频率源分析与设计

第1章 频率源概述 1 1.1 频率源简介 1 1.1.1 频率源的类别及其优缺点 1 1.1.2 合成频率源的主要技术指标 2 1.1.3 合成频率源的基本原理 3 1.2 频率源的发展和重要性 5 1.3 频率源的关键技术和工程设计要点 5 第2章 频率源合成方法概述 6 2.1 非相干合成法 6 2.2 漂移对消法 6 2.3 倍频、分频、混频法 7 2.4 谐波选取法 7 2.5 直接模拟式合成法 7 2.6 直接数字式合成法 8 2.7 模拟锁相环合成法 8 2.8 混频锁相环合成法 9 2.9 复杂锁相环合成法 9 2.10 数字锁相环合成法 9 2.11 小数分频锁相环合成法 10 2.12 取样锁相环合成法 11 2.13 谐波混频锁相环合成法 12 2.14 注入锁相合成法 12 2.15 锁定YIG振荡器合成法 13 第3章 合成频率源的原理分析及设计注意事项 14 3.1 直接模拟式合成频率源 14 3.1.1 直接模拟式合成频率源的基本原理 14 3.1.2 直接模拟式合成频率源的优缺点 14 3.1.3 直接模拟式合成频率源的关键电路 14 3.2 直接数字式合成频率源 15 3.2.1 直接数字式合成频率源的基本原理 15 3.2.2 直接数字式合成频率源的优缺点 16 3.2.3 直接数字式合成频率源的电路选择 16 3.3 间接模拟式合成频率源 16 3.3.1 相位反馈系统的基本原理 16 3.3.2 锁相环分析 18 3.4 间接数字式合成频率源 23 3.5 设计注意事项 25 3.5.1 方案选择 25 3.5.2 低相位噪声设计 25 3.5.3 VCO的选择 25 3.5.4 滤波器设计 26 3.5.5 分频器的使用 26 第4章 合成频率源的工程设计 27 4.1 S波段间接模拟式雷达用频率源 27 4.1.1 设计方案 27 4.1.2 系统设计难点及关键技术 28 4.1.3 主要技术指标 29 4.2 基于单片集成锁相环Q3036的数字式频率源 29 4.2.1 单片集成锁相环Q3036 30 4.2.2 基于Q3036的频率源设计 34 4.2.3 基于Q3036设计频率源时的注意事项 37 4.3 低相位噪声数字锁相环频率源 38 4.3.1 间接数字式频率源的分析 38 4.3.2 低噪声数字式频率源的设计 39 4.3.3 L波段数字锁相环 39 4.4 C波段多环数字锁相频率源 40 4.4.1 技术指标要求 40 4.4.2 设计方案 40 4.4.3 实验结果及分析 42 4.5 S波段直接式气象雷达用频率源 43 4.5.1 气象雷达对频率源的要求 44 4.5.2 设计方案 44 4.5.3 主要技术指标 45 4.5.4 本设计的优点 46 4.6 天气雷达用频率源 46 4.6.1 方案设计 47 4.6.2 工程优化设计 49 4.6.3 实验数据及测量方法 50 4.7 基于DDS的频率源 50 4.7.1 DDS作为中频信号产生源 50 4.7.2 DDS变频式L波段频率源 51 4.7.3 DDS与锁相环相结合的L波段频率源 52 4.7.4 DDS内插式C波段频率源 52 4.7.5 DDS小数分频式X波段频率源 53 4.8 DDS与直接模拟式合成相结合的频率源 53 4.8.1 技术指标要求 54 4.8.2 设计方案 54 4.8.3 实验结果及分析 56 4.9 DDS与间接数字式合成相结合的频率源 56 4.9.1 技术指标要求 57 4.9.2 设计方案 57 4.9.3 实验结果及分析 60 4.10 直接式超宽带频率源 61 4.10.1 技术指标要求 61 4.10.2 设计方案 61 4.10.3 实验结果及分析 63 4.11 基于小数分频锁相环的频率源 64 4.11.1 小数分频锁相环的基本原理 64 4.11.2 ∑Δ调制技术 65 4.11.3 杂散分析 68 4.11.4 相位噪声分析 72 4.11.5 频率精度分析 74 4.12 间接式模块化雷达用频率源 76 4.12.1 雷达用频率源的分析 76 4.12.2 方案分析 77 4.12.3 通用方案论证 80 4.12.4 模块化雷达用频率源介绍 82 第5章 自激振荡频率源的原理分析和工程设计 85 5.1 概述 85 5.2 反馈型振荡器的原理分析 85 5.2.1 振荡原理分析 85 5.2.2 振荡条件分析 86 5.3 三点式振荡器的原理分析 89 5.3.1 电容三点式振荡器 89 5.3.2 电感三点式振荡器 90 5.3.3 改进型三点式振荡器 91 5.4 LC振荡器的工程设计 94 5.5 石英晶体振荡器的原理分析 95 5.5.1 石英晶体谐振器 95 5.5.2 石英晶体振荡器电路 98 5.6 低相位噪声晶体振荡器的工程设计 101 5.6.1 恒温晶体振荡器电路 102 5.6.2 晶体振荡电路的设计 102 5.6.3 幅度放大电路的设计 103 5.6.4 电源处理电路的设计 104 5.6.5 精密控温电路的设计 104 5.6.6 设计结果及分析 105 第6章 频率源中常用电路的分析与设计 106 6.1 概述 106 6.2 电路的分析、设计与测量 106 6.2.1 电路分析 106 6.2.2 电路设计 107 6.2.3 电路测量 107 6.3 电路之间隔离的分析与设计 108 6.3.1 电路隔离分析及常用的隔离器件和隔离电路 108 6.3.2 电路之间的隔离 110 6.3.3 电路系统中信号通道之间的隔离 111 6.4 单片放大器电路的分析与设计 112 6.4.1 单片放大器的参数定义 113 6.4.2 单片放大器电路的分析与设计 113 6.4.3 单片倍频放大器的分析与设计 116 6.5 混频器电路的分析与设计 117 6.5.1 混频器的基本原理 117 6.5.2 混频器的主要技术指标 118 6.5.3 混频器电路的分析与设计 120 6.5.4 双平衡混频器的扩展使用 121 6.6 倍频器电路的分析与设计 121 6.6.1 倍频器的基础及分析 121 6.6.2 参量倍频器 122 6.6.3 三极管倍频器 122 6.6.4 宽带倍频器 122 6.6.5 倍频器中的杂散和相位噪声 123 6.6.6 常用的倍频电路 123 6.7 谐波发生器的分析与设计 124 6.7.1 谐波发生器与阶跃恢复二极管 124 6.7.2 谐波发生器的设计 124 6.7.3 UCHG型谐波发生器的实现 125 6.8 选频电路的分析与设计 127 6.8.1 滤波器 127 6.8.2 电子开关 129 6.8.3 开关滤波组件 130 6.9 鉴频器电路的分析与设计 131 6.9.1 鉴频器的主要技术指标 131 6.9.2 鉴频器的种类及理论分析 132 6.9.3 鉴频器的电路设计 135 6.10 压控振荡器电路的分析与设计 136 6.10.1 压控振荡器的基本参数 137 6.10.2 振荡电路的构成形式 138 6.10.3 振荡器设计注意事项 140 6.11 其他常用电路的分析与设计 141 6.11.1 分频器 141 6.11.2 运算放大器及D/A变换电路 142 6.11.3 频率源控制电路 142 6.11.4 隔离器、 功分器、定向耦合器及衰减器 142 6.11.5 检波器及故障检测电路 143 第7章 频率源的相位噪声分析与测量 144 7.1 频率源的相位噪声分析 144 7.1.1 概述 144 7.1.2 相位噪声的相关概念 145 7.1.3 直接式频率源中的相位噪声分析 151 7.1.4 间接式频率源中的相位噪声分析 154 7.1.5 相位噪声与热噪声和噪声系数的关系 158 7.2 频率源的相位噪声测量 158 7.2.1 频谱仪直接测量法 158 7.2.2 鉴相器测量法 160 7.2.3 鉴频器测量法 163 7.2.4 调幅噪声测量 165 7.3 相位噪声对电路系统的影响166 7.3.1 相位噪声对接收机的影响 166 7.3.2 相位噪声对通信系统的影响 166 7.3.3 相位噪声对多普勒雷达系统的影响 167 7.4 用HP3048A相位噪声测试系统测量相位噪声 168 7.4.1 HP3048A系统简介 168 7.4.2 HP3048A系统的性能指标 168 7.4.3 HP3048A系统的组成及功能 173 7.4.4 HP3048A系统的测量原理 175 7.4.5 HP3048A系统的具体测量步骤 176 7.4.6 HP3048A系统的自动相位噪声测量 178 第8章 频率源的时域频率稳定度分析与测量 179 8.1 概述 179 8.1.1 引言 179 8.1.2 影响频率稳定度的主要因素 180 8.1.3 频率源的幂律谱噪声 181 8.1.4 表征量σ2y(τ)、Sy(fm)、Sφ(fm)相互之间的关系 181 8.2 时域频率稳定度的分析 182 8.2.1 时域频率稳定度的定义及分析 182 8.2.2 几种方差之间的关系 186 8.2.3 时域频率稳定度常用的几种表征方法 191 8.3 用数字式频率计测量短期频率稳定度 192 8.3.1 数字式频率计的测量原理 192 8.3.2 用数字式频率计直接测量频率 194 8.3.3 用数字式频率计直接测量短期频率稳定度 194 8.4 用差频周期法测量短期频率稳定度 195 8.4.1 差频周期法的测量原理 195 8.4.2 差频周期法的测量误差分析 196 8.5 时域频率稳定度的实际测量 198 8.5.1 测量仪表及设备的准备 198 8.5.2 测量系统框图及其测量原理 199 8.5.3 测量步骤及测量结果的表达 199 8.6 频率稳定度分析仪HP5390A简介 200 8.7 短期频率稳定度测量中的几个问题 202 第9章 频率源的快速频率捕获及跳频时间的分析与测量 205 9.1 合成频率源的跳频时间分析 205 9.1.1 通用跳频时间的分析 205 9.1.2 直接合成式频率源的跳频时间分析 206 9.1.3 间接合成式频率源的跳频时间分析 207 9.1.4 跳频时间的测量 208 9.2 锁相式频率源的捕获方法及跳频时间分析 208 9.2.1 锁相环的捕获方法 209 9.2.2 混频分频锁相式频率源的捕获方案 211 9.2.3 锁相式频率源的跳频时间分析 212 9.2.4 实现快速跳频的措施 213 9.2.5 实验结果及分析 214 9.3 间接式雷达频率源的跳频控制及快速捕获方法 214 9.3.1 问题的提出 214 9.3.2 跳频控制及快速捕获方案 214 9.3.3 快速捕获分析 215 9.3.4 快速捕获的设计计算 216 9.4 用数字鉴频器实现模拟锁相环的捕获 216 9.4.1 数字鉴频器的工作原理及方案设计 217 9.4.2 用数字鉴频器实现锁相环的宽带捕获 217 9.4.3 用数字鉴频器进行捕获和精确预置 218 第10章 频率源的其他技术指标分析和低杂散设计 219 10.1 频率源的输出频段、频率步进和输出功率 219 10.2 频率源的输出杂散 219 10.2.1 频率源的杂散分析 220 10.2.2 杂散对电子系统的影响 220 10.2.3 频率源的低杂散设计 220 第11章 频率源的电磁兼容设计 223 11.1 概述 223 11.1.1 电磁干扰的来源 223 11.1.2 电磁干扰的途径 223 11.1.3 抗干扰措施 223 11.2 电路系统中的接地设计 224 11.2.1 电路系统的地网设计 224 11.2.2 电子电路的地线设计 226 11.3 电路系统中的馈电设计 230 11.3.1 电源馈电引入的干扰 230 11.3.2 抑制、削弱通过电源的干扰 231 11.4 电路系统中的屏蔽设计 231 11.4.1 静电屏蔽 231 11.4.2 磁屏蔽 232 11.4.3 电磁屏蔽 233 11.5 电路中的信号传输设计 236 11.5.1 导线、电线的耦合干扰 236 11.5.2 导线、电缆的辐射耦合 237 11.5.3 干扰和耦合的抑制 237 11.6 电路印制板的设计 238 11.6.1 电路中元器件的选择 238 11.6.2 印制板存在的干扰 238 11.6.3 抑制印制板干扰的措施 239 11.7 电路系统中电磁兼容设计的提纲 239 第12章 频率源的工程设计 240 12.1 一般频率源的设计步骤 240 12.2 频率源的工程设计 240 12.2.1 频率源的方案设计 241 12.2.2 频率源的工程设计内容 242 12.2.3 可靠性论证 242 12.2.4 工程试验 243 12.3 频率源工程设计中常见的问题 243 12.3.1 工程设计中容易忽视的问题 243 12.3.2 元器件选择时容易忽视的问题 244 12.3.3 几个主要部件在应用时容易忽视的问题 244 12.4 频率源工程设计中应注意的问题 245 12.4.1 模拟锁相环在工程设计中应注意的问题 245 12.4.2 数字锁相环在工程设计中应注意的问题 246 12.4.3 频率源系统电磁兼容设计中应注意的问题 246 参考文献 248