《電子測量技術》課件第6章

第6章測量用信號源6.1信號源概述6.2信號產(chǎn)生方法及信號發(fā)生器發(fā)展趨勢6.3頻率合成技術及鎖相頻率合成6.4直接數(shù)字頻率合成技術6.5頻率合成技術的發(fā)展思考與練習6.1信號源概述6.1.1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、校準及維護中有著廣泛的應用。例如在電子測量中，一個系統(tǒng)電參數(shù)的數(shù)值或特性(如電阻的阻值、放大器的放大倍數(shù)、四端網(wǎng)絡的頻率特性等)必須在一定的電信號作用下才能表現(xiàn)出來。這時可以借助于信號源，將其產(chǎn)生的信號作為輸入激勵信號，觀察系統(tǒng)響應的方法進行測量。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現(xiàn)出來，如揚聲器，電視機等。揚聲器只有在外加音頻信號時才能發(fā)聲，如果不給電視機外加電視信號，其屏幕上就不會有圖像。和示波器、電壓表、頻率計等儀器一樣，信號源是電子測量領域中最基本、應用最廣泛的一類電子儀器。在其他領域，信號源也有著廣泛的應用，例如機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。歸納起來，信號源的用途主要有以下三個方面：

(1)激勵源。在研制、生產(chǎn)、使用、測試和維修各種電子元器件、部件及整機設備時，都需要有信號源作為激勵信號，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備上，用其他測量儀器觀察、測量被測者的輸出響應，以分析確定它們的性能參數(shù)。

(2)標準信號源。如標準的正弦波發(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)生一些標準信號，提供給某類設備測量專用；另一類是用作對一般信號源校準，亦稱為校準源。

(3)信號仿真。若要研究設備在實際環(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)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。6.1.2信號源的分類信號源的應用領域廣泛，種類繁多，性能指標各異，分類方法亦不同。按用途有專用和通用之分；按性能有一般和標準信號源之分；按調試類型可以分為調幅、調頻、調相、脈沖調制及組合調制信號發(fā)生器等；按頻率調節(jié)方式可分為掃頻、程控信號發(fā)生器等。下面介紹幾種主要的分類方法。按照輸出信號的頻率來分，大致可以分為6類：超低頻率信號發(fā)生器，頻率范圍為0.001～1000Hz；低頻信號發(fā)生器，頻率范圍1Hz～1MHz;視頻信號發(fā)生器，頻率范圍為20Hz~10MHz；高頻信號發(fā)生器，頻率范圍為200kHz～30MHz；甚高頻信號發(fā)生器，頻率范圍在30kHz～300MHz；超高頻信號發(fā)生器，頻率在300MHz以上。應該指出，按頻段劃分的方法并不是一種嚴格的界限，目前許多信號發(fā)生器可以跨越幾個頻段。按輸出的波形可以分為：正弦波形發(fā)生器，產(chǎn)生正弦波形或受調制的正弦信號；脈沖信號發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖寬度不同的重復脈沖；函數(shù)信號發(fā)生器，產(chǎn)生幅度與時間成一定函數(shù)關系的信號；噪聲信號發(fā)生器，產(chǎn)生模擬各種干擾的電壓信號。按照信號發(fā)生器的性能標準，可以分為一般的信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器。標準信號發(fā)生器的技術指標要求較高，有的標準信號發(fā)生器用于為收音機、電視機和通訊設備的測量校準提供標準信號；還有一類高精度的直流或交流標準信號源是用于對數(shù)字多用表等高精度儀器或一般信號源進行校準，其輸出信號的頻率、幅度、調制系數(shù)等可以在一定范圍內調節(jié)，而且準確度、穩(wěn)定度、波形失真等指標要求很高。而一般信號源對輸出信號的頻率、幅度的技術指標要求相對低一些。6.1.3信號發(fā)生器的基本組成信號源的種類很多，信號產(chǎn)生方法各不相同，但其基本結構是一致的，如圖6-1所示。它主要包括主振器、緩沖級、輸出級及相關的外部環(huán)節(jié)。圖6-1信號發(fā)生器的結構框圖主振器：它是信號源的核心，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號。由于要產(chǎn)生的信號頻率、波形不同，其原理、結構差異很大。緩沖級：對主振器產(chǎn)生的信號進行放大、整形等。調制級：在需要輸出調制波形時，對原始信號按照調幅、調頻等要求進行調制。輸出級：輸出級的功能是調節(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成。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調整輸出信號的頻率、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要其他更準確的測量儀表來測量。電源：提供信號發(fā)生器各部分的工作電源電壓。通常是將50Hz交流市電整流成直流，并有良好的穩(wěn)壓措施。6.1.4正弦信號發(fā)生器的性能指標在各類信號發(fā)生器中，正弦信號發(fā)生器是最普通、應用最廣泛的一類，幾乎滲透到所有的電子學實驗及測量中。其原因除了正弦信號容易產(chǎn)生，容易描述，又是應用最廣的載波信號外，還由于任何線性雙口網(wǎng)絡的特性，都可以用它對正弦信號的響應來表征。顯然，由于信號發(fā)生器作為測量系統(tǒng)的激勵源，則被測器件、設備的各項性能參數(shù)測量的質量，將直接依賴于信號發(fā)生器的性能。通常用頻率特性、輸出特性和調制特性(俗稱三大指標)來評價正弦信號發(fā)生器的性能，其中包括30余項具體指標。不過由于各種儀器的用途不同，精度等級不同，并非每類每臺產(chǎn)品都用全部指標進行考核。另外，各生產(chǎn)廠家出廠檢驗標準及技術說明書中的術語也不盡一致。這里僅介紹信號發(fā)生器中幾項最基本最常用的性能指標。

1.頻率特性正弦信號的頻率特性包括頻率范圍、頻率準確度、頻率穩(wěn)定度三項指標。

(1)頻率范圍。頻率范圍指信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號頻率范圍，該范圍內既可連續(xù)又可由若干頻段或一系列離散頻率覆蓋，在此范圍內應滿足全部誤差要求。例如國產(chǎn)XD—1型信號發(fā)生器，輸出信號頻率范圍為1Hz~1MHz,分六檔,即六個頻段，為了保證有效頻率范圍連續(xù)，兩相鄰頻段間有相互銜接的公共部分,即頻段重疊。又如HP公司HP-8660C型頻率合成器產(chǎn)生的正弦信號的頻率范圍為10kHz~2600MHz,可提供間隔為1Hz總共近26億個分立頻率。

(2)頻率準確度。頻率準確度是指信號發(fā)生器盤(或數(shù)字顯示)數(shù)值與實際輸出信號頻率間的偏差，通常用相對誤差表示

(6-1)式中，f0為刻度盤或數(shù)字顯示數(shù)值，也稱預調值，f1是輸出正弦信號頻率的實際值。頻率準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)生器頻率準確度約為±(1%~10%)，精密低頻信號發(fā)生器頻率準確度可達±0.5%。例如調諧式XFC-6型標準信號發(fā)生器，其頻率標準優(yōu)于±1%，而一些采用頻率合成技術帶有數(shù)字顯示的信號發(fā)生器，其輸出信號具有基準頻率(晶振)的準確度，若機內采用高穩(wěn)定度晶體振蕩器，輸出頻率的準確度可達到10-8~10-10。

(3)頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度指標要求與頻率準確度相關。頻率穩(wěn)定度是指其他外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時間內，信號發(fā)生器輸出頻率相對于預調值變化的大小。按照國家標準，頻率穩(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)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預熱時間后，信號頻率在任意15分鐘內所發(fā)生的最大變化，表示為

(6-2)式中，f0為預調頻率，fmax、fmin分別為任意15分鐘的信號頻率的最大值和最小值。頻率長期穩(wěn)定度定義為信號發(fā)生器經(jīng)過規(guī)定的預熱時間后，信號頻率在任意3小時所發(fā)生的最大變化，表示為

x×10-6+y

(6-3)式中,x、y是由廠家確定的性能指標值，也可以用式(6-2)表示頻率長期穩(wěn)定度。需要指出，許多廠商的產(chǎn)品技術說明書中，并未按上述方式給出頻率穩(wěn)定度指標。例如國產(chǎn)HG1010信號發(fā)生器和(美)KH4024信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度都是0.01%/h，含義是經(jīng)過規(guī)定的預熱時間后，兩種信號發(fā)生器每小時(h)的頻率漂移(fmax-fmin)與預調值f0之比為0.01%。有些則以天為時間單位表示穩(wěn)定度，例如國產(chǎn)QF1480合成信號發(fā)生器頻率穩(wěn)定度為5×10-10/天，而QF1076信號發(fā)生器(頻率范圍10MHz～520MHz)頻率穩(wěn)定度為±50×10-6/5min+1kHz，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)XD—1型低頻信號發(fā)生器通電預熱30分鐘后，第一小時內頻率漂移不超過0.1%×f0(Hz)，其后7小時內不超過0.2%×f0(Hz)。通常，通用信號發(fā)聲器的頻率穩(wěn)定度為10-2～10-4，用于精密測量的高精度高穩(wěn)定度信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度應高于10-6~10-7,而且要求頻率穩(wěn)定度一般應比頻率準確度高1~2個數(shù)量級。例如XD—2型低頻信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%，頻率準確度優(yōu)于±(1~3)%。

2.輸出特性輸出特性指標主要有輸出阻抗、輸出電平、非線性失真系數(shù)三項指標。

(1)輸出阻抗。作為信號源，輸出阻抗的概念在“電路”或“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而異。低頻信號發(fā)生器，電壓輸出端的輸出阻抗一般為600Ω(或1kΩ)，功率輸出端依輸出匹配變壓器的設計而定，通常有50Ω，75Ω，150Ω，600Ω和5kΩ等擋。高頻信號發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω擋。當使用高頻信號發(fā)生器時，要特別注意阻抗的匹配。

(2)輸出電平。輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍，即由產(chǎn)品標準規(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所得到輸出幅度的有效范圍。輸出幅度可以用電壓(V，mV,μV)或分貝表示。例如XD—1低頻率信號發(fā)生器的最大電壓輸出為1Hz～1MHz＞5V，最大功率輸出為10Hz～700kHz(50Ω、75Ω、150Ω、600Ω)＞4W。在圖6-1信號發(fā)生器框圖的輸出級中，一般都包括衰減器，其目的是獲得從微伏級(μV)到毫伏(mV)級的小信號電壓。例如XD—1型信號發(fā)生器最大信號電壓為5V，通過0～80dB的步進衰減輸出，可獲得500μV的小信號電壓。在信號發(fā)生器的性能指標中，就包括“衰減器特征”這一指標，主要指衰減范圍和衰減誤差，例如上述XD—1型信號發(fā)生器的衰減器特性為：電壓輸出，1Hz~1MHz；衰減≤80±1.5dB。和頻率穩(wěn)定度指標類似，還有輸出信號幅度穩(wěn)定度及平坦度指標。幅度穩(wěn)定度是指信號發(fā)生器經(jīng)規(guī)定時間預熱后，在規(guī)定時間間隔內輸出信號幅度對預調幅度值的相對變化量。例如HG1010信號發(fā)生器幅度穩(wěn)定度為0.01%/h。平坦度分別指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動量。使用者通常主要關心輸出幅度隨頻率變化的情況。像用靜態(tài)“點頻法”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(ALC)，可以使平坦度保持在±1dB以內，即幅度波動控制在±10%以內，例如XD8B超低頻信號發(fā)生器的幅頻特性小于3%。

(3)非線性失真系數(shù)(失真度)。正弦信號發(fā)生器的輸出在理想情況下應為單一頻率的正弦波，但由于信號發(fā)生器內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外，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形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數(shù)γ表示：(6-4)式中，U1為輸出信號基波有效值，U2、U3、…為各次諧波有效值。由于U2、U3、…Un等較U1小得多，為了測量上的方便，也常用下面的公式定義；(6-5)一般低頻正弦信號發(fā)生器的失真度為0.1%～1%，高檔正弦信號發(fā)生器失真度可低于0.005%。例如XD—2低頻信號發(fā)生器電壓輸出的失真度≤0.1%。而ZN1030的非線性失真系數(shù)≤0.003%。對于高頻信號發(fā)生器，這項指標要求很低，作為工程測量用儀器，其非線性失真系數(shù)≤5%，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真。

3.調制特性高頻信號發(fā)生器在輸出正弦波的同時，一般還能輸出一種或兩種以上的已被調制的信號。多數(shù)情況下是調幅信號和調頻信號，有些還帶有調相和脈沖調制功能。當調制信號由信號發(fā)生器內部產(chǎn)生時成為內調制，當調制信號由外部加到信號發(fā)生器時，稱為外調制。這類帶有輸出已調波功能的信號發(fā)生器，是測試無線電收發(fā)設備等場合不可缺少的儀器。例如，XFC-6標準信號發(fā)生器，就具備內、外調幅，內、外調頻，或進行內調幅時進行外調頻，或同時進行外調幅與外調頻等功能。而像HP8663這類高檔合成信號發(fā)生器，同時具有調幅、調頻、調相、脈沖調制等功能。評價信號發(fā)生器的性能指標不止上述各項，這里僅就最常用的最重要的項目作了概括介紹。由于使用目的、制造工藝、工作機理等諸方面的因素，各類信號發(fā)生器的性能指標相差是很懸殊的，因而價格相差也就很大，所以在選用信號發(fā)生器的時候(選用其他測量儀器也是如此)，必須考慮合理性和經(jīng)濟性。以對頻率的準確度要求為例，當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±1×10-2～±1×10-3的準確度，而當測廣播通信設備時，則要求±10-5～±10-7的準確度，顯然，兩種場合應當選用不同檔次的信號發(fā)生器。6.2信號產(chǎn)生方法及信號發(fā)生器發(fā)展趨勢6.2.1正弦信號發(fā)生器正弦信號發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦信號或受調制的正弦信號。它包括低頻信號發(fā)生器，高頻信號發(fā)生器，微波信號發(fā)生器，合成信號發(fā)生器，掃頻信號發(fā)生器。這里對低頻信號發(fā)生器和高頻信號發(fā)生器作簡單介紹。

1.低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器是信號發(fā)生器大家族中一個非常重要的組成部分，在模擬電子線路與系統(tǒng)設計、測試和維修中獲得廣泛的應用，其中最明顯的一個例子是收音機、電視機、有線廣播和音響設備中的音頻放大器。事實上，“低頻”就是從“音頻”(20Hz～20kHz)的含義演化而來的。由于其他電路測試的需要，頻率向上向下分別延伸至超低頻和高頻段?，F(xiàn)在一般“低頻信號發(fā)生器”是指1Hz～1MHz頻段，最新的低頻信號發(fā)生器的頻率范圍已達1Hz～10MHz，輸出波形以正弦波為主，或兼有方波及其他波形的發(fā)生器。

(1)低頻信號發(fā)生器主要性能指標：①頻率范圍為1Hz~1MHz連續(xù)可調；②頻率穩(wěn)定度(0.1~0.4)%/h；③頻率準確度±(1~2)%；④輸出電壓0~10V連續(xù)可調；⑤輸出功率約(0.5~5)W連續(xù)可調；⑥非線性失真(0.1~1)%；⑦輸出阻抗可為50Ω、75Ω、150Ω、600Ω及5kΩ。

(2)低頻信號發(fā)生器組成框圖。通用低頻信號發(fā)生器的組成框圖如圖6-2所示。主要包括：主振級、緩沖放大、功率放大、衰減器、阻抗變換以及有關調節(jié)裝置。圖6-2低頻信號發(fā)生器組成框圖

(3)通用RC振蕩器。低頻信號發(fā)生器中產(chǎn)生振蕩信號(圖6-2中主振級)的方法有多種，在通用信號發(fā)生器(如XD—1、XD—2、XD—7)中，主振器通常是使用RC振蕩器，而其中應用最多的當屬文氏橋振蕩器。圖6-3給出了文氏橋網(wǎng)絡及其傳輸函數(shù)的幅頻、相頻特性，我們簡要分析其工作原理。在圖(a)中，是網(wǎng)絡的輸入電壓，是輸出電壓，Z1為R、C串聯(lián)阻抗，Z2為R、C并聯(lián)阻抗，則網(wǎng)絡的傳輸函數(shù)(6-6)式中

(6-7)由式(6-6)得到傳輸函數(shù)的幅頻特性N(ω)和相頻特性φ(ω)分別為(6-9)(6-8)或

N(ω)和φ(ω)分別示于圖6-3(b)和(c)中。由圖(b)、(c)可以看出：時，輸出信號與輸入信號同相，且此時傳輸函數(shù)模最大(N(ω0)=N(ω)max=1/3),如果輸出信號后接放大倍數(shù)的同相放大器(一般由兩極反相放大器級聯(lián)實現(xiàn))，那么就可以維持ω=ω0或者的正弦振蕩。而由于RC

網(wǎng)絡的選頻特性，其他頻率的信號被抑制。圖6-3RC文氏橋網(wǎng)絡(a)文氏橋式網(wǎng)絡；(b)幅頻特性；(c)相頻特性

但是，放大倍數(shù)KV=3的放大器是不穩(wěn)定的，又由于文氏橋電路的選頻特性很差，放大器增益不穩(wěn)，不但會引起振蕩振幅變化，還會造成輸出波形失真。因此，總是使用高增益的二級放大器加上負反饋，使得在維持振蕩期間，總電壓增益為3，這樣就形成了圖6-4所示的文氏橋振蕩電路。圖中負溫度系數(shù)熱敏電阻Rt和電阻Rf就構成了電壓負反饋電路。熱敏電阻Rt的阻值隨環(huán)境溫度升高或流過的電流增加而減少，當由于各種原因引起輸出電壓增大時，由于該電壓也直接接在Rt、Rf串聯(lián)電路，流過Rt的電流也隨之增加而導致Rt阻值降低，負反饋加大，放大器總增益降低，使輸出電壓減小，達到穩(wěn)定輸出信號振幅的目的。而在振蕩器起振階段，由于Rt溫度低，阻值大，負反饋小，放大器實際總增益大于3，振蕩器容易起振。圖6-4使用熱敏電阻Rt作為增益控制器件的文氏橋振蕩電路框圖由式(6-7)可知，改變電阻R和電容C數(shù)值可調節(jié)振蕩頻率，可以使用同軸電阻器改變電阻R進行粗調，使得換擋時頻率變化10倍，而用改變雙聯(lián)同軸電容C的方法在一個波段內進行頻率細調。圖6-5放大器輸入輸出阻抗對RC網(wǎng)絡的影響在上邊的分析中，沒有考慮放大器的輸入電阻Ri和輸出電阻Ro的影響，Ri和Ro對RC網(wǎng)絡的影響如圖6-5所示，由圖不難看出，應使Ri盡可能大而Ro盡可能小。為此實際振蕩器電路中放大器輸入級常采用場效應管，以提高輸入阻抗Ri，輸出時加接射極跟隨器，以降低輸出阻抗Ro。如果僅提供電壓輸出，那么RC振蕩器后加接電壓放大器即可，如圖6-4中A2。如果要求功率輸出，則還應加接功率放大器和阻抗變換器。

(4)LC振蕩器。當談到正弦振蕩器時，很容易想到用L、C構成諧振電路和晶體管放大器來實現(xiàn)。實際上基本不用這種電路作為低頻信號發(fā)生器的主振蕩器，這是因為對LC振蕩電路，振蕩頻率。當頻率較低時，L、C都比較大，分布電容、漏電導等也都相應很大，而品質因數(shù)Q值降低很多，諧振特性變壞，且調整困難。其次由于f0與成反比，因而同一頻段內的頻率覆蓋系數(shù)很小。例如L固定，調節(jié)電容C改變振蕩頻率，設電容調節(jié)范圍為40～450pF，則頻率覆蓋系數(shù)(6-10)如果用RC橋式振蕩器，仍以上面的情況為例，根據(jù)式(6-7),得到頻率覆蓋系數(shù)為

(6-11)事實上，若以RC文氏橋電路構成振蕩器的XD—1型低頻信號源，其信號頻率范圍為1kHz～1MHz，分為6個頻段，每個頻段內的頻率覆蓋系數(shù)均為10。

(5)差頻式振蕩器。RC振蕩器的每一分波段的頻率覆蓋系數(shù)(最高頻率與最低頻率的比值)通常為10。因此，要覆蓋1Hz～1MHz的頻率范圍，至少要6個波段，對于某些測量(特別是掃頻測量)，極不方便。而差頻式低頻信號發(fā)生器可以在不分波段的情況下得到較寬的頻率覆蓋范圍。圖6-6為差頻式低頻信號發(fā)生器的原理框圖。圖6-6差頻式低頻信號發(fā)生器原理框圖圖6-6中，可變頻率的高頻振蕩器和固定頻率振蕩器分別產(chǎn)生可變頻率的高頻振蕩f1和固定頻率的高頻振蕩f2，經(jīng)過混頻器產(chǎn)生兩者差頻f=f1-f2，后面的低通濾波器濾除混頻器輸出中含有的高頻分量。當可變頻率振蕩器頻率從f1max變到f1min時，低通濾波器后就得到了fmin～fmax的低頻信號，再經(jīng)放大器和輸出衰減器后得到所需幅度的低頻信號。這種方法的主要缺點是電路復雜，頻率準確度、穩(wěn)定度較差，波形失真較大；最大的優(yōu)點是容易做到在整個頻段內頻率可連續(xù)調節(jié)而不用更換波段，輸出電平也較均勻，所以常用在掃頻振蕩器中。高頻振蕩器是一個可調的LC振蕩器，其輸出頻率為f1，固定頻率振蕩器輸出頻率為f2,設f1的變化范圍為f11~f12,則差頻信號的頻率范圍為Δf1(f11-f2)～Δf2(f12-f2)。如果f1與f2的值都很高，則差頻的頻率覆蓋系數(shù)Δf1/Δf2可以達到很大的值，因此對f1進行調頻指數(shù)不大的調頻也可以使Δf具有很寬的范圍。例如，f2＝3.4MHz，而f1可以從3.4003MHz到5.1MHz，則輸出頻率可為300Hz～1.7MHz。但是當f1與f2接近時，容易產(chǎn)生頻率牽引(強迫同步)，使得Δf可以從某一較小值突變?yōu)榱悖也铑l振蕩器的頻率準確度較差，每次測量都要校準，而且校準后頻率準確度仍然不高，因此該方法已較少使用。

2.高頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器輸出范圍一般在300kHz~1GHz，穩(wěn)定度一般優(yōu)于10-4/15min,輸出電壓在0.1μV～1V左右，輸出阻抗為標準的50Ω(或75Ω),大多數(shù)具有調幅、調頻及脈沖調制等功能。圖6-7為高頻信號發(fā)生器的原理圖，它包括主振蕩器、調制級、輸出級及監(jiān)測設備(載波電平表，調制度表)等。主振級通常采用LC振蕩器，在波段選擇及頻率細調控制下產(chǎn)生的高頻信號，經(jīng)緩沖后耦合至調制級。根據(jù)反饋方式，LC高頻振蕩器可分為變壓器反饋式、電感反饋式(也稱電感三點式)及電容反饋式(也稱電容三點式)三種振蕩器形式。通常用改變電感L來改變頻段，改變電容C進行頻段內頻率細調。緩沖級是為了保證主振級振蕩器頻率穩(wěn)定，避免寄生調制和提高信噪比，緩沖一般采用選頻放大器。信號根據(jù)調制要求進行相應調制，調制信號可以由內部調制振蕩器產(chǎn)生，也可由外部輸入。輸出級對信號進行放大、濾波、電平調節(jié)以及獲得準確固定的源阻抗(一般為50Ω或75Ω)。監(jiān)測器用于監(jiān)測載波電平和調制系數(shù)等。圖6-7高頻信號發(fā)生器原理圖6.2.2脈沖信號發(fā)生器脈沖信號通常指持續(xù)時間短，按特定規(guī)律變化的電壓或電流信號。常見的脈沖信號有矩形、鋸齒形、階梯形、鐘形和數(shù)字編碼序列等，如圖6-8所示，其中最基本的是矩形脈沖信號。圖6-8常見的脈沖信號(a)矩形波；(b)鋸齒波；(c)階梯波；

(d)鐘形脈沖；(e)數(shù)字編碼序列脈沖信號發(fā)生器是專門用于產(chǎn)生脈沖波形的信號源，它常用于測量寬帶放大器的振幅特性、過渡特性，數(shù)字系統(tǒng)的開關特性，示波器、雷達及通信機等。根據(jù)脈沖發(fā)生器的用途和產(chǎn)生方法，可以分為通用脈沖發(fā)生器、快速(廣譜)脈沖發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字可編程脈沖發(fā)生器及特種脈沖發(fā)生器等。其中應用最廣泛的是通用矩形脈沖發(fā)生器，它可以產(chǎn)生寬度可變，且上升、下降沿極短的矩形脈沖。這里簡單介紹一下通用脈沖發(fā)生器和快速(廣譜)脈沖發(fā)生器的基本原理。

1.通用脈沖發(fā)生器為了滿足一般測量的要求，通用脈沖發(fā)生器能夠調節(jié)脈沖的重復頻率、寬度、輸出幅度和極性等。有的脈沖發(fā)生器除了能輸出主脈沖外，還可以輸出一個超前于主脈沖的前置脈沖(亦稱同步脈沖)，而且兩個脈沖間的延時可調。雙脈沖輸出功能主要用于測量電路分辨間隔極近的相鄰脈沖的能力。脈沖發(fā)生器的基本原理如圖6-9所示。圖6-9脈沖信號發(fā)生器組成原理框圖主振級是脈沖信號發(fā)生器的振蕩源，一般采用恒流源射級耦合自激多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波，也可采用正弦振蕩及限幅放大等構成，它應具有波段調節(jié)(粗調)和頻率細調。同時也可選擇外部觸發(fā)信號或手動觸發(fā)輸入作為延時級的脈沖輸入信號。延時級將輸入信號轉換為脈沖形成單元所需的延時脈沖，脈沖形成單元在延時脈沖作用下，形成寬度準確、波形良好的矩形脈沖。輸出級對脈沖進行整形、放大等處理后輸出。同時主振級的輸出信號驅動同步脈沖電路形成并輸出前置同步脈沖。通用脈沖發(fā)生器輸出脈沖的頻率、幅度、延遲時間、脈沖寬度、過渡時間等可在一定范圍內調節(jié)，但他們產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時間和過渡時間一般在1ns以上，有的過渡時間雖然可到300ps，但參數(shù)固定不能調節(jié)。而在某些測量場合，需要脈寬更窄、過渡時間更短的脈沖，這時通用的脈沖發(fā)生器就無法滿足要求，而要采用快速脈沖發(fā)生器。

2.快速(廣譜)脈沖發(fā)生器快速脈沖發(fā)生器廣泛應用于雷達、數(shù)字通信、時域特性測量等場合。在時域測量中，快速脈沖信號發(fā)生器用來提供廣譜的激勵信號，尤其在微波網(wǎng)絡、寬帶元器件的時域測量中，脈沖信號發(fā)生器相當于頻域測量中的掃頻信號源。理論上脈沖信號可以產(chǎn)生無限的頻譜，但是實際測量中由于器件、電路、工藝以及噪聲等因素的限制，其頻譜是有限的。在時域測量中提供邊沿時間極短、幅度很大的快速脈沖信號具有十分重要的意義。例如一個前沿上升時間為1ns的脈沖，其可用頻譜分量為1GHz，而隧道二極管脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖前沿上升時間快達15ps，則其可用頻譜高達30GHz。快速脈沖信號的產(chǎn)生技術主要有：水銀開關脈沖發(fā)生器、雪崩晶體管脈沖發(fā)生器、階躍恢復二極管脈沖發(fā)生器以及隧道二極管脈沖發(fā)生器等。水銀開關脈沖發(fā)生器原理如圖6-10所示，它由直流電壓源UD，充電電阻RC，特征阻抗為R0的同軸電纜及水銀開關組成。圖6-10水銀開關脈沖發(fā)生器原理同軸電纜傳輸線呈電容特性，開關打開時，直流電源經(jīng)充電電阻RC將同軸傳輸線充電至電壓UD。當開關閉合時，同軸傳輸線向負載RL放電，此時傳輸線被看作內阻為R0(R0RC)、電壓為UD的電壓源，如果負載與傳輸線匹配，則負載上得到的輸出電壓為UD/2，持續(xù)時間為傳輸線過渡過程時間2倍的脈沖。該方法產(chǎn)生的脈沖幅度可達50～100V，過渡持續(xù)時間為500ps，如果采用超小型水銀開關,其過渡時間還可以更短。但是由于水銀開關的機械特性，脈沖重復頻率很低，而且開關閉合產(chǎn)生的觸發(fā)不確定性導致了較大的相位抖動。采用雪崩晶體管來代替機械式的水銀開關還可以解決水銀開關造成的重復頻率低及觸發(fā)不確定的問題。雪崩晶體管脈沖發(fā)生器的觸發(fā)抖動可以小于10ps，重復頻率可以達到數(shù)兆赫茲，但是它的脈沖幅度較低，過渡時間為數(shù)百皮秒。為了使過渡時間進一步縮短，采用階躍恢復二極管對雪崩二極管的輸出脈沖進行整形，可以獲得100ps以下量級的過渡持續(xù)時間，脈沖幅度能達到10～30V，其可用頻譜可提高到微波波段。6.2.3函數(shù)發(fā)生器在低頻(或超低頻)信號發(fā)生器的家族中，還有一種被稱為函數(shù)信號發(fā)生器，簡稱函數(shù)發(fā)生器，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些時間函數(shù)來描述而得名。

1.函數(shù)發(fā)生器的性能和組成函數(shù)發(fā)生器一般能輸出方波、三角波、鋸齒波、正弦波等波形，具有較寬的頻率范圍(0.1Hz到幾十兆赫茲)及較穩(wěn)定的頻率。具有可變的上升時間(對方波)以及可變的直流補償，具有較高的頻率準確度和較強的驅動能力，波形失真應比較小。函數(shù)發(fā)生器的典型原理框圖如圖6-11所示。圖6-11函數(shù)發(fā)生器的基本組成原理框圖比較完整的函數(shù)發(fā)生器主要由頻率控制網(wǎng)絡、恒流源電路、積分電路、比較器、波形綜合及緩沖電路、輸出級等組成。其中頻率控制網(wǎng)絡控制恒流源電流大小，即改變積分器充放電斜率，進而改變輸出三角波的周期，從而控制輸出信號頻率。恒流源提供一個穩(wěn)定的充放電電流，以使積分電路輸出電壓呈線性上升和下降。比較器將三角波與兩個門限電壓比較，從而控制恒流源的工作，達到雙穩(wěn)態(tài)電路的功能。正弦波波形綜合電路由三角波得到一個正弦波輸出，而方波電路是由三角波產(chǎn)生一個方波輸出。函數(shù)選擇及其他波形產(chǎn)生部分則根據(jù)需要選擇一個波形輸出，或由三種基本波形產(chǎn)生鋸齒波等波形并輸出。輸出級完成對輸出信號的放大或衰減，阻抗匹配及直流補償?shù)裙δ堋?/p>

2.函數(shù)發(fā)生器的基本工作原理函數(shù)發(fā)生器一般以某種波形為第一波形，然后在該波形基礎上轉換導出其他波形。因第一波形的不同，而采取不同的波形導出方式，主要的導出方式有：方波→三角波→正弦波，正弦波→方波→三角波，三角波→正弦波→方波等，這里主要討論第一種方法。圖6-12是方波→三角波→正弦波形式的函數(shù)發(fā)生器原理框圖，圖中由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，比較器Ⅰ、Ⅱ和積分器構成方波及三角波振蕩電路，然后由二極管整形網(wǎng)絡將三角波整形成正弦波。圖6-12函數(shù)發(fā)生器原理圖其簡要工作原理如下：設開始工作時，雙穩(wěn)輸出端電壓為-E，經(jīng)過電位器P分壓，設分壓系數(shù)，則積分器輸出端D點電位隨時間t正比上升

(6-12)當經(jīng)過時間T1，uD上升到Um時，比較器Ⅰ輸出觸發(fā)脈沖使雙穩(wěn)態(tài)電路翻轉，端輸出電壓為E并輸入給積分器，則積分器輸出端D點電位為

(6-13)再經(jīng)過時間T2，uD下降到-Um時，比較器Ⅱ輸出觸發(fā)脈沖使雙穩(wěn)態(tài)電路再次翻轉，端重新輸出-E，如此周而復始，在Q()端產(chǎn)生周期性方波，在積分器輸出端產(chǎn)生三角波。如果比較器Ⅰ、Ⅱ正負比較電平完全一樣，那么得到的將是完全對稱的方波和三角波。如果改變積分器正向，反向積分時間常數(shù)，比如用二極管代替電阻R，由式(6-12)、(6-13)可以看到，uD達到+Um和-Um各自需要的時間T1將不等于T2，從而可以產(chǎn)生鋸齒波和不對稱的方波，上述情況下函數(shù)發(fā)生器的波形如圖6-13所示。圖6-13函數(shù)發(fā)生器波形圖將對稱三角波轉換為正弦波的原理圖如圖6-14(a)所示。正弦波可以看做是由許多斜率不同的直線段組成，只要直線段足夠多，由折線構成的波形就可以相當好的近似正弦波形，斜率不同的直線段可由三角波經(jīng)電阻分壓得到(各段相應的分壓系數(shù)不同)。因此，只要將三角波ui通過一個分壓網(wǎng)絡，根據(jù)ui大小改變分壓網(wǎng)絡的分壓系數(shù)，便可以得到近似的正弦波輸出。二級管整形網(wǎng)絡就可實現(xiàn)這種功能，我們用圖6-14(b)所示的二級管整形網(wǎng)絡來說明其工作原理。圖中E1、E2、E3及-E1、-E2、-E3等為由正負電源+E和-E通過分壓電阻R7、R8、…、R14分壓得到的不同電位，由于各二極管串聯(lián)的電阻R1、R2、…、R6及R0都比R7、R8、…、R14大得多，因而它們的接入幾乎不會影響E1、E2等的數(shù)值。開始階段(t<t1),ui<E1,二級管VD1～VD6全部截止，輸出電壓uo等于輸入電壓ui；t1<t<t2階段，E1<ui<E2，二極管VD3導通，此階段uo等于ui經(jīng)R0和R3分壓輸出，uo上升斜率減?。辉趖2<t<t3階段，E2<ui<E3，此時VD3、VD2都導通，uo等于ui經(jīng)R0和(R2∥R3)(R2與R3并聯(lián))分壓輸出，上升斜率進一步減?。划攗i>E3，即t>t3后，VD3、VD2、VD1全部導通，uo等于ui經(jīng)R0和(R3∥R2∥R1)(R3、R2、R1三個電阻并聯(lián))分壓輸出，上升斜率最??；當?shù)竭_t=后，ui逐漸減小，二極管VD1、VD2、VD3依次截止，uo下降斜率又逐步增大，完成正弦波的正半周期近似；負半周期情況類似，不再贅述。通常將正弦波一個周期分為22段或26段，用10個或12個二極管組成整形網(wǎng)絡，只要電路參數(shù)選擇得合理、對稱，就可以得到非線形失真小于0.5％的波形良好的正弦波。圖6-14由三角波整形成正弦波

(a)正弦波的折線近似；(b)二極管整形網(wǎng)絡

3.集成函數(shù)信號發(fā)生器由大規(guī)模集成電路構成的集成函數(shù)信號發(fā)生器，能產(chǎn)生方波、三角波、鋸齒波及正弦波；由于這種集成電路的功能很強，除了輸出固定頻率的信號外，還可以輸出調頻或掃頻信號。其典型芯片為5G8038，電路組成如圖6-15所示。三角波由電流源I1、I2對外接電容器CT充放電實現(xiàn)。當RS觸發(fā)器輸出Q=0時，內部開關S斷開，電流源I1對CT正向充電，充電電流使CT的端電壓上升。當上升到比較器1門限電平EC/3時，觸發(fā)器置位(Q＝1)。由于Q＝1，開關S接通，CT被電流I1＋I2充電。調節(jié)RB可使|I2|=|2I1|，則CT的反相充電電流也等于|I1|(因為I2＋I1＝-2I1＋I1＝-I1)。在反向充電的過程中，CT上的電壓(

)線性下降。當降至比較器2的門限電平-EC/3時，觸發(fā)器復位(Q=0)，開關S再次斷開，再由I1向CT正向充電。如此反復進行，CT上形成的三角波經(jīng)過緩沖器1在引腳3輸出。，三角波的頻率(f0)取決于外接元件CT、RA和RB，其關系可以參考下面的關系式表達：

(6-14)式中，設，|+EC|=|-EC|=|E|。如果RA=RB=RT，則

(6-15)5G8038的輸出頻率范圍為1MHz～300kHz。如果改變兩個電阻RA和RB的比值，則將輸出非對稱三角波或鋸齒波。在RS觸發(fā)器的輸出Q端后接緩沖器2就可以從引腳9輸出方波或脈沖波，這時調節(jié)RA和RB的比值可得到占空比為2%～98%的脈沖波。三角波在緩沖器1后經(jīng)過正弦波變換電路就在引腳1(或2、12)輸出正弦波，通過外接元件可以對正弦波的非線形失真進行改善。在引腳7輸入調頻電壓，引腳8外接適當控制信號可以使輸出信號實現(xiàn)掃頻和調頻。所以，5G8038是一個功能很強的集成函數(shù)信號發(fā)生器。圖6-15集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片原理圖以5G8038為核心接入少量外部元件就可以構成一個實用的函數(shù)信號發(fā)生器，原理電路如圖6-16所示。圖中5G8038是該發(fā)生器的核心，可以輸出三角波、正弦波和方波，經(jīng)過4選1模擬開關可以選擇其中一種波形。A4為該信號源的輸出級，輸出具有一定幅度和功率的信號。調節(jié)引腳8的電位可以改變輸出信號的頻率以實現(xiàn)掃頻或調頻。在圖6-16中引腳8的電位由數(shù)/模轉換系統(tǒng)提供。當它輸出定值電壓時，信號源輸出點頻；當它輸出掃描電壓時，其輸出信號的頻率隨掃描電壓的規(guī)律變化，從而實現(xiàn)掃頻。數(shù)/模轉換系統(tǒng)包括D/A轉換器(DAC0832)及運算放大器A1和A2。A3是跟隨器，起緩沖作用。圖中D/A及4選1模擬開關所需的數(shù)據(jù)線(DB)及控制線(CB)均由微機提供。圖6-16集成函數(shù)信號發(fā)生器應用電路6.2.4合成信號發(fā)生器合成信號發(fā)生器是借助電子技術及計算機技術將一個(或幾個)基準頻率通過合成產(chǎn)生一系列滿足實際需要頻率的信號源。其基準信號通常由石英晶體振蕩器產(chǎn)生。

1.現(xiàn)代科學技術對信號源技術的要求隨著電子科學技術的發(fā)展，對信號頻率的穩(wěn)定度和準確度提出了愈來愈高的要求。例如在無線電通信系統(tǒng)中，蜂窩通信頻段在912MHz并以30kHz步進，為此，信號頻率穩(wěn)定度的要求必須優(yōu)于10-6。同樣，在電子測量技術中，如果信號源頻率的穩(wěn)定度和準確度不夠高，就很難做到對電子設備特性進行準確的測量。因此，頻率的穩(wěn)定度和準確度是信號源的一個重要的技術指標。在以RC、LC為主振蕩器的信號源中，頻率準確度一般只能達到10-2量級，頻率穩(wěn)定度只能達到10-3～10-4量級，遠遠不能滿足現(xiàn)代電子測量和無線電通信等方面的要求。另外，以石英晶體組成的晶體振蕩器日穩(wěn)定度優(yōu)于10-8量級，但是它只能產(chǎn)生某些特定的頻率，為此需要采用頻率合成技術，產(chǎn)生一定頻段的高穩(wěn)定度的信號。頻率合成技術是對一個或幾個高穩(wěn)定度頻率進行加、減、乘、除算術運算，得到一系列所要求的頻率信號。采用頻率合成技術做成的信號源稱為頻率合成器，用于各種專用設備或系統(tǒng)中，例如通信系統(tǒng)中的激勵源和本振。用這種技術做成通用的電子儀器，稱為合成信號發(fā)生器(或稱合成信號源)。頻率的加、減通過混頻獲得，乘、除通過倍頻、分頻獲得，采用鎖相環(huán)也可以實現(xiàn)加、減、乘、除運算。合成信號源可工作于調制狀態(tài)，可對輸出電平進行調節(jié)，也可輸出各種波形，它是當前應用最廣泛且性能較高的信號源。其具體原理將在本章第三節(jié)中作比較詳細的介紹。

2.合成信號源的主要技術指標如同6.1.4節(jié)所述，合成信號源的工作特性應該包括以下幾個方面：頻率特性、頻譜純度、輸出特性、調制特性等。下面就對頻率特性和頻譜純度作進一步的敘述。

(1)頻率準確度和穩(wěn)定度。其取決于內部基準源，一般能達到10-8/日或更好的水平。HP8663A合成信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度已經(jīng)達到5×10-10/日。

(2)頻率分辨力。由于合成信號源的頻率穩(wěn)定度較高，所以分辨力也較好，可達0.01～10Hz。

(3)相位噪聲。信號相位的隨機變化稱為相位噪聲，相位噪聲會引起頻率穩(wěn)定度的下降。在合成信號源中，由于其頻率穩(wěn)定度較高，所以對相位噪聲也應該嚴格限制，通常帶寬相位噪聲應低于-60dB，遠端相位噪聲(功率譜密度)應低于-120dB/Hz。

(4)相位雜散。在頻率合成的過程中常常會產(chǎn)生各種寄生頻率分量，稱為相位雜散，相位雜散一般限制在-70dB以下。需要說明的是：在頻域里，相位雜散是在信號譜兩旁呈對稱的離散譜線分布，而相位噪聲則在兩旁呈連續(xù)分布。

(5)頻率轉換速度。指信號源的輸出從一個頻率變換到另一個頻率所需要的時間。直接合成信號源的轉換時間為微秒量級，而間接合成則需要毫秒量級。6.2.5信號發(fā)生器的發(fā)展趨勢由于電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類日益增多，性能日益提高，尤其隨著上個世紀70年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)在，許多信號發(fā)生器除因為帶有微處理器而具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成與修正等功能外，還帶有IEEE-488或RS232總線，可以控制計算機及其他測量儀器一起方便地構成自動測試系統(tǒng)。當前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、高頻率穩(wěn)定度、多功能、多用途、自動化和智能化方向發(fā)展。6.3頻率合成技術及鎖相頻率合成6.3.1頻率合成的原理在現(xiàn)代測量和現(xiàn)代通信技術中，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LC或RC振蕩器(穩(wěn)定度只能達到10-3～10-4量級)產(chǎn)生，而一般采用晶體振蕩器(穩(wěn)定度可以優(yōu)于10-6～10-8量級)來產(chǎn)生，但晶體振蕩器只能產(chǎn)生一個固定的頻率。當要獲得許多穩(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)定的基準頻率(一般由高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器產(chǎn)生)，通過基本的代數(shù)運算(加、減、乘、除)，得到一系列所需的頻率。通過合成產(chǎn)生的各種頻率信號，頻率穩(wěn)定度可以達到與基準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)定度可以提高3～4個數(shù)量級。頻率的代數(shù)運算是通過倍頻、分頻及混頻技術來實現(xiàn)的。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。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混頻來實現(xiàn)。6.3.2頻率合成的分類及特點頻率合成技術已發(fā)展近五十年的時間，特別是隨著集成電路技術的發(fā)展而不斷的發(fā)展和完善。當前主要的頻率合成方式有：直接頻率合成和間接頻率合成，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。

1.直接頻率合成法

1)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頻率進行算術運算，輸出各種需要的頻率。鑒于采用模擬電子技術，所以又稱為直接模擬頻率合成法(DirectAnalogFrequencySynthesis，DAFS)。常見的電路有以下兩種。

(1)固定頻率合成法。圖6-17為固定頻率合成原理框圖。圖中，石英晶體振蕩器提供基準頻率fr，D為分頻器的分頻系數(shù)，N為倍頻器的倍頻系數(shù)。因此，輸出頻率fo為

(6-16)式中，D和N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。圖6-17固定頻率合成原理

(2)可變頻率合成法。圖6-8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，它是通過頻率的混頻、倍頻和分頻等方法，由基準頻率產(chǎn)生一系列頻率信號并用窄帶濾波器選出。以實現(xiàn)3.628MHz輸出信號為例，由晶體振蕩器產(chǎn)生的1MHz基準頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生1MHz、2MHz、…、9MHz等多個基準頻率信號，將這些頻率信號進行10分頻(完成÷10運算)、混頻(完成加法運算)和濾波，最后產(chǎn)生所需的3.628MHz輸出信號。只要選取不同的諧波并進行相應的組合就可以得到所需的信號。圖6-18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)點是頻率切換迅速，相位噪聲很低。其缺點是電路硬件結構復雜，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。

2)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，用模擬的方法，通過對基準頻率fr進行加、減、乘、除算術運算得到所需要的輸出頻率。自20世紀70年代以來，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及計算機技術的普及，開創(chuàng)了另一種信號合成技術——直接數(shù)字頻率合成法(DirectDigitalFrequencySynthsis，DDFS)。它的原理是基于取樣技術和數(shù)字計算機技術來實現(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，從“相位”的概念出發(fā)進行頻率合成。這種合成方法不僅可以給出不同頻率的正弦波，而且還可以給出不同初始相位的正弦波，甚至可以給出各種各樣形狀的任意波形。在前述兩種合成方法中，后兩個性能是無法實現(xiàn)的。此合成方法的優(yōu)點是能夠解決快捷變和小步進之間的矛盾，且集成度高，體積小。但是由于D/A等器件的速率度限制，其頻率上限較低，雜散也較大。

2.間接頻率合成法間接頻率合成法是基于鎖相環(huán)(PhaseLockedLoop，PLL)的原理，利用鎖相環(huán)(PLL)把壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率鎖定在基準頻率上，鎖相環(huán)可以看做為中心頻率能自動跟蹤輸入基準頻率的窄帶濾波器。如果在鎖相環(huán)內加入有關電路就可以對基準頻率進行算術運算，產(chǎn)生人們需要的各種頻率。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頻率進行運算，故稱為間接合成法。鎖相式頻率合成的優(yōu)點是：易于集成化、體積小、結構簡單、功耗小、價格低等，但是它的頻率切換時間相對較長。6.3.3鎖相頻率合成

1.鎖相環(huán)基本工作原理及性能鎖相環(huán)是一個相位環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，該環(huán)路由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、電壓控制振蕩器(VCO)及基準晶體振蕩器等部分組成，其基本原理如圖6-19所示。圖6-19鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖圖中的鑒相器是一個相位比較電路，用于檢測輸入信號ui與反饋信號uo之間的相位差，其輸出為誤差電壓ud。環(huán)路濾波器實際上是一個低通濾波器，用于濾除誤差電壓uD中的高頻成分和噪聲，達到穩(wěn)定環(huán)路工作及改善環(huán)路性能的目的。壓控振蕩器的輸出頻率受控制電壓的控制，鑒相器輸出的誤差電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器濾波后，去控制壓控振蕩器的輸出信號頻率，實現(xiàn)了相位的反饋控制，將輸出信號頻率fo鎖定在輸入信號頻率fi上。當環(huán)路穩(wěn)定時，fo=fi，它們具有同等的穩(wěn)定度，或者說鎖相式頻率合成器的頻率穩(wěn)定度可以提高到晶體振蕩器的質量水平。當壓控振蕩器輸出頻率fo由于某些原因發(fā)生變化時(稱為鎖相環(huán)的失鎖)，相應相位也發(fā)生變化，該相位變化在鑒相器中與基準晶振頻率的穩(wěn)定相位比較，使得鑒相器輸出一個與相位差成比例的電壓ud，該電壓經(jīng)低通濾波檢出直流分量去控制壓控振蕩器的輸出頻率，使壓控振蕩器的輸出頻率fo向輸入頻率fi方向拉動，產(chǎn)生了所謂的頻率牽引現(xiàn)象，隨著壓控振蕩器的輸出頻率fo向輸入頻率fi方向逐漸拉動，ud相應的逐漸變小，最后，不但使壓控振蕩器輸出頻率和基準晶振一致，而且相位也趨于同步，這時稱為環(huán)路相位鎖定。同樣若改變輸入基準頻率fi，也會引起鑒相器輸出電壓ud發(fā)生變化，進而驅動VCO的輸出頻率及相位與輸入一致并進入鎖定狀態(tài)。當環(huán)路鎖定時，VCO的輸出頻率fo=fi，若fi變化，fo

也跟隨著變化，動維持fo=fi的關系，這就是環(huán)路的跟蹤性。但是fi變化必須在一定范圍內，fo才能跟蹤fi，超出這一范圍fo將無法跟蹤輸入頻率fi的變化而“失鎖”。將鎖定條件下輸入頻率所允許的最大變化范圍稱為同步帶寬，它表明了鎖定狀態(tài)下VCO的最大頻率變化范圍。鎖相環(huán)的工作過程是一個從失鎖狀態(tài)→頻率牽引→鎖定狀態(tài)的過程，鎖相環(huán)從失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)是有條件的，當鎖相環(huán)剛開始工作時，鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)，VCO的輸出頻率fo與輸入?yún)⒖碱l率fi之間存在一個頻差Δfo=fo-fi，只要當Δfo減小到一定值，環(huán)路才能從失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)。因此將環(huán)路最終能夠自行進入鎖定狀態(tài)的最大允許的頻差稱為捕捉帶寬。當失鎖狀態(tài)下的頻差Δfo小于捕捉帶寬時，鎖相環(huán)總能進入鎖定狀態(tài)。鎖相環(huán)是一個相位環(huán)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的信息是相位，因此可以采用相位傳遞函數(shù)來描述鎖相環(huán)的特性，鎖相環(huán)的閉環(huán)相位傳遞函數(shù)為

(6-17)式中，Φo(s)為輸出相位φo(t)的拉氏變換；Φi(s)為輸入相位φi(t)的拉氏變換。傳遞函數(shù)H(s)的階數(shù)取決于環(huán)路濾波器的形式，若沒有環(huán)路濾波器則H(s)為一階，一般H(s)為二階，也有三階的，相應稱為一階環(huán)、二階環(huán)、三階環(huán)等。若取s＝jω，則得到鎖相環(huán)的頻率特性，即

(6-18)式中，ω為輸入相位的調制角頻率。由此可見，鎖相環(huán)的頻率特性具有低通濾波器的傳輸特性，其高頻截止頻率稱為環(huán)路帶寬。應當注意，這里所說的低通特性是針對輸入信號的相位而言，不是對輸入信號的整體而言。對輸入信號的相位φi(t)具有低通特性就意味著對輸入信號的整體(Uimsin［ωit+φi(t)］)具有帶通特性，即鎖相環(huán)只允許在輸入頻率fi附近的頻率成分通過，而阻止遠離fi的頻率成分通過，因此鎖相環(huán)具有窄帶濾波特性。

2.鎖相環(huán)的基本形式在鎖相式頻率合成信號源中，需要采用不同形式的鎖相環(huán)，以便產(chǎn)生在一定頻率范圍內步進的或連續(xù)可調的輸出頻率，常見的鎖相環(huán)形式主要有以下幾種。

(1)倍頻式鎖相環(huán)(倍頻環(huán))。倍頻環(huán)是實現(xiàn)對輸入頻率進行乘法運算的鎖相環(huán)。倍頻環(huán)主要有兩種形式：諧波倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)。圖6-20是其原理框圖。圖6-20倍頻式鎖相環(huán)原理框圖

(a)諧波倍頻環(huán)；(b)數(shù)字倍頻環(huán)圖6-20(a)中，輸入頻率fi信號經(jīng)諧波形成電路形成含豐富諧波分量的窄脈沖，通過調諧VCO的固有頻率靠近諧波中第N次諧波，即用第N次諧波與VCO信號在鑒相器中進行相位比較，從而VCO被鎖定在輸入信號的第N次諧波上，使得環(huán)路鎖定后fo=Nfi。倍頻環(huán)也可采用數(shù)字倍頻的形式，圖6-20(b)是其實現(xiàn)原理框圖。它是在反饋回路中加入數(shù)字分頻器，將輸出信號N分頻后送入相位比較器，與基準頻率信號進行比較，當環(huán)路鎖定時，fo=Nfi。倍頻鎖相環(huán)一般用符號NPLL表示。

(2)分頻式鎖相環(huán)(分頻環(huán))。分頻環(huán)實現(xiàn)對輸入頻率的除法運算，與倍頻環(huán)相似，也有兩種基本形式，如圖6-21所示。圖6-21分頻式鎖相環(huán)原理框圖

(a)諧波分頻環(huán)；(b)數(shù)字分頻環(huán)與倍頻不同的是，在諧波分頻式鎖相環(huán)中，諧波形成電路放于反饋回路之中，在鑒相器中將輸入?yún)⒖碱l率與輸出頻率的第N次諧波進行相位比較，因此鎖定后，輸出頻率fo=fi/N。而在數(shù)字分頻式鎖相環(huán)中，數(shù)字分頻器置于鎖相環(huán)外，分頻器的輸出頻率與VCO的輸出頻率進行相位比較，則當環(huán)路鎖定時，同樣有fo=fi/N。

(3)混頻式鎖相環(huán)(混頻環(huán))?；祛l環(huán)實現(xiàn)對頻率的加減運算，圖6-22(a)是一個進行加法運算的混頻環(huán)，圖6-22(b)是一個進行減法運算的混頻環(huán)。在圖6-22(a)中，輸出頻率fo與輸入頻率fi2混頻后取差頻fo-fi2與輸入頻率fi1進行相位比較，因此，環(huán)路鎖定后，fo＝fi1＋fi2。如果fi2采用高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器，fi1

采用可調的LC振蕩器,則可以實現(xiàn)fo在一定范圍內的連續(xù)可調，而且當fi2比fi1高得多時，輸出頻率穩(wěn)定度仍可達到與輸入頻率fi2同一量級。而在圖(b)中，輸出頻率fo與基準頻率fi2混頻后,取和頻fo+fi2與參考頻率fi1進行相位比較，因此環(huán)路鎖定后，fo＝fi1-fi2。圖6-22混頻式鎖相環(huán)(a)加法混頻環(huán)；(b)減法混頻環(huán)

(4)多環(huán)合成單元。以上幾種鎖相環(huán)都是單環(huán)形式，其不足之處在于頻率點數(shù)目較少，頻率分辨力不高，我們無法利用單環(huán)鎖相環(huán)來合成所需的輸出頻率覆蓋并實現(xiàn)連續(xù)可調。所以，一般合成式信號源都是由多環(huán)合成單元組成。根據(jù)需要，多環(huán)結構的形式可以是多種多樣的，下面以一個雙環(huán)合成單元為例加以說明，其原理結構如圖6-23所示。圖6-23雙環(huán)合成器原理結構圖(a)雙環(huán)合成器原理結構框圖；(b)雙環(huán)合成器簡化結構框圖該雙環(huán)合成器由一個倍頻環(huán)(虛線下方部分)和一個加法混頻環(huán)(虛線上方部分)組成，倍頻環(huán)的輸出作為加法混頻環(huán)的一個輸入，內插振蕩器的連續(xù)可變輸出作為加法混頻環(huán)的另一個輸入，可知混頻環(huán)的輸出頻率為fo=Nfi1+fi2

(6-19)由式(6-19)可知，通過調諧VCO1固有頻率改變倍頻系數(shù)N和調諧fi2即可實現(xiàn)在兩個鎖定點之間的連續(xù)可調，下面用一個例子進行說明。例如，為了從圖6-23的雙環(huán)合成單元獲得在3400～5100kHz之間連續(xù)可調的輸出頻率，N、fi1、fi2可選擇如下：取輸入基準頻率fi1為10kHz，N在330～500之間變化，則倍頻環(huán)輸出Nfi1為3300kHz～5000kHz之間，間隔為10kHz的離散頻率，如3300kHz，3310kHz，…，4990kHz，5000kHz。為了實現(xiàn)fo在3400kHz～5100kHz之間連續(xù)可調，選擇內插振蕩器的輸出頻率fi2具有10kHz的覆蓋，即可把fi2的10kHz連續(xù)可調范圍“插入”到倍頻環(huán)輸出頻率相鄰的兩個離散鎖定點之間。這里取fi2的連續(xù)可調范圍為100kHz～110kHz，則可實現(xiàn)要求區(qū)間內的連續(xù)覆蓋。例如，若要求輸出頻率fo為2153.5kHz，首先調諧VCO1使之鎖定在2050kHz(N為205)，然后調節(jié)內插振蕩器使其輸出頻率fi2為103.5kHz，則通過混頻環(huán)后得到合成頻率fo＝(2050+103.5)kHz=2153.5kHz。VCO1和VCO2的可變電容是同軸統(tǒng)調，當VCO1的頻率從一個鎖定點調到另一個鎖定點的同時，VCO2的固有頻率作相應改變，使其始終能進入混頻環(huán)的捕捉帶寬之內從以上可知，由于在鎖相環(huán)的反饋支路中加入頻率運算電路(加、減、乘、除等)，所以，鎖相環(huán)的輸出頻率fo是基準頻率fi經(jīng)有關數(shù)學運算的結果，環(huán)路不同，數(shù)學運算的結果不同。在鎖相環(huán)頻率合成信號源中，倍頻式鎖相環(huán)和混頻式鎖相環(huán)獲得更多的應用，數(shù)字環(huán)的N值可以借助計算機實現(xiàn)程控設定。6.4直接數(shù)字頻率合成技術

6.4.1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準時鐘的作用下，通過控制電路按照一定的地址關系從數(shù)據(jù)存儲器ROM(或RAM)單元中讀出數(shù)據(jù)，再進行數(shù)模轉換(D/A)，就可以得到一定頻率的輸出波形。由于輸出信號(在D/A的輸出端)為階梯狀，為了使之成為理想正弦波還必須進行濾波，濾除其中的高頻分量，所以在D/A之后接一平滑濾波器，最后輸出頻率為fo的正弦信號波形。

1.DDS組成原理直接數(shù)字合成(DirectDigitalSynthesis，DDS)的基本原理是基于取樣技術和計算技術，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調的信號。任何頻率的正弦波形都可以看做是由一系列取樣點所組成。設取樣時鐘頻率為fc，正弦波每個周期由K個取樣點構成，則該正弦波的頻率為

(6-20)式中，Tc為取樣時鐘周期。如果改變取樣時鐘頻率fc,則可以改變輸出正弦波的頻率fo。其基本實現(xiàn)原理框圖如圖6-24所示。圖6-24DDS組成原理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ROM中，地址計數(shù)器在參考時鐘fc的作用下進行加1的累加計數(shù)，生成對應的地址，并將該地址存儲的波形數(shù)據(jù)通過D/A轉換器輸出，就完成了合成的波形。其合成波形的輸出頻率取決于兩個因數(shù)：參考時鐘頻率fc、ROM中存儲的正弦波。因此改變時鐘頻率fc或改變ROM中每周期波形的采樣點數(shù)K，均能改變輸出頻率fo。

2.相位累加器原理如果改變地址計數(shù)器計數(shù)步進值(即以值M(M＞1)來進行累加)，則在保持時鐘頻率fc和ROM數(shù)據(jù)不變的情況下，可以改變每周期的采樣點數(shù)，從而實現(xiàn)輸出頻率fo

的改變。例如,設存儲器中存儲了K個數(shù)據(jù)(一個周期的采樣數(shù)據(jù))，則地址計數(shù)器步進為1時，輸出頻率fo=fc/K，如果地址計數(shù)步進為M，則每周期取樣點數(shù)為K/M，輸出頻率fo=(M/K)fc。地址計數(shù)器步進值改變可以通過相位累加器法來實現(xiàn)，其基本原理框圖如圖6-25所示。圖6-25相位累加器原理相位累加器在參考時鐘fc作用下進行累加，相位累加的步進幅度(相位增量Δ)由頻率控制字M決定。設相位累加器為N位(其累加值為K)，頻率控制字為M，則每來一個時鐘作用后累加器的值Ki+1=Ki+M,若Ki+1＞2N則自動溢出(N為累加器中的余數(shù)保留)，參加下一次累加。將累加器輸出中的高A(A＜N)位數(shù)據(jù)作為波形存儲器的地址，即丟掉了低位(N-A)的地址(又稱為相位截尾)，波形存儲器的輸出經(jīng)D/A轉換和濾波后輸出。為了便于理解，我們可以將正弦波看做一個矢量沿相位圓轉動，相位圓對應正弦波一個周期的波形。波形中的每個采樣點對應相位圓上的一個相位點。如圖6-26所示。圖6-26數(shù)字相位圓如果正弦波形定位到相位圓上的精度為N位，則其分辨力為1/2N,即以fc對基本波形一周期的采樣數(shù)為2N。如果相位累加時的步進為M(頻率控制字)，則每個時鐘fc使得相位累加器的值增加M/2N,即Ki+1=Ki+(M/2N),因此每周期的取樣點數(shù)為2N/M,則輸出頻率為

(6-21)為了提高波形相位精度，N的取值應較大，如果直接將N全部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N的低位，只取N的高A位(如高16位)作為存儲器地址，使得相位的低位被截斷(即相位截尾)。當相位值變化小于1/2A時,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，由于地址截斷而引起的幅值誤差稱為截斷誤差。

3.DDS的性能因為輸出信號實際上是以時鐘fc的速率對波形進行取樣，從獲得的樣本值中恢復出來的。根據(jù)取樣定理fomax≤(fc/2)，所以M≤2N-1，實際中一般取M≤2N-2。當M＝1時，輸出頻率最小，fomin=(1/2N)fc。輸出頻率的分辨力Δf由相位累加器的位數(shù)N決定，即Δf=(1/2N