电子测量课件 第6章_测量用信号源.ppt

电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第1页第第6 6章章 测量用信号源测量用信号源6.1 6.1 信号源概述信号源概述 6.2 6.2 正弦信号发生器的分类、组成和工作特性正弦信号发生器的分类、组成和工作特性 6.3 6.3 频率合成式信号频率合成式信号发生器发生器6.4 6.4 频率合成器频率合成器电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第2页u主要内容主要内容主要内容主要内容 本章主要讨论正弦信号源。本章主要讨论正弦信号源。本章主要讨论正弦信号源。本章主要讨论正弦信号源。u学习要求学习要求学习要求学习要求 了解正弦信号发生器的分类、组成和工作特性；了解正弦信号发生器的分类、组成和工作特性；了解正弦信号发生器的分类、组成和工作特性；了解正弦信号发生器的分类、组成和工作特性；掌握锁相环的工作原理，掌握对组合锁相环的分掌握锁相环的工作原理，掌握对组合锁相环的分掌握锁相环的工作原理，掌握对组合锁相环的分掌握锁相环的工作原理，掌握对组合锁相环的分析方法，掌握频率合成式信号发生器原理并能设析方法，掌握频率合成式信号发生器原理并能设析方法，掌握频率合成式信号发生器原理并能设析方法，掌握频率合成式信号发生器原理并能设计频率合成方案；了解频率合成器。计频率合成方案；了解频率合成器。计频率合成方案；了解频率合成器。计频率合成方案；了解频率合成器。u重点重点重点重点 锁相和频率合成技术在正弦信号源中的应用。锁相和频率合成技术在正弦信号源中的应用。锁相和频率合成技术在正弦信号源中的应用。锁相和频率合成技术在正弦信号源中的应用。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第3页6.1 信号源概述信号源概述u 信号源的作用和组成信号源的作用和组成u 信号源的分类信号源的分类u 正弦信号源的特点及重要性正弦信号源的特点及重要性电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第4页6.1.1 信号源在电子测量中的作用和组成信号源在电子测量中的作用和组成1.1.信号源的作用信号源的作用 测量用信号源测量用信号源是指能够产生不同频率、不同是指能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的幅度的规则或不规则波形的测量用测量用信号发生器信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面：信号源的用途主要有以下三方面：激励源。激励源。信号仿真。信号仿真。标准信号源。标准信号源。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第5页2.信号源的组成信号源的组成信信号号输出输出主振器主振器缓冲缓冲调制调制输出输出电电 源源监测监测信号发生器结构框图信号发生器结构框图电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第6页6.1.2 6.1.2 信号源的分类信号源的分类 正弦波形发生器；正弦波形发生器；函数信号发生器；函数信号发生器；数字信号发生器。数字信号发生器。u6.1.3 6.1.3 正弦信号源的特点及重要性正弦信号源的特点及重要性正弦测试信号的特点：它的波形不受线性电路或正弦测试信号的特点：它的波形不受线性电路或正弦测试信号的特点：它的波形不受线性电路或正弦测试信号的特点：它的波形不受线性电路或系统的影响系统的影响系统的影响系统的影响所以所以所以所以正弦信号是分析线性系统频域特性的一种最正弦信号是分析线性系统频域特性的一种最正弦信号是分析线性系统频域特性的一种最正弦信号是分析线性系统频域特性的一种最基本的信号，而且也是最容易产生、描述和广泛基本的信号，而且也是最容易产生、描述和广泛基本的信号，而且也是最容易产生、描述和广泛基本的信号，而且也是最容易产生、描述和广泛应用的载波信号，因此正弦信号发生器具有特殊应用的载波信号，因此正弦信号发生器具有特殊应用的载波信号，因此正弦信号发生器具有特殊应用的载波信号，因此正弦信号发生器具有特殊地位。地位。地位。地位。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第7页6.2 正弦信号发生器的分类、组成和工作特性正弦信号发生器的分类、组成和工作特性一、一、分类与组成分类与组成 1.1.按频率范围按频率范围 大致可分为六类：大致可分为六类：超低频信号发生器超低频信号发生器超低频信号发生器超低频信号发生器 0.0001Hz0.0001Hz0.0001Hz0.0001Hz1000Hz1000Hz1000Hz1000Hz；低频信号发生器低频信号发生器低频信号发生器低频信号发生器 1KHz1KHz1KHz1KHz1MHz1MHz1MHz1MHz；视频信号发生器视频信号发生器视频信号发生器视频信号发生器 20Hz20Hz20Hz20Hz10MHz10MHz10MHz10MHz；高频信号发生器高频信号发生器高频信号发生器高频信号发生器 200KHz200KHz200KHz200KHz30MHz30MHz30MHz30MHz；甚高频信号发生器甚高频信号发生器甚高频信号发生器甚高频信号发生器 30KHz30KHz30KHz30KHz300MHz300MHz300MHz300MHz；超高频信号发生器超高频信号发生器超高频信号发生器超高频信号发生器 300MHz300MHz300MHz300MHz以上。以上。以上。以上。这一类信号发生器一般用在无线电测量系统中，一般都是这一类信号发生器一般用在无线电测量系统中，一般都是这一类信号发生器一般用在无线电测量系统中，一般都是这一类信号发生器一般用在无线电测量系统中，一般都是波波波波段式段式段式段式的。的。的。的。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第8页u 按载波复用设备的话路所占用的频带宽度来划按载波复用设备的话路所占用的频带宽度来划按载波复用设备的话路所占用的频带宽度来划按载波复用设备的话路所占用的频带宽度来划分的：分的：分的：分的：12121212路路路路 12Hz12Hz12Hz12Hz162KHz162KHz162KHz162KHz；60606060路路路路 12Hz12Hz12Hz12Hz252KHz 252KHz 252KHz 252KHz；1 120202020路路路路 12Hz12Hz12Hz12Hz552kHz552kHz552kHz552kHz；300300路路路路 60KHz60KHz60KHz60KHz1.3MHz1.3MHz1.3MHz1.3MHz；960960路路路路 60KHz60KHz60KHz60KHz4.028MHz4.028MHz4.028MHz4.028MHz；1800180018001800路路路路 314KHz314KHz314KHz314KHz8MHz 8MHz 8MHz 8MHz；3600360036003600路路路路 314KHz314KHz314KHz314KHz18MHz18MHz18MHz18MHz；10800108001080010800路路路路 4.332MHz4.332MHz4.332MHz4.332MHz59.68MHz 59.68MHz 59.68MHz 59.68MHz。这一类这一类这一类这一类正弦信号发生器正弦信号发生器一般用在一般用在一般用在一般用在有线载波通信系统有线载波通信系统有线载波通信系统有线载波通信系统中中中中,一般一般一般一般都是差频式的。都是差频式的。都是差频式的。都是差频式的。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第9页u 波段式信号发生器组成波段式信号发生器组成波段式信号发生器组成波段式信号发生器组成1.1.低频信号发生器低频信号发生器低频信号发生器频率范围一般为低频信号发生器频率范围一般为20Hz20Hz20KHz20KHz，故又称音频故又称音频信号发生器信号发生器 主振级主振级缓冲缓冲放大放大电平电平控制控制功率功率放大放大衰减器衰减器阻抗阻抗变换变换电平调节电平调节波段波段调节调节频率频率细调细调电平指示电平指示低频信号发生器组成原理低频信号发生器组成原理输出频率由主振级确定输出频率由主振级确定输出频率由主振级确定输出频率由主振级确定低于视频波段的主振器一般用低于视频波段的主振器一般用低于视频波段的主振器一般用低于视频波段的主振器一般用RCRC振荡器；而高频振荡器；而高频振荡器；而高频振荡器；而高频段的主振器都采用段的主振器都采用段的主振器都采用段的主振器都采用LCLC振荡器振荡器振荡器振荡器.电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第10页2.2.高频信号发生器高频信号发生器u高频信号发生器输出频率范围一般在高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz，大大多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能多数具有调幅，调频及脉冲调制等功能输出输出主振级主振级波段波段选择选择频率频率细调细调缓冲缓冲调制级调制级输出级输出级调制振荡器调制振荡器监测器监测器外调制外调制输入输入高频信号发生器原理框图高频信号发生器原理框图有主振级输出的有主振级输出的有主振级输出的有主振级输出的正弦信号正弦信号经缓冲、调制级、输出级，并经缓冲、调制级、输出级，并通过输出电路输出。通过输出电路输出。输出电路用来进行输出电压（电平）的选择和输出阻抗输出电路用来进行输出电压（电平）的选择和输出阻抗变换之用。变换之用。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第11页u 差频式信号发生器组成差频式信号发生器组成差频式信号发生器组成差频式信号发生器组成固定频率振荡器混频器低通滤波器可变频率振荡器f2f1输出混频器低通滤波器放大与输出电路差频式信号发生器的最大特点是差频式信号发生器的最大特点是差频式信号发生器的最大特点是差频式信号发生器的最大特点是输出频率覆盖范围宽输出频率覆盖范围宽输出频率覆盖范围宽输出频率覆盖范围宽。设设设设f f1 1能从能从能从能从f fminmin连续调到连续调到连续调到连续调到f fmaxmax，则混频器输出的，则混频器输出的，则混频器输出的，则混频器输出的差频信号差频信号差频信号差频信号频率频率频率频率 的变化范围从的变化范围从的变化范围从的变化范围从F Fminmin=f=fminmin-f-f2 2变到变到变到变到F Fmaxmax=f=fmaxmax-f-f2 2（其中（其中（其中（其中 f fmaxmaxff2 2 f fminmin）。）。）。）。利用可变电容器调谐的利用可变电容器调谐的利用可变电容器调谐的利用可变电容器调谐的LCLC振荡器都能达到要求振荡器都能达到要求振荡器都能达到要求振荡器都能达到要求电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第12页二、工作特性二、工作特性频率特性频率特性uu 频率范围频率范围频率范围频率范围:是指各项是指各项是指各项是指各项指标都能得到保证时的输指标都能得到保证时的输指标都能得到保证时的输指标都能得到保证时的输出频率范围出频率范围出频率范围出频率范围uu 频率准确度：频率准确度：频率准确度：频率准确度：uu 频率稳定度：频率稳定度：频率稳定度：频率稳定度：uu一个一个一个一个正弦信号源正弦信号源的基本要求可概括为：能够的基本要求可概括为：能够迅速而准确迅速而准确地地把信号源的输出信号调到把信号源的输出信号调到所需的所需的频率频率上，并提供上，并提供所需的信所需的信号电平（号电平（幅度幅度）。）。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第13页 一个一个一个一个正弦信号源正弦信号源的频率准确度是由的频率准确度是由主振级振荡器主振级振荡器的的频频率稳定度率稳定度来保证的。来保证的。一般，振荡器的频率稳定度应比所要求的准确度高一般，振荡器的频率稳定度应比所要求的准确度高1-2个数量级；个数量级；发展至今频率连续可调的发展至今频率连续可调的正弦信号源正弦信号源的频率准确度可的频率准确度可达达10-6量级（利用量级（利用频率合成技术频率合成技术，一般是采用锁相技，一般是采用锁相技术来完成频率的合成，可提高术来完成频率的合成，可提高2-3个数量级）。个数量级）。频率连续可调的频率连续可调的正弦信号源正弦信号源的频率准确度还受读出装的频率准确度还受读出装置所产生的刻度误差的限制。置所产生的刻度误差的限制。为此，必须保证有高质量的精密机械齿轮装置和胶带为此，必须保证有高质量的精密机械齿轮装置和胶带频率刻度盘。频率刻度盘。集成电路计数器的出现，有可能使可调信号源的输出集成电路计数器的出现，有可能使可调信号源的输出频率准确度达到一个新的水平。频率准确度达到一个新的水平。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第14页关于电平关于电平输出特性输出特性u 输出信号幅度的度量输出信号幅度的度量正弦信号源的输出信号幅度采用两种方式表示：正弦信号源的输出信号幅度采用两种方式表示：其一，直接用正弦有效值（单位用其一，直接用正弦有效值（单位用V,Vm或或V）表示；）表示；其二，用绝对电平（单位用其二，用绝对电平（单位用dBm,dB）表示）表示.u 输出电平的读出输出电平的读出用电压度量的信号源输出电路用电压度量的信号源输出电路信号源输出电路应能完成输出电压的选择和读出，以及输信号源输出电路应能完成输出电压的选择和读出，以及输出阻抗（需要时）变换等功能。出阻抗（需要时）变换等功能。图图6-3示出了一标准信号发生器的输出电路示出了一标准信号发生器的输出电路用绝对电平表示的信号源输出电路用绝对电平表示的信号源输出电路图图6-4示出了一电平振荡器的输出电路示出了一电平振荡器的输出电路在电平振荡器中，在电平振荡器中，输出电平等于电平指示的输出电平等于电平指示的dB值和值和“电平电平选择选择”开关所标步位开关所标步位dB值的代数和。值的代数和。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第15页u 输出特性输出特性（1 1）输出电平范围输出电平范围:表征信号源所能提供的最小表征信号源所能提供的最小 和最大输出电平的可调范围。和最大输出电平的可调范围。（2 2）输出电平的频响输出电平的频响：这是指在有效频率范围内调节频率：这是指在有效频率范围内调节频率 时，输出电平的变化，也就是输出电平的平坦度。时，输出电平的变化，也就是输出电平的平坦度。（3 3）输出电平准确度：输出电平准确度：输出电平准确度由下列几项误差决输出电平准确度由下列几项误差决 定：定：0dB准确度准确度0 0；输出衰耗器换档误差输出衰耗器换档误差d d；表头刻度误差表头刻度误差m m；输出电平的平坦度输出电平的平坦度r r 可按均方根合成来计算输出电平准确度：可按均方根合成来计算输出电平准确度：电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第16页对成批生产的电子仪器，采用对成批生产的电子仪器，采用“工作误差工作误差”来评价来评价仪器的准确度。仪器的准确度。“工作误差工作误差”：仪器在额定工作条件下，在各种仪器在额定工作条件下，在各种使用条件为任何可能组合情况下，仪器总的极限误使用条件为任何可能组合情况下，仪器总的极限误差差（4 4）输出阻抗）输出阻抗（5 5）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。）输出信号的非线性失真系数和频谱纯度。u 调制特性调制特性调制特性的恒量指标主要包括调制频率，调幅系数，调制特性的恒量指标主要包括调制频率，调幅系数，最大频偏，调制线性等。最大频偏，调制线性等。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第17页6.36.3 频率合成式信号发生器频率合成式信号发生器u一、概述一、概述一、概述一、概述现代电子测量对现代电子测量对现代电子测量对现代电子测量对信号源频率准确度信号源频率准确度信号源频率准确度信号源频率准确度的要求愈来愈高的要求愈来愈高的要求愈来愈高的要求愈来愈高信号源输出频率的准确度在很大程度上是建立在主振信号源输出频率的准确度在很大程度上是建立在主振信号源输出频率的准确度在很大程度上是建立在主振信号源输出频率的准确度在很大程度上是建立在主振器的输出频率的稳定度的基础上器的输出频率的稳定度的基础上器的输出频率的稳定度的基础上器的输出频率的稳定度的基础上如何在如何在如何在如何在宽的频率范围宽的频率范围宽的频率范围宽的频率范围内获得内获得内获得内获得输出频率的高稳定度输出频率的高稳定度输出频率的高稳定度输出频率的高稳定度，这，这，这，这是设计信号源的主要问题是设计信号源的主要问题是设计信号源的主要问题是设计信号源的主要问题频率合成技术频率合成技术，特别是，特别是锁相技术锁相技术的发展和应用，有可的发展和应用，有可能获得频率稳定度很高，且频率连续可调的信号源。能获得频率稳定度很高，且频率连续可调的信号源。频率合成的基本概念：频率合成的基本概念：由一个由一个基准频率基准频率通过通过基本代数基本代数运算运算产生产生一系列所需频率一系列所需频率，其稳定度可达基准频率相，其稳定度可达基准频率相同的量级同的量级.如下图如下图电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第18页频率合成原理图频率合成原理图 频率的代数运算频率的代数运算是通过是通过倍频、分频及混频倍频、分频及混频技术技术来实现。来实现。频率频率1 1输出输出石英晶体石英晶体代数运算代数运算（加、减、乘、除）（加、减、乘、除）频率合成原理频率合成原理频率频率n n输出输出基准频率基准频率u频率合成技术的发展大致可分为三个阶段：频率合成技术的发展大致可分为三个阶段：频率合成分类及特点频率合成分类及特点电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第19页u直接频率合成技术直接频率合成技术 把一个或多个基准频率通过频率的分频、倍频和混频技把一个或多个基准频率通过频率的分频、倍频和混频技 术实现算术运算，合成所需频率，并用窄带滤波器选术实现算术运算，合成所需频率，并用窄带滤波器选 出，下图是其实现原理。出，下图是其实现原理。1MHz1MHz晶振晶振谐波发生器（倍频）谐波发生器（倍频）分频（分频（1010）8MHz8MHz混频（混频（+）混频（混频（+）2MHz2MHz滤波滤波分频（分频（1010）2.8MHz2.8MHz滤波滤波0.28MHz0.28MHz分频（分频（1010）混频（混频（+）滤波滤波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图1MHz1MHz9MHz9MHz显然，每增加一组开关、混频器、分频器和窄带滤波显然，每增加一组开关、混频器、分频器和窄带滤波器，就能使合成频率的有效数字增加一位。器，就能使合成频率的有效数字增加一位。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第20页优点：优点：频率切换迅速，相位噪声很低。频率切换迅速，相位噪声很低。频率切换迅速，相位噪声很低。频率切换迅速，相位噪声很低。缺点：缺点：电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化。于集成化。于集成化。于集成化。uu锁相式频率合成锁相式频率合成锁相式频率合成锁相式频率合成 一种一种一种一种间接式间接式间接式间接式的频率合成技术的频率合成技术的频率合成技术的频率合成技术。它利用。它利用。它利用。它利用锁相环（锁相环（锁相环（锁相环（PLLPLLPLLPLL）把把把把 压控振荡器（压控振荡器（压控振荡器（压控振荡器（VCOVCOVCOVCO）的输出频率锁定在基准频率上，这的输出频率锁定在基准频率上，这的输出频率锁定在基准频率上，这的输出频率锁定在基准频率上，这 样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基 础上合成不同的频率。础上合成不同的频率。础上合成不同的频率。础上合成不同的频率。锁相环基本工作原理锁相环基本工作原理锁相环锁相环是一个是一个相位环负反馈控制系统相位环负反馈控制系统。该环路由。该环路由相相 位比较器（即鉴相器位比较器（即鉴相器PDPD）、环路滤波器（环路滤波器（LPFLPF）、电压控制振荡器（电压控制振荡器（VCOVCO）及及基准晶体振荡器基准晶体振荡器等部分等部分 组成组成 。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第21页相位比较器相位比较器：用来比较两个输入信号的相位，其：用来比较两个输入信号的相位，其输输出电压比例于两信号的相位差出电压比例于两信号的相位差，叫，叫“误差电压误差电压”环路滤波器环路滤波器：是一个低通滤波器，用来滤掉相位比：是一个低通滤波器，用来滤掉相位比 较器输出的高频成分和噪声，以达到稳定环路工作较器输出的高频成分和噪声，以达到稳定环路工作 和改善环路性能的目的和改善环路性能的目的压控振荡器压控振荡器：其振荡频率可用电压控制：其振荡频率可用电压控制锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第22页锁相合成法工作过程锁相合成法工作过程：锁相开始工作时，总是存在固有频差锁相开始工作时，总是存在固有频差相位比较器通过比较两个输入信号相位比较器通过比较两个输入信号的相位，输出与两信号的相位差成比的相位，输出与两信号的相位差成比 例的例的“误差电压误差电压”锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第23页锁相合成法工作过程锁相合成法工作过程：环路滤波器环路滤波器压控振荡器压控振荡器输出频率朝着减小固有频差的方向变化，输出频率朝着减小固有频差的方向变化，这叫这叫“频率牵引频率牵引”现象现象在一定条件下，环路通过频率牵引，最终两个输入信号在一定条件下，环路通过频率牵引，最终两个输入信号的频率相等的频率相等f fo o=f fr r,，环路进入所谓，环路进入所谓“锁定锁定”状态。状态。锁相环的捕捉过程：锁相环的捕捉过程：环路从失锁状态进入环路从失锁状态进入“锁定锁定”状态状态的过程的过程锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第24页锁相环处于锁相环处于“锁定锁定”状态的一个基本特性是状态的一个基本特性是：输入信号输入信号v vi i和和VCOVCO输出信号输出信号v vo o之间只存在一个之间只存在一个稳态相位稳态相位 差差，而不存在频率差。，而不存在频率差。锁相合成法正是利用锁相环的这一特性，把锁相合成法正是利用锁相环的这一特性，把锁相合成法正是利用锁相环的这一特性，把锁相合成法正是利用锁相环的这一特性，把VCOVCO的输出频的输出频的输出频的输出频 率稳定在基准频率上。率稳定在基准频率上。率稳定在基准频率上。率稳定在基准频率上。由此可知，我们所需的输出频率由此可知，我们所需的输出频率由此可知，我们所需的输出频率由此可知，我们所需的输出频率f fo o虽然间接取自虽然间接取自虽然间接取自虽然间接取自VCOVCO ，但是，只要环路处于锁定状态，就有但是，只要环路处于锁定状态，就有但是，只要环路处于锁定状态，就有但是，只要环路处于锁定状态，就有f fo o=f fr r ，这样，这样，这样，这样VCOVCO 的输出频率稳定度就可提高到基准频率同一量级，这就的输出频率稳定度就可提高到基准频率同一量级，这就的输出频率稳定度就可提高到基准频率同一量级，这就的输出频率稳定度就可提高到基准频率同一量级，这就 是是是是锁相合成法的基本原理锁相合成法的基本原理锁相合成法的基本原理锁相合成法的基本原理。锁相环控制系统原理图锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第25页优点：优点：优点：优点：易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价 格低，而且具有格低，而且具有格低，而且具有格低，而且具有极宽的频率范围和十分良好的寄生信极宽的频率范围和十分良好的寄生信极宽的频率范围和十分良好的寄生信极宽的频率范围和十分良好的寄生信 号抑制特性，从而使输出频谱纯度很高号抑制特性，从而使输出频谱纯度很高号抑制特性，从而使输出频谱纯度很高号抑制特性，从而使输出频谱纯度很高，输出频率也，输出频率也，输出频率也，输出频率也 易于微机控制等优点。易于微机控制等优点。易于微机控制等优点。易于微机控制等优点。缺点：缺点：缺点：缺点：频率切换时间相对较长，相位噪声较大。频率切换时间相对较长，相位噪声较大。频率切换时间相对较长，相位噪声较大。频率切换时间相对较长，相位噪声较大。u 直接数字频率合成（直接数字频率合成（直接数字频率合成（直接数字频率合成（DDFSDDFS）是基于是基于是基于是基于取样技术和数字计算技术取样技术和数字计算技术取样技术和数字计算技术取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产来实现数字合成，产来实现数字合成，产来实现数字合成，产生所需频率的正弦信号生所需频率的正弦信号生所需频率的正弦信号生所需频率的正弦信号 优点优点优点优点：极易实现频率和相位控制，且切换时间快，尤：极易实现频率和相位控制，且切换时间快，尤：极易实现频率和相位控制，且切换时间快，尤：极易实现频率和相位控制，且切换时间快，尤其适于合成任意波形，集成度高，体积小其适于合成任意波形，集成度高，体积小其适于合成任意波形，集成度高，体积小其适于合成任意波形，集成度高，体积小缺点缺点缺点缺点：频率上限较低，杂散也较大。：频率上限较低，杂散也较大。：频率上限较低，杂散也较大。：频率上限较低，杂散也较大。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第26页u频率合成技术的发展频率合成技术的发展 各种频率合成方式的综合各种频率合成方式的综合:直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成技术都直接式、间接（锁相环）式和直接数字式频率合成技术都有其优缺点有其优缺点 ，单独使用任何一种方法，很难满足要求。，单独使用任何一种方法，很难满足要求。因此可将这几种方法综合应用，因此可将这几种方法综合应用，特别是特别是DDSDDS与与PLLPLL的结合的结合,可以实现快捷变，小步进及较高的频率上限。可以实现快捷变，小步进及较高的频率上限。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第27页u锁相环的跟踪特性和锁相环的跟踪特性和锁相环的跟踪特性和锁相环的跟踪特性和同步带宽同步带宽 跟踪特性跟踪特性跟踪特性跟踪特性：指当环路锁定时，环路输出频率可以精确指当环路锁定时，环路输出频率可以精确指当环路锁定时，环路输出频率可以精确指当环路锁定时，环路输出频率可以精确 地跟踪输入频率的变化。地跟踪输入频率的变化。地跟踪输入频率的变化。地跟踪输入频率的变化。失锁失锁失锁失锁：指当输入频率的变化超过一定范围，环路输出指当输入频率的变化超过一定范围，环路输出指当输入频率的变化超过一定范围，环路输出指当输入频率的变化超过一定范围，环路输出 频率不再能跟踪输入频率的变化频率不再能跟踪输入频率的变化频率不再能跟踪输入频率的变化频率不再能跟踪输入频率的变化同步带宽同步带宽：在环路保持锁定条件下，输入频率所允许在环路保持锁定条件下，输入频率所允许在环路保持锁定条件下，输入频率所允许在环路保持锁定条件下，输入频率所允许 的最大变化范围。的最大变化范围。的最大变化范围。的最大变化范围。在锁相合成法中，输入频率是基准频率在锁相合成法中，输入频率是基准频率在锁相合成法中，输入频率是基准频率在锁相合成法中，输入频率是基准频率f fr r，相对于输出，相对于输出，相对于输出，相对于输出 频率频率频率频率f fo o，可认为，可认为，可认为，可认为f fr r不变，那么不变，那么不变，那么不变，那么同步带宽可理解为，同步带宽可理解为，在环路在环路在环路在环路 保持锁定条件下，保持锁定条件下，保持锁定条件下，保持锁定条件下，VCOVCO频率频率频率频率f fo o允许变化的最大范围。允许变化的最大范围。允许变化的最大范围。允许变化的最大范围。二、二、有关锁相环（有关锁相环（PLL）的基本概念的基本概念电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第28页由此可知，若环路的同步带宽较宽，那么即使由此可知，若环路的同步带宽较宽，那么即使由此可知，若环路的同步带宽较宽，那么即使由此可知，若环路的同步带宽较宽，那么即使VCOVCO本本本本 身的频率稳定度不太高，也可通过环路的作用把身的频率稳定度不太高，也可通过环路的作用把身的频率稳定度不太高，也可通过环路的作用把身的频率稳定度不太高，也可通过环路的作用把VCOVCO 的输出频率稳定在基准频率同一量级。的输出频率稳定在基准频率同一量级。的输出频率稳定在基准频率同一量级。的输出频率稳定在基准频率同一量级。u锁相环的捕捉和捕捉带宽锁相环的捕捉和捕捉带宽锁相环的捕捉和捕捉带宽锁相环的捕捉和捕捉带宽 ：锁相环从失锁状态进入锁定状态是有条件的。只有当锁相环从失锁状态进入锁定状态是有条件的。只有当锁相环从失锁状态进入锁定状态是有条件的。只有当锁相环从失锁状态进入锁定状态是有条件的。只有当 固有频差固有频差固有频差固有频差f fo o=f fo o-f-fr r减小到减小到减小到减小到一定值一定值一定值一定值，环路才能从失锁状，环路才能从失锁状，环路才能从失锁状，环路才能从失锁状 态进入锁定状态。如图态进入锁定状态。如图态进入锁定状态。如图态进入锁定状态。如图6-76-7捕捉带宽：捕捉带宽：捕捉带宽：捕捉带宽：环路最终能够自行进入锁定状态的最大允环路最终能够自行进入锁定状态的最大允环路最终能够自行进入锁定状态的最大允环路最终能够自行进入锁定状态的最大允 许的固有频差许的固有频差许的固有频差许的固有频差 捕捉过程：捕捉过程：捕捉过程：捕捉过程：环路从失锁状态进入锁定状态的过程。环路从失锁状态进入锁定状态的过程。环路从失锁状态进入锁定状态的过程。环路从失锁状态进入锁定状态的过程。一般锁相环的捕捉过程一般锁相环的捕捉过程一般锁相环的捕捉过程一般锁相环的捕捉过程可分成两个阶段：可分成两个阶段：可分成两个阶段：可分成两个阶段：电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第29页频率牵引阶段频率牵引阶段频率牵引阶段频率牵引阶段快捕阶段快捕阶段快捕阶段快捕阶段当环路的固有频差在其当环路的固有频差在其当环路的固有频差在其当环路的固有频差在其捕捉带宽捕捉带宽捕捉带宽捕捉带宽内，则环路经过频率牵引阶段最后内，则环路经过频率牵引阶段最后内，则环路经过频率牵引阶段最后内，则环路经过频率牵引阶段最后 总能进入锁定。但需要一定的总能进入锁定。但需要一定的总能进入锁定。但需要一定的总能进入锁定。但需要一定的捕捉时间捕捉时间捕捉时间捕捉时间。通过减小固有频差，使它进入通过减小固有频差，使它进入通过减小固有频差，使它进入通过减小固有频差，使它进入快捕带宽快捕带宽快捕带宽快捕带宽内，则环路只有快捕过程，内，则环路只有快捕过程，内，则环路只有快捕过程，内，则环路只有快捕过程，故捕捉时间可以减小。故捕捉时间可以减小。故捕捉时间可以减小。故捕捉时间可以减小。uu锁相环的窄带滤波特性锁相环的窄带滤波特性锁相环的窄带滤波特性锁相环的窄带滤波特性锁相环是一个相位反馈系统，系统的信息为相位锁相环是一个相位反馈系统，系统的信息为相位锁相环是一个相位反馈系统，系统的信息为相位锁相环是一个相位反馈系统，系统的信息为相位锁相环的特性可用锁相环的特性可用锁相环的特性可用锁相环的特性可用相位传递函数相位传递函数相位传递函数相位传递函数来描述：来描述：来描述：来描述：式中 o o(s)输出相位输出相位o o(t)的拉氏变换；的拉氏变换；i i(s)输入相位输入相位i i(t)的拉氏变换的拉氏变换电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第30页传递函数传递函数传递函数传递函数HH（s s）的阶数取决于环路滤波器）的阶数取决于环路滤波器）的阶数取决于环路滤波器）的阶数取决于环路滤波器若取若取若取若取s=s=jj,则可得到锁相环的频率特性：则可得到锁相环的频率特性：则可得到锁相环的频率特性：则可得到锁相环的频率特性：环路带宽环路带宽环路带宽环路带宽 :锁相环的频率特性具有锁相环的频率特性具有锁相环的频率特性具有锁相环的频率特性具有低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器的传输的传输的传输的传输 特性，其高频截止频率称为特性，其高频截止频率称为特性，其高频截止频率称为特性，其高频截止频率称为环路带宽环路带宽环路带宽环路带宽。对输入信号的相位具有低通特性，就意味着对输入信对输入信号的相位具有低通特性，就意味着对输入信对输入信号的相位具有低通特性，就意味着对输入信对输入信号的相位具有低通特性，就意味着对输入信 号整体号整体号整体号整体V Vimimsinsini it+t+i i(t(t)具有具有具有具有带通特性带通特性带通特性带通特性。所以。所以。所以。所以锁相锁相锁相锁相 环具有窄带滤波特性。环具有窄带滤波特性。环具有窄带滤波特性。环具有窄带滤波特性。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第31页u锁相环中引入环路滤波器的目的锁相环中引入环路滤波器的目的锁相环中引入环路滤波器的目的锁相环中引入环路滤波器的目的没有环路滤波器的锁相环称为一阶环，一阶环实际上没有环路滤波器的锁相环称为一阶环，一阶环实际上没有环路滤波器的锁相环称为一阶环，一阶环实际上没有环路滤波器的锁相环称为一阶环，一阶环实际上很少用很少用很少用很少用引入环路滤波器的目的引入环路滤波器的目的引入环路滤波器的目的引入环路滤波器的目的可滤除相位比较器输出的高频成分与噪声；可滤除相位比较器输出的高频成分与噪声；可滤除相位比较器输出的高频成分与噪声；可滤除相位比较器输出的高频成分与噪声；可改善锁相器的性能，并在设计上带来灵活性。可改善锁相器的性能，并在设计上带来灵活性。可改善锁相器的性能，并在设计上带来灵活性。可改善锁相器的性能，并在设计上带来灵活性。电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第32页u混频式锁相环混频式锁相环混频式锁相环混频式锁相环 uu混频环混频环混频环混频环：实现对输入（基准频率）频率的：实现对输入（基准频率）频率的：实现对输入（基准频率）频率的：实现对输入（基准频率）频率的加减加减加减加减运算运算运算运算 PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环相减混频环PDLPFVCOM（）（）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混频环相加混频环fo=fi1-fi2混频锁相环混频锁相环+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加环简化图相加环简化图（d）相减环简化图相减环简化图三、三、锁相环的几种基本形式锁相环的几种基本形式电子测量技术电子测量技术电子测量技术电子测量技术第33页加法环加法环加法环加法环在合成式信号源中可以用来提供在合成式信号源中可以用来提供在合成式信号源中可以用来提供在合成式信号源中可以用来提供连续可调的输连续可调的输连续可调的输连续可调的输 出频率。出频率。出频率。出频率。输出频率的频率稳定度与基准频率同一个量级输出频率的频率稳定度与基准频率同一个量级输出频率的频率稳定度与基准频率同一个量级输出频率的频率稳定度与基准频率同一个量级u倍频式锁相环倍频式锁相环倍频式锁相环倍频式锁相环 倍频环倍频环倍频环倍频环：实现对输入频率进行：实现对输入频率进行：实现对输入频率进行：实现对输入频率进行乘法乘法乘法乘法运算，运算，运算，运算，主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环谐波倍频环谐波倍频环谐波倍频环谐波倍频环这种锁相环的特点是：加到相位比较器的输入信号这种锁相环的特点是：加到相位比较器的输入信号这种锁相环的特点是：加到相位比较器的输入信号这种锁相环的特点是：加到相位比较器的输入信号 是是是是重复频率等于基准频率的窄脉冲重复频率等于