单元。倍频器有晶体管倍频器、变容二极管倍频器、阶跃恢复二极管倍频器等。用其他非线性电阻、电感和电容也能构成倍频器，如铁氧体倍频器等。 非线性电阻构成的倍频器，倍频噪声较大。这是因为非线性变换过程中产生的大量谐波使输出信号相位不稳定而引起的。倍频次数越高，倍频噪声就越大，使倍频器的应用受到限制。在要求倍频噪声较小的设备中，可采用根据锁相环原理构成的锁相环倍频器和同步倍频器。但是，这类倍频器线路比较复杂，倍频次数一般不太高，而且还可能出现相位失锁等问题。振荡器的频率稳定度不太高，在几十兆赫至百兆赫的晶体振荡器后面加上一级高次微波倍频器，可以获得具有晶振频率稳定度的微波振荡。另外，多级倍频器级联起来，可以使倍频次数大大提高。例如，二倍频器和三倍频器级联可产生六次倍频，m级N倍频器级联，总倍频次数为Nm。不过，倍频级数增加，倍频噪声也加大，故倍频上限仍受到限制。 1. 倍频器功能倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路，常用的是二倍频和三倍频器。在手持移动电话中倍频器的主要作用是为了提升载波信号的频率，使之工作于对应的信道；同时经倍频处理后，调频信号的频偏也可成倍提高，即提高了调频调制的灵敏度，这样可降低对调制信号的放大要求。采作倍频器的另一个好处是：可以使载波主振荡器与高频放大器隔离，减小高频寄生耦合，有得于减少高频自激现象的产生，提高整机工作稳定性。 2. 倍频器的基本原理微波倍频器是一种基本的微波电路。所谓倍频器 是指能完成输入信号频率倍增功能的电子设备。原则上，非线性器件都能实现倍频，而利用半导体器件的非线性实现的倍频，即称为固态倍频器。当用一个正弦信号激励非线性器件时，便会在基频的谐波频率上 产生功率。倍频电路的作用就是有效提取其中所需要 的谐波信号，而将其基频和不需的谐波加以抑制。3. 倍频器按其工作原理又可分为两大类：一种是非线性电阻倍频。这类倍频器是利用双结型晶体管、场效应晶体管或二极管的非线性电阻效应把大幅度正弦倍频器的原理波变成电流脉冲，再用选频回路将所需要的谐波选出，以完成倍频作用。 另一种非线性电抗倍频，亦称为“参量倍频”。 其一是利用PN 结或金属一半导体结的非线性变化得到输入信号的谐波，经滤波器选出需要的频率。变容二极管倍频器、阶跃二极管倍频器以及利用集电极非线性效应做成的三极管倍频器都是非线性电容构成的倍频器。 其二是利用非线性电感构成的倍频器。例如利用雪崩二极管雪崩渡越效应引起的非线性电感实现的倍频。目前，在频率较低、倍频次数不是很高的场合，人们常采用晶体管有源倍频来实现 而在频率较高时往往采用变容二极管或是阶跃恢复二极管等无源电路。随着截止频率很高的各种场效应管的出现，人们对利用场效应管的非线性来实现次数较低的倍频电路表现出极大的兴趣。3.2.3分频器 模拟分频器是音箱内的一种电路装置，用以将输入的模拟音频信号分离成高音、中音、低音等不同部分，然后分别送入相应的高、中、低音喇叭单元中重放。之所以这样做，是因为任何单一的喇叭都不可能完美的将声音的各个频段完整的重放出来。 1.分频器的作用 分频器是音箱中的“大脑”，对音质的好坏至关重要。功放输出的音乐讯号必须经过分频器中的过滤波元件处理，让各单元特定频率的讯号通过。要科学、合理、严谨地设计好音箱之分频器，才能有效地修饰喇叭单元的不同特性，优化组合，使得各单元扬长避短，淋漓尽致地发挥出各自应有的潜能，使各频段的频响变得平滑、声像相位准确，才能使高、中、低音播放出来的音乐层次分明、合拍、明朗、舒适、宽广、自然的音质效果。 2.分频器的原理分频器本质上是由电容器和电感线圈构成的LC滤波网络，高音通道是高通滤波器，它只让高频信号通过而阻止低频信号；低音通道正好相反，它只让低音通过而阻止高频信号；中音通道则是一个带通滤波器，除了一低一高两个分频点之间的频率可以通过，高频成份和低频成份都将被阻止。在实际的分频器中，有时为了平衡高、低音单元之间的灵敏度差异，还要加入衰减电阻；另外，有些分频器中还加入了由电阻、电容构成的阻抗补偿网络，其目的是使音箱的阻抗曲线心理平坦一些，以便于功放驱动。3.分频器的分类： 功率分频器 位于功率放大器之后，设置在音箱内，通过LC滤波网络，将功率放大器输出的功率音频信号分为低音，中音和高音，分别送至各自扬声器。连接简单，使用方便，但消耗功率，出现音频谷点，产生交叉失真，它的参数与扬声器阻抗有的直接关系，而扬声器的阻抗又是频率的函数，与标称值偏离较大，因此误差也较大，不利于调整。 （2）电子分频器将音频弱信号进行分频的设备，位于功率放大器前，分频后再用各自独立的功率放大器，把每一个音频频段信号给予放大，然后分别送到相应的扬声器单元。因电流较小故可用较小功率的电子有源滤波器实现，调整较容易，减少功率损耗，及扬声器单元之间的干扰。使得信号损失小，音质好。但此方式每路要用独立的功率放大器，成本高，电路结构复杂，运用于专业扩声系统。3.2.4 压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器。 1.压控振荡器的控制特性其特性用输出角频率0与输入控制电压uc之间的关系曲线来表示。uc为零时的角频率0,0称为自由振荡角频率；曲线在0处的斜率K0称为控制灵敏度。在通信或测量仪器中，输入控制电压是欲传输或欲测量的信号（调制信号）。人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和锁相环环路中，输入控制电压是误差信号电压，压控振荡器是环路中的一个受控部件。 压控振荡器的类型有LC压控振荡器、RC压控振荡器和晶体压控振荡器。对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄，RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。 2. 压控振荡器的作用 压控振荡器(VCO)与普通本振相比，在谐振回路中多出了电控器件，比如变容二极管；一般压控振荡器(VCO)多以克拉泼振荡器形式存在，以保证电路工作点和Q值的稳定性。压控振荡器自其诞生以来就一直在通信、电子、航海航空航天及医学等领域扮演重要的角色，振荡具有广泛的用途。在无线电技术发展的初期，它就在发射机中用来产生高频载波电压，在超外差接收机中用作本机振荡器，成为发射和接收设备的基本部件。随着电子技术的迅速发展，振荡器的用途也越来越广泛，例如在无线电测量仪器中，它产生各种频段的正弦信号电压：在热加工、热处理、超声波加工和某些医疗设备中，而且产生大功率的高频电能对负载加热；某些电气设备用振荡器做成的无触点开关进行控制；电子钟和电子手表中采用频率稳定度很高的振荡电路作为定时部件等。尤其在通信系统电路中，压控振荡器(VCO)是其关键部件，特别是在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路等更是重中之重，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，压控振荡器(VCO)几乎与电流源和运放具有同等重要地位。3.2.5石英晶体振荡器 石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。 1.基本分类晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数：谐振电阻（RR），谐振器没有电阻要求。RR的大小直接影响电路的性能，因此这是各商家竞争的一个重要参数。 2.基本结构及工作原理石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/p补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准(JIS)中，称其为标准封装晶体振荡器（SPXO）。现以SPXO为例，简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。 石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由品质因数Q很高的晶体谐振器（即晶体振子）与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率（基频或n次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。 3.石英晶体振荡器的应用 石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/SSMD、UM-1、UM-5及柱状晶体等。 HC-49U适用于具有宽阔空间的电子产品如通信设备、电视机、电话机、电子玩具中。 HC-49U/S适用于空间高度受到限制的各类薄型、小型电子设备及产品中。 HC-49U/SSMD为准表面贴装型产品，适用于各类超薄型、小型电脑及电子设备中。 柱状石英晶体谐振器适用于空间狭小的稳频计时电子产品如计时器、电子钟、计算器等。 UM系列产品主要应用于移动通讯产品中，如BP机、移动手机等。 石英晶体谐振器主要用于频率控制和频率选择电路。本指南有助于确保不出现性能不满意、成本不合适及可用性不良等现象。 4. 直接数字频率合成(DDS)技术 为了取得更快的频率转换速度，随着数字技术的发展，人们重新想到了直接合成法，出现了直接数字频率合成器（DDS），导致了第三次频率合成技术的飞跃，它是用数字计算机和数模变换器来产生信号，该技术出现于七十年代，从而揭开了频率合成技术发展的新篇章，标志着频率合成技术迈进了第三代。DDS技术是首先将相位以极小的间隔离散化，计算出正弦信号对应于这些相位的幅度值，形成一个幅度-相位表，并存储于DDS器件的ROM中，DDS工作时，利用数字方式累加相位，得到信号在该时刻的相位值，然后按一定的相位-幅度转换算法在DDS的ROM中查表得到信号在该时刻的幅度值，最后将信号通过D/A变换和低通滤波器形成模拟正弦波或存储波形的频率合成技术。近年来随着VLSI技术的进步，这种结构独特的频率合成技术得到了充分的发展。同传统的频率合成技术相比，由于DDS主要通过简单的加法、查表等数字信号处理得到所需信号，因此它具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、易实现对输出信号的多种调制、全数字化便于集成等诸多优点，使得DDS具有广阔的应用前景。尽管1971年Tierney 就第一次提出了DDS的概念，但DDS的大发展及产品化是九十年代以来的事情。特别是随着当前EDA技术的发展，为DDS的实现提供了更多种实现方式。除此之外，由于DDS是利用查表法来产生波形的，所以它也适用于任意波形发生器，这是DDS技术另一个非常重要的应用。由于输出带宽窄和杂散抑制差一直是限制DDS发展的主要因素，所以研究工作时钟频率和优越杂散性能的DDS芯片成为DDS技术另一个发展方向。4.1 直接数字频率合成的组成及其特点 由相位累加器、只读存储器(ROM)、数模转换器(DAC)及低通平滑滤波器(LPF)构成.在时钟脉冲的控制下，频率控制字K由累加器累加得到相应的相码，相码寻址ROM进行相码-幅码变换输出不同的幅度编码，再经过数模变换器得到相应的阶梯波，最后经低通波器对阶梯波进行平滑，即得到由频率控制字K决定的连续变化的输出波形。DDS采用了全数字结构,具有其他频率合成技术所部具备的特点。基于DDS的组成和工作原理，可以看出它具有下列特点： 频率分辨率高。这是DDS最主要的优点之一，由式f0=Kfc/2N可知，DDS频率分辨率由参考时钟频率fc和相位累加器的位数N决定。当参考时钟频率fc确定后，频率分辨率仅由N确定。理论上讲，只要N位数足够多，就可以得到足够高的分辨率。当频率控制字K=1时，DDS产生的最低频率称为频率分辨率。即fmin=fc/2N。例如，若DDS的参考时钟频率为50MHz，相位累加器的字长为48位，频率分辨率可达0.1810-6Hz，这是传统频率合成技术所难以实现的。 输出频率的相对带宽很宽。 根据Nyquist定律，理论上，只要输出信号的最高频率小于或等于fc/2，DDS就可以实现所要的带宽。由于受低通滤波器过渡特性及高端信号频谱恶化的限制，实际工程中可实现的最高频率一般为0.4fc。另外，若频率控制字K=0，则fc=0，即可输出直流。因此DDS的输出频率范围一般是00.4fc，这样的相对带宽是传统频率合成技术所无法实现的。 频率转换时间短。 DDS的频率转换时间是频率控制字的传输时间和以低通滤波器为主的器件频率响应时间之和。高速DDS系统中采用流水线结构，其频率控制字的传输时间等于流水线级数与时钟周期的乘积，低通滤波器的频率响应时间随截止频率的提高而缩短，因此高速DDS系统的频率转换时间极短，可以达到纳秒数量级。DDS的这一优点对实现高速跳频极为有利。 频率跳变时相位连续。 从DDS的工作原理可知，改变DDS的输出频率是通过改变频率控制字实现的，这实际上改变的是相位函数的增长速率。在许多应用系统中，特别是跳频通信中，需要在频率跳变过程中保证信号相位的连续，以避免相位信息的丢失和增加新的离散频率分量。传统的频率合成技术做不到这一点，直接频率合成器的相位是不连续的，间接频率合成器的相位虽然连续，但因为压控振荡器的惰性，频率转换时间较长。 可产生带宽正交信号。 根据DDS的工作原理，只要相位累加器同时寻址两个所存幅值正交的ROM，分别用各自的数/模转换器和低通滤波器，就可在很宽的范围内获得比较精确的正交信号。 具有任意波形输出能力。 DDS中相位累加器输出所寻址的波形数据并非一定是正弦波形数据，根据Nyquist定理，只要该波形所包含的高频分量小于采样频率的一半，这个波形就可以由DDS产生。DDS为模块化结构，输出波形仅由波形存储器中的数据决定，只要改变存储器中的数据，就可以产生方波、三角波、锯齿波等任意波形。目前已有应用DDS技术的任意波形发生器。 易于实现数字调制 DDS采用全数字结构，频率控制字可以直接调整输出信号的频率和相位，因此可以在DDS设计中方便的加上数字调制、调相以及调幅等功能，产生ASK、FSK、PSK、MSK等多种信号。 此外，DDS还具有集成度高、体积小、易于控制等特点。 当然DDS技术也有其不可避免的缺点： 杂散抑制差：这是DDS的一个主要的缺点，由于DDS一般采用了相位截断技术，它的直接后果是给DDS的输出信号引入了杂散，同时波形存储器中波形幅度量化所引起的有效字长效应和D/A的非理想特性也都将对DDS的杂散抑制性能产生很大的影响，但目前DDS采用了许多新的抑制杂散办法以及新器件结构的不断出现，DDS的杂散抑制水平也不断提高，例如，抖动技术破坏了误差的周期性，从而使频谱特性得到了很大的提高。 工作频带受限：根据DDS的结构和工作原理，DDS的工作频率要受到器件速度的限制，和基准频率有直接的关系，但随着目前微电子水平的不断提高，DDS工作频率也有很大的提高，例如，采用CMOS工艺的DDS工作频率以由过去的几十MHz到目前的300MHz，采用ECL工艺的DDS工作频率以由过去300MHz左右到目前的1.6GHz，而采用GaAs工艺则可达到4GHz左右，再过几年DDS的输出频率可能达到4GHz左右，其应用范围将非常广泛。 相位噪声性能：与其它频率合成器相比，DDS的全数字结构使得相位噪声不能获得很高的指标，DDS的相位噪声主要由参考时钟信号的性质、参考时钟的频率与输出频率之间的关系以及器件本身的噪声基底决定。理论上DDS输出信号的相位噪声会对参考时钟信号的相位噪声有的改善但在实际工程中，必须要考虑包括相位累加器、ROM和D/A 等各种部件噪声特性对DDS相位噪声性能的限制。4.2 直接数字频率合成的基本原理 DDS的工作原理是以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。电路包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器（LPF）。频率累加器对输入信号进行累加运算，产生频率控制数据X（frequency data或相位步进量）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对代表频率的2进制码进行累加运算，是典型的反馈电路，产生累加结果Y。幅度/相位转换电路实质上是一个波形寄存器，以供查表使用。读出的数据送入D/A转换器和低通滤波器。 DDS的理论基础是Shannon抽样定理。抽样定理内容是：当抽样频率大于等于模拟信号频率的2倍时，可以由抽样得到的离散信号无失真地恢复原始信号。在DDS中，这个过程被颠倒过来了。DDS不是对一个模拟信号进行抽样，而是一个假定抽样过程,已知DDS的最低输出频率为f0=f0min=f/2N，也就是它的最小频率步进量,其中N为相位累加器的位数，可见只要相位累加器有足够的字长，实现非常精密的分辨率没有多大的困难。例如可以实现Hz、mHz甚至Hz的频率分辨率，而传统的频率合成技术要实现这样的频率分辨率十分困难，甚至是不可能的 。 (1) 相位变化连续 DDS改变输出频率实际上改变的是每次的相位增量，即改变相位的增产速度。当频率控制字由K1变为K2之后，它是在己有的积累相位nK1之上，再次累加K2，相位函