電子測量技術(shù)第3章 測量用信號發(fā)生器

1、3.1 3.1 信號發(fā)生器概述信號發(fā)生器概述3.1.13.1.1信號源的作用信號源的作用 能產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的能產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器稱為信號源，信號源在電子系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)信號發(fā)生器稱為信號源，信號源在電子系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)、測試、校準(zhǔn)及維護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用。例如在電子測量、測試、校準(zhǔn)及維護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用。例如在電子測量中，一個系統(tǒng)電參數(shù)的數(shù)值或特性中，一個系統(tǒng)電參數(shù)的數(shù)值或特性( (如電阻的阻值、放大如電阻的阻值、放大器的放大倍數(shù)、四端網(wǎng)絡(luò)的頻率特性等器的放大倍數(shù)、四端網(wǎng)絡(luò)的頻率特性等) )必須在一定的電必須在一定的電信號作用下才能表現(xiàn)

2、出來。信號作用下才能表現(xiàn)出來。 可以借助于信號源，將其產(chǎn)生的信號作為輸入激可以借助于信號源，將其產(chǎn)生的信號作為輸入激勵信號，觀察系統(tǒng)響應(yīng)的方法進(jìn)行測量。另一方面，勵信號，觀察系統(tǒng)響應(yīng)的方法進(jìn)行測量。另一方面，許多電子系統(tǒng)的性能只有在一定信號的作用下才能顯許多電子系統(tǒng)的性能只有在一定信號的作用下才能顯現(xiàn)出來，如揚(yáng)聲器，電視機(jī)等。揚(yáng)聲器只有在外加音現(xiàn)出來，如揚(yáng)聲器，電視機(jī)等。揚(yáng)聲器只有在外加音頻信號時才能發(fā)聲，如果不給電視機(jī)外加電視信號，頻信號時才能發(fā)聲，如果不給電視機(jī)外加電視信號，其屏幕上就不會有圖像。和示波器、電壓表、頻率計其屏幕上就不會有圖像。和示波器、電壓表、頻率計等儀器一樣，信號源是電子

3、測量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用等儀器一樣，信號源是電子測量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。最廣泛的一類電子儀器。 在其他領(lǐng)域，信號源也有著廣泛的應(yīng)用，例如機(jī)械部門在其他領(lǐng)域，信號源也有著廣泛的應(yīng)用，例如機(jī)械部門的超聲波探傷、醫(yī)療部門的超聲波診斷、頻譜治療儀等。歸的超聲波探傷、醫(yī)療部門的超聲波診斷、頻譜治療儀等。歸納起來，信號源的用途主要有以下三個方面：納起來，信號源的用途主要有以下三個方面： (1) (1) 激勵源激勵源 在研制、生產(chǎn)、使用、測試和維修各種電子元器件、部在研制、生產(chǎn)、使用、測試和維修各種電子元器件、部件及整機(jī)設(shè)備時，都需要有信號源作為激勵信號，由它產(chǎn)生件及整機(jī)設(shè)備時，都需要有信

4、號源作為激勵信號，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件設(shè)備不同頻率、不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件設(shè)備上，用其他測量儀器觀察、測量被測者的輸出響應(yīng)，以分析上，用其他測量儀器觀察、測量被測者的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。確定它們的性能參數(shù)。(2) (2) 標(biāo)準(zhǔn)信號源標(biāo)準(zhǔn)信號源 如標(biāo)準(zhǔn)的正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器、脈沖波發(fā)生器、如標(biāo)準(zhǔn)的正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器、脈沖波發(fā)生器、 電視信號發(fā)生器等。這些信號一類是用于產(chǎn)生一些標(biāo)準(zhǔn)信號電視信號發(fā)生器等。這些信號一類是用于產(chǎn)生一些標(biāo)準(zhǔn)信號，提供給某類設(shè)備測量專用；另一類是用作對一般信號源校，提供給某類設(shè)備測量專用；另一類是

5、用作對一般信號源校準(zhǔn)，亦稱為校準(zhǔn)源。準(zhǔn)，亦稱為校準(zhǔn)源。(3) (3) 信號仿真信號仿真( (信號模擬器信號模擬器) ) 若要研究設(shè)備在實際環(huán)境下所受到的影響，而又暫時無若要研究設(shè)備在實際環(huán)境下所受到的影響，而又暫時無法到實際環(huán)境中測量時，可以利用信號源給其施加與實際環(huán)法到實際環(huán)境中測量時，可以利用信號源給其施加與實際環(huán)境相同特性的信號來測量，這時信號源就要仿真實際的特征境相同特性的信號來測量，這時信號源就要仿真實際的特征信號，如噪聲信號、高頻干擾信號等。信號，如噪聲信號、高頻干擾信號等。3.2.1 3.2.1 信號發(fā)生器的分類信號發(fā)生器的分類 信號源的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，種類繁多，性能指標(biāo)各異，分信

6、號源的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，種類繁多，性能指標(biāo)各異，分類方法亦不同。按類方法亦不同。按用途用途有專用和通用之分；按性能有一般和有專用和通用之分；按性能有一般和標(biāo)準(zhǔn)信號源之分；按標(biāo)準(zhǔn)信號源之分；按調(diào)制類型調(diào)制類型可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制及組合調(diào)制信號發(fā)生器等；按脈沖調(diào)制及組合調(diào)制信號發(fā)生器等；按頻率調(diào)節(jié)方式頻率調(diào)節(jié)方式可分為可分為掃頻、程控信號發(fā)生器等。下面介紹幾種主要的分類方法。掃頻、程控信號發(fā)生器等。下面介紹幾種主要的分類方法。 按照輸出信號的頻率來分，大致可以分為按照輸出信號的頻率來分，大致可以分為6 6類：類： (1) (1) 超低頻率信號發(fā)生器，頻率范圍為超

7、低頻率信號發(fā)生器，頻率范圍為0.0010.0011000Hz1000Hz； (2) (2) 低頻信號發(fā)生器，頻率范圍低頻信號發(fā)生器，頻率范圍1Hz1Hz1MHz; 1MHz; (3) (3) 視頻信號發(fā)生器，頻率范圍為視頻信號發(fā)生器，頻率范圍為20Hz20Hz10MHz10MHz；(4) (4) 高頻信號發(fā)生器，頻率范圍為高頻信號發(fā)生器，頻率范圍為200kHz200kHz30MHz30MHz； (5) (5) 甚高頻信號發(fā)生器，頻率范圍在甚高頻信號發(fā)生器，頻率范圍在30MHz30MHz300MHz300MHz； (6) (6) 超高頻信號發(fā)生器，頻率在超高頻信號發(fā)生器，頻率在300MHz300

8、MHz以上。以上。 應(yīng)該指出，應(yīng)該指出， 按頻段劃分的方法并不是一種嚴(yán)格的界限，按頻段劃分的方法并不是一種嚴(yán)格的界限， 目前許多信號發(fā)生器可以跨越幾個頻段。目前許多信號發(fā)生器可以跨越幾個頻段。2.2.按輸出的波形可以分為：按輸出的波形可以分為：(1)(1)正弦波形發(fā)生器，產(chǎn)生正弦波形或受調(diào)制的正弦信號；正弦波形發(fā)生器，產(chǎn)生正弦波形或受調(diào)制的正弦信號；(2)(2)脈沖信號發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖寬度不同的重復(fù)脈沖；脈沖信號發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖寬度不同的重復(fù)脈沖；(3)(3)函數(shù)信號發(fā)生器，產(chǎn)生幅度與時間成一定函數(shù)關(guān)系的信號；函數(shù)信號發(fā)生器，產(chǎn)生幅度與時間成一定函數(shù)關(guān)系的信號；(4)(4)噪聲信號發(fā)生器，產(chǎn)生

9、模擬各種干擾的電壓信號。噪聲信號發(fā)生器，產(chǎn)生模擬各種干擾的電壓信號。 3.3.按照信號發(fā)生器的性能標(biāo)準(zhǔn)按照信號發(fā)生器的性能標(biāo)準(zhǔn)，可以分為一般的信號發(fā)生，可以分為一般的信號發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器。器和標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器。 在各類信號發(fā)生器中，正弦信號發(fā)生器是最普通、應(yīng)用在各類信號發(fā)生器中，正弦信號發(fā)生器是最普通、應(yīng)用最廣泛的一類，幾乎滲透到所有的電子學(xué)實驗及測量中。最廣泛的一類，幾乎滲透到所有的電子學(xué)實驗及測量中。其原因除了正弦信號容易產(chǎn)生，容易描述，又是應(yīng)用最廣其原因除了正弦信號容易產(chǎn)生，容易描述，又是應(yīng)用最廣的載波信號外，還由于任何線性雙口網(wǎng)絡(luò)的特性，都可以的載波信號外，還由于任何線性雙口網(wǎng)絡(luò)的

10、特性，都可以用它對正弦信號的響應(yīng)來表征。用它對正弦信號的響應(yīng)來表征。011100fff式中，式中，f f0 0為刻度盤或數(shù)字顯示數(shù)值，也稱預(yù)調(diào)值，為刻度盤或數(shù)字顯示數(shù)值，也稱預(yù)調(diào)值，f f1 1是輸出正弦信號頻率的實際值。是輸出正弦信號頻率的實際值。頻率準(zhǔn)確度實際上是輸出信號頻率的工作誤差。用頻率準(zhǔn)確度實際上是輸出信號頻率的工作誤差。用刻度盤讀數(shù)的信號發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度約為刻度盤讀數(shù)的信號發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度約為(1%(1% 10%)10%)，精密低頻信號發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度可達(dá)，精密低頻信號發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%0.5%。例如調(diào)諧式。例如調(diào)諧式XFC-6XFC-6型標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，其頻率標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)

11、信號發(fā)生器，其頻率標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)于準(zhǔn)優(yōu)于1%1%，而一些采用頻率合成技術(shù)帶有數(shù)字顯，而一些采用頻率合成技術(shù)帶有數(shù)字顯示的信號發(fā)生器，其輸出信號具有基準(zhǔn)頻率示的信號發(fā)生器，其輸出信號具有基準(zhǔn)頻率( (晶振晶振) )的準(zhǔn)確度，若機(jī)內(nèi)采用高穩(wěn)定度晶體振蕩器，輸出的準(zhǔn)確度，若機(jī)內(nèi)采用高穩(wěn)定度晶體振蕩器，輸出頻率的準(zhǔn)確度可達(dá)到頻率的準(zhǔn)確度可達(dá)到1010-8-8 1010-10-10。 (3) (3) 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度指標(biāo)要求與頻率準(zhǔn)確度相關(guān)。頻率穩(wěn)定度是頻率穩(wěn)定度指標(biāo)要求與頻率準(zhǔn)確度相關(guān)。頻率穩(wěn)定度是指其他外界條件恒定不變的情況下，指其他外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內(nèi)，信號發(fā)在規(guī)定時間內(nèi)

12、，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小生器輸出頻率相對于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，頻。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，頻率穩(wěn)定又分為率穩(wěn)定又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長期穩(wěn)定度頻率短期穩(wěn)定度和頻率長期穩(wěn)定度。 頻率短期穩(wěn)定度頻率短期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，信號頻率在任意后，信號頻率在任意1515分鐘內(nèi)所發(fā)生的最大變化，表示為分鐘內(nèi)所發(fā)生的最大變化，表示為maxmin0100fff式中，式中，f f0 0為預(yù)調(diào)頻率，為預(yù)調(diào)頻率，f fmaxmax、f fminmin分別為任意分別為任意1515分鐘的信號頻率分鐘的信號頻率的最大值和最小值。的最大值和最小

13、值。頻率長期穩(wěn)定度定義頻率長期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，信號頻率在任意時間后，信號頻率在任意3 3小時所發(fā)生的最大變化，小時所發(fā)生的最大變化，表示為表示為 x1010-6 -6 + + y式中式中, , x x、y y是由廠家確定的性能指標(biāo)值，也可以用是由廠家確定的性能指標(biāo)值，也可以用上式表示頻率長期穩(wěn)定度。上式表示頻率長期穩(wěn)定度。 需要指出，許多廠商的產(chǎn)品技術(shù)說明書中，需要指出，許多廠商的產(chǎn)品技術(shù)說明書中，并未按上述方式給出頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。例如國產(chǎn)并未按上述方式給出頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。例如國產(chǎn)HG1010HG1010信號發(fā)生器和信號發(fā)生器和( (美美)

14、KH4024)KH4024信號發(fā)生器的頻信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度都是率穩(wěn)定度都是0.01%/0.01%/h h，含義是經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時，含義是經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，兩種信號發(fā)生器每小時間后，兩種信號發(fā)生器每小時( (h h) )的頻率漂移的頻率漂移( (f fmaxmax- -f fminmin) )與預(yù)調(diào)值與預(yù)調(diào)值f f0 0之比為之比為0.01%0.01%。有些則以天為時間單位表示穩(wěn)定度。例如國產(chǎn)有些則以天為時間單位表示穩(wěn)定度。例如國產(chǎn)QF1480QF1480合成信號發(fā)生器頻率穩(wěn)定度為合成信號發(fā)生器頻率穩(wěn)定度為5 51010-10-10/ /天，天，而而QF1076QF1076信號發(fā)生器信號

15、發(fā)生器( (頻率范圍頻率范圍10 MHz10 MHz520 MHz)520 MHz)頻率穩(wěn)定度為頻率穩(wěn)定度為50501010-6-6/5min+1 kHz/5min+1 kHz，是用相對值，是用相對值和絕對值的組合形式表示穩(wěn)定度。又如，國產(chǎn)和絕對值的組合形式表示穩(wěn)定度。又如，國產(chǎn)XD-1XD-1型低頻信號發(fā)生器通電預(yù)熱型低頻信號發(fā)生器通電預(yù)熱3030分鐘后，第分鐘后，第1 1小時內(nèi)頻小時內(nèi)頻率漂移不超過率漂移不超過0.1%0.1%f f0 0(Hz)(Hz)，其后，其后7 7小時內(nèi)不超過小時內(nèi)不超過0.2%0.2%f f0 0(Hz)(Hz)。 通常，通用信號發(fā)聲器的頻率穩(wěn)定度為通常，通用信號

16、發(fā)聲器的頻率穩(wěn)定度為1010-2-21010-4-4，用于精密測量的高精度高穩(wěn)定度信號發(fā)生器的頻率用于精密測量的高精度高穩(wěn)定度信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度應(yīng)高于穩(wěn)定度應(yīng)高于1010-6-6 1010-7-7, , 而且而且要求頻率穩(wěn)定度一要求頻率穩(wěn)定度一般應(yīng)比頻率準(zhǔn)確度高般應(yīng)比頻率準(zhǔn)確度高1-21-2個數(shù)量級個數(shù)量級。例如。例如XD-2XD-2型低型低頻信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于頻信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%0.1%，頻率準(zhǔn)確度，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于優(yōu)于(1(1 3)%3)%。2. 2. 輸出特性輸出特性輸出特性指標(biāo)主要有輸出特性指標(biāo)主要有輸出阻抗、輸出電平、非線性失真輸出阻抗、輸出電平、非線性失真

17、系數(shù)系數(shù)三項指標(biāo)。三項指標(biāo)。 (1) (1) 輸出阻抗輸出阻抗 作為信號源，輸出阻抗的概念在作為信號源，輸出阻抗的概念在“電路電路”或或“電子電路電子電路”課程中都有說明。信號發(fā)生器的輸出阻抗視其類型不同課程中都有說明。信號發(fā)生器的輸出阻抗視其類型不同而異。低頻信號發(fā)生器，電壓輸出端的輸出阻抗一般為而異。低頻信號發(fā)生器，電壓輸出端的輸出阻抗一般為600(600(或或1k)1k)，功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計而，功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計而定，通常有定，通常有5050，7575，150150，600600和和5k5k等擋。高頻等擋。高頻信號發(fā)生器一般僅有信號發(fā)生器一般僅有5050或或7

18、575擋。當(dāng)使用高頻信號發(fā)生擋。當(dāng)使用高頻信號發(fā)生器時，要特別注意阻抗的匹配。器時，要特別注意阻抗的匹配。 (2) (2) 輸出電平輸出電平 輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍，即由產(chǎn)品標(biāo)，即由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率及其準(zhǔn)規(guī)定的信號發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率及其衰減范圍內(nèi)所得到輸出幅度的有效范圍。輸出幅度可以用衰減范圍內(nèi)所得到輸出幅度的有效范圍。輸出幅度可以用電壓電壓(V(V，mV, V)mV, V)或分貝表示。例如或分貝表示。例如XD-1XD-1低頻率信號發(fā)生低頻率信號發(fā)生器的最大電壓輸出為器的最大電壓輸出為1Hz1

19、Hz1MHz1MHz5V5V，最大功率輸出為，最大功率輸出為10Hz10Hz700 kHz(50700 kHz(50、7575、150150、600)600)4W4W。 在信號發(fā)生器的輸出級中，一般都包括在信號發(fā)生器的輸出級中，一般都包括衰減器衰減器，其目的是獲得從微伏級其目的是獲得從微伏級(V)(V)到毫伏到毫伏(mV)(mV)級的小級的小信號電壓信號電壓。例如。例如XD-1XD-1型信號發(fā)生器最大信號電壓型信號發(fā)生器最大信號電壓為為5V5V，通過，通過0 080dB80dB的步進(jìn)衰減輸出，可獲得的步進(jìn)衰減輸出，可獲得500V500V的小信號電壓。在信號發(fā)生器的性能指標(biāo)的小信號電壓。在信號發(fā)

20、生器的性能指標(biāo)中，就包括中，就包括“衰減器特征衰減器特征”這一指標(biāo)，主要指衰這一指標(biāo)，主要指衰減范圍和衰減誤差減范圍和衰減誤差，例如上述，例如上述XD-1XD-1型信號發(fā)生器型信號發(fā)生器的衰減器特性為：電壓輸出，的衰減器特性為：電壓輸出，1Hz1Hz 1MHz1MHz；衰減；衰減80801.5dB1.5dB。 和頻率穩(wěn)定度指標(biāo)類似，還有輸出信號幅度穩(wěn)定度及平和頻率穩(wěn)定度指標(biāo)類似，還有輸出信號幅度穩(wěn)定度及平坦度指標(biāo)。坦度指標(biāo)。幅度穩(wěn)定度幅度穩(wěn)定度是指信號發(fā)生器經(jīng)規(guī)定時間預(yù)熱后是指信號發(fā)生器經(jīng)規(guī)定時間預(yù)熱后，在規(guī)定時間間隔內(nèi)輸出信號幅度對預(yù)調(diào)幅度值的相對變在規(guī)定時間間隔內(nèi)輸出信號幅度對預(yù)調(diào)幅度值的

21、相對變化量化量。例如。例如HG1010HG1010信號發(fā)生器幅度穩(wěn)定度為信號發(fā)生器幅度穩(wěn)定度為0.01%/h0.01%/h。平平坦度分別指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動量。坦度分別指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動量。使用者通常主要關(guān)心輸出幅度隨頻率變化的情況。像用靜使用者通常主要關(guān)心輸出幅度隨頻率變化的情況。像用靜態(tài)態(tài)“點(diǎn)頻法點(diǎn)頻法”測量放大器的幅頻特性時就是如此?，F(xiàn)代信測量放大器的幅頻特性時就是如此。現(xiàn)代信號發(fā)生器一般都有自動電平控制電路號發(fā)生器一般都有自動電平控制電路(ALC)(ALC)，可以使平坦，可以使平坦度保持在度保持在1dB1dB以內(nèi)，即幅度波動控制在以內(nèi)，即幅度波動控

22、制在10%10%以內(nèi)，例如以內(nèi)，例如XD8BXD8B超低頻信號發(fā)生器的幅頻特性小于超低頻信號發(fā)生器的幅頻特性小于3%3%。 (3) (3) 非線性失真系數(shù)非線性失真系數(shù)( (失真度失真度) ) 正弦信號發(fā)生器的輸出在理想情況下應(yīng)為單一頻率的正正弦信號發(fā)生器的輸出在理想情況下應(yīng)為單一頻率的正弦波，但由于信號發(fā)生器內(nèi)部放大器等元器件的非線性，弦波，但由于信號發(fā)生器內(nèi)部放大器等元器件的非線性，會使輸出信號產(chǎn)生非線性失真，除了所需要的正弦波頻率會使輸出信號產(chǎn)生非線性失真，除了所需要的正弦波頻率外，外， 還有其他諧波分量。人們通常用信號頻譜純度來說還有其他諧波分量。人們通常用信號頻譜純度來說明輸出信號波

23、形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數(shù)明輸出信號波形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數(shù)表示：表示： 222231nUUUU式中，式中，U U1 1為輸出信號基波有效值，為輸出信號基波有效值，U U2 2、U U3 3、為各次諧波有為各次諧波有效值。由于效值。由于U U2 2、U U3 3、U Un n等較等較U U1 1小得多，為了測量上的方便小得多，為了測量上的方便，也常用下面的公式定義；，也常用下面的公式定義；2222322212nnUUUUUU%100 一般低頻正弦信號發(fā)生器的失真度為一般低頻正弦信號發(fā)生器的失真度為0.1%0.1%1%1%，高，高檔正弦信號發(fā)生器失真度可低于檔正弦信號

24、發(fā)生器失真度可低于0.005%0.005%。例如。例如XD-2XD-2低頻低頻信號發(fā)生器電壓輸出的失真度信號發(fā)生器電壓輸出的失真度0.1%0.1%。而。而ZN1030ZN1030的非線的非線性失真系數(shù)性失真系數(shù)0.003%0.003%。對于高頻信號發(fā)生器，這項指標(biāo)。對于高頻信號發(fā)生器，這項指標(biāo)要求很低，作為工程測量用儀器，其非線性失真系數(shù)要求很低，作為工程測量用儀器，其非線性失真系數(shù)5%5%，以眼睛觀察不到波形失真即可。另外，人們通常，以眼睛觀察不到波形失真即可。另外，人們通常只用非線性失真來評價低頻信號發(fā)生器，而用頻譜純度只用非線性失真來評價低頻信號發(fā)生器，而用頻譜純度來評價高頻信號發(fā)生器，

25、頻譜純度不僅要考慮高次諧波來評價高頻信號發(fā)生器，頻譜純度不僅要考慮高次諧波造成的失真，還要考慮由非諧波噪聲而造成的正弦波失造成的失真，還要考慮由非諧波噪聲而造成的正弦波失真。真。3. 3. 調(diào)制特性調(diào)制特性高頻信號發(fā)生器在輸出正弦波的同時，一般還能輸出高頻信號發(fā)生器在輸出正弦波的同時，一般還能輸出一種或兩種以上的已被調(diào)制的信號。一種或兩種以上的已被調(diào)制的信號。 多數(shù)情況下是調(diào)幅信號和調(diào)頻信號，有些還帶有調(diào)相多數(shù)情況下是調(diào)幅信號和調(diào)頻信號，有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制功能。和脈沖調(diào)制功能。當(dāng)調(diào)制信號由信號發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時成當(dāng)調(diào)制信號由信號發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時成為內(nèi)調(diào)制，當(dāng)調(diào)制信號由外部加到信號發(fā)生器時，

26、稱為外為內(nèi)調(diào)制，當(dāng)調(diào)制信號由外部加到信號發(fā)生器時，稱為外調(diào)制。調(diào)制。這類帶有輸出已調(diào)波功能的信號發(fā)生器，是測試無這類帶有輸出已調(diào)波功能的信號發(fā)生器，是測試無線電收發(fā)設(shè)備等場合不可缺少的儀器。例如，線電收發(fā)設(shè)備等場合不可缺少的儀器。例如，XFC-6XFC-6標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，就具備內(nèi)、外調(diào)幅，內(nèi)、外調(diào)頻，或進(jìn)行內(nèi)信號發(fā)生器，就具備內(nèi)、外調(diào)幅，內(nèi)、外調(diào)頻，或進(jìn)行內(nèi)調(diào)幅時進(jìn)行外調(diào)頻，或同時進(jìn)行外調(diào)幅與外調(diào)頻等功能。調(diào)幅時進(jìn)行外調(diào)頻，或同時進(jìn)行外調(diào)幅與外調(diào)頻等功能。而像而像HP8663HP8663這類高檔合成信號發(fā)生器，同時具有調(diào)幅、調(diào)這類高檔合成信號發(fā)生器，同時具有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制等功能

27、。頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制等功能。 評價信號發(fā)生器的性能指標(biāo)不止上述各項，這里僅就評價信號發(fā)生器的性能指標(biāo)不止上述各項，這里僅就最常用的最重要的項目作了概括介紹。最常用的最重要的項目作了概括介紹。 由于使用目的、制造工藝、工作機(jī)理等諸方面的因素，由于使用目的、制造工藝、工作機(jī)理等諸方面的因素， 各類信號發(fā)生器的性能指標(biāo)相差是很懸殊的，因而價格相各類信號發(fā)生器的性能指標(biāo)相差是很懸殊的，因而價格相差也就很大，所以在選用信號發(fā)生器的時候差也就很大，所以在選用信號發(fā)生器的時候( (選用其他測量選用其他測量儀器也是如此儀器也是如此) )，必須考慮合理性和經(jīng)濟(jì)性。以對頻率的準(zhǔn)，必須考慮合理性和經(jīng)濟(jì)性。以對頻率的

28、準(zhǔn)確度要求為例，當(dāng)測試諧振回路的頻率特性、電阻值和電確度要求為例，當(dāng)測試諧振回路的頻率特性、電阻值和電容損耗角隨頻率變化時，僅需要容損耗角隨頻率變化時，僅需要1 11010-2-21 11010-3-3的準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，而當(dāng)測廣播通信設(shè)備時，則要求確度，而當(dāng)測廣播通信設(shè)備時，則要求1010-5-51010-7-7的準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，顯然，兩種場合應(yīng)當(dāng)選用不同檔次的信號發(fā)生器。確度，顯然，兩種場合應(yīng)當(dāng)選用不同檔次的信號發(fā)生器。 圖圖1 1 信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖 (1) (1) 主振器：它是信號源的核心，由它產(chǎn)生不同頻率、不主振器：它是信號源的核心，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號。由于

29、要產(chǎn)生的信號頻率、波形不同，其原理、同波形的信號。由于要產(chǎn)生的信號頻率、波形不同，其原理、 結(jié)構(gòu)差異很大。結(jié)構(gòu)差異很大。 (2)(2) 緩沖級：對主振器產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大、整形等。緩沖級：對主振器產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大、整形等。 (3) (3) 調(diào)制級：在需要輸出調(diào)制波形時，對原始信號按照調(diào)調(diào)制級：在需要輸出調(diào)制波形時，對原始信號按照調(diào)幅、調(diào)頻等要求進(jìn)行調(diào)制。幅、調(diào)頻等要求進(jìn)行調(diào)制。 (4)(4) 輸出級：輸出級的功能是調(diào)節(jié)輸出信號的電平和輸出輸出級：輸出級的功能是調(diào)節(jié)輸出信號的電平和輸出阻抗，可以由衰減器、匹配變壓器以及射極跟隨器等構(gòu)成。阻抗，可以由衰減器、匹配變壓器以及射極跟隨器等構(gòu)成。 (5

30、) (5) 指示器：指示器用來監(jiān)視輸出信號，可以是電指示器：指示器用來監(jiān)視輸出信號，可以是電子電壓表、功率計、頻率計和調(diào)制度表等，有些脈沖信子電壓表、功率計、頻率計和調(diào)制度表等，有些脈沖信號發(fā)生器還附帶有簡易示波器。使用時可通過指示器來號發(fā)生器還附帶有簡易示波器。使用時可通過指示器來調(diào)整輸出信號的頻率、幅度及其他特征。通常情況下指調(diào)整輸出信號的頻率、幅度及其他特征。通常情況下指示器接于衰減器之前，并且由于指示儀表本身準(zhǔn)確度不示器接于衰減器之前，并且由于指示儀表本身準(zhǔn)確度不高，其示值僅供參考，從輸出端輸出信號的實際特性需高，其示值僅供參考，從輸出端輸出信號的實際特性需要其他更準(zhǔn)確的測量儀表來測量

31、。要其他更準(zhǔn)確的測量儀表來測量。 (6) (6) 電源：提供信號發(fā)生器各部分的工作電源電壓。電源：提供信號發(fā)生器各部分的工作電源電壓。通常是將通常是將50Hz50Hz交流市電整流成直流，并有良好的穩(wěn)壓措交流市電整流成直流，并有良好的穩(wěn)壓措施。施。 3.3 3.3 函數(shù)信號發(fā)生器工作原理函數(shù)信號發(fā)生器工作原理 它在輸出正弦波的同時還能輸出同頻率的三角波、方波、它在輸出正弦波的同時還能輸出同頻率的三角波、方波、鋸齒波等波形，以滿足不同的測試要求，因其時間波形可用某鋸齒波等波形，以滿足不同的測試要求，因其時間波形可用某些時間函數(shù)來描述而得名。些時間函數(shù)來描述而得名。 3.3.1 3.3.1 電路工作

32、原理電路工作原理 電路工作原理框圖如圖電路工作原理框圖如圖3.3.13.3.1所示。所示。3.3.2 3.3.2 典型電路分析典型電路分析3.4 DDS3.4 DDS數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器數(shù)字式頻率合成信號發(fā)生器3.4.1 3.4.1 頻率合成的原理頻率合成的原理在現(xiàn)代測量和現(xiàn)代通信技術(shù)中，需要高穩(wěn)定度、在現(xiàn)代測量和現(xiàn)代通信技術(shù)中，需要高穩(wěn)定度、高純度的頻率信號源。這種高穩(wěn)定度的信號不能用高純度的頻率信號源。這種高穩(wěn)定度的信號不能用LCLC或或RCRC振蕩器振蕩器( (穩(wěn)定度只能達(dá)到穩(wěn)定度只能達(dá)到1010-3-31010-4-4量級量級) )產(chǎn)生，產(chǎn)生，而一般采用晶體振蕩器而一般采用晶體振蕩

33、器( (穩(wěn)定度可以優(yōu)于穩(wěn)定度可以優(yōu)于1010-6-61010-8-8量量級級) )來產(chǎn)生，但晶體振蕩器只能產(chǎn)生一個固定的頻率來產(chǎn)生，但晶體振蕩器只能產(chǎn)生一個固定的頻率。當(dāng)要獲得許多穩(wěn)定的信號頻率時，采用很多個晶體。當(dāng)要獲得許多穩(wěn)定的信號頻率時，采用很多個晶體振蕩器來產(chǎn)生是不現(xiàn)實的，而采用頻率合成的方法就振蕩器來產(chǎn)生是不現(xiàn)實的，而采用頻率合成的方法就能方便地實現(xiàn)。能方便地實現(xiàn)。 頻率合成是由一個或多個高穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率頻率合成是由一個或多個高穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率( (一般由高一般由高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的石英晶體振蕩器產(chǎn)生) )，通過基本的代數(shù)運(yùn)算，通過基本的代數(shù)運(yùn)算( (加、減加、減、乘、除、

34、乘、除) )，得到一系列所需的頻率，得到一系列所需的頻率。通過合成產(chǎn)生的各種。通過合成產(chǎn)生的各種頻率信號，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到與基準(zhǔn)頻率源基本相同的量頻率信號，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到與基準(zhǔn)頻率源基本相同的量級。與其他方式的正弦波信號發(fā)生器相比，信號源的頻率穩(wěn)級。與其他方式的正弦波信號發(fā)生器相比，信號源的頻率穩(wěn)定度可以提高定度可以提高3 34 4個數(shù)量級。個數(shù)量級。 頻率的代數(shù)運(yùn)算頻率的代數(shù)運(yùn)算是通過倍頻、分頻及混頻技術(shù)來實現(xiàn)的是通過倍頻、分頻及混頻技術(shù)來實現(xiàn)的。分頻分頻實現(xiàn)頻率的除，即輸入頻率是輸出頻率的某一整數(shù)倍實現(xiàn)頻率的除，即輸入頻率是輸出頻率的某一整數(shù)倍。倍頻倍頻實現(xiàn)頻率的乘，即輸出頻率為輸入

35、頻率的整數(shù)倍。頻實現(xiàn)頻率的乘，即輸出頻率為輸入頻率的整數(shù)倍。頻率的加減則是通過頻率的率的加減則是通過頻率的混頻混頻來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。 3.4.2 3.4.2 頻率合成的分類及特點(diǎn)頻率合成的分類及特點(diǎn)頻率合成技術(shù)已發(fā)展近五十年的時間，特別是隨著集成頻率合成技術(shù)已發(fā)展近五十年的時間，特別是隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展而不斷的發(fā)展和完善。當(dāng)前主要的頻率合成方電路技術(shù)的發(fā)展而不斷的發(fā)展和完善。當(dāng)前主要的頻率合成方式有：式有：直接頻率合成和間接頻率合成直接頻率合成和間接頻率合成，直接頻率合成又可以分，直接頻率合成又可以分為模擬直接頻率合成和數(shù)字直接頻率合成。為模擬直接頻率合成和數(shù)字直接頻率合成。 1. 1. 直

36、接頻率合成法直接頻率合成法(1) (1) 模擬直接合成法模擬直接合成法 模擬直接合成法是借助電子線路直接對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算模擬直接合成法是借助電子線路直接對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，輸出各種需要的頻率。術(shù)運(yùn)算，輸出各種需要的頻率。 鑒于采用模擬電子技術(shù)，所以又稱為直接模擬頻率合成鑒于采用模擬電子技術(shù)，所以又稱為直接模擬頻率合成法法(Direct Analog Frequency Synthesis(Direct Analog Frequency Synthesis，DAFS)DAFS)。常見的。常見的電路有以下兩種。電路有以下兩種。 (1) (1) 固定頻率合成法固定頻率合成法。下圖為固定頻率合成原

37、理框圖。圖。下圖為固定頻率合成原理框圖。圖中，石英晶體振蕩器提供基準(zhǔn)頻率中，石英晶體振蕩器提供基準(zhǔn)頻率f fr r，D D 為分頻器的分頻系為分頻器的分頻系數(shù)，數(shù)，N N 為倍頻器的倍頻系數(shù)。因此，輸出頻率為倍頻器的倍頻系數(shù)。因此，輸出頻率f fo o為為 式中，式中，D D 和和N N 均為給定的正整數(shù)。輸出頻率為定值，均為給定的正整數(shù)。輸出頻率為定值，所以稱為固定頻率合成法。所以稱為固定頻率合成法。 rfDNf 0圖圖 固定頻率合成原理固定頻率合成原理(2) (2) 可變頻率合成法可變頻率合成法 下圖是利用直接模擬式頻率合成實現(xiàn)可變頻率合成的原理框圖，下圖是利用直接模擬式頻率合成實現(xiàn)可變頻

38、率合成的原理框圖，它是它是通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法，由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生一通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法，由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生一系列頻率信號并用窄帶濾波器選出系列頻率信號并用窄帶濾波器選出。以實現(xiàn)。以實現(xiàn)3.628MHz3.628MHz輸出信號輸出信號為例，由晶體振蕩器產(chǎn)生的為例，由晶體振蕩器產(chǎn)生的1MHz1MHz基準(zhǔn)頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生1MHz1MHz、2MHz2MHz、9MHz9MHz等多個基準(zhǔn)頻率信號，將這些頻率信號等多個基準(zhǔn)頻率信號，將這些頻率信號進(jìn)行進(jìn)行1010分頻分頻( (完成完成1010運(yùn)算運(yùn)算) )、混頻、混頻( (完成加法運(yùn)算完成加法運(yùn)算) )和濾波

39、，最和濾波，最后產(chǎn)生所需的后產(chǎn)生所需的3.628MHz3.628MHz輸出信號。只要選取不同的諧波并進(jìn)行輸出信號。只要選取不同的諧波并進(jìn)行相應(yīng)的組合就可以得到所需的信號。相應(yīng)的組合就可以得到所需的信號。 圖圖 模擬直接式頻率合成原理框圖模擬直接式頻率合成原理框圖 直接模擬式頻率合成的優(yōu)點(diǎn)是頻率切換迅速，相位噪聲很直接模擬式頻率合成的優(yōu)點(diǎn)是頻率切換迅速，相位噪聲很低。其缺點(diǎn)是電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量的混頻器、分頻器低。其缺點(diǎn)是電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量的混頻器、分頻器及帶通濾波器等，因而體積大，價格昂貴，不便于集成化。及帶通濾波器等，因而體積大，價格昂貴，不便于集成化。 (2) (2) 數(shù)字直

40、接合成法數(shù)字直接合成法 前面兩種信號合成方法都是基于頻率合成的原理，用模前面兩種信號合成方法都是基于頻率合成的原理，用模擬的方法，通過對基準(zhǔn)頻率擬的方法，通過對基準(zhǔn)頻率f fr r進(jìn)行加、減、乘、除算術(shù)運(yùn)算進(jìn)行加、減、乘、除算術(shù)運(yùn)算得到所需要的輸出頻率。自得到所需要的輸出頻率。自2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代以來，由于大規(guī)模年代以來，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及計算機(jī)技術(shù)的普及，開創(chuàng)了另一種信號集成電路的發(fā)展以及計算機(jī)技術(shù)的普及，開創(chuàng)了另一種信號合成技術(shù)合成技術(shù)直接數(shù)字頻率合成法直接數(shù)字頻率合成法(Direct Digital (Direct Digital Frequency Synthsis

41、Frequency Synthsis，DDFS)DDFS)。它的原理是基于取樣技術(shù)和。它的原理是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需要的信號。它突數(shù)字計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需要的信號。它突破了前兩種頻率合成法的原理，破了前兩種頻率合成法的原理，從從“相位相位”的概念出發(fā)進(jìn)行的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成頻率合成。 這種合成方法不僅可以給出不同頻率的正弦波，這種合成方法不僅可以給出不同頻率的正弦波，而且還而且還可以給出不同初始相位可以給出不同初始相位的正弦波，甚至可以的正弦波，甚至可以給出各種各樣形狀的任意波形給出各種各樣形狀的任意波形。在前述兩種合成方。在前述兩種合成方法中，

42、后兩個性能是無法實現(xiàn)的。此合成方法的優(yōu)法中，后兩個性能是無法實現(xiàn)的。此合成方法的優(yōu)點(diǎn)是點(diǎn)是能夠解決快捷變和小步進(jìn)之間的矛盾能夠解決快捷變和小步進(jìn)之間的矛盾，且集成，且集成度高，體積小。但是由于度高，體積小。但是由于D/AD/A等器件的速率度限制，等器件的速率度限制，其頻率上限較低，雜散也較大。其頻率上限較低，雜散也較大。 2. 2. 間接頻率合成法間接頻率合成法間接頻率合成法是基于鎖相環(huán)間接頻率合成法是基于鎖相環(huán)(Phase Locked Loop(Phase Locked Loop， PLL)PLL)的原理的原理，利用鎖相環(huán)，利用鎖相環(huán)(PLL)(PLL)把壓控振蕩器把壓控振蕩器(VCO)(

43、VCO)的輸出頻的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，鎖相環(huán)可以看做為中心頻率能自動跟率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，鎖相環(huán)可以看做為中心頻率能自動跟蹤輸入基準(zhǔn)頻率的窄帶濾波器。如果蹤輸入基準(zhǔn)頻率的窄帶濾波器。如果在鎖相環(huán)內(nèi)加入有關(guān)電在鎖相環(huán)內(nèi)加入有關(guān)電路就可以對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生人們需要的各種頻路就可以對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生人們需要的各種頻率率。由于它不同于模擬直接合成法，不是用電子線路直接對。由于它不同于模擬直接合成法，不是用電子線路直接對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行運(yùn)算，故稱為間接合成法?；鶞?zhǔn)頻率進(jìn)行運(yùn)算，故稱為間接合成法。 鎖相式頻率合成的優(yōu)點(diǎn)是：易于集成化、體積小、結(jié)構(gòu)鎖相式頻率合成的優(yōu)點(diǎn)是：易于集成化、體

44、積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、價格低等，但是它的頻率切換時間相對較長。簡單、功耗小、價格低等，但是它的頻率切換時間相對較長。 3.4.3 3.4.3 直接數(shù)字頻率合成的基本原理直接數(shù)字頻率合成的基本原理 直接數(shù)字合成的過程是在標(biāo)準(zhǔn)時鐘的作用下，通直接數(shù)字合成的過程是在標(biāo)準(zhǔn)時鐘的作用下，通過控制電路按照一定的地址關(guān)系從數(shù)據(jù)存儲器過控制電路按照一定的地址關(guān)系從數(shù)據(jù)存儲器ROM(ROM(或或RAM)RAM)單元中讀出數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換單元中讀出數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)(D/A)，就可，就可以得到一定頻率的輸出波形。由于輸出信號以得到一定頻率的輸出波形。由于輸出信號( (在在D/AD/A的的輸出端輸

45、出端) )為階梯狀，為了使之成為理想正弦波還必須為階梯狀，為了使之成為理想正弦波還必須進(jìn)行濾波，濾除其中的高頻分量，所以在進(jìn)行濾波，濾除其中的高頻分量，所以在D/AD/A之后接之后接一平滑濾波器，最后輸出頻率為一平滑濾波器，最后輸出頻率為f fo o的正弦信號波形。的正弦信號波形。 1. DDS1. DDS組成原理組成原理直接數(shù)字合成直接數(shù)字合成(Direct Digital Synthesis(Direct Digital Synthesis，DDS)DDS)的基本的基本原理是基于取樣技術(shù)和計算技術(shù)，通過數(shù)字合成來生成頻率和原理是基于取樣技術(shù)和計算技術(shù)，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對于固定的

46、參考頻率可調(diào)的信號。相位對于固定的參考頻率可調(diào)的信號。 任何頻率的正弦波形都可以看做是由一系列取樣點(diǎn)所組成。任何頻率的正弦波形都可以看做是由一系列取樣點(diǎn)所組成。設(shè)取樣時鐘頻率為設(shè)取樣時鐘頻率為fcfc，正弦波每個周期由，正弦波每個周期由K K 個取樣點(diǎn)構(gòu)成，則個取樣點(diǎn)構(gòu)成，則該正弦波的頻率為該正弦波的頻率為KfKTfcc01式中，式中，TcTc為取樣時鐘周期。為取樣時鐘周期。 如果改變?nèi)訒r鐘頻率如果改變?nèi)訒r鐘頻率fcfc, ,則可以改變輸出正弦波的頻率則可以改變輸出正弦波的頻率f fo o。其基本實現(xiàn)原理框圖下圖所示。其基本實現(xiàn)原理框圖下圖所示。 圖圖 DDS DDS原理框圖原理框圖其中虛

47、線框內(nèi)為相位累加器。其中虛線框內(nèi)為相位累加器。 如果將一個完整周期的正弦波形幅值數(shù)據(jù)存放如果將一個完整周期的正弦波形幅值數(shù)據(jù)存放于波形存儲器于波形存儲器ROMROM中，地址計數(shù)器在參考時鐘中，地址計數(shù)器在參考時鐘f fc c的的作用下進(jìn)行加作用下進(jìn)行加1 1的累加計數(shù)，生成對應(yīng)的地址，并的累加計數(shù)，生成對應(yīng)的地址，并將該地址存儲的波形數(shù)據(jù)通過將該地址存儲的波形數(shù)據(jù)通過D/AD/A轉(zhuǎn)換器輸出，就轉(zhuǎn)換器輸出，就完成了合成的波形。其合成波形的完成了合成的波形。其合成波形的輸出頻率取決于輸出頻率取決于兩個因數(shù)兩個因數(shù)：參考時鐘頻率：參考時鐘頻率f fc c、ROMROM中存儲的正弦波。中存儲的正弦波。

48、因此改變時鐘頻率因此改變時鐘頻率f fc c或改變或改變ROMROM中每周期波形的采中每周期波形的采樣點(diǎn)數(shù)樣點(diǎn)數(shù)K K，均能改變輸出頻率，均能改變輸出頻率f fo o。 2. 2. 相位累加器原理相位累加器原理如果改變地址計數(shù)器計數(shù)步進(jìn)值如果改變地址計數(shù)器計數(shù)步進(jìn)值( (即以值即以值M M ( (M M 1)1)來進(jìn)行累加來進(jìn)行累加) )，則在保持時鐘頻率，則在保持時鐘頻率f fc c 和和ROMROM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)不變的情況下，可以改變每周期的采樣點(diǎn)數(shù)，從而不變的情況下，可以改變每周期的采樣點(diǎn)數(shù)，從而實現(xiàn)輸出頻率實現(xiàn)輸出頻率f fo o的改變。例如的改變。例如, , 設(shè)存儲器中存儲了設(shè)存儲器中存儲

49、了K K個數(shù)據(jù)個數(shù)據(jù)( (一個周期的采樣數(shù)據(jù)一個周期的采樣數(shù)據(jù)) )，則地址計數(shù)器步進(jìn)，則地址計數(shù)器步進(jìn)為為1 1時，輸出頻率時，輸出頻率f fo o= =f fc c/ /K K，如果地址計數(shù)步進(jìn)為，如果地址計數(shù)步進(jìn)為M M， 則每周期取樣點(diǎn)數(shù)為則每周期取樣點(diǎn)數(shù)為K K/ /M M，輸出頻率，輸出頻率f fo o=(=(M M/ /K K) )f fc c。 地址計數(shù)器步進(jìn)值改變可以通過相位累加器法地址計數(shù)器步進(jìn)值改變可以通過相位累加器法來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。 相位累加器在參考時鐘相位累加器在參考時鐘f fc c作用下進(jìn)行累加，相位累加的作用下進(jìn)行累加，相位累加的步進(jìn)幅度步進(jìn)幅度( (相位增量相位

50、增量)由頻率控制字由頻率控制字M M 決定。設(shè)相位累加器決定。設(shè)相位累加器為為N N 位位( (其累加值為其累加值為K K ) )，頻率控制字為，頻率控制字為M M ，則每來一個時鐘，則每來一個時鐘作用后累加器的值作用后累加器的值K Ki+1i+1=K=Ki i+M,+M,若若K Ki+1i+12 2N N則自動溢出則自動溢出(N(N為累加器為累加器中的余數(shù)保留中的余數(shù)保留) )，參加下一次累加。將累加器輸出中的高，參加下一次累加。將累加器輸出中的高A A( (A AN N) )位數(shù)據(jù)作為波形存儲器的地址，即丟掉了低位位數(shù)據(jù)作為波形存儲器的地址，即丟掉了低位( (N N- -A A) )的地的

51、地址址( (又稱為相位截尾又稱為相位截尾) )，波形存儲器的輸出經(jīng)，波形存儲器的輸出經(jīng)D/AD/A轉(zhuǎn)換和濾波后轉(zhuǎn)換和濾波后輸出。輸出。 為了便于理解，我們可以將正弦波看做一個矢量沿相位圓為了便于理解，我們可以將正弦波看做一個矢量沿相位圓轉(zhuǎn)動，相位圓對應(yīng)正弦波一個周期的波形。波形中的每個采樣轉(zhuǎn)動，相位圓對應(yīng)正弦波一個周期的波形。波形中的每個采樣點(diǎn)對應(yīng)相位圓上的一個相位點(diǎn)。點(diǎn)對應(yīng)相位圓上的一個相位點(diǎn)。圖圖 數(shù)字相位圓數(shù)字相位圓 如果正弦波形定位到相位圓上的精度為如果正弦波形定位到相位圓上的精度為N N位，則其分辨位，則其分辨力為力為1/21/2N N, , 即以即以f fc c對基本波形一周期的采

52、樣數(shù)為對基本波形一周期的采樣數(shù)為2 2N N。如果相。如果相位累加時的步進(jìn)為位累加時的步進(jìn)為M(M(頻率控制字頻率控制字) )，則每個時鐘，則每個時鐘f fc c使得相位使得相位累加器的值增加累加器的值增加K/2K/2N N, , 即即M Mi+1i+1=M=Mi i+(K/2+(K/2N N), ), 因此每周期的取因此每周期的取樣點(diǎn)數(shù)為樣點(diǎn)數(shù)為2 2N N/K,/K,則輸出頻率為則輸出頻率為co2fMfN 為了提高波形相位精度，為了提高波形相位精度，N N的取值應(yīng)較大的取值應(yīng)較大(LUT(LUT的長度的長度) )，如，如果直接將果直接將N N全部作為波形存儲器的地址，則要求采用的存儲器全部

53、作為波形存儲器的地址，則要求采用的存儲器容量極大，一般舍去容量極大，一般舍去N N的低位，只取的低位，只取N N的高的高A A位位( (如高如高1616位位) )作為作為存儲器地址，使得相位的低位被截斷存儲器地址，使得相位的低位被截斷( (即相位截尾即相位截尾) )。當(dāng)相位值。當(dāng)相位值變化小于變化小于1/21/2A A時時, , 波形幅值并不會發(fā)生變化，但輸出頻率的分波形幅值并不會發(fā)生變化，但輸出頻率的分辨力并不會降低，辨力并不會降低，由于地址截斷而引起的幅值誤差稱為截斷誤由于地址截斷而引起的幅值誤差稱為截斷誤差。差。 3.4.4 DDS3.4.4 DDS的性能的性能 因為輸出信號實際上是以時

54、鐘因為輸出信號實際上是以時鐘f fc c的速率對波形進(jìn)行取樣，的速率對波形進(jìn)行取樣， 從獲得的樣本值中恢復(fù)出來的。根據(jù)取樣定理從獲得的樣本值中恢復(fù)出來的。根據(jù)取樣定理f fomaxomax(f fc c/2)/2)， 所以所以M M 22N N-1-1，實際中一般取，實際中一般取M M 22N N-2-2。(1)(1)當(dāng)當(dāng)M M 1 1時，輸出頻率最小，時，輸出頻率最小，f fominomin=(1/2=(1/2N N) )f fc c。(2)(2)輸出頻率的分辨力輸出頻率的分辨力f f 由相位累加器的位數(shù)由相位累加器的位數(shù)N N 決定，即決定，即f f =(1/2=(1/2N N) )f f

55、c c。例如例如, , 若參考時鐘頻率為若參考時鐘頻率為1GHz1GHz，累加器相位為，累加器相位為3232位，則頻率分位，則頻率分辨力為辨力為0.233Hz0.233Hz。而。而M M改變時，其頻率分辨力不會發(fā)生變化，因改變時，其頻率分辨力不會發(fā)生變化，因此此DDSDDS可以解決快捷變與小步進(jìn)之間的矛盾。由于可以解決快捷變與小步進(jìn)之間的矛盾。由于D/AD/A、存儲器、存儲器等器件速率的限制，等器件速率的限制，DDSDDS輸出頻率的上限不是很高，目前，一輸出頻率的上限不是很高，目前，一般只能達(dá)到幾十般只能達(dá)到幾十MHzMHz。 3.5 DDS3.5 DDS芯片的應(yīng)用芯片的應(yīng)用3.5.1 AD9

56、8523.5.1 AD9852的特性介紹的特性介紹DDSDDS可以合成頻率分辨力和精度很高的信號，解決了快可以合成頻率分辨力和精度很高的信號，解決了快捷變與小步進(jìn)的矛盾，并且實現(xiàn)了捷變與小步進(jìn)的矛盾，并且實現(xiàn)了DDSDDS信號源的單片集成化。信號源的單片集成化。 圖為一種集成單片圖為一種集成單片DDSDDS芯片芯片AD9852AD9852的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它包括了相的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它包括了相位累加器、波形存儲器、位累加器、波形存儲器、D/AD/A及時鐘源等部分。及時鐘源等部分。 圖圖 AD9852 DDS AD9852 DDS原理結(jié)構(gòu)框圖原理結(jié)構(gòu)框圖 外部輸入的參考時鐘經(jīng)外部輸入的參考時鐘經(jīng)4 4202

57、0倍倍頻，為倍倍頻，為DDSDDS提供最高可到提供最高可到300MHz300MHz的時鐘頻率。通過可編程寄存器，可以設(shè)置的時鐘頻率。通過可編程寄存器，可以設(shè)置4848位頻率控位頻率控制字制字和和1414位相位控制字位相位控制字，從而實現(xiàn)頻率和相位控制。，從而實現(xiàn)頻率和相位控制。D/AD/A之前加之前加入了一個數(shù)字乘法器，以實現(xiàn)幅度調(diào)制。入了一個數(shù)字乘法器，以實現(xiàn)幅度調(diào)制。1212位控制字送入位控制字送入MUXMUX中，中， 實現(xiàn)對輸出信號的幅度控制。另外該芯片還設(shè)置了一個高速比實現(xiàn)對輸出信號的幅度控制。另外該芯片還設(shè)置了一個高速比較器，可以將較器，可以將DDSDDS輸出的正弦波信號變?yōu)榉讲ㄐ盘?/p>

58、。輸出的正弦波信號變?yōu)榉讲ㄐ盘枴?該芯片的該芯片的4848位頻率控制字使得輸出位頻率控制字使得輸出頻率分辨率可達(dá)頻率分辨率可達(dá)1Hz1Hz，1414位相位控制字可以提供分辨率為位相位控制字可以提供分辨率為0.0220.022的相位控制的相位控制。在內(nèi)部。在內(nèi)部參考時鐘選擇為最大即參考時鐘選擇為最大即300MHz300MHz時，輸出頻率最高可達(dá)時，輸出頻率最高可達(dá)100MHz100MHz。 3.6 3.6 頻率合成技術(shù)的發(fā)展頻率合成技術(shù)的發(fā)展3.6.1 3.6.1 幾種合成技術(shù)的比較幾種合成技術(shù)的比較如前所述，頻率合成技術(shù)可分為模擬直接合成技術(shù)、數(shù)如前所述，頻率合成技術(shù)可分為模擬直接合成技術(shù)、數(shù)

59、字直接合成技術(shù)和鎖相環(huán)間接頻率合成技術(shù)，三種合成方法基字直接合成技術(shù)和鎖相環(huán)間接頻率合成技術(shù)，三種合成方法基于不同原理，各有不同的特點(diǎn)。于不同原理，各有不同的特點(diǎn)。模擬直接合成法模擬直接合成法雖然轉(zhuǎn)換速度雖然轉(zhuǎn)換速度快快( (s s量級量級) )，但是由于電路復(fù)雜，難以集成化，因此其發(fā)展，但是由于電路復(fù)雜，難以集成化，因此其發(fā)展受到一定的限制。受到一定的限制。 數(shù)字直接合成法數(shù)字直接合成法基于大規(guī)模集成電路和計算機(jī)技基于大規(guī)模集成電路和計算機(jī)技術(shù)，尤其適用函數(shù)波形和任意波形的信號源，將進(jìn)一術(shù)，尤其適用函數(shù)波形和任意波形的信號源，將進(jìn)一步得到發(fā)展，但目前有關(guān)芯片的發(fā)展速度還跟不上高步得到發(fā)展，但

60、目前有關(guān)芯片的發(fā)展速度還跟不上高頻信號的需要，利用頻信號的需要，利用DDFSDDFS專用芯片僅能產(chǎn)生專用芯片僅能產(chǎn)生100MHz100MHz正正弦波，其相位累加器可達(dá)弦波，其相位累加器可達(dá)3232位，在基準(zhǔn)時鐘為位，在基準(zhǔn)時鐘為100MHz100MHz時輸出頻率分辨力可達(dá)時輸出頻率分辨力可達(dá)0.023Hz0.023Hz，可貴的是這一優(yōu)良，可貴的是這一優(yōu)良性能在其他合成方法中是難以達(dá)到的。性能在其他合成方法中是難以達(dá)到的。 鎖相環(huán)頻率合成鎖相環(huán)頻率合成雖然轉(zhuǎn)換速度慢雖然轉(zhuǎn)換速度慢(ms(ms量級量級),),但其輸出但其輸出信號頻率可達(dá)超高頻頻段甚至微波信號頻率可達(dá)超高頻頻段甚至微波, ,輸出信號