电子测量仪器-信号发生器.ppt

电子测量仪器 本章重点 熟悉函数信号发生器的组成和原理 掌握信号发生器的性能指标 熟练掌握信号发生器的正确使用 本章难点 各种信号发生器的原理分析 合成信号发生器中倍频式锁相环、混频式锁相环、分频式锁相环电路的区别与理解 第2章 测量用信号发生器 1.间接合成法 间接合成法是基于锁相环(phase locked loop，PLL)的原理实现的。锁相环可以看作为中心频率能自动跟踪输入基准频率的窄带滤波器。如果在锁相环内加入相应电路就可以对基准频率进行算术运算，产生人们需要的各种频率。由于它不是用电子线路直接对基准频率进行运算，故称为间接合成法。 （1）锁相环的组成 锁相环由基准频率源（晶振）、鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)以及压控振荡器(VCO)四部分组成，如图2.5所示。 第2章 测量用信号发生器 鉴相器亦称相位比较器，用来比较鉴别两个输入信号的相位关系，其输出电压与两信号的相位差成比例关系。 低通滤波器是用来滤除相位比较器输出电压中的高频成分和噪声，以稳定环路工作和改善环路性能。 第2章 测量用信号发生器 压控振荡器（VCO）的振荡频率可用电压控制，一般都 利用变容二极管作为回路电容。这样改变变容管的反向偏压，其PN结电容将改变，从而使振荡频率随反向偏压而变化，故叫压控振荡器。锁相环的工作过程如下：压控振荡器输出频率f0反馈至鉴相器，在此与基准频率fr(由晶体振荡器产生)进行相位比较。鉴相器（PD）的输出VΦ与两个信号频率（fr和f0）的相位差成正比。VΦ经过LPF之后得到缓慢变化的直流分量VF控制VCO。当环路稳定时，VCO的输出频率f0等于fr,即 由式（2-4）可见，锁相环的输出频率（f0）和基准频率（fr）具有同等稳定度，也可以说输出频率的稳定度可以提高到晶体振荡器（10-8）的水平，这是RC、LC振荡器所不及的。 第2章 测量用信号发生器 （2）锁相环的频率合成方法 下面叙述利用锁相环进行频率运算的方法，在锁相环反馈回路中加入有关电路就可实现对基准频率fr进行各种运算，得到各种所需频率。图2.6为倍频式锁相环，在图2.6（a）中，反馈支路接入÷N分频器，因此在环路锁定时f0／N=fr，得 由式（2-5）可知，图2.6（a）实现了倍频作用，在图2.6（b）中，基准频率fr首先被形成窄脉冲，再以其N次谐波（N·fr）作用于锁相环。因此有f0=N·fr。倍频式锁相环的符号为NPLL。 第2章 测量用信号发生器 第2章 测量用信号发生器 图2.7是分频式锁相环，对于图2.7(a)或图2.7(b)均可得到 图2.7分频式锁相环无论倍频或分频环，所谓数字环是由数字分频器或倍频器实现的，其数值可以为任意值，根据f0的要求而设定；所谓脉冲环是以窄脉冲形成电路产生若干种谐波频率，只取其N次谐波作用于鉴相器，因此得名于脉冲环。 图2.8为混频式锁相环，它以压控振荡器(VCO)的输出信号（频率为f0）和一个已知频率为fr2的信号在混频器Ｍ中进行混频，而后再至鉴相器与基准频率fr1进行比较。在图2.8中为了提高合成信号的频谱纯度，在混频器之后加一带通滤波器(BPF)以消除由于混频作用而引入的组合干扰。 第2章 测量用信号发生器 第2章 测量用信号发生器 在图2.8中，当环路稳定时有f0±fr2=fr1,故得 在图中混频器Ｍ若取“＋”为和频混频，相应地“－”为差频混频。 小结：从图2.5～图2.8可见，由于在锁相环的反馈支路中加入数字频率运算电路，所以锁相环的输出信号频率f0是基准频率fr经有关的数字表达式（即式(2-5)～式(2-7)）的运算结果。表达式中的运算符号正好与运算电路的相反。例如前者为乘（即倍频环），则后者是除（即反馈支路中为分频器）。在合成信号发生器中，倍频式数字环和混频环应用更多。 第2章 测量用信号发生器 2.直接合成法——模拟直接合成法 如前所述，模拟直接合成法是借助电子线路直接对基准频率进行算术运算，输出各种需要的频率。鉴于采用模拟电子技术，所以又称为直接模拟合成法（Direct Analog Frequency Synthesis, DAFS），常见的电路形式有以下两种。 （1）固定频率合成法图2.9为固定频率合成的