第3章 信号源-02-09版

3.4高频信号发生器

3.4.1高频信号发生器的基本组成与原理高频信号发生器主要包括主振级、缓冲级、调制级、输出级、监测电路和电源等电路。信号频率范围一般在20KHz~1GHz。组成的基本框图如图3.15所示。桂林工学院可变电抗器主振荡器缓冲级调制级调制度计输出级电压表内调制振荡器图3.15高频信号发生器框图外调制输入电源O外内OOOFMAM

输出SO主振荡器：产生基础高频信号，常用LC振荡器；利用可变电抗器实现压控振荡，进行调频；内调制振荡器产生一定的低频调制信号，用于对高频信号进行调制；调制功能：调频和调幅；调幅功能由专门调制电路完成。桂林工学院3.4.2高频信号发生器的分类

按产生主振信号的方法不同，高频信号发生器可分为调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器三大类。（1）调谐信号发生器由调谐振荡器构成的信号发生器称为调谐信号发生器。它们的工作频率为桂林工学院锁相信号发生器桂林工学院（2）锁相信号发生器锁相环路是由基准频率源、鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成的一个闭环反馈系统。基准频率源鉴相器压控振荡器低通滤波器图3.17锁相环的基本框图foUof0frUiUd桂林工学院3.5.1频率合成的定义所谓频率合成，是对一个或多个基准频率进行频率的加、减（混频）、乘（倍频）、除（分频）四则运算，从而得到所需的频率。频率合成的方法很多，但基本上分为两类，一类是直接合成法，一类是间接合成法。3.5合成信号发生器桂林工学院直接合成法包括模拟直接合成法和数字直接合成法。模拟直接合成法采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率；数字直接合成法则利用RAM和DAC结合，通过控制电路，从RAM单元中读出数据，再进行数模转换，得到一定频率的输出波形。间接合成法则是通过锁相技术进行频率的算术运算，最后得到所需的频率。桂林工学院3.5.2直接合成法1.固定频率合成法石英晶体振荡器提供基准频率，基准频率经分频器、倍频器后输出。输出频率为（3-16）式中

D——分频器的分频系数；N——倍频器的倍频系数；f0——输出频率；fr——基准频率。

D、N均为给定的正整数，所以输出频率为一固定值，称为固定频率合成法。基准频率计D分频器N倍频器frf0图3.18固定频率合成法原理图桂林工学院2.可变频率合成法优点：频率切换迅速，相位噪声很低。缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。桂林工学院3直接数字合成技术a)DDS组成原理直接数字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。（１）直接数字合成基本原理

设取样时钟频率为fc，正弦波每一周期由Ｎ个取样点构成，则该正弦波的频率为：桂林工学院DDS的实现原理如图3.20所示地址计数器（÷N）正弦波ROM存储器D/ALPFfcfo图3.20DDS组成原理输出信号频率fo:取决于两个因数：⑴参考时钟频率；⑵ROM中存储的正弦波；如果地址计数器以步进M（M>=1)进行累加，则可在fc和ROM数据不变的情况下改变输出频率，此时fo为：桂林工学院b)相位累加器原理

当改变地址计数器计数步进值（即以值M来进行累加），同样可以改变每周期采样点数，从而实现输出频率的改变。地址计数器步进值改变可以通过相位累加法来实现相位锁存器频率控制字M相位累加器fc波形存储RAMD/A转换LPFfo24～48位14～16位图3.21相位累加器原理桂林工学院为便于理解，可以将正弦波波形看作一个矢量沿相位圆转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。步进点数2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248图3.22数字相位圆桂林工学院2基于可编程芯片的DDS频率合成信号源

单片集成的DDS芯片合成信号波形的种类较少，灵活性较差，不便于任意波发生器等场合的应用。基于可编程芯片实现的DDS信号合成可具有更大的灵活性。相位累加器参考时钟相位调制器D/A转换滤波CPU接口输出频率控制字波形存储器SRAM

图3.23基于可编程芯片的DDS频率合成信号源桂林工学院设相位累加器位数为N，频率控制字为M，参考时钟频率为fc，则DDS输出频率为：截断误差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作为存储器地址，使得相位的低位被截断（即相位截尾）。当相位值变化小于1/2A时，波形幅值并不会发生变化，但输出频率的分辨率并不会降低，由于地址截断而引起的幅值误差，称为截断误差。实际应用中一般取1≤M≤(N-2)桂林工学院3.5.3间接合成法间接合成法通过锁相环来完成频率的加、减、乘、除，最后获得需要的频率。1.基本锁相环基本锁相环是由基准频率源、鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成的一个闭环反馈系统。桂林工学院2.混频式锁相环是能对输入频率进行加、减运算的锁相环。它是在基本锁相环的反馈支路中加入混频器和带通滤波器组成的。如果混频器是和混频，则输出频率；如果混频器是差混频，则输出频率。桂林工学院3.倍频式锁相环是利用锁相环对基准频率进行乘法运算的锁相环，简称倍频环。基准频率源鉴相器低通滤波器压控振荡器分频器（/N）数字控制式倍频器fi图3.25倍频式所相环框图Udf0桂林工学院４.分频式锁相环是利用锁相环对基准频率进行除法运算的锁相环，简称分频环。在锁相环锁定条件时，满足，所以，实现了分频。如图3.26（a）、（b）所示。桂林工学院桂林工学院５.组合式锁相环