合成信号源的原理与概述

1.合成信号源概述

（1）频率合成的基本概念

现代测量和现代通信技术中，需要高稳定度的频率信号源。LC或RC振荡器的频率稳定度只能达到10^-3～10^-4量级，而晶体振荡器的稳定度可以优于10^-6～10^-8量级，但晶体振荡器只能产生一个固定的频率。采用频率合成的方法，可获得许多稳定的信号频率。

频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率，通过基本的代数运算（加、减、乘、除）的组合，合成一系列所需的频率。通过合成产生的各种频率信号，频率稳定度可以达到与基准频率源相同的量级。它与以RC或LC自激振荡器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3～4个量级。

频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现的。分频器实现频率的除，即分频器的输入频率是输出频率的某一整数倍。倍频器实现频率的乘，即倍频器的输出频率为输入频率的整数倍。频率的加减则是通过混频器来实现的。

（2）频率合成方法的分类

频率合成方法可分为直接模拟频率合成、锁相频率合成和直接数字频率合成三种方法。

1）直接模拟频率合成法。早期的频率合成是直接利用倍频器、分频器、混频器及滤波器等模拟电路来合成所需要的频率。所以这种方法称为直接模拟频率合成法。

直接频率合成法的优点是工作可靠，频率切换速度快，相位噪声低。但是它需要大量的混频器、分频器和滤波器，特别是可调的窄带滤波器，设计与制作模拟电路的技术难度大，且难于集成化，体积庞大，价格昂贵。

2）锁相频率合成法（间接频率合成法）。锁相环（PLL）能把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，锁相频率合成方法是通过不同形式的锁相环从一个基准频率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。

锁相环路本身相当于一个窄带跟踪滤波器，它替代了大量可调的窄带滤波器，简化了结构，且易于集成化、易于计算机控制。不足之处是它的频率切换时间相对较长。(www.xing528.com)

3）直接数字频率合成法。该方法是近年来发展起来的一种新的频率合成法。它利用相位累加器提供一定增量的地址，去读取数据存储器中的正弦采样值，再经D-A转换得到一定频率的正弦信号。该方法是从相位的概念出发进行频率合成，不仅可以直接产生正弦信号的频率，而且还可以给出初始相位，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。

直接数字频率合成具有频率切换速度快、频率分辨率高、频率和相位易于程控等一系列的优点，尤其随着大规模集成电路的迅速发展，这种合成方法的应用前景越来越广阔。

2.模拟直接合成法原理

模拟直接合成法是将晶体振荡器产生的基准频率信号，利用倍频器、分频器、混频器及滤波器等模拟电路进行一系列四则运算，以获得需要的频率输出。在这种合成法中，又可分为相干式直接合成法和非相干式直接合成法。如果用多个石英晶体产生基准频率，进行合成的各个基准频率之间是相互独立的，就叫做非相干直接合成器；如果只用一个石英晶体产生基准频率，然后通过分频、倍频等，使加入合成的频率之间是相关的，就称为相干式频率合成器。图9-19为相干式直接频率合成器原理图。

图9-19 相干式直接频率合成器原理图

若要从1MHz信号的晶体振荡器中获得4.628MHz的信号，可以先将1MHz信号经谐波发生器产生各次谐波。频率选择开关S4从谐波发生器中选出8MHz信号，经分频器除以10变成0.8MHz，使它与S3从谐波发生器选出的2MHz信号进入混频器混频，经滤波器选出2.8MHz信号，并除以10后得到0.28MHz信号。再由S2从谐波发生器取出6MHz信号与0.28MHz信号混频，得到6.28MHz信号，经滤波之后再经分频器除以10得到0.628MHz信号。再将它与经S1从谐波发生器选出的4MHz信号进行混频，经滤波后输出4.628MHz信号。

从图9-19可以看出，为了得到4.628MHz信号，只需把频率合成器的开关S1、S2、S3、S4相应地放在4MHz、6MHz、2MHz、8MHz的位置上即可。

从图9-19还可以看出，增加一级基本运算单元，就可以使频率分辨率提高一个量级。这种直接式频率合成器的优点是频率转换时间短，并能产生任意小的频率增量。它的缺点是要用大量的倍频器、分频器、混频器、滤波器等部件，不仅成本高、体积大，而且输出谐波、噪声及寄生调制都难以抑制，从而影响频率的稳定度。现在，模拟式直接合成法已很少使用。