2.5 合成信号发生器

一般的高频信号源主要采用LC振荡器，与RC振荡器一样，为了产生单一的正弦振荡频率，LC振荡器必须具有选频特性，即通过改变电感L来改变频段，改变电容C来进行频段内的频率微调。通常把这种由调谐振荡器构成的信号发生器称为调谐信号发生器。尽管传统的调谐信号发生器指标不高，但价格低廉，所以在要求不高的场合较受欢迎。20世纪70年代以来，随着宽带技术、倍频和分频数字电子技术的发展，逐步提高了信号发生器的可靠性、稳定性和调幅特性。

近年来，随着通信技术和电子测量水平的不断发展与提高，对信号源输出频率稳定度和准确度的要求越来越高，例如在手机通信系统中，信号频率稳定度必须优10-6。一个信号源的这些指标在很大程度上由主振器所决定的，普通的LC振荡器已满足不了高性能信号源的技术要求，若利用频率合成技术代替调谐信号发生器中的LC振荡器，就可以有效地解决上述问题。由于高精度的信号发生器主要采用石英晶体振荡器，其稳定度优10-8，但它只能产生某些特定频率，所以需要采用频率合成技术对一个或几个高稳定度频率进行加、减、乘、除等算术运算，得到一系列所要求的频率。频率的加、减通过混频获得，乘、除可通过倍频、分频获得，也广泛运用锁相技术来实现频率合成。

采用频率合成技术制成的频率源统称为频率合成器，用于各种专用设备或系统中。例如，通信系统中的激励源和本振，若做成通用的电子仪器，则称为合成信号发生器。

频率合成的方法很多，但基本上分为两大类：一类是直接合成法；另一类是间接合成法。

1）直接合成法包括模拟直接合成法和数字直接合成法。

2）间接合成法则通过锁相技术进行频率的运算合成，最后得到所需的频率。

2.5.1 直接合成法

利用分频、倍频和混频及滤波技术，对一个或几个基准频率进行算术运算从而产生所需频率的方法称为直接频率合成法。

1．固定频率合成法

固定频率合成法的原理图如图2-22所示。图中采用石英晶振提供基准频率fr经分频、倍频器后输出频率为

式中 D——分频器的分频系数；

N——倍频器的倍频系数；

fo——输出频率；

fr——基准频率。

2．可变频率合成法

可变频率合成法可以根据需要选择各种输出频率。这种方法是将基准振荡器（晶振）产生的标准频率信号，利用倍频器、分频器、混频器和滤波器等进行一系列运算可获得所需的频率输出。例如，采用图2-23所示的方法，就可以得到4.628MHz高稳定度的频率信号。

在可变频率合成法中，由于基准频率转换输出频率所需的时间主要取决于混频器、滤波器、倍频器和分频器等电路的稳定时间和传输时间，这些时间一般较小（微秒级），因此这种方法的频率转换速度较快。但是它需要大量的混频器和滤波器，从而造成其体积大、价格高，且难于集成化，一般只适用于实验室、固定通信以及要求转换时间较小的场合使用。

以上两种方法均属于模拟直接合成法。

3．数字直接合成法

模拟直接合成法是通过对基准频率人为的进行算术运算得到所需的频率。自20世纪70年代以来，由于大规模集成电路及计算机技术的发展，数字直接合成法（Direct Digital Fre-quency Synthests，DDS）应运而生。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且还可以产生不同初始相位的正弦波，甚至可以产生各种任意波形。

图2-24所示为数字直接合成法的原理框图，由顺序地址发生器、ROM、锁存器和DAC等电路构成，所有单元电路均在标准时钟控制下协调工作。

工作过程如下，CPU先将余弦编码表和正弦编码表送给ROM1和ROM2，然后在标准时钟的作用下，推动顺序地址发生器工作，产生连续变化的地址，将ROM1和ROM2的内容顺序读出，再通过锁存器及DAC分别输出正弦及余弦波形中的一个电压点。当顺序地址发生器从“0”开始计数到满度值再回到全“0”时，表示一个完整的周期波形已经输出完毕，如此重复进行，便可以得到连续的波形信号。由于两个输出波形保持严格的正交性，频率可由软件来控制，因此，这种软件控制的数字直接合成法得到了广泛的应用。

2.5.2 间接合成法

间接合成法也称为锁相合成法，它是利用锁相环（PLL）的频率合成方法，即对频率的加、减、乘、除运算是通过锁相环来间接完成的。锁相信号发生器是在高性能的调谐信号源中进一步增加了频率计数器，并将信号源的振荡频率用锁相原理锁定在频率计数器的时基上，而频率计数器又是以高稳定度的石英晶体振荡器为基准频率的，因此可使锁相信号发生器的输出频率稳定度和准确度大大提高，能达到与基准频率相同的水平。

由于锁相环也具有滤波作用，因此可以省去直接合成法中所用的大量滤波器，且可以自动跟踪输入频率，因而结构简单、价格低廉和便于集成，在频率合成技术中获得了广泛的应用。但间接合成法受锁相环锁定过程的限制，转换速度较慢，转换时间一般为毫秒级。

1．基本锁相环

图2-25所示为锁相环电路的基本框图。它主要由基准频率源、鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）构成的一个闭环负反馈系统，所以习惯上又称为锁相环电路。

锁相环电路的工作过程（锁相原理）为：利用鉴相器PD比较fi与fo的相位差Δϕ，输出与Δϕ成正比的误差电压Ud，Ud经LPF滤波后送至VCO，改变VCO的固有振荡频率fo，并使fo向基准频率源输入频率fi靠拢，这个过程称为频率牵引。当fo=fi时，环路很快就稳定下来，此时PD的两个输入信号的相位差为一个恒定值，即Δϕ=C（C为常量），这种状态称为环路的相位锁定状态。可概括如下

可见，当环路锁定时，其输出频率fo具有与fi相同的频率特性，即锁相环能够使VCO输出频率的指标与基准频率的指标相同。

2．锁相环的几种基本形式

（1）倍频锁相环

倍频锁相环可对输入信号频率进行乘法运算，有两种基本形式，如图2-26所示。

图2-26a是数字倍频环。它首先将fo进行N分频，然后在PD中与输入频率fi比较，当环路锁定时，PD两输入信号的频率相等，即fo/N=fi。因此，倍频环的输出频率为fo=Nfi。

图2-26b是脉冲倍频环。它先将基准频率fi信号形成含有丰富谐波分量的窄脉冲，然后让其中的第N次谐波与fo信号在PD中进行比较。当环路锁定后，VCO的输出频率fo与基准信号的第N次谐波频率相等，即fo=Nfi，从而达到倍频的目的。脉冲倍频环可获得高达上千次的倍频。

倍频环的作用是实现宽频范围内的点频覆盖，扩展合成器的高端频率，特别是用于制作频率间隙较大的高频及甚高频合成器。

（2）分频锁相环

分频锁相环对输入信号频率进行除法运算，分频环可用于向低端扩展合成器的频率范围。与倍频环类似，它也有两种形式，如图2-27所示。当环路锁定时，输出频率为fo=fi/N。

（3）混频锁相环

如图2-28所示，混频锁相环由混频器（M）、带通滤波器（BPF）和基本锁相环组成，它可以实现频率的加、减运算。

当混频器为差频（-）时，fi1=fo-fi2，则fo=fi1+fi2；当混频器为和频（+）时，fi1=fo+fi2，则fo=fi1-fi2。

设晶振fi1=10000kHz，频率稳定度为1×10-6/d，fi2为内插振荡器的输出频率，fi2=100～110kHz，且连续可调，频率稳定度为1×10-4/d。按差频式混频器合成有fo=fi1+fi2，则fo=10100～10110kHz，Δfo=Δfi1+Δfi2=10+（10～11）=20～21Hz，取Δfo最大值时，Δfo/fo≈2.1×10-6/d。可见，利用混频锁相环，不仅实现了10kHz范围内的频率连续调节，而且使fo的频率稳定度达到晶体振荡器频率稳定度的数量级。

需要指出的是，锁相技术除应用于测试技术外，还广泛应用于电视、通信和自动控制等工程技术领域。小数分频技术是一种在锁相环基础上为提高频率分辨率而发展起来的实用技术，是用N具有小数部分的倍频锁相环来实现的，例如，N=3.7，N=25.8等。这种技术已广泛应用到通信和控制等领域。小数分频技术的最大特点是在不降低基准频率基础上可提高频率的分辨率，从而解决了转换速率和频率分辨率之间的矛盾。