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第四章信號(hào)發(fā)生器4.1信號(hào)發(fā)生器概述
4.2模擬信號(hào)發(fā)生器
4.3合成信號(hào)發(fā)生器
4.4射頻合成信號(hào)發(fā)生器2/6/202314.1信號(hào)發(fā)生器概述一、信號(hào)源的作用和組成二、信號(hào)源的分類(lèi)三、正弦信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)2/6/20232一、信號(hào)源的作用和組成1.信號(hào)源的作用
為測(cè)試或?qū)嶒?yàn)提供符合一定電技術(shù)要求的電信號(hào)(產(chǎn)生頻率可調(diào)、幅度可調(diào)的規(guī)則或不規(guī)則波形的電信號(hào))。信號(hào)源的用途主要有以下三方面:
☆激勵(lì)信號(hào)源
☆實(shí)際信號(hào)的仿真
☆標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源2/6/202331.按用途分
專(zhuān)用----電視信號(hào)發(fā)生器、電平振蕩器、誤碼儀通用----產(chǎn)生正弦波等通用波形2.按波形分
正弦----脈沖----函數(shù)----產(chǎn)生函數(shù)通用波形噪聲----ttttt二、信號(hào)源的分類(lèi)3.按頻率產(chǎn)生分
諧振--由頻率選擇回路控制正反饋產(chǎn)生振蕩。合成--由基準(zhǔn)頻率通過(guò)加、減、乘除組合一系列頻率。2/6/202354.按頻率范圍分
無(wú)低頻高頻微波頻段頻率范圍主振電路調(diào)制方式RC電路1Hz~1MHz磁控管、體效應(yīng)管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC電路AM、FM、PMAM、FM2/6/20236表3.1頻段的劃分λ實(shí)用頻段劃分頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系(λ=C/f,C=3×108m)2/6/20237三、正弦信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)1.頻率范圍指信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生信號(hào)的頻率范圍,該范圍內(nèi)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(mǎn)足全部誤差要求。2.頻率準(zhǔn)確度頻率準(zhǔn)確度是指信號(hào)發(fā)生器度盤(pán)(或數(shù)字顯示)數(shù)值與實(shí)際輸出信號(hào)頻率間的偏差,通常用相對(duì)誤差表示2/6/202393.頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度是指其它外界條件恒定不變的情況下,在規(guī)定時(shí)間內(nèi),信號(hào)發(fā)生器輸出頻率相對(duì)于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),頻率穩(wěn)定度又分為短期頻率穩(wěn)定度和長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度。短期:15分鐘內(nèi)長(zhǎng)期:3小時(shí)內(nèi)
頻率穩(wěn)定度指標(biāo)要求與頻率準(zhǔn)確度相關(guān),頻率準(zhǔn)確度是由頻率穩(wěn)定度來(lái)保證的。2/6/2023104.輸出阻抗低頻信號(hào)發(fā)生器電壓輸出阻抗一般為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等檔高頻信號(hào)發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω檔。信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的讀數(shù)是在匹配負(fù)載的條件下標(biāo)定的,若負(fù)載與信號(hào)源輸出阻抗不相等,則信號(hào)源輸出電壓的讀數(shù)是不準(zhǔn)確的。2/6/2023116.失真度與頻譜純度定義低頻信號(hào)發(fā)生器用失真度或失真系數(shù)高頻信號(hào)發(fā)生器用頻譜純度UsUnfAfAtU2/6/2023137.調(diào)制特性高頻信號(hào)發(fā)生器在輸出正弦波的同時(shí),一般還輸出一種或一種以上的已被調(diào)制的信號(hào),多數(shù)情況下是調(diào)幅AM信號(hào)和調(diào)頻FM信號(hào),有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制PM等功能。
調(diào)制特性的指標(biāo)主要包括調(diào)制類(lèi)型,如:調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相、脈沖調(diào)制、視頻調(diào)制等其他指標(biāo)還包括:調(diào)制頻率范圍,調(diào)制系數(shù),最大頻偏,調(diào)制線(xiàn)性度,寄生調(diào)制等。2/6/2023143.2模擬信號(hào)發(fā)生器一、正弦信號(hào)發(fā)生器二、脈沖信號(hào)發(fā)生器三、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器四、噪聲信號(hào)發(fā)生器2/6/202315外差式低頻信號(hào)發(fā)生器組成原理固定頻率振蕩器混頻器濾波放大衰減器阻抗變換輸出可變頻率振蕩器外差式信號(hào)發(fā)生器的最大優(yōu)點(diǎn)是可以提高頻率覆蓋范圍,且在整個(gè)低頻段內(nèi)頻率連續(xù)可調(diào),不需要更換頻段。2/6/202317RC振蕩器原理電路(文氏電橋)2/6/202318文氏橋正反饋電路:2/6/2023192.高頻信號(hào)發(fā)生器
高頻信號(hào)發(fā)生器輸出頻率范圍一般在300KHz~1GHz,大多數(shù)具有調(diào)幅,調(diào)頻及脈沖調(diào)制等調(diào)制信號(hào)輸出高頻信號(hào)發(fā)生器原理框圖輸出主振級(jí)波段選擇頻率細(xì)調(diào)緩沖調(diào)制級(jí)輸出級(jí)內(nèi)調(diào)制振蕩器監(jiān)測(cè)器外調(diào)制輸入可變電抗器FMAM2/6/202321高頻信號(hào)發(fā)生器的主振級(jí)一般采用LC三點(diǎn)式振蕩電路,通常固定電感,改變電容來(lái)調(diào)整振蕩頻率,所以也采用波段式調(diào)節(jié),但這時(shí)頻率覆蓋范圍是有限的,可通過(guò)下式進(jìn)行估算:
。L1CL2Ln....2/6/202322高頻信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗常取50、75歐姆等數(shù)值,輸出電壓的讀數(shù)也是在匹配負(fù)載的條件下標(biāo)定的。若負(fù)載與信號(hào)源輸出阻抗不匹配,則信號(hào)源輸出電壓的讀數(shù)是不準(zhǔn)確的,需要增加阻抗變換電路。信號(hào)源被測(cè)設(shè)備阻抗變換器2/6/202323主振級(jí)一般采用自激多諧振蕩、晶體振蕩器或鎖相振蕩器產(chǎn)生矩形波abcdetzτtrfUtttTU0tUm0.9Um0.1UmδΔU0.5UmτtrtfΔ矩形脈沖的參數(shù)2/6/202325三、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器能輸出方波,三角波,鋸齒波,正弦波等多種輸出波形,具有較寬的頻率范圍(0.1Hz~幾十MHz)及較穩(wěn)定的頻率,分為正弦式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和脈沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。正弦式函數(shù)發(fā)生器基本組成原理正弦振蕩器緩沖級(jí)放大器方波形成輸出級(jí)積分器2/6/202326鋸齒波形成電路將圖(a)所示三角波與圖(b)所示方波直接疊加就可得到圖(c)所示的交錯(cuò)鋸齒波,再經(jīng)過(guò)全波整流,就得到了圖(d)所示的鋸齒波。鋸齒波的獲得原理ututtut(a)(c)(b)(d)2/6/2023273.3合成信號(hào)發(fā)生器一、頻率合成的基本概念二、間接鎖相頻率合成(PLL)三、直接數(shù)字頻率合成(DDS)四、頻率合成技術(shù)的進(jìn)展2/6/202329頻率合成方法直接數(shù)字頻率合成法(DDS)間接鎖相式合成法(DirectAnalogFrequencySynthesis)(DirectDigitalFrequencySynthesis)直接模擬頻率合成法(DAFS)信號(hào)源主振級(jí)頻率準(zhǔn)確度頻率穩(wěn)定度通用信號(hào)源RC、LC振蕩器10-2量級(jí)10-3~10-4合成信號(hào)源晶體振蕩器10-8量級(jí)10-7量級(jí)2/6/2023301.頻率合成原理通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)頻率的代數(shù)運(yùn)算(倍頻、分頻及混頻)產(chǎn)生所需頻率,特點(diǎn)是輸出信號(hào)頻率具有與基準(zhǔn)頻率相同的頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度。一、頻率合成的基本概念頻率1輸出石英晶體振蕩器代數(shù)運(yùn)算(加、減、乘、除)頻率合成原理頻率n輸出基準(zhǔn)頻率2/6/2023312.頻率合成方法分類(lèi)及特點(diǎn)⑴直接模擬頻率合成
通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)頻率的混頻、倍頻和分頻等方法來(lái)產(chǎn)生一系列頻率信號(hào)并用窄帶濾波器選出所需頻率的信號(hào).優(yōu)點(diǎn):頻率切換迅速,頻率分辨率高,相位噪聲很低。缺點(diǎn):電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積大,價(jià)格昂貴,不便于集成化。2/6/202332固定頻率合成法晶體振蕩器分頻器(÷D)倍頻器(×N)frf02/6/202333可變頻率合成法晶振諧波發(fā)生器(倍頻)分頻(÷10)8MHz混頻(+)混頻(+)2MHz濾波分頻(÷10)2.8MHz濾波0.28MHz分頻(÷10)混頻(+)濾波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHzf0=3.628MHz1MHz1MHz…9MHz2/6/202334……fi1÷10++÷10÷10++÷10++÷10++頻率選擇開(kāi)關(guān)輔助基準(zhǔn)頻率發(fā)生器2.00~2.09MHz2.000~2.099MHz2.0000~2.0999MHz2.00000~2.099999MHzfofi2fi3fi4f1f2f3f4fr2.0~2.9MHzF=16MHz2MHz5MHz=[2+16+(2.0~2.9)]MHz=(20.0~20.9)MHz=(2.00000~2.09999)MHz2/6/202335(2)直接數(shù)字頻率合成(DDS)
DDS是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計(jì)算技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的數(shù)字合成,產(chǎn)生所需頻率的輸出信號(hào)優(yōu)點(diǎn):能實(shí)現(xiàn)不同頻率、不同初始相位的任意波形輸出,且集成度高,體積小缺點(diǎn):頻率上限較低,雜散也較大。
2/6/202336(3)間接鎖相頻率合成
一種間接式的頻率合成技術(shù)。它利用鎖相環(huán)(phaselockedloop,PLL)把壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上,這樣通過(guò)不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個(gè)基準(zhǔn)頻率的基礎(chǔ)上合成不同的輸出頻率。優(yōu)點(diǎn):易于集成化,體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功耗低,價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn):頻率切換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),相位噪聲較大。2/6/202337各種頻率合成方式的綜合:直接模擬頻率合成、直接數(shù)字頻率合成和間接鎖相頻率合成技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn),單獨(dú)使用其中一種方法都有一定的局限性,很難滿(mǎn)足作為信號(hào)源的要求。因此一般將這幾種方法綜合應(yīng)用,特別是DDS與PLL的結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)快捷變,小步進(jìn)及較高的輸出頻率上限。2/6/202338二、間接鎖相(PLL)頻率合成1.鎖相環(huán)基本工作原理及性能鎖相環(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。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖frUrVCOPDLPFUofOUd2/6/202339鑒相器(PD)鑒相器又稱(chēng)為相位比較器,具有乘法特性,鑒相器對(duì)兩路輸入信號(hào)的相位進(jìn)行比較,其輸出的誤差電壓正比于兩個(gè)輸入電壓的相位差。可以證明,鑒相器輸出電壓為:當(dāng)有2/6/202340環(huán)路濾波器(LPF)
環(huán)路濾波器是一個(gè)RC低通濾波器,濾除相位比較器輸出誤差電壓中的高頻成分和干擾噪聲,達(dá)到穩(wěn)定環(huán)路工作和改善環(huán)路性能的作用。2/6/202341壓控振蕩器(VCO)
壓控振蕩器是在普通的調(diào)諧式振蕩電路中改用變?nèi)荻O管作為回路電容,通過(guò)調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的反向偏置電壓可以改變變?nèi)荻O管的結(jié)電容,從而調(diào)節(jié)振蕩電路的輸出頻率,壓控振蕩器一般又稱(chēng)為電壓控制振蕩器或變?nèi)荻O管掃頻振蕩器。2/6/202342變?nèi)荻O管壓控振蕩器2/6/202343壓控振蕩器是基于變?nèi)荻O管的PN結(jié)在反向偏置時(shí),結(jié)電容CD與反向偏置電壓U有如下關(guān)系其中::變?nèi)荻O管結(jié)電容:零偏置時(shí)的結(jié)電容:外加反向偏置電壓:接觸電位差,如硅管約為0.7V:電容變化指數(shù),取決于PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布2/6/202344
在滿(mǎn)足一定條件的情況下,壓控振蕩器輸出頻率正比于變?nèi)荻O管反向偏置電壓,即壓控—反向電壓控制輸出振蕩頻率:2/6/202345當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí),壓控振蕩器的輸出頻率等于鎖相環(huán)的基準(zhǔn)輸入頻率,兩信號(hào)之間只存在穩(wěn)態(tài)相位差,沒(méi)有頻率差,使輸出信號(hào)頻率與基準(zhǔn)信號(hào)頻率具有相同的頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度等級(jí)。鎖相環(huán)具有濾波特性,它的頻帶可以做的很窄,中心頻率便于調(diào)節(jié),輸出頻率可以自動(dòng)跟蹤輸入頻率的變化,所以鎖相環(huán)電路是一種能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相位同步的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。
2/6/202346鎖相環(huán)的主要指標(biāo):同步帶寬:鎖定條件下輸入頻率所允許的最大變化范圍。捕捉帶寬:環(huán)路最終能夠自行進(jìn)入鎖定狀態(tài)的最大允許的頻差。環(huán)路帶寬
:鎖相環(huán)的頻率特性具有低通濾波器的傳輸特性,其高頻截止頻率稱(chēng)為環(huán)路帶寬。2/6/2023472.鎖相環(huán)的基本形式
⑴倍頻式鎖相環(huán)
倍頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入頻率進(jìn)行乘法運(yùn)算,主要有兩種形式:諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)。倍頻式鎖相環(huán)原理圖fi×NPLLNfi(c)倍頻環(huán)簡(jiǎn)化圖(a)諧波倍頻環(huán)VCOPDLPFfO=Nfifi諧波形成Nfifo=Nfi(b)數(shù)字倍頻環(huán)VCOPDLPFfi÷N2/6/202348
⑵分頻式鎖相環(huán)
分頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)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:諧波分頻環(huán)和數(shù)字分頻環(huán)。分頻式鎖相環(huán)原理圖fi÷NPLLfo=fi/N(c)分頻環(huán)簡(jiǎn)化圖VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波形成(a)諧波分頻環(huán)VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N(b)數(shù)字分頻環(huán)2/6/202349⑶混頻式鎖相環(huán)
混頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的加、減運(yùn)算。
混頻鎖相環(huán)+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2(c)相加環(huán)簡(jiǎn)化圖-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2(d)相減環(huán)簡(jiǎn)化圖PDLPFVCOM(-)fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2(a)相加混頻環(huán)PDLPFVCOM(+)fi1fi2fo+fi2(b)相減混頻環(huán)fo=fi1-fi22/6/202350⑷多環(huán)合成單元
單環(huán)合成單元存在頻率點(diǎn)數(shù)目較少,頻率分辨率不高等缺點(diǎn),所以一個(gè)合成式信號(hào)源都是由多環(huán)合成單元組成。
雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)圖(a)雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)框圖fo=Nfi1+fi2fi2fi1fo-Nfi1Nfi1倍頻環(huán)加法混頻環(huán)10KHz3400~5100KHzPD2LPF2VCO2M(-)內(nèi)插振蕩器環(huán)1環(huán)2100~110KHzVCO1PD1LPF1諧波形成2/6/202351×NPLLNfi1+PLLfi1fi2fo=Nfi1+fi2(b)雙環(huán)合成器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖雙環(huán)合成器原理結(jié)構(gòu)圖2/6/202352實(shí)例分析:十進(jìn)頻率合成信號(hào)源
該頻率合成信號(hào)源采用十進(jìn)鎖相合成單元,輸出頻率通過(guò)十進(jìn)數(shù)字撥盤(pán)來(lái)選擇。目前十進(jìn)頻率合成器已作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率源而獲得廣泛應(yīng)用。(1)十進(jìn)頻率合成器組成五個(gè)DS-1合成單元串接起來(lái),其輸出頻率被送到合成單元DS-2,得到輸出頻率為21~22MHz,DS-2的輸出加到合成單元DS-4,得到輸出頻率為101~122MHz,合成單元DS-3輸出為101~92MHz,DS-3與DS-4的輸出頻率加到混頻器M進(jìn)行相減,最后得到200Hz~30MHz的輸出頻率。2/6/202353十進(jìn)鎖相式頻率合成信號(hào)源組成框圖頻率合成單元基準(zhǔn)頻率十進(jìn)數(shù)字撥盤(pán)內(nèi)插頻率源DS-10-9×1HzDS-10-9×10HzDS-10-9×100HzDS-10-9×1KHzDS-10-9×10KHzDS-20-9×100KHzDS-40-2×10MHzDS-30-9×1MHz21~22MHz1.2~1.3MHz1.2~1.3MHz1.2~1.3MHz1.2~1.3MHz1.2~1.3MHz≈內(nèi)插振蕩器0~1Hz1.2~1.3MHz9MHz100KHzM(-)101~92MHz101~122MHz200Hz~30MHz×÷5MHz9MHz1MHz100KHz2.5MHzS1S2S3S4S55MHz1MHz2/6/202354(1)DS-1合成單元0~9VCOPDLPF1.8~2.7MHz100KHz諧波形成NfiM1(+)M2(+)9MHz1.2~1.3MHz基準(zhǔn)后一位合成單元10.2~10.3MHz÷1012~13MHz1.2~1.3MHz倍頻環(huán)N=18~27基準(zhǔn)2/6/202355(2)DS-2合成單元0~9VCOPDLPF1.8~2.7MHz100KHz諧波形成NfiM1(+)M2(+)9MHz1.2~1.3MHz基準(zhǔn)“×10KHz”單元輸出19.2~19.3MHz21~22MHz倍頻環(huán)N=18~27×218MHz2/6/202356(3)DS-3合成單元0~9VCOPDLPF101~92MHz1MHz諧波形成Nfi倍頻環(huán)N=101~92fi2/6/202357(4)DS-4合成單元0~2PDLPFVCOM(-)DS-2的輸出0:80MHz加法混頻環(huán)21~22MHz101~122MHz基準(zhǔn)倍頻環(huán)N=16,18,205MHzVCOPDLPF諧波形成1:90MHz2:100MHz2/6/202358(5)輸出頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)為了使輸出頻率連續(xù)可調(diào),十進(jìn)頻率合成信號(hào)源中加入了一個(gè)內(nèi)插頻率振蕩器VCOPDLPF1.2~1.3MHz100KHz諧波形成內(nèi)插振蕩器組成框圖基準(zhǔn)12S+P0~1Hz2/6/2023591.DDS組成原理直接數(shù)字合成(DirectDigitalFrequencySynthesis)的基本原理是基于取樣技術(shù)和數(shù)字技術(shù),通過(guò)數(shù)字合成方式生成頻率和初始相位可調(diào)的信號(hào)。三、直接數(shù)字頻率合成(DDS)2/6/202360AD9850是美國(guó)AnalogDevices公司生產(chǎn)的DDS單片頻率合成器,在DDFS的ROM中已預(yù)先存入正弦函數(shù)表:其幅度按二進(jìn)制分辨率量化;其相位一個(gè)周期360°按的分辨率設(shè)立相位取樣點(diǎn),然后存入ROM的相應(yīng)地址中。
2/6/2023612.相位累加器原理
當(dāng)改變地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)值(即以k來(lái)進(jìn)行累加),可以改變每周期采樣點(diǎn)數(shù),從而實(shí)現(xiàn)輸出頻率的改變。地址計(jì)數(shù)器步進(jìn)值改變可以通過(guò)相位累加法來(lái)實(shí)現(xiàn)相位鎖存器頻率控制字k相位累加器fc波形存儲(chǔ)ROMD/A轉(zhuǎn)換LPFfoN位地址相位累加器原理2/6/202362將正弦波波形看作一個(gè)矢量沿相位圓轉(zhuǎn)動(dòng),相位圓對(duì)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(duì)應(yīng)相位圓上的一個(gè)相位點(diǎn)。步進(jìn)點(diǎn)數(shù)2564096655364294967296N8121632數(shù)字相位圓2/6/202363在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的控制下,依次讀取全部地址中的相位點(diǎn),則輸出頻率最低。因?yàn)檫@時(shí)一個(gè)周期要讀取232相位點(diǎn),點(diǎn)間間隔時(shí)間為時(shí)鐘周期Tc,則Tout=232TcAD9850內(nèi)部組成框圖頻率相位碼寄存器相位和控制字頻率碼32位高速DDS碼輸入寄存器并行8位×5輸入時(shí)鐘輸入復(fù)位頻率更新/寄存器復(fù)位碼輸入時(shí)鐘串行1位×40輸入比較器+-方波輸出模擬輸入模擬輸出DAC復(fù)位地+Vs2/6/202364若隔一個(gè)相位點(diǎn)讀一次,則輸出頻率就會(huì)提高一倍。依次類(lèi)推可得輸出頻率的一般表達(dá)式式中k為頻率碼,是個(gè)32位的二進(jìn)制值,可寫(xiě)成:輸出頻率為:0321313023112222A1A1A1A1fout++++=()fc……2/6/202365
設(shè)相位累加器位數(shù)為N,頻率控制字為k,參考時(shí)鐘頻率為fc,則DDS輸出頻率為:實(shí)際應(yīng)用中一般取1≤M≤2N-2,即2/6/2023663.單片集成化的DDS信號(hào)源
輸出輸出串/并選擇6位地址或串行編程8位并行數(shù)據(jù)FSK/BPSK/HOLD數(shù)據(jù)輸入4~20×參考時(shí)鐘倍乘頻率累加器相位偏移及調(diào)制+相位累加器相位轉(zhuǎn)換器300MHzDDS參考時(shí)鐘濾波器濾波器12位D/AM/DAC復(fù)位12位D/A頻率控制字/相位字啟停邏輯I/O更新讀寫(xiě)可編程寄存器48位頻率控制字14位相位偏移/調(diào)制I/O端口緩沖12位AM調(diào)制比較器模擬輸入時(shí)鐘輸出AD9854DDS結(jié)構(gòu)+-2/6/2023671.三種頻率合成方法的比較頻譜純度好100GHz(微波)ms級(jí)間接鎖相可得任意波形300MHzμs級(jí)直接數(shù)字硬件電路復(fù)雜100MHzμs級(jí)直接模擬主要特點(diǎn)最高工作頻率速度合成方法四、頻率合成技術(shù)的進(jìn)展2/6/202368DDS/PLL組合的頻率合成信號(hào)源
DDS與PLL組合的合成信號(hào)源有多種形式,下圖是一種環(huán)外混頻式DDS/PLL頻率合成的原理。PDLPFVCO÷KDDS混頻器帶通濾波frfcfofPfD基準(zhǔn)信號(hào)源此時(shí)輸出頻率為:2/6/2023692、提高頻率分辨力的方法(1)微差混頻法如果當(dāng)時(shí)
PLLI(N1)PLLII(N2)M(—)fi1fi2f02/6/202370(2)多環(huán)頻率合成法三環(huán)PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfi÷NB÷MVCOCPDCLPFC-BPFfoVCOAPDALPFA+÷NAfA×NBPLL÷M﹢PLL×NAPLLfifo三環(huán)合成器簡(jiǎn)化框圖fAfB2/6/202371環(huán)A輸出頻率為:環(huán)B的輸出頻率為:由環(huán)C,有:因此,合成器的輸出頻率為:2/6/202372四環(huán)PLL合成器2/6/2023732/6/202374其中:所以:,步進(jìn)頻率為2/6/202375令N=18
則平均分頻系數(shù)18.9LPFVCOPDfo=1890kHzfi=100kHz小數(shù)分頻器(N+1)和N次=18.9控制電路(3)小數(shù)分頻法
通過(guò)可變分頻和多次平均的辦法可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻。2/6/202376例如:要實(shí)現(xiàn)4.3的小數(shù)分頻,只要在10次分頻中作7(即10-3)次除4,3次除5就可以得到。又如,要實(shí)現(xiàn)7.32的小數(shù)分頻,只要在每100次分頻中作68(100-32)次除7,32次除8即可。VCOPDLPFuifi=100KHzfouo小數(shù)分頻器(N+1)/N次分頻控制電路2/6/202377VCOPDLPFuifi÷NfoN存儲(chǔ)器F存儲(chǔ)器uo脈沖刪除接口OVFACCU小數(shù)分頻器(F-NPLL)工作原理寫(xiě)入小數(shù)值2/6/202378例:利用F-NPLL實(shí)現(xiàn)分頻比為4.3的過(guò)程
若分頻比為4.3,則在輸入信號(hào)的10個(gè)周期內(nèi),輸出信號(hào)為43個(gè)周期。每一次循環(huán)過(guò)程中,在ui各周期內(nèi),累加器的值和其分頻系數(shù)如下表所示。序號(hào)12345678910累加值0.30.60.90.20.50.80.10.40.70分頻系數(shù)4445445445輸入信號(hào)每周期內(nèi)的分頻系數(shù)和累加值(分頻比為4.3)2/6/2023792、擴(kuò)展頻率上限的方法擴(kuò)展頻率上限的方法:前置分頻器法、倍頻-混頻法、多模分頻器法。(1)前置分頻器法前置分頻法是在反饋回路加一個(gè)前置固定分頻器,先將輸出頻率進(jìn)行固定模數(shù)為D的分頻,然后再送到可編程分頻器進(jìn)行可變的分頻。2/6/202380前置分頻鎖相頻率合成器PDLPFVCO÷N÷D模數(shù)控制fifo=DNfifd該方法使頻率上限提高了D倍,但頻率分辨力下降了D倍。2/6/202381(2)倍頻-混頻法fi1fi2fo=Nfi1+fi2PDLPFVCOM(—)BPF÷N2/6/202382(3)吞脈沖分頻法多模分頻器(吞脈沖分頻器):模值(分頻比)可以在多個(gè)固定的值上改變的分頻器,稱(chēng)為吞脈沖分頻器。多模分頻器的最高工作頻率雖不如固定的前置分頻器高,但比可變分頻器高得多。2/6/202383在一次計(jì)數(shù)循環(huán)中,分頻系數(shù)N為:雙模分頻鎖相頻率合成器PDLPFVCO÷N1÷N2÷P/P+1fi雙模分頻器模式控制0/1置初值吞食計(jì)數(shù)器of=Nfii21f
)NN=(+P2/6/202384在鎖相環(huán)鎖定的情況下,合成器輸出頻率為:此時(shí)雙模分頻器的工作頻率為:fo分頻器N1的工作頻率為:f0/P分頻器N2的工作頻率為:f0/(P+1)
由上式可知,當(dāng)N2變化1時(shí),fo變化為fi,即輸出頻率分辨力為fi.因此在保持頻率分辨力不變的前提下提高了合成器的最大輸出頻率。
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