1、7.1 信号发生器概述信号发生器概述 7.2 锁相频率合成信号发生器锁相频率合成信号发生器7.3 直接数字频率合成信号发生器直接数字频率合成信号发生器第第7章章 信号发生器信号发生器信号发生器是为电子测量提供符合一定技术要求电信号的信号发生器是为电子测量提供符合一定技术要求电信号的仪器设备，其输出信号的波形、频率、幅度等参数是已知的。仪器设备，其输出信号的波形、频率、幅度等参数是已知的。几乎所有电子器件、电路部件及整机设备的技术性能都需几乎所有电子器件、电路部件及整机设备的技术性能都需要在信号发生器输出信号的激励下才能测量与表征。要在信号发生器输出信号的激励下才能测量与表征。7.1 信号发生器
2、概述信号发生器概述 1、照输出信号波形特点，信号发生器可分为：正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、噪声信号发生器等。2、按照输出信号的频率范围分类，信号发生器一般分为：低频信号发生器，高频信号发生器，也可以细分为超低频、低频、视频、甚高频、超高频多种信号发生器，3、按照产生信号方法及信号发生器组成的不同，可分为：传统的通用信号发生器和智能型的合成信号发生器两类。7.1.1 信号发生器的分类及性能信号发生器的分类及性能 一、一、分类分类信号发生器应用广泛、种类繁多，分类方法也有多种信号发生器应用广泛、种类繁多，分类方法也有多种7.1 信号发生器信号发生器 1 1、按按照输出信号波形特
3、点照输出信号波形特点分类分类，2 2、按照输出信号的频率范围分类，、按照输出信号的频率范围分类，3 3、按照产生信号方法及信号发生器组成不同分类、按照产生信号方法及信号发生器组成不同分类 4 4、其它分类方法、其它分类方法7.1.1 信号发生器的分类及性能信号发生器的分类及性能 一、一、分类分类信号发生器应用广泛、种类繁多，分类方法也有多种信号发生器应用广泛、种类繁多，分类方法也有多种正弦信号发生器是应用最广泛的信号发生器，这是因为正弦信号发生器是应用最广泛的信号发生器，这是因为正弦信号容易产生、容易描述，任何线性双端口网络的特性正弦信号容易产生、容易描述，任何线性双端口网络的特性都是通过对正
4、弦信号的响应来表征。正弦信号也是应用最广都是通过对正弦信号的响应来表征。正弦信号也是应用最广泛的载波信号。泛的载波信号。7.1.1 信号发生器的分类及性能信号发生器的分类及性能 1 1、照输出信号波形特点，信号发生器可分为：、照输出信号波形特点，信号发生器可分为：正弦信号发生器正弦信号发生器（本章重点讨论内容）（本章重点讨论内容）、脉冲信号发生器、函数信号发生器、噪声信号发生器等。2 2、按照输出信号的频率范围，可分为：、按照输出信号的频率范围，可分为：可分为：低频信号发生器，高频信号发生器，可分为：低频信号发生器，高频信号发生器，可细分：超低频、低频、视频、甚高频、超高频信号发生器可细分：超
5、低频、低频、视频、甚高频、超高频信号发生器 7.1.1 信号发生器的分类及性能信号发生器的分类及性能 分类分类 频率范围频率范围超低频信号发生器0.0001Hz10000 Hz低频信号发生器1Hz1MHz视频信号发生器20Hz10MHz高频信号发生器200kHz30MHz甚高频信号发生器30M Hz300MHz超高频信号发生器300MHz以上 3 3、按照产生信号方法及信号发生器组成不同分类、按照产生信号方法及信号发生器组成不同分类 传统的通用信号发生器传统的通用信号发生器 智能型的合成信号发生器智能型的合成信号发生器7.1.1 信号发生器的分类及性能信号发生器的分类及性能 传统传统通用信号发
6、生器：是指采用谐振等方法产生频率的一类信号发生器。其中低频信号发生器常以RC文氏电桥振荡器做主振器，高频信号发生器常以LC振荡器做主振器。这种以RC、LC为主振器的信号源中，频率准确度和频率稳定度只能达到10-210-4量级。这类仪器主要由模拟电路组成，其输出信号频率和幅度的调节需要用人工的方法通过调节旋钮、开关来实现，输出幅度一般采用表头指示，操作自动化程度不够高。7.1.1 信号发生器的分类及性能信号发生器的分类及性能 智能型合成信号发生器智能型合成信号发生器：频率合成是以一个或几个石英晶体振荡器产生的信号频率为基准频率，通过进行加减乘除运算，得到一系列所需要的频率，且这些频率的稳定度、准
7、确度可以达到与基准频率相同的水平（日稳定度优于10-8量级的频率）。能支持在很宽的范围内对输出频率进行精细的调节；可实现多种调制工作；可产生多种输出波形。合成信号发生器一般需要采用微处理器作为控制电路，它的组成是一种典型的智能仪器架构，仪器操作具有较高的自动化程度。合成信号发生器将是应用最广泛的信号发生器。合成信号发生器是本章讨论的重点内容合成信号发生器是本章讨论的重点内容。7.1 信号发生器信号发生器 7.1.1 信号发生器的分类及性能信号发生器的分类及性能 二、二、正弦信号发生器的正弦信号发生器的性能指标性能指标 正弦信号容易产生，容易描述，任何线性双端口网络的特性，都需要用它对正弦信号的
8、响应来表征，因而，正弦信号发生器几乎渗透到所有的电子学实验及测量中，是最普通、应用最广泛的一类信号发生器。正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性频率特性、输出特性和调制特性三大指标来评价。二、二、正弦信号发生器正弦信号发生器的的性能指标性能指标 （一）频率特性（一）频率特性1.1.频率范围：频率范围：2.2.频率准确度频率准确度3.3.频率稳定度频率稳定度（二）输出特性（二）输出特性1.1.输出阻抗输出阻抗：2.2.输出电平范围输出电平范围 3.3.输出电平的稳定度和平坦度输出电平的稳定度和平坦度 4.输出电平准确度输出电平准确度 5.输出信号非线性失真和频谱纯度输出信号非线性失
9、真和频谱纯度（三）调制特性（三）调制特性 正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性频率特性、输出特性和调制特性三大指标来评价。二、二、正弦信号发生器正弦信号发生器的的性能指标性能指标 （一）频率特性（一）频率特性 例如，XD1型信号发生器的频率范围为1Hz1MHz，分六挡即六个频段，输出频率是连续的。为了保证有效频率范围连续，两相邻频段间存在公共部分。又例如，HP-8660C型频率合成信号发生器产生的频率范围为10kHz2600MHz，输出频率是离散的，分辨率为1Hz、共可提供约26亿个分离的频率点。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，在频率范围内，信号发
10、生器的各项性能指标应该都能得到保证，因而，准确地说，该指标应称“有效频率范围”。当信号发生器输出的频率范围太宽时，可以分为若干个频段。频率调节可以是连续的，也可以是离散的。二、二、正弦信号发生器正弦信号发生器的的性能指标性能指标 （一）频率特性（一）频率特性 频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。传统通用信号发生器的频率准确度一般为0.5 10 频率合成信号发生器其输出信号频率具有基准频率（晶振）的准确度，可达到10-6以上。2.2.频率准确度：频率准确度：是指信号发生器预调值（即仪器度盘指示或数字显示的频率值）与实际输出的信号频率值之间的偏差，通常用相对误差表示%100000fffff
11、没有足够的频率稳定度，就不可能保证测量结果有足够的准没有足够的频率稳定度，就不可能保证测量结果有足够的准确度。一般情况下，信号发生器的频率稳定度应比它的频率准确确度。一般情况下，信号发生器的频率稳定度应比它的频率准确度高度高1 12 2个数量级，个数量级，3.3.频率稳定度频率稳定度 ：指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的大小。短期频率稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意15分钟内所发生的最大变化；长期频率稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意3小时内所发生的最大变化。频率稳定度表达式为%1000minmaxf
12、ff二、二、正弦信号发生器正弦信号发生器的的性能指标性能指标 （一）频率特性（一）频率特性1.1.频率范围：频率范围：2.2.频率准确度频率准确度3.3.频率稳定度频率稳定度（二）输出特性（二）输出特性1.1.输出阻抗输出阻抗 ：2.2.输出电平范围输出电平范围 3.3.输出电平的稳定度和平坦度输出电平的稳定度和平坦度 4.4.输出电平准确度输出电平准确度 5.5.输出信号非线性失真和频谱纯度输出信号非线性失真和频谱纯度 （三）调制特性（三）调制特性 正弦信号发生器性能通常用频率特性、输出特性和调制特性频率特性、输出特性和调制特性三大指标来评价。二、二、正弦信号发生器的正弦信号发生器的性能指标
13、性能指标 1.1.输出阻抗输出阻抗 ：信号发生器的输出阻抗视信号发生器的类型不同而异。低频信号发生器的输出阻抗一般为600（或1k）；高频信号发生器一般仅有50或75。（二）输出特性（二）输出特性 信号发生器作为一个激励源应具有一定的内阻，当信号发信号发生器作为一个激励源应具有一定的内阻，当信号发生器接人被测电路的输入端时，被测电路将被看作是一个负载，生器接人被测电路的输入端时，被测电路将被看作是一个负载，因而存在着一个负载匹配的问题，这个问题在高频频段尤为重因而存在着一个负载匹配的问题，这个问题在高频频段尤为重要。要。二、二、正弦信号发生器的正弦信号发生器的性能指标性能指标 2.2.输出电平
14、范围输出电平范围 ：是指信号发生器输出信号幅度的有效范围，是指信号发生器输出信号幅度的有效范围，即所能提供的最小和最大输出电压的可调范围。即所能提供的最小和最大输出电压的可调范围。一般高频信号发生器输出信号幅度范围为一般高频信号发生器输出信号幅度范围为0.1V1V，而，而电平振荡器的输出电平范围为电平振荡器的输出电平范围为-60dB+10dB。（二）输出特性（二）输出特性 为了在不过多牺牲信噪比的情况下输出微伏（为了在不过多牺牲信噪比的情况下输出微伏（V）级的小）级的小信号电压，信号发生器的输出级中一般都设置有衰减器。例如，信号电压，信号发生器的输出级中一般都设置有衰减器。例如，XD-1型信号
15、发生器最大信号电压为型信号发生器最大信号电压为5V，通过，通过080dB的步进的步进衰减，最低可输出衰减，最低可输出500V的信号电压。的信号电压。二、二、正弦信号发生器的正弦信号发生器的性能指标性能指标 1.1.输出阻抗输出阻抗 ：2.2.输出电平范围输出电平范围 3.3.输出电平的稳定度和平坦度输出电平的稳定度和平坦度 4.4.输出电平准确度输出电平准确度 5.5.输出信号非线性失真和频谱纯度输出信号非线性失真和频谱纯度 （二）输出特性（二）输出特性 需要说明的是，由于各种仪器用途、精度等级要求不同，并非每类仪器都要用全部指标进行考核。另外，评价信号发生器性能的指标也不止上述几项，各生产厂
16、家出厂检验标准及采用的术语也可能不完全一致。本节仅介绍信号发生器中最常用的一些基本的性能指标。7.1.2 通用信号发生器的组成通用信号发生器的组成 一、低频信号发生器组成原理一、低频信号发生器组成原理 由主振级、连续衰减器（电位器）、电压放大器、输出衰减器、匹配变压器（阻抗变换）和检测用电压表等组成。设R1R2R，C1=C2=C时，振荡频率为 f =一、低频信号发生器组成原理一、低频信号发生器组成原理 主振级：主振级：一般采用RC正弦波振荡器。尤以文氏电桥振荡器为最多。图中R1、C1、R2、C2组成正反馈电路，决定振荡频率；R3、R4组成负反馈电路，可自动稳频。221121CRCRRC21 主
17、振级产生的正弦信号经连续衰减器W、电压放大器和输出衰减器后直接作为信号发生器的一路输出，称电压输出。输出衰减器可对输出的电压进行步进调节，通常采用电阻式衰减器。该信号再经功率放大器放大后能输出较大的功率，称功率输出。输出变压器用来匹配不同的负载阻抗，以获得最大功率输出。监测器实际上是一个简易的电压表，通过开关K进行可监测输出电压或输出功率。7.1.2 通用信号发生器的组成通用信号发生器的组成 二、高频信号发生器组成原理二、高频信号发生器组成原理 它的组成和高频发射机很相似。它的组成和高频发射机很相似。主振级产生一定频率范围的正弦信号；经缓冲级（减弱调制级对主振级的影响）送到调制级进行幅度调制和
18、放大，然后再送到输出级（保证一定的输出电平调节和源阻抗）。与主振级谐振回路耦合的可变电抗器用来实现调频。内调振荡器提供音频正弦信号，监测器检测载波电平和调制指数。二、高频信号发生器组成原理二、高频信号发生器组成原理 通用高频信号发生器的主振级主要是一个通用高频信号发生器的主振级主要是一个LC自激正弦波振自激正弦波振荡器，高频信号发生器的有效频率范围、频率稳定度和准确度、荡器，高频信号发生器的有效频率范围、频率稳定度和准确度、频率纯度等工作特性主要是由主振级来决定的。频率纯度等工作特性主要是由主振级来决定的。主振级一般应该能连续覆盖一个频段。例如，整个高频段主振级一般应该能连续覆盖一个频段。例如
19、，整个高频段（200kHz30MHz），这就要求主振级在电路上和结构上都能），这就要求主振级在电路上和结构上都能便于频率转换和调节。便于频率转换和调节。由于主振级的工作频率范围很宽，因此不要采用过于复杂的由于主振级的工作频率范围很宽，因此不要采用过于复杂的电路结构，最好只用一个可调元件来实现频率的调节。例如，电电路结构，最好只用一个可调元件来实现频率的调节。例如，电感三点式振荡电路和变压器耦合式振荡电路只需要一个可变电容感三点式振荡电路和变压器耦合式振荡电路只需要一个可变电容器。器。（一）通用高频信号发生器的主振级：（一）通用高频信号发生器的主振级：二、高频信号发生器组成原理二、高频信号发生器
20、组成原理 所谓调幅是在保证载波信号频率及相位固定不变的情况下，所谓调幅是在保证载波信号频率及相位固定不变的情况下，使其幅度按给定规律变化的过程。使其幅度按给定规律变化的过程。为了减少调幅过程中可能产生的载频偏移和寄生调频，主振为了减少调幅过程中可能产生的载频偏移和寄生调频，主振级和调制级之间应加入缓冲放大器。级和调制级之间应加入缓冲放大器。在现代射频信号发生器中，最常采用的调制器是二极管环形在现代射频信号发生器中，最常采用的调制器是二极管环形调制器和调制器和PIN二极管调制器，二极管调制器，本节仅讨论本节仅讨论PIN二极管调制器。二极管调制器。（二）调制（二）调制-调幅调幅二、高频信号发生器组
21、成原理二、高频信号发生器组成原理 （二）调制（二）调制-调幅调幅流过PIN二极管的电流i与高频输人电压u之间又存在如下关系式 若把高频输入电压u作为载波信号电压，偏流If正比于调制信号，则PIN可以实现幅度调制。uIkRuifri1（二）调制（二）调制-调频调频 现代高频信号发生器基本上都是采用变容二极管调频电路。现代高频信号发生器基本上都是采用变容二极管调频电路。图例如下：图例如下：二、高频信号发生器组成原理二、高频信号发生器组成原理 现代高频信号发生器的输出级电路一般包括宽带放大器、滤现代高频信号发生器的输出级电路一般包括宽带放大器、滤波器、自动电平控制（波器、自动电平控制（ALC）电路和
22、输出衰减器等部分。）电路和输出衰减器等部分。本节重点讨论自动电平控制电路以及衰减器。本节重点讨论自动电平控制电路以及衰减器。（三）输出级（三）输出级ALCALC电路的作用：电路的作用：使信号发生器的输出幅度随频率变化时有平直的输出电平；使信号发生器的输出幅度随频率变化时有平直的输出电平；改善信号发生器的源阻抗特性，提高反射系数和衰减量值的测改善信号发生器的源阻抗特性，提高反射系数和衰减量值的测量准确度。量准确度。1 1，自动电平控制（，自动电平控制（ALC）电路）电路（三）输出级（三）输出级 ALC ALC电路通常由调制器、宽带放大器、射频检波器、电路通常由调制器、宽带放大器、射频检波器、AL
23、CALC环路环路等组成。等组成。QF1076QF1076型信号发生器型信号发生器(10(10520MHz)520MHz)的的ALCALC电路如下电路如下二、高频信号发生器组成原理二、高频信号发生器组成原理 （三）输出级（三）输出级 在一些测试场所，例如过载特性、天线及衰减器的测试，在一些测试场所，例如过载特性、天线及衰减器的测试，希望信号源有较高的输出电平。在另外一些测试场所，例如接希望信号源有较高的输出电平。在另外一些测试场所，例如接收机灵敏度、放大器、噪声的测试，则要求信号源有较低的输收机灵敏度、放大器、噪声的测试，则要求信号源有较低的输出电平。出电平。因此，现代信号发生器要求应能对从因此
24、，现代信号发生器要求应能对从0.1VlV（或（或2V）范围内的输出电平内进行连续平滑地调节。许多信号源输出级范围内的输出电平内进行连续平滑地调节。许多信号源输出级采用了高达采用了高达13节或节或14节的步进衰减器，并且还加有一个微调电节的步进衰减器，并且还加有一个微调电路，以便在路，以便在10dB内提供微调。内提供微调。1 1，自动电平控制（，自动电平控制（ALC）电路）电路2，衰减器，衰减器（三）输出级（三）输出级 电阻衰减器的下限工作频率可以延伸到直流，上限可做到电阻衰减器的下限工作频率可以延伸到直流，上限可做到1 000MHz，甚至更高。此外，它还具有衰减范围大、幅频特性好，甚至更高。此
25、外，它还具有衰减范围大、幅频特性好，衰减准确度高，驻波电压系数小等优点。是现代信号发生器使衰减准确度高，驻波电压系数小等优点。是现代信号发生器使用最广泛的衰减器。用最广泛的衰减器。2，衰减器，衰减器 为获得准确而恒定的输人和输出阻抗，信号发生器的电阻为获得准确而恒定的输人和输出阻抗，信号发生器的电阻步进衰减器总是采用步进衰减器总是采用型、型、T T型的四端网络。型的四端网络。（三）输出级（三）输出级2，衰减器，衰减器 相同的情况下，T 型衰减器所用的电阻具有较小的阻值，因此T型衰减器具有更好的频率特性。现代信号发生器的10dB步进和1dB步进衰减器主要采用T型电路。根据四端网络理论，若给出衰减
26、器特性阻抗根据四端网络理论，若给出衰减器特性阻抗 R R0 0 和电压衰和电压衰减系数减系数 N N，则，则“T T型衰减器型衰减器”中的电阻值可按以下公式计算中的电阻值可按以下公式计算1101NNRR12202NNRR实际高频信号发生器（实际高频信号发生器（100kHz100kHz35MHz35MHz）衰减器电路）衰减器电路 该信号发生器没有设置ALC电路，为了方便输出幅度的测量，设置了电压表V，并在调制和缓冲放大电路设置了载波幅度调节电位器，一般使电压表V指示在1V红色校正线上。衰减器电路由细调电位器P、步级衰减器和终端分压器组成。细调电位器P的度盘刻度共分十大格,每大格又分十小格,组成了
27、1 100衰减器。“01V”插孔可输出V以下的高频信号。步级衰减器每级20dB，配合细调电位计P，可在“00.1V”端输出任意微小的电压，并能以V为单位读出其幅度值。实际高频信号发生器（实际高频信号发生器（100kHz100kHz35MHz35MHz）衰减器电路）衰减器电路 由于该信号发生器没有设置ALC电路，为了方便输出幅度的测量，设置了电压表V，并在调制和缓冲放大电路设置了载波幅度调节电位器，一般使电压表V指示在1V红色校正线上。衰减器电路由细调电位器衰减器电路由细调电位器P P、步级衰减器和终端分压器组成。、步级衰减器和终端分压器组成。实际高频信号发生器（实际高频信号发生器（100kHz
28、100kHz35MHz35MHz）衰减器电路）衰减器电路 衰减器电路由细调电位器衰减器电路由细调电位器P P、步级衰减器和终端分压器组成。、步级衰减器和终端分压器组成。细调电位器P的度盘刻度共分十大格,每大格又分十小格,组成了1 100衰减器。“01V”插孔可输出V以下的高频信号。步级衰减器每级20dB，配合细调电位计P，可在“00.1V”端输出任意微小的电压，并能以V为单位读出其幅度值。7.1 信号发生器信号发生器 7.1.3 7.1.3 合成信号发生器的组成合成信号发生器的组成 合成信号发生器使用一个或多个晶体作为频率标准，利用合成信号发生器使用一个或多个晶体作为频率标准，利用电路的加、减
29、、乘、除而产生一系列的离散频率，因此合成信电路的加、减、乘、除而产生一系列的离散频率，因此合成信号发生器产生的信号具有很强的频率精度和长期稳定度。号发生器产生的信号具有很强的频率精度和长期稳定度。合成信号发生器输出频率的改变是基于对环路分频比，合合成信号发生器输出频率的改变是基于对环路分频比，合成信号发生器一般都采用微处理器系统作为控制器。成信号发生器一般都采用微处理器系统作为控制器。合成信号发生器的基本组成框图合成信号发生器的基本组成框图 合成信号发生器的核心部件可大致分为频率合成部分和输出合成信号发生器的核心部件可大致分为频率合成部分和输出部分（含宽带放大、步进衰减及部分（含宽带放大、步进
30、衰减及ALCALC电路等）。电路等）。频率合成部分用于产生用户置定的频率；频率合成部分用于产生用户置定的频率；输出部分用于控制用户置定的输出幅度。使用时，用户只要输出部分用于控制用户置定的输出幅度。使用时，用户只要通过仪器面板的按键输入数据对频率合成的频率和输出幅度值进通过仪器面板的按键输入数据对频率合成的频率和输出幅度值进行置定（并能予以显示），便能输出所需信号。行置定（并能予以显示），便能输出所需信号。典型合成信号发生器的面板布置图典型合成信号发生器的面板布置图 上半部分为显示区，下半部分为控制区。在控制区中，各控制键按调制、载波、单位等不同功能分类排列，因而操作简便，不易出错。仪器的操作
31、是通过操作键盘形成一定格式的指令，再由微处理器按指令去控制信号发生器中相应的功能部件。按键应按Frequency123.456MHz 的顺序操作。在按数字键和单位键时，显示器应显示相应的数字和单位。在这里，单位键还兼做执行键，当微处理器判定执行键按下时，就会对从键盘输入的数字、单位和小数点的位置码进行分析，转换成相应的数码通过数据总线送到频率合成部分。例如，若需要信号发生器输出例如，若需要信号发生器输出123.456MHz123.456MHz的频率时，的频率时，7.1 信号发生器信号发生器 7.1.3 7.1.3 合成信号发生器的组成合成信号发生器的组成 频率合成的方法：频率合成的方法：1、直
32、接模拟频率合成法直接模拟频率合成法2、锁相频率合成法锁相频率合成法（间接频率合成法）3、直接模拟频率合成法直接模拟频率合成法 与以与以RCRC或或LCLC自激振荡为主振级的信号发生器相比，信号源自激振荡为主振级的信号发生器相比，信号源的频率稳定度可以提高的频率稳定度可以提高3 34 4个数量级。个数量级。频率合成的方法：频率合成的方法：利用倍频、分频、混频及滤波等技术，对一个或多个基准利用倍频、分频、混频及滤波等技术，对一个或多个基准频率进行算术运算来产生所需要的频率。由于倍频、分频、混频率进行算术运算来产生所需要的频率。由于倍频、分频、混频及滤波大多是采用模拟电路来实现，所以这种方法称为直接
33、频及滤波大多是采用模拟电路来实现，所以这种方法称为直接模拟频率合成法。模拟频率合成法。优点：工作可靠，频率切换速度快，相位噪声低。优点：工作可靠，频率切换速度快，相位噪声低。不足：需要大量混频器、分频器和滤波器，难于集成化，不足：需要大量混频器、分频器和滤波器，难于集成化，所以体积大，价格昂贵。所以体积大，价格昂贵。1 1、直接模拟频率合成法直接模拟频率合成法 目前合成信号发生器主要采用锁相频率合成和直接数字频目前合成信号发生器主要采用锁相频率合成和直接数字频率合成两种方法，但由于直接模拟频率合成法具有频率切换速率合成两种方法，但由于直接模拟频率合成法具有频率切换速度快、相位噪声低等突出优点，
34、度快、相位噪声低等突出优点，目前还有应用。目前还有应用。直接模拟频率合成的典型例子直接模拟频率合成的典型例子 近年来发展起来的一种新的频率合成技术。它利用计算机按照一定的地址关系，读取数据存储器中的正弦取样值，再经D/A转换得到一定频率的正弦信号。该方法不仅可以直接产生正弦信号的频率，而且还能可以给出初始相位，甚至可以给出不同形状的任意波形，这是前两种方法无法做到的。利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，同时，利用一个基准频率，通过不同形成的锁相环合成所需的各种频率。由于锁相频率合成的输出频率间接取自VCO，所以该方式也称间接频率合成法。优点：锁相环路相当于一个
35、窄带跟踪滤波器，节省了大量滤波器，简化了结构，且易于集成化、易于计算机控制。不足：频率切换时间相对较长。2锁相频率合成法锁相频率合成法3直接数字频率合成法直接数字频率合成法7.2 锁相频率合成信号发生器锁相频率合成信号发生器7.2.1 7.2.1 锁相环的基本形式锁相环的基本形式 1.基本锁相环基本锁相环2.倍频锁相环倍频锁相环3.分频锁相环分频锁相环4.混频锁相环混频锁相环5.组合式锁相环组合式锁相环6.小数分频锁相环小数分频锁相环 在锁相频率合成器中，可以利用一个基本锁相环把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，也可以通过不同形式的的锁相环对基准频率频率进行加、减、乘、除运算，合
36、成所需的频率。7.2.1 7.2.1 锁相环的基本形式锁相环的基本形式 1.基本锁相环基本锁相环 基本锁相环是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成的闭合环路，基本形式如图1.基本锁相环基本锁相环 当锁相环处于锁定状态时，输入信号和VCO输出信号之间只存在一个稳态相位差，而不存在频率差，即 fo=fi。锁相合成法正是利用锁相环的这一特性，把VCO的输出频率稳定在基准频率上，并把输出频率稳定度提高到与基准频率同一量级。通常，fi 是石英晶体振荡器的振荡频率，频率稳定度可达10-8数量级，因此，环路锁定时，普通振荡器VCO的输出频率稳定度就可提高到与石英晶体振荡器频率同一
37、量级，这是LC、RC振荡器所远远不能达到的。2.倍频锁相环倍频锁相环 能对输入信号频率进行乘法运算的锁相环称倍频锁相环，简称倍频环。它有数字倍频环和脉冲倍频环两种形式。在相位比较器中进行比较的两个信号的频率是 fi 和 fo/N。很显然，当环路锁定时，有fi=foN，即fo=N fi，从而达到倍频。改变分频器的分频系数N，就能改变数字倍频环的倍频系数。由于 fi 是由晶体振荡送来的基准信号，因此输出信号 fo 也具有与基准信号相同等级的频率稳定度。在实际的数字倍频环中，为了提高 VCO 的工作稳定性，分频器的分频系数一般分为固定分频器和可变分频器两部分。3.分频锁相环分频锁相环 能对输入信号频
38、率进行除法运算的锁相环称分频锁相环，简称分频环。它有分字倍频环和脉冲分频环两种形式。分频环的原理可参照上述倍频环的原理进行分析，不再赘述。2.倍频锁相环倍频锁相环4.4.混频锁相环混频锁相环 能对输入频率进行加、减运算的锁相环叫混频锁相环，简能对输入频率进行加、减运算的锁相环叫混频锁相环，简称混频环。它是在基本锁相环支路中加入混频器称混频环。它是在基本锁相环支路中加入混频器 M M和和 带通滤波带通滤波器器 BPF BPF 形成的。形成的。如果混频器是差频式，则 fi1=fo-fi2，即输出频率为 fo=fi1+fi2；如果混频器是和频式，则如果混频器是和频式，则 fi1=fo+fi2，即输出
39、频率为，即输出频率为 fo=fi1-fi2。4.4.混频锁相环混频锁相环 混频环在频率合成器中可用来提供频率连续可调的输出信号。设晶体振荡器的输出频率 fi1=2000kHz；内插振荡器的输出频率 fi2=5060kHz；混频器是差频式。则合成后的输出频率fo=20502060kHz连续可调。内插振荡器一般采用LC振荡器，其频率稳定度较低，但混频环输出频率的稳定度仍能维持在输出频率稳定度的量级上 设晶体振荡器的频率稳定度为110-6/日，即fi1=2Hz/d，内插振荡器频率稳定度为110-4/日，即fi2=6Hz/日。因为 fo=fi1+fi2，根据误差公式，得fo=fi1+fi2，则输出频率
40、稳定度为fo/fo 410-6/日，仍与基准频率的稳定度在同一量级。可见，利用混频环，不仅能实现10kHz范围内的连续调节，而且fo 的频率稳定度仍可保持与晶振频率稳定度在同一量级。4.4.混频锁相环混频锁相环 单个锁相环很难覆盖较宽的频率范围。实际的合成信号发生器往往通过多种锁相环组合而成。4.4.组合式锁相环组合式锁相环一个由混频环和倍频环组成的双环合成单元，如图所示一个由混频环和倍频环组成的双环合成单元，如图所示由倍频环可得由倍频环可得fo1=N fi1，由混频环可得由混频环可得fo2=fi1+fi2，则则fo2=N fi1+fi2 调谐VCO1使倍频环锁定在N fi1上，能够实现在很宽
41、范围内的点频覆盖；调谐内插振荡器的输出频率，可以实现相邻两个点频之间频率的连续可调。若要实现在该频率范围内连续可调，只需设计使混频环中的内插振荡器输出频率fi2在100110 kHz之间连续可调，就可以把fi2 的10kHz连续可调范围“插入”到N fi1的每两个相邻锁定点的间隔频率之间，实现fo2在340051000 kHz的连续可调。例如，若要求fo2=4235.5 kHz，第一步，调节VCO1，使之锁定在4130kHz（N=413），第二步，调节内插震荡器，使其输出频率fi2=105.5 kHz，则通过混频环最后可合成 fo2=4130+105.5=4235.5kHz。例如，若fi1=1
42、0kHz，N=300500，则倍频环输出范围为30005000kHz，间隔为10kHz，共170个点频。4.4.小数分频锁相环小数分频锁相环 采用多环单元可以使分辨力得以提高，但将使电路复杂，而且是有限度的。例要得到1Hz的分辨力，其电路的复杂程度在实际上是不能实现的。所谓小数分频是一种平均效果，实际上每次分频的分频系数都是整数，但每次分频的分频系数不一样。若平时倍频锁相环的分频器按N 模式工作，但每P个fi 的周期，就使分频器按(N+1）模式工作一次，则该分频器等效分频系数应为 ，这说明它具有小数分频能力。显然，这时锁相环的输出频率为)1(PN iofPNf)1(设设N=18，P=10，则等
43、效的分频系数为，则等效的分频系数为18.1。若。若 fi 为为10 kHz，则，则 fo=181 kHz。使分辨力由。使分辨力由10kHz提高提高到到1 kHz。分频系数中小数点后面的位数越多，分辨。分频系数中小数点后面的位数越多，分辨力就越高。力就越高。HP3325型合成型合成发生器采用的小数发生器采用的小数分频锁相环框图。分频锁相环框图。虚线框内的电路是为实现小数分频而加入的，其他部分与普通锁相环基本相同。小数寄存器用于存放分频系数的小数部分，由微处理器送入。在输入信号i 的作用下，相位累加器将逐周期地对存入的小数部分进行累加，当累加器计满时，它输出一个溢出脉冲去控制脉冲消除电路，扣除输出
44、信号o中的一个脉冲，使环路按（N+1）的模式工作。然后，环路又回复到N模式，直到累加器的下一次溢出。平时环路按N模式工作时，当环路变为按（N+1）的模式工作时，N 的相位将会突然滞后i 一个相位，所以鉴相器的输出电压将呈锯齿波，其周期等于PTi。由于值较大，这个锯齿波将很难被环路滤波器平滑，从而会对VCO产生寄生调频。为了改善输出信号的频谱纯度，需要对的锯齿波进行补偿，为此，在电路中加入了一个/转换器，用于对累加器的存数进行/转换。由于累加器的存数随N相位的递增而递加，因此/变换器的输出电压a也呈锯齿波，其周期为PTi。让a与在环路滤波器前反向叠加，则可期望叠加电压在环路锁定的时侯是平滑的。小
45、数分频法的频率分辨力主要取决于累加器的容量，而累加器的容量可以很大，因此小数合成环的频率分辨力是很高的。HP3325A 型信号发生器采用了小数合成环，其频率分辨力高达10-6HZ（环路的参考频率 fi=100kHZ）。目前，带有锁相环的频率合成器无论在理论上或是在制作上都已达到成熟阶段，而且实现了集成化。集成化的锁相环器件分为专用的集成锁相环电路（定制LIC）和通用型集成锁相环。在生产数量少、品种多的设备中，设计人员经常选择通用型集成锁相环。7.2.2 通用型集成锁相环频率合成器通用型集成锁相环频率合成器 该系列芯片有CD4046、74HC/74VHC4046、74VHC9046多种类型，它们
46、内部构成、引脚配置及性能稍有不同，例如，CD4046的最高频率约1MHz，而74HC4046约为10MHz。另外，不同公司的同一类型芯片其性能也可能有差别。一、一、74HC 4046 集成锁相环集成锁相环7.2.2 通用型集成锁相环频率合成器通用型集成锁相环频率合成器 它由一个线性VOC和三个相位比较器组成，使用时，只要在外部增加环路滤波器就可以构成一个基本锁相环。一、一、74HC 4046 集成锁相环集成锁相环二、二、74HC 4046 集成锁相环频率合成器的设计集成锁相环频率合成器的设计 频率合成器可分为基本PLL部分和输出部分。在基本PLL部分，晶振频率为10.24MHz，通过1024分
47、频可得到10kH z的基准频率；分频器设定为110011000，使VCO产生的信号频率范围为110MHz。输出部分设计有量程选择器和缓冲器。输出部分有量程选择器和缓冲器，PLL电路输出的信号经6级1/10分频选择，可以得到下述7个量程频率范围的输出信号 10H z量程：频率范围为110Hz，分辨力为10mHz；100H z量程：频率范围为10100Hz，分辨力为100mHz；1kH z量程：频率范围为100Hz1kHz，分辨力为1Hz；10kHz量程：频率范围为110kHz，分辨力为10Hz；100kHz量程：频率范围为10100kHz，分辨力为100Hz；1MH z量程：频率范围为100 k
48、Hz1MHz，分辨力为1kHz；10MH z量程：频率范围为110MHz，分辨力为10kH z 基本基本PLL部分的电路部分的电路 基准时钟电路主要由74HC4060和10.24 MHz晶体振子组成。4060内有振荡电路和分频器，产生的频率为10.24 MHz经内部1024分频后得到了稳定的10kHz基准时钟。图中可调电容CV1用于对输出频率进行微调，可以得到约50ppm的频率精度。基本基本PLL部分的电路部分的电路 由于片内相位比较器和VCO在封装时公用一个地，这样相位比较器在公共阻抗上产生的脉冲电压可能会混入VCO的输入信号中。为了避免两者之间的干扰，使用了两片74HC4046，使相位比较
49、器与VCO独立，这样相位比较器输出的脉冲就不会影响VCO。为了使VCO输出的频率范围能达到10倍，在74HC4046的引脚R1端接入了稳压二极管D1，使VCO的控制电压按指数函数规律增加，展宽了VCO输出的频率范围。TC9198P是一种可编程的分频器脉冲吞没式计数器。当MODE引脚接高电平时，器件设定为可编程的分频器，并要求输入并行的数据为BCD码。在本电路中，D17引脚接高电平，D16引脚接地，则分频器的最大设定范围应为59999，本电路使用的设定范围为9999999。输出部分的电路输出部分的电路 输出部分的电路输出部分的电路 频率合成器输出部分量程选择电路由3个双十进制计数器74HC390
50、和1个8路选择器74HC151组成。74HC390芯片构成6级10分频器，各级10分频器的输出再由IC74HC151进行选择，从而得到7个量程频率范围的切换。输出缓冲采用能输出较大电流的高速缓冲器74AC540。若只使用单个74AC540，驱动50负载时电流不够，因此采用4个缓冲电路（在同一封装内）并联以增大驱动电流，每个缓冲器的输出端都串联接入了一个200的电阻，总输出阻抗为20。7.2.3 合成信号发生器频率合成单元合成信号发生器频率合成单元 本节以MG31A和8660C两种频率合成信号发生器为例，侧重讨论频率合成单元的组成原理及程控方法。一、一、AG31A型型合成信号发生器的频率合成器合
