电子测量与仪器第章课件

1、1 电子测量与仪器第章课件 本章要点本章要点 测量用信号发生器，通常称为信号源。测量用信号发生器，通常称为信号源。 u 信号源的功用、种类和主要性能指标信号源的功用、种类和主要性能指标 u 通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用 u 合成信号源的组成原理、特性和应用合成信号源的组成原理、特性和应用 u 频率合成技术的发展状况频率合成技术的发展状况 第第3 3章信号发生器章信号发生器 2 电子测量与仪器第章课件 3.1 3.1 信号发生器概述信号发生器概述 3.1.1 3.1.1 信号发生器的功用信号发生器的功用 1.1.作激励源作激励源 作

2、为某些电气设备的激励信号。作为某些电气设备的激励信号。 2.2.信号仿真信号仿真 在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特 性的信号，如对干扰信号进行仿真。性的信号，如对干扰信号进行仿真。 3.3.校准源校准源 产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准 （或比对）。（或比对）。 图图3.1 3.1 信号源的功用信号源的功用 输输 入入 激激 励励 信信 号号 发发 生生 器器 被被 测测 设设 备备 测测 试试 仪仪 器器 输输 出出 响响 应应 3 电子测量与仪器第章课件 3.1.2 3.1.2 信号发生

3、器的分类信号发生器的分类 1. 1. 按用途分按用途分 专用专用-电视信号发生器、电平振荡器、误码仪电视信号发生器、电平振荡器、误码仪 通用通用-产生正弦波等通用波形产生正弦波等通用波形 3. 3. 按性能分按性能分 普通普通-功率大，频率、电压刻度不大准确，功率大，频率、电压刻度不大准确， 用于天线测试等用于天线测试等 标准标准-频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用 2. 2. 按波形分按波形分 正弦正弦- 脉冲脉冲- 函数函数-产生函数通用波形产生函数通用波形 噪声噪声- t t t t t 4 电子测量与仪器第章课件 4. 4. 按频率产生办法分按频率

4、产生办法分 谐振谐振-由频率选择回路控制正反馈由频率选择回路控制正反馈 产生振荡。产生振荡。 合成合成-由基准频率通过加、减、乘、由基准频率通过加、减、乘、 除组合一系列频率。除组合一系列频率。 5. 5. 按频率范围分按频率范围分 无无 低频低频 高频高频 微波微波 频段频段频率范围频率范围 主振电路主振电路 调制方式调制方式 R CR C 电电 路路 1Hz1MHz1Hz1MHz 磁控管、体效磁控管、体效 应管、应管、 1MHz1GHz1MHz1GHz 1GHz100GHz1GHz100GHz LCLC电路电路 AMAM、FMFM、PMPM AMAM、FMFM 5 电子测量与仪器第章课件

5、表表3.1 3.1 信号源按频率划分表信号源按频率划分表 名名 称称频频 率率 范范 围围主要应用领域主要应用领域 超低频信号发生器超低频信号发生器 低频信号发生器低频信号发生器 视频信号发生器视频信号发生器 高频信号发生器高频信号发生器 甚高频信号发生器甚高频信号发生器 超高频信号发生器超高频信号发生器 30kHz30kHz以下以下 30kHz300kHz30kHz300kHz 300kHz6MHz300kHz6MHz 6MHz30MHz6MHz30MHz 30MHz300MHz30MHz300MHz 300MHz3000MHz300MHz3000MHz 电声学、声纳电声学、声纳 电报通讯电

6、报通讯 无线电广播无线电广播 广播、电报广播、电报 电视、调频广播、导航电视、调频广播、导航 雷达、导航、气象雷达、导航、气象 6 电子测量与仪器第章课件 3.1.3 3.1.3 正弦信号发生器的性能指标正弦信号发生器的性能指标 在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛 的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。 1. 1. 频率范围频率范围 指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可 由若干频段或一系列离散频率覆盖

7、，在此范围内应满足全部误由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误 差要求。差要求。 2.2.频率准确度频率准确度 频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输 出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示 %100 00 0 f f f ff （3.13.1） 7 电子测量与仪器第章课件 3. 3. 频率稳定度频率稳定度 频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率 稳定度来保证的。频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情稳

8、定度来保证的。频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情 况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化 的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和 长期频率稳定度。长期频率稳定度。 %100 0 minmax f ff 短期：短期：1515分钟内分钟内 长期：长期：3 3小时内小时内 （3.23.2） 8 电子测量与仪器第章课件 4.4.失真度与频谱纯度失真度与频谱纯度 定义定义 %100 1 22 3 2 2 U UUU n 测量：低频信号发生器用失真系数测量：低频信

9、号发生器用失真系数 222 23 222 12 100% n n UUU UUU 高频信号发生器用频谱纯度高频信号发生器用频谱纯度 20lg80 100 S n U dB U U US S U Un n f f A A f f A A t t U U 9 电子测量与仪器第章课件 5. 5. 输出阻抗输出阻抗 低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600600（或（或1k1k） 功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有5050、7575、 150150、600600和和5 k5 k等档等档 高频信号发生器一

10、般仅有高频信号发生器一般仅有5050或或7575档。档。 信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若 负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不 准确的。准确的。 10 电子测量与仪器第章课件 6. 6. 输出电平输出电平 输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定 的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所 得到输出幅度的有效范

11、围。得到输出幅度的有效范围。 讨论：信号源输出讨论：信号源输出100mv100mv，示波器上显示却为，示波器上显示却为 200mv200mv，为什么会这样？，为什么会这样？ 信号源信号源 100mv100mv 示波器示波器 200mv200mv 信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波 有效值标定的。有效值标定的。 7.7.调制特性调制特性 高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一 种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅A

12、MAM信号和调频信号和调频 FMFM信号，有些还带有调相和脉冲调制信号，有些还带有调相和脉冲调制PMPM等功能等功能 11 电子测量与仪器第章课件 3.2 3.2 通用信号发生器通用信号发生器 本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器， 以区别后面介绍的合成信号发生器。以区别后面介绍的合成信号发生器。 专业课讲系统、整机的组成的框图原理、特点及实例专业课讲系统、整机的组成的框图原理、特点及实例 基础课讲部件、单元电路如振荡器、放大器等单元基础课讲部件、单元电路如振荡器、放大器等单元 模拟电路模拟电路 课程特点课程特点 例：超外差

13、接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展，例：超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展， 但框图原理未变。但框图原理未变。 高高 放放天线天线混频器混频器中中 放放检检 波波低低 放放功放功放 本本 振振 12 电子测量与仪器第章课件 3.2.1 3.2.1 低频信号发生器低频信号发生器 图图3.3 3.3 低频信号源组成框图低频信号源组成框图 主振器主振器放大器放大器 衰减器衰减器输出输出 电压指示电压指示 ( (a a) ) 输出输出 ( (b b) ) 固定频率固定频率 振荡器振荡器 可变频率可变频率 振荡器振荡器 混频器混频器滤波放大滤波放大衰减器衰减器 f2=3.400

14、0MHz f1=3.39975.1000MHz f0=300Hz1.7000MHz 13 电子测量与仪器第章课件 频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示：频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数表示： min max f f k （3.73.7） 以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器）以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器） 为例，为例，f f1 1=3.3997MHz=3.3997MHz5.1000MHz5.1000MHz，f f2 2=3.4000MHz=3.4000MHz，则，则 f f0 0=300Hz=300Hz1.7000MHz1.7000MHz。比较一下频

15、率覆盖系数。比较一下频率覆盖系数 3 0 106 300 7000. 1 Hz MHz k 而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为 1 5.1000 1.5 3.3997 k 可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。 14 电子测量与仪器第章课件 2. 2. 主振荡器的特点主振荡器的特点 低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器，低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器， 其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。其特点是频率稳定，易于调节，

16、并且波形失真小和易于稳幅。 文氏桥式振荡器是典型的文氏桥式振荡器是典型的RCRC正弦振荡器。其振荡频率决定于正弦振荡器。其振荡频率决定于 RCRC式反馈网络的谐振频率，表达式为：式反馈网络的谐振频率，表达式为： RC f 2 1 0 （3.83.8） 选频网络选频网络放大器放大器放大器放大器 0 0 180 180 180 180 U U0 0 输出输出(f (f0 0) ) R R1 1 A A R R1 1 R R3 3 C C1 1 C C2 2 R R2 2 振荡条件？振荡条件？ 15 电子测量与仪器第章课件 LC f 2 1 0 在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的在低频信号发生器中

17、为何不采用较熟悉的LCLC振荡器呢？这是振荡器呢？这是 因为因为LCLC振荡器的频率决定于：振荡器的频率决定于： （3.93.9） 原因原因 频率较低时，频率较低时，L L、C C 数值大，相应的体积、重量也相当数值大，相应的体积、重量也相当 大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数QQ值降低值降低 很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在RCRC振荡器中，振荡器中， 频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。 原因原因 在在LCLC振荡器中振荡器中 0 f

18、LC与 成反比，因而同一波段内频率成反比，因而同一波段内频率 覆盖系数很小。例如覆盖系数很小。例如L L固定，调节电容固定，调节电容C C改变振荡频率，设电容改变振荡频率，设电容 器调节范围为器调节范围为40 pF40 pF450pF450pF，则频率覆盖系数为，则频率覆盖系数为 maxmax minmin 450 3 40 fC k fC 16 电子测量与仪器第章课件 而用而用RCRC振荡器，由（振荡器，由（3.83.8）式可知，）式可知， RCf 与 0 成反比，频率成反比，频率 覆盖系数为覆盖系数为 11 40 450 min max min max C C f f k 在一个波段内有较

19、大的频率覆盖系数。在一个波段内有较大的频率覆盖系数。 3.3.低频信号发生器的主要技术特性低频信号发生器的主要技术特性 目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下：目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下： 频率范围：频率范围： 1Hz1Hz1MHz1MHz分频段，均匀连续可调分频段，均匀连续可调 频率稳定度：优于频率稳定度：优于0.1%0.1% 非线性失真：非线性失真：0.1%0.1%1% 1% 输出电压：输出电压：0V0V10V 10V 输出功率：输出功率：0.5 W0.5 W5W 5W 连续可调连续可调 输出阻抗：输出阻抗：50,75,60050,75,600，5k 5

20、k 输出形式：平衡输出与不平衡输出输出形式：平衡输出与不平衡输出 17 电子测量与仪器第章课件 3.2.23.2.2高频信号发生器高频信号发生器 1. 1. 高频信号发生器的组成原理高频信号发生器的组成原理 图图3.43.4高频信号发生器原理框图高频信号发生器原理框图 主振级主振级 缓冲级缓冲级 调制级调制级 输出级输出级 监测器监测器 输出输出 电电 源源 内调制内调制 振荡器振荡器 可可 变变 电抗器电抗器 外调制输入外调制输入 AMAMFMFM 内内 外外 标准调制：标准调制：F=1000Hz m=30%F=1000Hz m=30% 若语音调制则成小电台若语音调制则成小电台 18 电子测

21、量与仪器第章课件 l) l)主振级主振级 主振级通常是主振级通常是LCLC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率三点式振荡电路，产生具有一定工作频率 范围的正弦信号。范围的正弦信号。 2)2)缓冲级缓冲级 它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级与主振级。它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级与主振级。 3)3)调制级调制级 为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已 调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制 的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于的方式主要有调幅

22、、调频和脉冲调制。调幅多用于 100kHz100kHz 35MHz35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般 采用正弦调制。调频主要用于采用正弦调制。调频主要用于30MHz30MHz1000MHz1000MHz信号发生器信号发生器 中，脉冲调制多用于中，脉冲调制多用于300MHz300MHz以上的微波信号发生器中。以上的微波信号发生器中。 4)4)输出级输出级 输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到VV 数量级。输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良数量级。

23、输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良 好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。 标准调制：标准调制：F=1000Hz m=30%F=1000Hz m=30% 19 电子测量与仪器第章课件 信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的， 若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数 是不准确的。是不准确的。 R Ri i R R0 0 R Rb b R Rb bR Rb b R Rb b R RL L R R0 0R

24、Ra a R Ra aR Ra a 20 电子测量与仪器第章课件 2.2.高频信号发生器使用中的问题高频信号发生器使用中的问题 1)1)接收机的测量接收机的测量 测试接收机的性能，如选择性、灵敏度等指标，是高频信号发生器的典测试接收机的性能，如选择性、灵敏度等指标，是高频信号发生器的典 型应用。为了使接收机符合实际的工作情况，必须在接收机与仪器间接型应用。为了使接收机符合实际的工作情况，必须在接收机与仪器间接 一个等效天线。等效天线接在电缆分压器的分压接线柱（有电位的一端）一个等效天线。等效天线接在电缆分压器的分压接线柱（有电位的一端） 与接收机的天线接线柱之间。一般可采用如图与接收机的天线接

25、线柱之间。一般可采用如图3.63.6所示的接法。它适合所示的接法。它适合 于于540kHz540kHz几十几十MHzMHz的接收机测试。的接收机测试。 2)2)波段划分波段划分 高频信号发生器主振级的高频信号发生器主振级的LCLC振荡器，通常是固定电感振荡器，通常是固定电感L L，通过改变电容，通过改变电容C C 来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算：来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算： 32 2 1 2 1 min max max min min max C C LC LC f f k 图图3.73.7LCLC回路回路 L L1 1 C

26、C L L2 2 L Ln n . 21 电子测量与仪器第章课件 例例3.1 XFC-63.1 XFC-6型高频信号发生器型高频信号发生器f f =4 MHz=4 MHz300MHz300MHz， 试问应划分几个波段？试问应划分几个波段？ 75 4 300 k n kk knklglg 835. 7 254. 0 87. 1 8 . 1lg 75lg 9 . 0lg lg k k n 上式中上式中0.90.9k k的含义是让单回路覆盖系数取小的含义是让单回路覆盖系数取小些，这里取些，这里取k k=2=2， 以保证各波段能衔接覆盖。该例算出以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n n=8=8，即要划分

27、，即要划分8 8个波段。个波段。 这时相邻波段的电感值可按下式计算。这时相邻波段的电感值可按下式计算。 21 k L L n n （3.113.11） （3.103.10） 22 电子测量与仪器第章课件 3 3）输出匹配）输出匹配 图图3.83.8阻抗匹配阻抗匹配 信号源信号源 被测设备被测设备 阻阻 抗抗 变换器变换器 ( (a a) ) 2 21 (1)41.8 4 SL RR R NN 2 2 12 118.7 S SL R RRR R R 2 2 32 149 L SL R RRR R R dBN1016. 3lg20lg20 ( (b b) ) R R3 3 R R1 1 R Rs

28、s 50 50 R R2 2R RL L 75 75 R Rs s R RL L 23 电子测量与仪器第章课件 3.2.33.2.3脉冲信号发生器脉冲信号发生器 外同步外同步 放放 大大 主振级主振级 同步输出同步输出 外同步输入外同步输入 延迟级延迟级形成级形成级整形级整形级输出级输出级主脉冲主脉冲 a a c c b b d de ef f a a b b c c d d e e t tz z t tr r f f U U t t t t t t T T U 0t Um 0.9Um 0.1Um U 0.5Um tr tf 矩形脉冲的参数矩形脉冲的参数 24 电子测量与仪器第章课件 3.2.

29、43.2.4函数信号发生器函数信号发生器 图图3.123.12函数信号发生器的基本组成函数信号发生器的基本组成 正弦振荡器正弦振荡器缓冲级缓冲级放大级放大级输出级输出级 方波形成方波形成积分器积分器 （a a） （b b） 积分器积分器外触发输入外触发输入 施密特施密特 触发器触发器 脉脉 冲冲 触发器触发器 正弦波转正弦波转 换电路换电路 放大器放大器 （a a）正弦式）正弦式（b b）脉冲式）脉冲式 25 电子测量与仪器第章课件 3.2.5 3.2.5 噪声发生器噪声发生器 图图3.14 3.14 噪声发生器的结构噪声发生器的结构 噪声源噪声源变换器变换器电平指示器电平指示器 电电 源源输

30、出衰减器输出衰减器 t 26 电子测量与仪器第章课件 3.3 3.3 合成信号发生器合成信号发生器 频率合成的方法频率合成的方法 直接模拟频率合成法（直接模拟频率合成法（DAFS DAFS ） 直接数字频率合成法（直接数字频率合成法（DDS DDS ） 间接锁相式合成法间接锁相式合成法 （ Direct Analog Frequency SynthesisDirect Analog Frequency Synthesis） （ Direct Digital Frequency Synthesis Direct Digital Frequency Synthesis ） 信号源信号源 主振级主振

31、级 频率准确度频率准确度 频率稳定度频率稳定度 通用信号源通用信号源 RCRC、LCLC振荡器振荡器 1010-2 -2量级 量级 1010-3 -3 1010-4 -4 合成信号源合成信号源 晶体振荡器晶体振荡器 1010-8 -8量级 量级 10 10-7 -7量级 量级 27 电子测量与仪器第章课件 3.3.1 3.3.1 直接模拟频率合成法直接模拟频率合成法 利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率 进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于 大多是采用

32、模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成，大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成， 且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。 1.1.固定频率合成法固定频率合成法 图图3.153.15固定频率合成法原理固定频率合成法原理 晶体振荡器晶体振荡器 DD N N f fr r f fo o 图图3.153.15为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供 基准频率基准频率 r f ，D D为分频器的分频系数，为分频器的分频系数，N N为倍频器的倍频系数。为倍频器的倍频系数。 因此，图因

33、此，图3.153.15固定频率合成法输出频率固定频率合成法输出频率 0 f为为 r f D N f 0 在式中，在式中，D D和和N N均为给定的正整数。输出频率人为定值，所以均为给定的正整数。输出频率人为定值，所以 称为固定频率合成法。称为固定频率合成法。 28 电子测量与仪器第章课件 2.2.可变频率合成法可变频率合成法 3 2 10 M 带通带通 13MHz13MHz 10MHz10MHz 4 1M1M 2M2M 3 3 4 4 混频混频 ( + ) 29 电子测量与仪器第章课件 图图3.16 3.16 固定频率合成法原理固定频率合成法原理 f fi1 i1 1010 + + + + 1

34、010 + + + + 1010 + + + + 1010 + + + + 频频 率率 选选 择择 开开 关关 辅助基准频率发生器辅助基准频率发生器 2.002.00 2.09MHz2.09MHz 2.0002.000 2.099MHz2.099MHz 2.00002.0000 2.0999MHz2.0999MHz 2.000002.00000 2.099999MHz2.099999MHz f fo o f fi2 i2 f fi3 i3 f fi4 i4 f f1 1f f2 2f f3 3 f f4 4 f fr r 2.02.02.9MHz2.9MHz F F=16MHz=16MHz 2

35、 2MHzMHz 5MHz5MHz 11i fFf=2=21616(2.0(2.02.9)MHz=(20.02.9)MHz=(20.020.9)MHz 20.9)MHz 0 f= =（2.000002.000002.099992.09999）MHz MHz 30 电子测量与仪器第章课件 直接模拟合成技术特点：直接模拟合成技术特点： 1)1)频率分辨力高频率分辨力高 2)2)频率切换快频率切换快 -用于跳频通信对抗用于跳频通信对抗 （因频率点不太多）（因频率点不太多） 3)3)电路庞大、复杂电路庞大、复杂 -现不用它做信号源现不用它做信号源 （因信号源要求频率范围宽）（因信号源要求频率范围宽）

36、31 电子测量与仪器第章课件 3.3.2 3.3.2 直接数字频率合成法直接数字频率合成法 直接数字合成法（直接数字合成法（DDSDDS，Direct Digital Frequency Direct Digital Frequency SynthestsSynthests）。它突破了频率合成法的原理，从）。它突破了频率合成法的原理，从“相位相位”的的 概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频 率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至 可以给出各种任意波形。这在前述模

37、拟频率合成方法中是无可以给出各种任意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无 法实现的。这里先讨论正弦波的合成问题，关于任意波形将法实现的。这里先讨论正弦波的合成问题，关于任意波形将 在后面进行讨论。在后面进行讨论。 1.1.直接数字合成基本原理直接数字合成基本原理 三角波：三角波：+1+1、+1+1 -1 -1、-1 -1 方方 波：波：0 0、0 0、 1 1、1 1、 32 电子测量与仪器第章课件 正弦波：预存正弦函数表，如图正弦波：预存正弦函数表，如图3.183.18。 2 2 实例说明：实例说明： AD9850AD9850是美国是美国Analog DevicesAnalog Device

38、s公司生产的公司生产的DDSDDS单片频率合单片频率合 成器，在成器，在DDFSDDFS的的ROMROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按中已预先存入正弦函数表：其幅度按 二进制分辨率量化；其相位一个周期二进制分辨率量化；其相位一个周期360360按按 32 min 2/2 的分辨率设立相位取样点，然后存入的分辨率设立相位取样点，然后存入ROMROM的相应地址中。的相应地址中。 33 电子测量与仪器第章课件 实用中，改变读取实用中，改变读取ROMROM的地址数目，即可改变输出频率。若的地址数目，即可改变输出频率。若 在系统时钟频率在系统时钟频率 c f的控制下，依次读取全部地址中的相位点，的控制

39、下，依次读取全部地址中的相位点， 则输出频率最低。因为这时一个周期要读取则输出频率最低。因为这时一个周期要读取2 232 32相位点，点间 相位点，点间 间隔时间为时钟周期间隔时间为时钟周期T Tc c，则，则 T Tout out=2 =232 32T Tc c 因此这时输出频率为因此这时输出频率为 图图3.19 AD98503.19 AD9850内部组成框图内部组成框图 频率相位码寄存器频率相位码寄存器 相位和相位和 控制字控制字频率码频率码 3232位位 高速高速DDSDDS 码码 输输 入入 寄寄 存存 器器 并并 行行 8 8位位5 5输入输入 时钟输入时钟输入 复位复位 频率更新频

40、率更新/ / 寄存器复位寄存器复位 码输入时钟码输入时钟 串行串行 1 1位位4040输入输入 比较器比较器 方波输出方波输出 模拟输入模拟输入 模拟输出模拟输出 DACDAC复位复位 地地V Vs s 34 电子测量与仪器第章课件 32 2 c out f f（3.163.16） 若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推 可得输出频率的一般表达式可得输出频率的一般表达式 32 2 c out f kf （3.173.17） 式中式中k k为频率码，是个为频率码，是个3232位的二进制值，可写成：位的二进制值，可写成： 0 0

41、 1 1 30 30 31 31 2222AAAAk （3.183.18） 013031 AAAA， 对应于对应于3232位码值（位码值（0 0或或1 1）。为便于看）。为便于看 出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（3.183.18）代入）代入 （3.173.17）式得：）式得： 0 32 1 31 30 2 31 1 2222 A f A f A f A f f cccc out （3.193.19） 35 电子测量与仪器第章课件 按按AD9850AD9850允许最高时钟频率允许最高时钟频率f fc c=125MHz=125MHz来进行具体说明，来

42、进行具体说明， 当当A A0 01 1，而，而A A31 31， ，A A30 30， ，A A1 1均为均为0 0时，则输出频率最低，时，则输出频率最低， 也是也是AD9850AD9850输出频率的分辨率：输出频率的分辨率： Hz MHzf f c out 0291. 0 4294967296 125 2 32 min 与上面从概念导出的结果一致。当与上面从概念导出的结果一致。当A A31 31 1 1，而，而A A0 0，A A1 1， A A30 30 均为均为0 0时，输出频率最高：时，输出频率最高： max 125 62.5 22 c out f fMHz 应当指出，这时一周只有两个

43、取样点，已到取样定理的最小允应当指出，这时一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允 许值，所以当许值，所以当A A31 31 1 1后，以下码值只能取后，以下码值只能取0 0。实际应用中，为。实际应用中，为 了得到好的波形，设计最高输出频率小于时钟频率的了得到好的波形，设计最高输出频率小于时钟频率的1/31/3。这。这 样，只要改变样，只要改变3232位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率 的准确度与时钟频率同数量级。的准确度与时钟频率同数量级。 36 电子测量与仪器第章课件 3. 3. 任意波形的产生方法任意波形的产生方法 直接数字频率合成技术重要的

44、特色，它可以产生任意波形。从直接数字频率合成技术重要的特色，它可以产生任意波形。从 上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存 储器的数据。因此，产生任意波形的方法取决于向该存储器储器的数据。因此，产生任意波形的方法取决于向该存储器 （RAMRAM）提供数据的方法。目前有以下几种方法：）提供数据的方法。目前有以下几种方法： 1)1)表格法表格法 将波形画在小方格纸上，纵坐标将波形画在小方格纸上，纵坐标 按幅度相对值进行二进制量化，按幅度相对值进行二进制量化， 横坐标按时间间隔编制地址，然横坐标按时间间隔编制地址，然 后制成对应的

45、数据表格，按序放后制成对应的数据表格，按序放 入入RAMRAM。对经常使用的定了。对经常使用的定了“形形” 的波形，可将数据固化于的波形，可将数据固化于ROMROM 或存入非易失性或存入非易失性RAMRAM中，以便中，以便 反复使用。反复使用。 图图3.21 3.21 表格法示意图表格法示意图 0.20.20 0 U U A A P P QQ R R S S T T 0.40.4 0.60.6t t(s)(s) 37 电子测量与仪器第章课件 2)2)数学方程法数学方程法 3)3)折线法折线法 4)4)作图法作图法 通过计算机显示器通过计算机显示器CRTCRT用移动光标作图，生成所需波形数据，用

46、移动光标作图，生成所需波形数据， 将此数据送入将此数据送入RAMRAM。 5)5)复制法复制法 将其它仪器（例如数字存储示波器，将其它仪器（例如数字存储示波器，XYXY绘图仪）获得的波形绘图仪）获得的波形 数据通过微机系统总线或数据通过微机系统总线或GPIBGPIB接口总线传输给波形数据存储器。接口总线传输给波形数据存储器。 该法很适于复制不再复现的信号波形。该法很适于复制不再复现的信号波形。 自然界中有很多无规律的现象，例如雷电、地震及机器运转时自然界中有很多无规律的现象，例如雷电、地震及机器运转时 的振动等现象都是无规律的，甚至一去不复返。为了研究这些的振动等现象都是无规律的，甚至一去不复

47、返。为了研究这些 问题，就要模拟这些现象的产生。在过去只能采用很复杂的方问题，就要模拟这些现象的产生。在过去只能采用很复杂的方 法来实现，现在采用任意波形产生器则方便得多了。国内外已法来实现，现在采用任意波形产生器则方便得多了。国内外已 有多种型号的任意波形产生器可供选用。有多种型号的任意波形产生器可供选用。 38 电子测量与仪器第章课件 例如例如HP33120AHP33120A函数函数/ /任意波形发生器可以产生任意波形发生器可以产生1010种标准波形种标准波形 和任意波形，采样速率为和任意波形，采样速率为40MS/s40MS/s，输出最高频率，输出最高频率15MHz15MHz （正弦波），

48、波形幅度分辨力为（正弦波），波形幅度分辨力为1212位。位。 39 电子测量与仪器第章课件 3.3.3 3.3.3 间接合成法间接合成法 1.1.基本锁相环路基本锁相环路 间接合成法即锁相合成法，它是利用锁相环（间接合成法即锁相合成法，它是利用锁相环（PLLPLL）的频率）的频率 合成方法。合成方法。 基本锁相环路是由相位比较器（基本锁相环路是由相位比较器（PDPD），压控振荡器（），压控振荡器（VCOVCO） 和环路滤波器（和环路滤波器（LPFLPF）组成的闭合环路，如图）组成的闭合环路，如图3.22(3.22(a a) )所示。所示。 f f i i LPFLPF VCOVCO PDPD

49、f f o o u ud d o o o o f f o o u ud d f f ( (a a) ) ( (b b) ) ( (c c) ) 开始：开始：f f0 0ffi iPDPDLPF VCOLPF VCO 最后：最后： f f0 0=f=fi i ( (a a) ) 锁相环锁相环( (b b) PD) PD的鉴相特性的鉴相特性 ( (c c) VCO) VCO的压控特性的压控特性 40 电子测量与仪器第章课件 相位比较器即鉴相器，它比较两个输入信号相位比较器即鉴相器，它比较两个输入信号f fo o和和f fi i的相位差的相位差 输出与相位差成比例的电压，这个电压称为误差电压输出与相

50、位差成比例的电压，这个电压称为误差电压u ud d其鉴其鉴 相特性如图相特性如图3.22(b)3.22(b)所示。所示。 基本锁相环只能输出一个频率，而作为信号源必须要能输出基本锁相环只能输出一个频率，而作为信号源必须要能输出 一系列频率。一系列频率。 2.2.锁相环的几种基本形式锁相环的几种基本形式 1)1)倍频锁相环倍频锁相环 f f i i LPFLPFVCOVCOPDPD f f o o = =Nf Nfi i N N 1MHz1MHzi i 10MHz10MHzi i f f o o / /N N 当环路锁定时，当环路锁定时，PDPD两输入信号的频率相等，即两输入信号的频率相等，即

51、根据根据PDPD两输入频率相等列出等式两输入频率相等列出等式: : f fo o/ /N Nf fi i 从等式中解出输出频率从等式中解出输出频率: : io Nff 重点掌握重点掌握 41 电子测量与仪器第章课件 脉冲倍频环脉冲倍频环 L PL P F F VCOVCOPDPD f f o o = =Nf Nfi i f f i i 脉冲形成脉冲形成 NfNf i i NfNf i i 根据根据PDPD两输入频率相等列出等式两输入频率相等列出等式: : f f i i 1 1MHzMHz LPFLPFVCOVCO PDPD f f o o = = f fi i/N/N 100100kHzkH

52、z N N NfNf i i f fi iNfNfo o 从等式中解出输出频率从等式中解出输出频率: : Nff io / 2)2)分频锁相环分频锁相环 42 电子测量与仪器第章课件 脉冲分频环脉冲分频环 LPFLPF VCOVCOPDPD f f o o f f i i NfNf o o Nff io / 3)3)混频锁相环混频锁相环 混频器混频器 f f i1 i1 1 1MHzMHz LPLP VCOVCOPDPD f f o1 o1 =| =| f f i1 i1 f f i2 i2| | =1000-100=1000-100 =900=900kHzkHz BPFBPF M+M+ f

53、f i 2 i 2 =100=100kHzkHz f f 0 0 +f +f i 2 i 2 201ii fff 21iio fff 43 电子测量与仪器第章课件 3. 3. 频率合成单元频率合成单元 1)1)组合环组合环 一个典型的组合环及其输出频率，如图所示。一个典型的组合环及其输出频率，如图所示。 因为因为 12 / io fNfN 所以所以 2 1 oi N ff N LPFLPF PDPD f f o o = = f fi i VCOVCO N N2 2 N N1 1 f f i i N N1 1 N N2 2 44 电子测量与仪器第章课件 2)2)多环合成单元多环合成单元 LPFL

54、PFPDPD f f o 1 o 1=N =Nf fi i1 1 VCOVCO1 1 f f i i 图图3.27 3.27 双环合成单元双环合成单元 VCOVCO2 2M(-)M(-) 晶振晶振 PDPDLPFLPF 内插振荡器内插振荡器 f f i i2 2 同轴同轴 倍频环倍频环 混频环混频环 f f o 2 o 2=N =Nf fi i1 1+ +f fi2 i2 N Nf fi i1 1 f f o 1 o 1 由倍频环可得由倍频环可得 11io Nff 由混频环可得由混频环可得 : : 因为因为 212ooi fff 所以所以 212oii fNff (3.22)(3.22) (3

55、.23) (3.23) 21oo ff 45 电子测量与仪器第章课件 3)3)十进合成单元十进合成单元 图图3.29 DS-13.29 DS-1合成单元的级联合成单元的级联 100KHz100KHz 9MHz9MHz 1Hz1Hz 0 09 90 09 90 09 90 09 90 09 9 10Hz10Hz100Hz100Hz1KHz1KHz10KHz10KHz 基准基准 DS-1DS-11 1 DS-1DS-12 2 DS-1DS-13 3DS-1DS-14 4DS-1DS-15 5 4)4)可程控合成单元可程控合成单元 频率范围为频率范围为 1.200000MHz1.200000MHz1

56、.299999MHz 1.299999MHz 图图3.30 3.30 可程控合成单元可程控合成单元 PDPDLPFLPFVCOVCO DD/ /A A 可程控可程控 分频器分频器 f fi i 频率控制数码频率控制数码 f fo o 46 电子测量与仪器第章课件 3.3.4 3.3.4 频率合成技术的进展频率合成技术的进展 1. 1. 三种合成方法的比较三种合成方法的比较 合成方合成方 法法 速速 度度 最高工作频率最高工作频率主要特点主要特点 直接模直接模 拟拟 s s 级级100MHz100MHz硬件电路复杂硬件电路复杂 直接数直接数 字字 ss级级300MHz300MHz可得任意波形可得任意波形 间接锁间接锁 相相 ms ms 级级100GHz(100GHz(微波微波) )频谱纯度好频谱纯度好 2. 2. 提高频率分辨力的方法提高频率分辨力的方法 1)1)微差混频法微差混频法 该方法将两个频率相差甚微的信号源进行差频混频，如图该方法将两个频率相差甚微的信号源进行差频混频，如图3.313.31 所示。混频器的输出频率为所示。混频器的输出频率为 21iio fff 图图3.31 3.31 微差混频原理微差混频原理 f fo o f fi1 i1 f fi2 i2