電子測(cè)量技術(shù)第3章 測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器

1、第第3 3章章 測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器3.1 3.1 信號(hào)發(fā)生器概述信號(hào)發(fā)生器概述3.1.13.1.1信號(hào)源的作用信號(hào)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(hào)發(fā)生器稱為信號(hào)源，信號(hào)源在電子系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)信號(hào)發(fā)生器稱為信號(hào)源，信號(hào)源在電子系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)、測(cè)試、校準(zhǔn)及維護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用。例如在電子測(cè)量、測(cè)試、校準(zhǔn)及維護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用。例如在電子測(cè)量中，一個(gè)系統(tǒng)電參數(shù)的數(shù)值或特性中，一個(gè)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)

2、)必須在一定的電必須在一定的電信號(hào)作用下才能表現(xiàn)出來(lái)。信號(hào)作用下才能表現(xiàn)出來(lái)。 可以借助于信號(hào)源，將其產(chǎn)生的信號(hào)作為輸入激可以借助于信號(hào)源，將其產(chǎn)生的信號(hào)作為輸入激勵(lì)信號(hào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)的方法進(jìn)行測(cè)量。另一方面，勵(lì)信號(hào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)的方法進(jìn)行測(cè)量。另一方面，許多電子系統(tǒng)的性能只有在一定信號(hào)的作用下才能顯許多電子系統(tǒng)的性能只有在一定信號(hào)的作用下才能顯現(xiàn)出來(lái)，如揚(yáng)聲器，電視機(jī)等。揚(yáng)聲器只有在外加音現(xiàn)出來(lái)，如揚(yáng)聲器，電視機(jī)等。揚(yáng)聲器只有在外加音頻信號(hào)時(shí)才能發(fā)聲，如果不給電視機(jī)外加電視信號(hào)，頻信號(hào)時(shí)才能發(fā)聲，如果不給電視機(jī)外加電視信號(hào)，其屏幕上就不會(huì)有圖像。和示波器、電壓表、頻率計(jì)其屏幕上就不會(huì)有圖像。

3、和示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣，信號(hào)源是電子測(cè)量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用等儀器一樣，信號(hào)源是電子測(cè)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(hào)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(hào)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(lái)，信號(hào)源的用途主要有以下三個(gè)方面：納起來(lái)，信號(hào)源的用途主要有以下三個(gè)方面： (1) (1) 激勵(lì)源激勵(lì)源 在研制、生產(chǎn)、使用、測(cè)試和維修各種電子元器件、部在研制、生產(chǎn)、使用、測(cè)試和維修各種電子元器件、部件及整機(jī)設(shè)備時(shí)，都需要有信號(hào)源

4、作為激勵(lì)信號(hào)，由它產(chǎn)生件及整機(jī)設(shè)備時(shí)，都需要有信號(hào)源作為激勵(lì)信號(hào)，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電壓、電流信號(hào)并加到被測(cè)器件設(shè)備不同頻率、不同波形的電壓、電流信號(hào)并加到被測(cè)器件設(shè)備上，用其他測(cè)量?jī)x器觀察、測(cè)量被測(cè)者的輸出響應(yīng)，以分析上，用其他測(cè)量?jī)x器觀察、測(cè)量被測(cè)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(hào)源標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)發(fā)生器等。這些信號(hào)一類是用于產(chǎn)生一些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電視信號(hào)發(fā)生器等。這些信號(hào)一類是用于產(chǎn)生一些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，提供給某類設(shè)備測(cè)量專用；另一類是用作

5、對(duì)一般信號(hào)源校，提供給某類設(shè)備測(cè)量專用；另一類是用作對(duì)一般信號(hào)源校準(zhǔn)，亦稱為校準(zhǔn)源。準(zhǔn)，亦稱為校準(zhǔn)源。(3) (3) 信號(hào)仿真信號(hào)仿真( (信號(hào)模擬器信號(hào)模擬器) ) 若要研究設(shè)備在實(shí)際環(huán)境下所受到的影響，而又暫時(shí)無(wú)若要研究設(shè)備在實(shí)際環(huán)境下所受到的影響，而又暫時(shí)無(wú)法到實(shí)際環(huán)境中測(cè)量時(shí)，可以利用信號(hào)源給其施加與實(shí)際環(huán)法到實(shí)際環(huán)境中測(cè)量時(shí)，可以利用信號(hào)源給其施加與實(shí)際環(huán)境相同特性的信號(hào)來(lái)測(cè)量，這時(shí)信號(hào)源就要仿真實(shí)際的特征境相同特性的信號(hào)來(lái)測(cè)量，這時(shí)信號(hào)源就要仿真實(shí)際的特征信號(hào)，如噪聲信號(hào)、高頻干擾信號(hào)等。信號(hào)，如噪聲信號(hào)、高頻干擾信號(hào)等。3.2 3.2 信號(hào)發(fā)生器的分類及工作特性信號(hào)發(fā)生器的分類及

6、工作特性3.2.1 3.2.1 信號(hào)發(fā)生器的分類信號(hào)發(fā)生器的分類 信號(hào)源的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，種類繁多，性能指標(biāo)各異，分信號(hào)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(hào)源之分；按標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)發(fā)生器等；按脈沖調(diào)制及組合調(diào)制信號(hào)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(hào)發(fā)生器等。下面介紹幾種主要的分類方法。掃頻、程控信號(hào)發(fā)生器等。下面介紹幾種主要的分類方法。 1.1. 按照輸出信

7、號(hào)的頻率來(lái)分，大致可以分為按照輸出信號(hào)的頻率來(lái)分，大致可以分為6 6類：類： (1) (1) 超低頻率信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為超低頻率信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為0.0010.0011000Hz1000Hz； (2) (2) 低頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍低頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍1Hz1Hz1MHz; 1MHz; (3) (3) 視頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為視頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為20Hz20Hz10MHz10MHz；(4) (4) 高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為200kHz200kHz30MHz30MHz； (5) (5) 甚高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍在甚高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍在30

8、MHz30MHz300MHz300MHz； (6) (6) 超高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率在超高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率在300MHz300MHz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(hào)發(fā)生器可以跨越幾個(gè)頻段。目前許多信號(hào)發(fā)生器可以跨越幾個(gè)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(hào)；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(hào)；(2)(2)脈沖信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖寬度不同的重復(fù)脈沖；脈沖信號(hào)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(hào)發(fā)

9、生器，產(chǎn)生幅度與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系的信號(hào)；函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生幅度與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系的信號(hào)；(4)(4)噪聲信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生模擬各種干擾的電壓信號(hào)。噪聲信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生模擬各種干擾的電壓信號(hào)。 3.3.按照信號(hào)發(fā)生器的性能標(biāo)準(zhǔn)按照信號(hào)發(fā)生器的性能標(biāo)準(zhǔn)，可以分為一般的信號(hào)發(fā)生，可以分為一般的信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。器和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。3.2.2 3.2.2 信號(hào)發(fā)生器的工作特性信號(hào)發(fā)生器的工作特性 在各類信號(hào)發(fā)生器中，正弦信號(hào)發(fā)生器是最普通、應(yīng)用在各類信號(hào)發(fā)生器中，正弦信號(hào)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(shí)驗(yàn)及測(cè)量中。其最廣泛的一類，幾乎滲透到所有的電子學(xué)實(shí)驗(yàn)及測(cè)量

10、中。其原因除了正弦信號(hào)容易產(chǎn)生，容易描述，又是應(yīng)用最廣的載原因除了正弦信號(hào)容易產(chǎn)生，容易描述，又是應(yīng)用最廣的載波信號(hào)外，還由于任何線性雙口網(wǎng)絡(luò)的特性，都可以用它對(duì)波信號(hào)外，還由于任何線性雙口網(wǎng)絡(luò)的特性，都可以用它對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表征。正弦信號(hào)的響應(yīng)來(lái)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(hào)頻率的實(shí)際值。是輸出正弦信號(hào)頻率的實(shí)際值。頻率準(zhǔn)確度實(shí)際上是輸出信號(hào)頻率的工作誤差。用頻率準(zhǔn)確度實(shí)際上是輸出信號(hào)頻率的工作誤差。用刻度盤讀數(shù)的信號(hào)發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度約為刻度盤讀數(shù)的信號(hào)發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度約為

11、(1%(1% 10%)10%)，精密低頻信號(hào)發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度可達(dá)，精密低頻信號(hào)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(hào)發(fā)生器，其頻率標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)發(fā)生器，其輸出信號(hào)具有基準(zhǔn)頻率示的信號(hào)發(fā)生器，其輸出信號(hào)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

12、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(shí)間內(nèi)，信號(hào)發(fā)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率相對(duì)于預(yù)調(diào)值變化的大小生器輸出頻率相對(duì)于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，頻。按照國(guó)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(zhǎng)期穩(wěn)定度頻率短期穩(wěn)定度和頻率長(zhǎng)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(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間定義為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，信號(hào)頻率在任意后，信號(hào)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maxmi

13、n0100fff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(hào)頻率分鐘的信號(hào)頻率的最大值和最小值。的最大值和最小值。頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度定義頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度定義為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，信號(hào)頻率在任意時(shí)間后，信號(hào)頻率在任意3 3小時(shí)所發(fā)生的最大變化，小時(shí)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(zhǎng)期穩(wěn)定度。上式表示頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。 需要指出，許多廠商的產(chǎn)品技術(shù)說(shuō)

14、明書中，需要指出，許多廠商的產(chǎn)品技術(shù)說(shuō)明書中，并未按上述方式給出頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。例如國(guó)產(chǎn)并未按上述方式給出頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。例如國(guó)產(chǎn)HG1010HG1010信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)發(fā)生器和( (美美)KH4024)KH4024信號(hào)發(fā)生器的頻率信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度都是穩(wěn)定度都是0.01%/0.01%/h h，含義是經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間，含義是經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，兩種信號(hào)發(fā)生器每小時(shí)后，兩種信號(hào)發(fā)生器每小時(shí)( (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(shí)間單位表示穩(wěn)定度。例如國(guó)產(chǎn)有些則以

15、天為時(shí)間單位表示穩(wěn)定度。例如國(guó)產(chǎn)QF1480QF1480合成信號(hào)發(fā)生器頻率穩(wěn)定度為合成信號(hào)發(fā)生器頻率穩(wěn)定度為5 51010-10-10/ /天，天，而而QF1076QF1076信號(hào)發(fā)生器信號(hào)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(duì)值，是用相對(duì)值和絕對(duì)值的組合形式表示穩(wěn)定度。又如，國(guó)產(chǎn)和絕對(duì)值的組合形式表示穩(wěn)定度。又如，國(guó)產(chǎn)XD-1XD-1型低頻信號(hào)發(fā)生器通電預(yù)熱型低頻信號(hào)發(fā)生器通電預(yù)熱3030分鐘后，第分鐘后，第1 1小時(shí)內(nèi)頻小時(shí)內(nèi)頻率漂移不超過(guò)率漂

16、移不超過(guò)0.1%0.1%f f0 0(Hz)(Hz)，其后，其后7 7小時(shí)內(nèi)不超過(guò)小時(shí)內(nèi)不超過(guò)0.2%0.2%f f0 0(Hz)(Hz)。 通常，通用信號(hào)發(fā)聲器的頻率穩(wěn)定度為通常，通用信號(hào)發(fā)聲器的頻率穩(wěn)定度為1010-2-21010-4-4，用于精密測(cè)量的高精度高穩(wěn)定度信號(hào)發(fā)生器的頻率用于精密測(cè)量的高精度高穩(wěn)定度信號(hào)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(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)。例如。例如XD-2XD-2型低型低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于頻信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.1

17、%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、非線性失真系數(shù)系數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)。三項(xiàng)指標(biāo)。 (1) (1) 輸出阻抗輸出阻抗 作為信號(hào)源，輸出阻抗的概念在作為信號(hào)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(shuō)明。信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗視其類型不同而課程中都有說(shuō)明。信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗視其類型不同而異。低頻信號(hào)發(fā)生器，電壓輸出端的輸出阻抗一般為異。低頻信號(hào)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

18、設(shè)計(jì)而定，通常，功率輸出端依輸出匹配變壓器的設(shè)計(jì)而定，通常有有5050，7575，150150，600600和和5k5k等擋。高頻信號(hào)發(fā)生器等擋。高頻信號(hào)發(fā)生器一般僅有一般僅有5050或或7575擋。當(dāng)使用高頻信號(hào)發(fā)生器時(shí)，要特別擋。當(dāng)使用高頻信號(hào)發(fā)生器時(shí)，要特別注意阻抗的匹配。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(hào)幅度的有效范圍輸出電平指的是輸出信號(hào)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(hào)發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率及其衰準(zhǔn)規(guī)定的信號(hào)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。輸出幅度可以用電壓減范圍內(nèi)所得到輸

19、出幅度的有效范圍。輸出幅度可以用電壓(V(V，mV, mV, VV) )或分貝表示。例如或分貝表示。例如XD-1XD-1低頻率信號(hào)發(fā)生器的最低頻率信號(hào)發(fā)生器的最大電壓輸出為大電壓輸出為1Hz1Hz1MHz1MHz5V5V，最大功率輸出為，最大功率輸出為10Hz10Hz700 700 kHz(50kHz(50、7575、150150、600)600)4W4W。 在信號(hào)發(fā)生器的輸出級(jí)中，一般都包括在信號(hào)發(fā)生器的輸出級(jí)中，一般都包括衰減器衰減器，其目的是獲得從微伏級(jí)其目的是獲得從微伏級(jí)( (VV) )到毫伏到毫伏(mV)(mV)級(jí)的小級(jí)的小信號(hào)電壓信號(hào)電壓。例如。例如XD-1XD-1型信號(hào)發(fā)生器最大

20、信號(hào)電壓為型信號(hào)發(fā)生器最大信號(hào)電壓為5V5V，通過(guò)，通過(guò)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(hào)電壓。在信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)中，就包的小信號(hào)電壓。在信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)中，就包括括“衰減器特征衰減器特征”這一指標(biāo)，主要指衰減范圍和衰這一指標(biāo)，主要指衰減范圍和衰減誤差減誤差，例如上述，例如上述XD-1XD-1型信號(hào)發(fā)生器的衰減器特性型信號(hào)發(fā)生器的衰減器特性為：電壓輸出，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(hào)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(hào)幅度穩(wěn)定度

21、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(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定時(shí)間預(yù)熱后，是指信號(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定時(shí)間預(yù)熱后，在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)輸出信號(hào)幅度對(duì)預(yù)調(diào)幅度值的相對(duì)變化量在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)輸出信號(hào)幅度對(duì)預(yù)調(diào)幅度值的相對(duì)變化量。例如。例如HG1010HG1010信號(hào)發(fā)生器幅度穩(wěn)定度為信號(hào)發(fā)生器幅度穩(wěn)定度為0.01%/h0.01%/h。平坦度分平坦度分別指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動(dòng)量。別指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動(dòng)量。使用者通使用者通常主要關(guān)心輸出幅度隨頻率變化的情況。像用靜態(tài)常主要關(guān)心輸出幅度隨頻率變化的情況。像用靜態(tài)“點(diǎn)頻法點(diǎn)頻法”測(cè)量放大器的幅頻特性時(shí)就是如此?，F(xiàn)代信號(hào)發(fā)生器一般測(cè)量

22、放大器的幅頻特性時(shí)就是如此?，F(xiàn)代信號(hào)發(fā)生器一般都有自動(dòng)電平控制電路都有自動(dòng)電平控制電路(ALC)(ALC)，可以使平坦度保持在，可以使平坦度保持在1dB1dB以以內(nèi)，即幅度波動(dòng)控制在內(nèi)，即幅度波動(dòng)控制在10%10%以內(nèi)，例如以內(nèi)，例如XD8BXD8B超低頻信號(hào)發(fā)超低頻信號(hào)發(fā)生器的幅頻特性小于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(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生器內(nèi)部放大器等元器件的非線性，會(huì)弦波，但由于信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部放大器等元器件的非線性，會(huì)使輸出信

23、號(hào)產(chǎn)生非線性失真，除了所需要的正弦波頻率外，使輸出信號(hào)產(chǎn)生非線性失真，除了所需要的正弦波頻率外， 還有其他諧波分量。人們通常用信號(hào)頻譜純度來(lái)說(shuō)明輸出信還有其他諧波分量。人們通常用信號(hào)頻譜純度來(lái)說(shuō)明輸出信號(hào)波形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數(shù)號(hào)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(hào)基波有效值，為輸出信號(hào)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(cè)量上的方便小得多，為了測(cè)量上的方便，也常用下面的公式定義；，也常

24、用下面的公式定義；2222322212nnUUUUUU%100 一般低頻正弦信號(hào)發(fā)生器的失真度為一般低頻正弦信號(hào)發(fā)生器的失真度為0.1%0.1%1%1%，高，高檔正弦信號(hào)發(fā)生器失真度可低于檔正弦信號(hào)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(hào)發(fā)生器電壓輸出的失真度信號(hào)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(duì)于高頻信號(hào)發(fā)生器，這項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)于高頻信號(hào)發(fā)生器，這項(xiàng)指標(biāo)要求很低，作為工程測(cè)量用儀器，其非線性失真系數(shù)要求很低，作為工程測(cè)量用儀器，其非線性失真系數(shù)5%5%，以眼睛

25、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(lái)評(píng)價(jià)低頻信號(hào)發(fā)生器，而用頻譜純度只用非線性失真來(lái)評(píng)價(jià)低頻信號(hào)發(fā)生器，而用頻譜純度來(lái)評(píng)價(jià)高頻信號(hào)發(fā)生器，頻譜純度不僅要考慮高次諧波來(lái)評(píng)價(jià)高頻信號(hào)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(hào)發(fā)生器在輸出正弦波的同時(shí)，一般還能輸出高頻信號(hào)發(fā)生器在輸出正弦波的同時(shí)，一般還能輸出一種或兩種以上的已被調(diào)制的信號(hào)。一種或兩種以上的已被調(diào)制的信號(hào)。 多數(shù)情況下是調(diào)幅信號(hào)和調(diào)頻信號(hào)，有些還

26、帶有調(diào)相多數(shù)情況下是調(diào)幅信號(hào)和調(diào)頻信號(hào)，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(hào)由信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)成當(dāng)調(diào)制信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)成為內(nèi)調(diào)制，當(dāng)調(diào)制信號(hào)由外部加到信號(hào)發(fā)生器時(shí)，稱為外為內(nèi)調(diào)制，當(dāng)調(diào)制信號(hào)由外部加到信號(hào)發(fā)生器時(shí)，稱為外調(diào)制。調(diào)制。這類帶有輸出已調(diào)波功能的信號(hào)發(fā)生器，是測(cè)試無(wú)這類帶有輸出已調(diào)波功能的信號(hào)發(fā)生器，是測(cè)試無(wú)線電收發(fā)設(shè)備等場(chǎng)合不可缺少的儀器。例如，線電收發(fā)設(shè)備等場(chǎng)合不可缺少的儀器。例如，XFC-6XFC-6標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)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(shí)進(jìn)行外調(diào)頻，或同時(shí)進(jìn)行外調(diào)幅與外

27、調(diào)頻等功能。調(diào)幅時(shí)進(jìn)行外調(diào)頻，或同時(shí)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(hào)發(fā)生器，同時(shí)具有調(diào)幅、調(diào)這類高檔合成信號(hào)發(fā)生器，同時(shí)具有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制等功能。頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制等功能。 評(píng)價(jià)信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)不止上述各項(xiàng)，這里僅就評(píng)價(jià)信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)不止上述各項(xiàng)，這里僅就最常用的最重要的項(xiàng)目作了概括介紹。最常用的最重要的項(xiàng)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(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)相差是很懸殊的，因而價(jià)格相各類信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)相差是很懸殊的，因而價(jià)格相差也就很大，

28、所以在選用信號(hào)發(fā)生器的時(shí)候差也就很大，所以在選用信號(hào)發(fā)生器的時(shí)候( (選用其他測(cè)量選用其他測(cè)量?jī)x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(duì)頻率的準(zhǔn)，必須考慮合理性和經(jīng)濟(jì)性。以對(duì)頻率的準(zhǔn)確度要求為例，當(dāng)測(cè)試諧振回路的頻率特性、電阻值和電確度要求為例，當(dāng)測(cè)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(shí)，僅需要容損耗角隨頻率變化時(shí)，僅需要1 11010-2-21 11010-3-3的準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，而當(dāng)測(cè)廣播通信設(shè)備時(shí)，則要求確度，而當(dāng)測(cè)廣播通信設(shè)備時(shí)，則要求1010-5-51010-7-7的準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，顯然，兩種場(chǎng)合應(yīng)當(dāng)選用不同檔次的信號(hào)發(fā)生器。確度，顯然，兩種場(chǎng)合應(yīng)當(dāng)選用不同檔

29、次的信號(hào)發(fā)生器。 3.2.3 3.2.3 圖圖1 1 信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖 (1) (1) 主振器：它是信號(hào)源的核心，由它產(chǎn)生不同頻率、不主振器：它是信號(hào)源的核心，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號(hào)。由于要產(chǎn)生的信號(hào)頻率、波形不同，其原理、同波形的信號(hào)。由于要產(chǎn)生的信號(hào)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(jí)：對(duì)主振器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大、整形等。緩沖級(jí)：對(duì)主振器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大、整形等。 (3) (3) 調(diào)制級(jí)：在需要輸出調(diào)制波形時(shí)，對(duì)原始信號(hào)按照調(diào)調(diào)制級(jí)：在需要輸出調(diào)制波形時(shí)，對(duì)原始信號(hào)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)

30、制。 (4)(4) 輸出級(jí)：輸出級(jí)的功能是調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的電平和輸出輸出級(jí)：輸出級(jí)的功能是調(diào)節(jié)輸出信號(hào)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) (5) 指示器：指示器用來(lái)監(jiān)視輸出信號(hào)，可以是電指示器：指示器用來(lái)監(jiān)視輸出信號(hào)，可以是電子電壓表、功率計(jì)、頻率計(jì)和調(diào)制度表等，有些脈沖信子電壓表、功率計(jì)、頻率計(jì)和調(diào)制度表等，有些脈沖信號(hào)發(fā)生器還附帶有簡(jiǎn)易示波器。使用時(shí)可通過(guò)指示器來(lái)號(hào)發(fā)生器還附帶有簡(jiǎn)易示波器。使用時(shí)可通過(guò)指示器來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的頻率、幅度及其他特征。通常情況下指調(diào)整輸出信號(hào)的頻率、幅度及其他特征。通常情況下

31、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(hào)的實(shí)際特性需高，其示值僅供參考，從輸出端輸出信號(hào)的實(shí)際特性需要其他更準(zhǔn)確的測(cè)量?jī)x表來(lái)測(cè)量。要其他更準(zhǔn)確的測(cè)量?jī)x表來(lái)測(cè)量。 (6) (6) 電源：提供信號(hào)發(fā)生器各部分的工作電源電壓。電源：提供信號(hào)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(hào)發(fā)生器工作原理函數(shù)信號(hào)發(fā)生器工作原理 它在輸出正弦波的同時(shí)還能輸出同頻率的三角波、方波、它在輸出正弦波的同

32、時(shí)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(cè)試要求，因其時(shí)間波形可用某鋸齒波等波形，以滿足不同的測(cè)試要求，因其時(shí)間波形可用某些時(shí)間函數(shù)來(lái)描述而得名。些時(shí)間函數(shù)來(lái)描述而得名。 3.3.1 3.3.1 電路工作原理電路工作原理 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(hào)發(fā)生器數(shù)字式頻率合成信號(hào)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(cè)量和現(xiàn)代通信技術(shù)中，需要高穩(wěn)定度、在現(xiàn)代測(cè)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(hào)源。這種高穩(wěn)

33、定度的信號(hào)不能用高純度的頻率信號(hào)源。這種高穩(wěn)定度的信號(hào)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(jí)量級(jí)) )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(jí)級(jí)) )來(lái)產(chǎn)生，但晶體振蕩器只能產(chǎn)生一個(gè)固定的頻率來(lái)產(chǎn)生，但晶體振蕩器只能產(chǎn)生一個(gè)固定的頻率。當(dāng)要獲得許多穩(wěn)定的信號(hào)頻率時(shí)，采用很多個(gè)晶體。當(dāng)要獲得許多穩(wěn)定的信號(hào)頻率時(shí)，采用很多個(gè)晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生是不現(xiàn)實(shí)的，而采用頻率合成的方法就振蕩器來(lái)產(chǎn)生是不現(xiàn)實(shí)的，而采用頻率合成的方法就能方便地實(shí)現(xiàn)。能方便地實(shí)現(xiàn)。

34、 頻率合成是由一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率頻率合成是由一個(gè)或多個(gè)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(guò)基本的代數(shù)運(yùn)算，通過(guò)基本的代數(shù)運(yùn)算( (加、減加、減、乘、除、乘、除) )，得到一系列所需的頻率，得到一系列所需的頻率。通過(guò)合成產(chǎn)生的各種。通過(guò)合成產(chǎn)生的各種頻率信號(hào)，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(hào)，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(jí)。與其他方式的正弦波信號(hào)發(fā)生器相比，信號(hào)源的頻率穩(wěn)級(jí)。與其他方式的正弦波信號(hào)發(fā)生器相比，信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度可以提高定度可以提高3 34 4個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。 頻率的代數(shù)運(yùn)算頻

35、率的代數(shù)運(yùn)算是通過(guò)倍頻、分頻及混頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的是通過(guò)倍頻、分頻及混頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。分頻分頻實(shí)現(xiàn)頻率的除，即輸入頻率是輸出頻率的某一整數(shù)倍實(shí)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(shí)現(xiàn)頻率的乘，即輸出頻率為輸入頻率的整數(shù)倍。頻實(shí)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(guò)頻率的率的加減則是通過(guò)頻率的混頻混頻來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)實(shí)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(shí)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(shí)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

36、。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(duì)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(duì)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 S

37、ynthesis(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

38、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(shí)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(shí)現(xiàn)可變頻率合成的原理框圖，它是它是通過(guò)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(guò)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(hào)并用窄帶濾波器選出系列頻率信號(hào)并用窄帶濾波器選出。以實(shí)現(xiàn)。以實(shí)現(xiàn)3.628MHz3.628MHz輸出信號(hào)輸出信號(hào)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(guò)諧波發(fā)生器產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率通過(guò)諧波發(fā)生器產(chǎn)生1MHz1M

39、Hz、2MHz2MHz、9MHz9MHz等多個(gè)基準(zhǔn)頻率信號(hào)，將這些頻率信號(hào)等多個(gè)基準(zhǔn)頻率信號(hào)，將這些頻率信號(hào)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，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(hào)。只要選取不同的諧波并進(jìn)行輸出信號(hào)。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(hào)。相應(yīng)的組合就可以得到所需的信號(hào)。 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

40、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(jià)格昂貴，不便于集成化。及帶通濾波器等，因而體積大，價(jià)格昂貴，不便于集成化。 (2) (2) 數(shù)字直接合成法數(shù)字直接合成法 前面兩種信號(hào)合成方法都是基于頻率合成的原理，用模前面兩種信號(hào)合成方法都是基于頻率合成的原理，用模擬的方法，通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)頻率擬的方法，通過(guò)對(duì)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(lái)，由于大規(guī)模年代以來(lái)，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及

41、，開創(chuàng)了另一種信號(hào)集成電路的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，開創(chuàng)了另一種信號(hào)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 SynthsisFrequency 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(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需要的信號(hào)。它突數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需要的信號(hào)。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

42、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，后兩個(gè)性能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。此合成方法的優(yōu)法中，后兩個(gè)性能是無(wú)法實(shí)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

43、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)(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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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

44、子線路直接對(duì)。由于它不同于模擬直接合成法，不是用電子線路直接對(duì)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、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、價(jià)格低等，但是它的頻率切換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。簡(jiǎn)單、功耗小、價(jià)格低等，但是它的頻率切換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。 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(guò)程是在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下，通直接數(shù)字合成的過(guò)程是在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下，通過(guò)控制電路按照一定的地址關(guān)系從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器過(guò)控制電路按照一定的地址關(guān)系從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ROM(ROM(

45、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(hào)以得到一定頻率的輸出波形。由于輸出信號(hào)( (在在D/AD/A的的輸出端輸出端) )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(hào)波形。的正弦信號(hào)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

46、 Synthesis(Direct Digital Synthesis，DDS)DDS)的基本的基本原理是基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，通過(guò)數(shù)字合成來(lái)生成頻率和原理是基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，通過(guò)數(shù)字合成來(lái)生成頻率和相位對(duì)于固定的參考頻率可調(diào)的信號(hào)。相位對(duì)于固定的參考頻率可調(diào)的信號(hào)。 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(shí)鐘頻率為設(shè)取樣時(shí)鐘頻率為fcfc，正弦波每個(gè)周期由，正弦波每個(gè)周期由K K 個(gè)取樣點(diǎn)構(gòu)成，則個(gè)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(shí)鐘周期。為取樣時(shí)鐘周期。

47、 如果改變?nèi)訒r(shí)鐘頻率如果改變?nèi)訒r(shí)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(shí)現(xiàn)原理框圖下圖所示。其基本實(shí)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(gè)完整周期的正弦波形幅值數(shù)據(jù)存放如果將一個(gè)完整周期的正弦波形幅值數(shù)據(jù)存放于波形存儲(chǔ)器于波形存儲(chǔ)器ROMROM中，地址計(jì)數(shù)器在參考時(shí)鐘中，地址計(jì)數(shù)器在參考時(shí)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(jì)數(shù)，生成對(duì)應(yīng)的地址，并的累加計(jì)數(shù)，生成對(duì)應(yīng)的地址，并將該地址存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)通過(guò)將該地址存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)通過(guò)D/AD

48、/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(gè)因數(shù)兩個(gè)因數(shù)：參考時(shí)鐘頻率：參考時(shí)鐘頻率f fc c、ROMROM中存儲(chǔ)的正弦波。中存儲(chǔ)的正弦波。因此改變時(shí)鐘頻率因此改變時(shí)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(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)值如果改變地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)值( (即以值即以值M M ( (M M 1)1)來(lái)進(jìn)行累加來(lái)進(jìn)行累加) )，則在保持時(shí)鐘頻率，則在保持時(shí)鐘頻率f

49、 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(shí)現(xiàn)輸出頻率實(shí)現(xiàn)輸出頻率f fo o的改變。例如的改變。例如, , 設(shè)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了設(shè)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了K K個(gè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)據(jù)( (一個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)一個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)) )，則地址計(jì)數(shù)器步進(jìn)，則地址計(jì)數(shù)器步進(jìn)為為1 1時(shí)，輸出頻率時(shí)，輸出頻率f fo o= =f fc c/ /K K，如果地址計(jì)數(shù)步進(jìn)為，如果地址計(jì)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(jì)數(shù)器步進(jìn)

50、值改變可以通過(guò)相位累加器法地址計(jì)數(shù)器步進(jìn)值改變可以通過(guò)相位累加器法來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)實(shí)現(xiàn)。 相位累加器在參考時(shí)鐘相位累加器在參考時(shí)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(lái)一個(gè)時(shí)鐘，則每來(lái)一個(gè)時(shí)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(dòng)溢出則自動(dòng)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)

51、 )，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(chǔ)器的地址，即丟掉了低位位數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的地址，即丟掉了低位( (N N- -A A) )的地的地址址( (又稱為相位截尾又稱為相位截尾) )，波形存儲(chǔ)器的輸出經(jīng)，波形存儲(chǔ)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(gè)矢量沿相位圓為了便于理解，我們可以將正弦波看做一個(gè)矢量沿相位圓轉(zhuǎn)動(dòng)，相位圓對(duì)應(yīng)正弦波一個(gè)周期的波形。波形中的每個(gè)采樣轉(zhuǎn)動(dòng)，相位圓對(duì)應(yīng)正弦波一個(gè)周期的波形。波形中的每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)相位圓上的一個(gè)相位點(diǎn)。點(diǎn)對(duì)應(yīng)

52、相位圓上的一個(gè)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(duì)基本波形一周期的采樣數(shù)為對(duì)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(shí)的步進(jìn)為位累加時(shí)的步進(jìn)為M(M(頻率控制字頻率控制字) )，則每個(gè)時(shí)鐘，則每個(gè)時(shí)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

53、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(zhǎng)度的長(zhǎng)度) )，如，如果直接將果直接將N N全部作為波形存儲(chǔ)器的地址，則要求采用的存儲(chǔ)器全部作為波形存儲(chǔ)器的地址，則要求采用的存儲(chǔ)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(chǔ)器地址，使得相位的低位被截?cái)啻鎯?chǔ)器地址，使得相位的低位被截?cái)? (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(shí)時(shí), , 波形幅值并不會(huì)發(fā)生變化，但輸出頻率的分波形幅值

54、并不會(huì)發(fā)生變化，但輸出頻率的分辨力并不會(huì)降低，辨力并不會(huì)降低，由于地址截?cái)喽鸬姆嫡`差稱為截?cái)嗾`由于地址截?cái)喽鸬姆嫡`差稱為截?cái)嗾`差。差。 3.4.4 DDS3.4.4 DDS的性能的性能 因?yàn)檩敵鲂盘?hào)實(shí)際上是以時(shí)鐘因?yàn)檩敵鲂盘?hào)實(shí)際上是以時(shí)鐘f fc c的速率對(duì)波形進(jìn)行取樣，的速率對(duì)波形進(jìn)行取樣， 從獲得的樣本值中恢復(fù)出來(lái)的。根據(jù)取樣定理從獲得的樣本值中恢復(fù)出來(lái)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(shí)際中一般取，實(shí)際中一般取M M 22N N-2-2。(1)(1)當(dāng)當(dāng)M M 1 1時(shí)，輸出頻率最小，時(shí)，輸出頻率最小，f

55、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 fc c。例如例如, , 若參考時(shí)鐘頻率為若參考時(shí)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(shí)，其頻率分辨力不會(huì)發(fā)生變化，因改變時(shí)，其頻率分辨力不會(huì)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(chǔ)器、存儲(chǔ)器

56、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 AD98523.5.1 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(hào)，解決了快可以合成頻率分辨力和精度很高的信號(hào)，解決了快捷變與小步進(jìn)的矛盾，并且實(shí)現(xiàn)了捷變與小步進(jìn)的矛盾，并且實(shí)現(xiàn)了DDSDDS信號(hào)源的單片集成化。信號(hào)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

57、括了相位累加器、波形存儲(chǔ)器、位累加器、波形存儲(chǔ)器、D/AD/A及時(shí)鐘源等部分。及時(shí)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(shí)鐘經(jīng)外部輸入的參考時(shí)鐘經(jīng)4 42020倍倍頻，為倍倍頻，為DDSDDS提供最高可到提供最高可到300MHz300MHz的時(shí)鐘頻率。通過(guò)可編程寄存器，可以設(shè)置的時(shí)鐘頻率。通過(guò)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(shí)現(xiàn)頻率和相位控制。，從而實(shí)現(xiàn)頻率和相位控制。D/AD/A之前加之前加入了一個(gè)數(shù)字乘法器，以實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。入了一個(gè)數(shù)字乘法器，以實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。12

58、12位控制字送入位控制字送入MUXMUX中，中， 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的幅度控制。另外該芯片還設(shè)置了一個(gè)高速比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的幅度控制。另外該芯片還設(shè)置了一個(gè)高速比較器，可以將較器，可以將DDSDDS輸出的正弦波信號(hào)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)。輸出的正弦波信號(hào)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)。 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(shí)鐘選擇為最大即參考時(shí)鐘選擇為最大即300MHz300MHz時(shí)，輸出頻率最高可達(dá)時(shí)，輸出頻率最高可達(dá)100MHz1

59、00MHz。 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)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(jí)量級(jí)) )，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

60、數(shù)字直接合成法基于大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技基于大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其適用函數(shù)波形和任意波形的信號(hào)源，將進(jìn)一術(shù)，尤其適用函數(shù)波形和任意波形的信號(hào)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，但目前有關(guān)芯片的發(fā)展速度還跟不上高頻信號(hào)的需要，利用頻信號(hào)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(shí)鐘為位，在基準(zhǔn)時(shí)鐘為100MHz100MHz時(shí)輸出頻率分辨力可達(dá)時(shí)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