电子测量技术第3章 测量用信号发生器

1、3.1 3.1 信号发生器概述信号发生器概述3.1.13.1.1信号源的作用信号源的作用 能产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的能产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器称为信号源，信号源在电子系统的研制、生产信号发生器称为信号源，信号源在电子系统的研制、生产、测试、校准及维护中有着广泛的应用。例如在电子测量、测试、校准及维护中有着广泛的应用。例如在电子测量中，一个系统电参数的数值或特性中，一个系统电参数的数值或特性( (如电阻的阻值、放大如电阻的阻值、放大器的放大倍数、四端网络的频率特性等器的放大倍数、四端网络的频率特性等) )必须在一定的电必须在一定的电信号作用下才能表现

2、出来。信号作用下才能表现出来。 可以借助于信号源，将其产生的信号作为输入激可以借助于信号源，将其产生的信号作为输入激励信号，观察系统响应的方法进行测量。另一方面，励信号，观察系统响应的方法进行测量。另一方面，许多电子系统的性能只有在一定信号的作用下才能显许多电子系统的性能只有在一定信号的作用下才能显现出来，如扬声器，电视机等。扬声器只有在外加音现出来，如扬声器，电视机等。扬声器只有在外加音频信号时才能发声，如果不给电视机外加电视信号，频信号时才能发声，如果不给电视机外加电视信号，其屏幕上就不会有图像。和示波器、电压表、频率计其屏幕上就不会有图像。和示波器、电压表、频率计等仪器一样，信号源是电子

3、测量领域中最基本、应用等仪器一样，信号源是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。最广泛的一类电子仪器。 在其他领域，信号源也有着广泛的应用，例如机械部门在其他领域，信号源也有着广泛的应用，例如机械部门的超声波探伤、医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。归的超声波探伤、医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。归纳起来，信号源的用途主要有以下三个方面：纳起来，信号源的用途主要有以下三个方面： (1) (1) 激励源激励源 在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件及整机设备时，都需要有信号源作为激励信号，由它产生件及整机设备时，都需要有信

4、号源作为激励信号，由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件设备不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析确定它们的性能参数。确定它们的性能参数。(2) (2) 标准信号源标准信号源 如标准的正弦波发生器、方波发生器、脉冲波发生器、如标准的正弦波发生器、方波发生器、脉冲波发生器、 电视信号发生器等。这些信号一类是用于产生一些标准信号电视信号发生器等。这些信号一类是用于产生一些标准信号，提供给某类设备测量专用；另一类是用作对一般信号源校，提供给某类设备测量专用；另一类是

5、用作对一般信号源校准，亦称为校准源。准，亦称为校准源。(3) (3) 信号仿真信号仿真( (信号模拟器信号模拟器) ) 若要研究设备在实际环境下所受到的影响，而又暂时无若要研究设备在实际环境下所受到的影响，而又暂时无法到实际环境中测量时，可以利用信号源给其施加与实际环法到实际环境中测量时，可以利用信号源给其施加与实际环境相同特性的信号来测量，这时信号源就要仿真实际的特征境相同特性的信号来测量，这时信号源就要仿真实际的特征信号，如噪声信号、高频干扰信号等。信号，如噪声信号、高频干扰信号等。3.2.1 3.2.1 信号发生器的分类信号发生器的分类 信号源的应用领域广泛，种类繁多，性能指标各异，分信

6、号源的应用领域广泛，种类繁多，性能指标各异，分类方法亦不同。按类方法亦不同。按用途用途有专用和通用之分；按性能有一般和有专用和通用之分；按性能有一般和标准信号源之分；按标准信号源之分；按调制类型调制类型可以分为调幅、调频、调相、可以分为调幅、调频、调相、脉冲调制及组合调制信号发生器等；按脉冲调制及组合调制信号发生器等；按频率调节方式频率调节方式可分为可分为扫频、程控信号发生器等。下面介绍几种主要的分类方法。扫频、程控信号发生器等。下面介绍几种主要的分类方法。 按照输出信号的频率来分，大致可以分为按照输出信号的频率来分，大致可以分为6 6类：类： (1) (1) 超低频率信号发生器，频率范围为超

7、低频率信号发生器，频率范围为0.0010.0011000Hz1000Hz； (2) (2) 低频信号发生器，频率范围低频信号发生器，频率范围1Hz1Hz1MHz; 1MHz; (3) (3) 视频信号发生器，频率范围为视频信号发生器，频率范围为20Hz20Hz10MHz10MHz；(4) (4) 高频信号发生器，频率范围为高频信号发生器，频率范围为200kHz200kHz30MHz30MHz； (5) (5) 甚高频信号发生器，频率范围在甚高频信号发生器，频率范围在30MHz30MHz300MHz300MHz； (6) (6) 超高频信号发生器，频率在超高频信号发生器，频率在300MHz300

8、MHz以上。以上。 应该指出，应该指出， 按频段划分的方法并不是一种严格的界限，按频段划分的方法并不是一种严格的界限， 目前许多信号发生器可以跨越几个频段。目前许多信号发生器可以跨越几个频段。2.2.按输出的波形可以分为：按输出的波形可以分为：(1)(1)正弦波形发生器，产生正弦波形或受调制的正弦信号；正弦波形发生器，产生正弦波形或受调制的正弦信号；(2)(2)脉冲信号发生器，产生脉冲宽度不同的重复脉冲；脉冲信号发生器，产生脉冲宽度不同的重复脉冲；(3)(3)函数信号发生器，产生幅度与时间成一定函数关系的信号；函数信号发生器，产生幅度与时间成一定函数关系的信号；(4)(4)噪声信号发生器，产生

9、模拟各种干扰的电压信号。噪声信号发生器，产生模拟各种干扰的电压信号。 3.3.按照信号发生器的性能标准按照信号发生器的性能标准，可以分为一般的信号发生，可以分为一般的信号发生器和标准信号发生器。器和标准信号发生器。 在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用在各类信号发生器中，正弦信号发生器是最普通、应用最广泛的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。最广泛的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。其原因除了正弦信号容易产生，容易描述，又是应用最广其原因除了正弦信号容易产生，容易描述，又是应用最广的载波信号外，还由于任何线性双口网络的特性，都可以的载波信号外，还由于任何线性双口网络的

10、特性，都可以用它对正弦信号的响应来表征。用它对正弦信号的响应来表征。011100fff式中，式中，f f0 0为刻度盘或数字显示数值，也称预调值，为刻度盘或数字显示数值，也称预调值，f f1 1是输出正弦信号频率的实际值。是输出正弦信号频率的实际值。频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。用频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。用刻度盘读数的信号发生器频率准确度约为刻度盘读数的信号发生器频率准确度约为(1%(1% 10%)10%)，精密低频信号发生器频率准确度可达，精密低频信号发生器频率准确度可达0.5%0.5%。例如调谐式。例如调谐式XFC-6XFC-6型标准信号发生器，其频率标型标准

11、信号发生器，其频率标准优于准优于1%1%，而一些采用频率合成技术带有数字显，而一些采用频率合成技术带有数字显示的信号发生器，其输出信号具有基准频率示的信号发生器，其输出信号具有基准频率( (晶振晶振) )的准确度，若机内采用高稳定度晶体振荡器，输出的准确度，若机内采用高稳定度晶体振荡器，输出频率的准确度可达到频率的准确度可达到1010-8-8 1010-10-10。 (3) (3) 频率稳定度频率稳定度 频率稳定度指标要求与频率准确度相关。频率稳定度是频率稳定度指标要求与频率准确度相关。频率稳定度是指其他外界条件恒定不变的情况下，指其他外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发在规定时间内

12、，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小生器输出频率相对于预调值变化的大小。按照国家标准，频。按照国家标准，频率稳定又分为率稳定又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度频率短期稳定度和频率长期稳定度。 频率短期稳定度频率短期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意后，信号频率在任意1515分钟内所发生的最大变化，表示为分钟内所发生的最大变化，表示为maxmin0100fff式中，式中，f f0 0为预调频率，为预调频率，f fmaxmax、f fminmin分别为任意分别为任意1515分钟的信号频率分钟的信号频率的最大值和最小值。的最大值和最小

13、值。频率长期稳定度定义频率长期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意时间后，信号频率在任意3 3小时所发生的最大变化，小时所发生的最大变化，表示为表示为 x1010-6 -6 + + y式中式中, , x x、y y是由厂家确定的性能指标值，也可以用是由厂家确定的性能指标值，也可以用上式表示频率长期稳定度。上式表示频率长期稳定度。 需要指出，许多厂商的产品技术说明书中，需要指出，许多厂商的产品技术说明书中，并未按上述方式给出频率稳定度指标。例如国产并未按上述方式给出频率稳定度指标。例如国产HG1010HG1010信号发生器和信号发生器和( (美美)

14、KH4024)KH4024信号发生器的频信号发生器的频率稳定度都是率稳定度都是0.01%/0.01%/h h，含义是经过规定的预热时，含义是经过规定的预热时间后，两种信号发生器每小时间后，两种信号发生器每小时( (h h) )的频率漂移的频率漂移( (f fmaxmax- -f fminmin) )与预调值与预调值f f0 0之比为之比为0.01%0.01%。有些则以天为时间单位表示稳定度。例如国产有些则以天为时间单位表示稳定度。例如国产QF1480QF1480合成信号发生器频率稳定度为合成信号发生器频率稳定度为5 51010-10-10/ /天，天，而而QF1076QF1076信号发生器信号

15、发生器( (频率范围频率范围10 MHz10 MHz520 MHz)520 MHz)频率稳定度为频率稳定度为50501010-6-6/5min+1 kHz/5min+1 kHz，是用相对值，是用相对值和绝对值的组合形式表示稳定度。又如，国产和绝对值的组合形式表示稳定度。又如，国产XD-1XD-1型低频信号发生器通电预热型低频信号发生器通电预热3030分钟后，第分钟后，第1 1小时内频小时内频率漂移不超过率漂移不超过0.1%0.1%f f0 0(Hz)(Hz)，其后，其后7 7小时内不超过小时内不超过0.2%0.2%f f0 0(Hz)(Hz)。 通常，通用信号发声器的频率稳定度为通常，通用信号

16、发声器的频率稳定度为1010-2-21010-4-4，用于精密测量的高精度高稳定度信号发生器的频率用于精密测量的高精度高稳定度信号发生器的频率稳定度应高于稳定度应高于1010-6-6 1010-7-7, , 而且而且要求频率稳定度一要求频率稳定度一般应比频率准确度高般应比频率准确度高1-21-2个数量级个数量级。例如。例如XD-2XD-2型低型低频信号发生器的频率稳定度优于频信号发生器的频率稳定度优于0.1%0.1%，频率准确度，频率准确度优于优于(1(1 3)%3)%。2. 2. 输出特性输出特性输出特性指标主要有输出特性指标主要有输出阻抗、输出电平、非线性失真输出阻抗、输出电平、非线性失真

17、系数系数三项指标。三项指标。 (1) (1) 输出阻抗输出阻抗 作为信号源，输出阻抗的概念在作为信号源，输出阻抗的概念在“电路电路”或或“电子电路电子电路”课程中都有说明。信号发生器的输出阻抗视其类型不同课程中都有说明。信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。低频信号发生器，电压输出端的输出阻抗一般为而异。低频信号发生器，电压输出端的输出阻抗一般为600(600(或或1k)1k)，功率输出端依输出匹配变压器的设计而，功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有定，通常有5050，7575，150150，600600和和5k5k等挡。高频等挡。高频信号发生器一般仅有信号发生器一般仅有5050或或7

18、575挡。当使用高频信号发生挡。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。器时，要特别注意阻抗的匹配。 (2) (2) 输出电平输出电平 输出电平指的是输出信号幅度的有效范围输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标，即由产品标准规定的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率及其准规定的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。输出幅度可以用衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。输出幅度可以用电压电压(V(V，mV, V)mV, V)或分贝表示。例如或分贝表示。例如XD-1XD-1低频率信号发生低频率信号发生器的最大电压输出为器的最大电压输出为1Hz1

19、Hz1MHz1MHz5V5V，最大功率输出为，最大功率输出为10Hz10Hz700 kHz(50700 kHz(50、7575、150150、600)600)4W4W。 在信号发生器的输出级中，一般都包括在信号发生器的输出级中，一般都包括衰减器衰减器，其目的是获得从微伏级其目的是获得从微伏级(V)(V)到毫伏到毫伏(mV)(mV)级的小级的小信号电压信号电压。例如。例如XD-1XD-1型信号发生器最大信号电压型信号发生器最大信号电压为为5V5V，通过，通过0 080dB80dB的步进衰减输出，可获得的步进衰减输出，可获得500V500V的小信号电压。在信号发生器的性能指标的小信号电压。在信号发

20、生器的性能指标中，就包括中，就包括“衰减器特征衰减器特征”这一指标，主要指衰这一指标，主要指衰减范围和衰减误差减范围和衰减误差，例如上述，例如上述XD-1XD-1型信号发生器型信号发生器的衰减器特性为：电压输出，的衰减器特性为：电压输出，1Hz1Hz 1MHz1MHz；衰减；衰减80801.5dB1.5dB。 和频率稳定度指标类似，还有输出信号幅度稳定度及平和频率稳定度指标类似，还有输出信号幅度稳定度及平坦度指标。坦度指标。幅度稳定度幅度稳定度是指信号发生器经规定时间预热后是指信号发生器经规定时间预热后，在规定时间间隔内输出信号幅度对预调幅度值的相对变在规定时间间隔内输出信号幅度对预调幅度值的

21、相对变化量化量。例如。例如HG1010HG1010信号发生器幅度稳定度为信号发生器幅度稳定度为0.01%/h0.01%/h。平平坦度分别指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。坦度分别指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。使用者通常主要关心输出幅度随频率变化的情况。像用静使用者通常主要关心输出幅度随频率变化的情况。像用静态态“点频法点频法”测量放大器的幅频特性时就是如此。现代信测量放大器的幅频特性时就是如此。现代信号发生器一般都有自动电平控制电路号发生器一般都有自动电平控制电路(ALC)(ALC)，可以使平坦，可以使平坦度保持在度保持在1dB1dB以内，即幅度波动控制在以内，即幅度波动控

22、制在10%10%以内，例如以内，例如XD8BXD8B超低频信号发生器的幅频特性小于超低频信号发生器的幅频特性小于3%3%。 (3) (3) 非线性失真系数非线性失真系数( (失真度失真度) ) 正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正弦波，但由于信号发生器内部放大器等元器件的非线性，弦波，但由于信号发生器内部放大器等元器件的非线性，会使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率会使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率外，外， 还有其他谐波分量。人们通常用信号频谱纯度来说还有其他谐波分量。人们通常用信号频谱纯度来说明输出信号波

23、形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数明输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数表示：表示： 222231nUUUU式中，式中，U U1 1为输出信号基波有效值，为输出信号基波有效值，U U2 2、U U3 3、为各次谐波有为各次谐波有效值。由于效值。由于U U2 2、U U3 3、U Un n等较等较U U1 1小得多，为了测量上的方便小得多，为了测量上的方便，也常用下面的公式定义；，也常用下面的公式定义；2222322212nnUUUUUU%100 一般低频正弦信号发生器的失真度为一般低频正弦信号发生器的失真度为0.1%0.1%1%1%，高，高档正弦信号发生器失真度可低于档正弦信号

24、发生器失真度可低于0.005%0.005%。例如。例如XD-2XD-2低频低频信号发生器电压输出的失真度信号发生器电压输出的失真度0.1%0.1%。而。而ZN1030ZN1030的非线的非线性失真系数性失真系数0.003%0.003%。对于高频信号发生器，这项指标。对于高频信号发生器，这项指标要求很低，作为工程测量用仪器，其非线性失真系数要求很低，作为工程测量用仪器，其非线性失真系数5%5%，以眼睛观察不到波形失真即可。另外，人们通常，以眼睛观察不到波形失真即可。另外，人们通常只用非线性失真来评价低频信号发生器，而用频谱纯度只用非线性失真来评价低频信号发生器，而用频谱纯度来评价高频信号发生器，

25、频谱纯度不仅要考虑高次谐波来评价高频信号发生器，频谱纯度不仅要考虑高次谐波造成的失真，还要考虑由非谐波噪声而造成的正弦波失造成的失真，还要考虑由非谐波噪声而造成的正弦波失真。真。3. 3. 调制特性调制特性高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或两种以上的已被调制的信号。一种或两种以上的已被调制的信号。 多数情况下是调幅信号和调频信号，有些还带有调相多数情况下是调幅信号和调频信号，有些还带有调相和脉冲调制功能。和脉冲调制功能。当调制信号由信号发生器内部产生时成当调制信号由信号发生器内部产生时成为内调制，当调制信号由外部加到信号发生器时，

26、称为外为内调制，当调制信号由外部加到信号发生器时，称为外调制。调制。这类带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无这类带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收发设备等场合不可缺少的仪器。例如，线电收发设备等场合不可缺少的仪器。例如，XFC-6XFC-6标准标准信号发生器，就具备内、外调幅，内、外调频，或进行内信号发生器，就具备内、外调幅，内、外调频，或进行内调幅时进行外调频，或同时进行外调幅与外调频等功能。调幅时进行外调频，或同时进行外调幅与外调频等功能。而像而像HP8663HP8663这类高档合成信号发生器，同时具有调幅、调这类高档合成信号发生器，同时具有调幅、调频、调相、脉冲调制等功能

27、。频、调相、脉冲调制等功能。 评价信号发生器的性能指标不止上述各项，这里仅就评价信号发生器的性能指标不止上述各项，这里仅就最常用的最重要的项目作了概括介绍。最常用的最重要的项目作了概括介绍。 由于使用目的、制造工艺、工作机理等诸方面的因素，由于使用目的、制造工艺、工作机理等诸方面的因素， 各类信号发生器的性能指标相差是很悬殊的，因而价格相各类信号发生器的性能指标相差是很悬殊的，因而价格相差也就很大，所以在选用信号发生器的时候差也就很大，所以在选用信号发生器的时候( (选用其他测量选用其他测量仪器也是如此仪器也是如此) )，必须考虑合理性和经济性。以对频率的准，必须考虑合理性和经济性。以对频率的

28、准确度要求为例，当测试谐振回路的频率特性、电阻值和电确度要求为例，当测试谐振回路的频率特性、电阻值和电容损耗角随频率变化时，仅需要容损耗角随频率变化时，仅需要1 11010-2-21 11010-3-3的准的准确度，而当测广播通信设备时，则要求确度，而当测广播通信设备时，则要求1010-5-51010-7-7的准的准确度，显然，两种场合应当选用不同档次的信号发生器。确度，显然，两种场合应当选用不同档次的信号发生器。 图图1 1 信号发生器的结构框图信号发生器的结构框图 (1) (1) 主振器：它是信号源的核心，由它产生不同频率、不主振器：它是信号源的核心，由它产生不同频率、不同波形的信号。由于

29、要产生的信号频率、波形不同，其原理、同波形的信号。由于要产生的信号频率、波形不同，其原理、 结构差异很大。结构差异很大。 (2)(2) 缓冲级：对主振器产生的信号进行放大、整形等。缓冲级：对主振器产生的信号进行放大、整形等。 (3) (3) 调制级：在需要输出调制波形时，对原始信号按照调调制级：在需要输出调制波形时，对原始信号按照调幅、调频等要求进行调制。幅、调频等要求进行调制。 (4)(4) 输出级：输出级的功能是调节输出信号的电平和输出输出级：输出级的功能是调节输出信号的电平和输出阻抗，可以由衰减器、匹配变压器以及射极跟随器等构成。阻抗，可以由衰减器、匹配变压器以及射极跟随器等构成。 (5

30、) (5) 指示器：指示器用来监视输出信号，可以是电指示器：指示器用来监视输出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计和调制度表等，有些脉冲信子电压表、功率计、频率计和调制度表等，有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器。使用时可通过指示器来号发生器还附带有简易示波器。使用时可通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其他特征。通常情况下指调整输出信号的频率、幅度及其他特征。通常情况下指示器接于衰减器之前，并且由于指示仪表本身准确度不示器接于衰减器之前，并且由于指示仪表本身准确度不高，其示值仅供参考，从输出端输出信号的实际特性需高，其示值仅供参考，从输出端输出信号的实际特性需要其他更准确的测量仪表来测量

31、。要其他更准确的测量仪表来测量。 (6) (6) 电源：提供信号发生器各部分的工作电源电压。电源：提供信号发生器各部分的工作电源电压。通常是将通常是将50Hz50Hz交流市电整流成直流，并有良好的稳压措交流市电整流成直流，并有良好的稳压措施。施。 3.3 3.3 函数信号发生器工作原理函数信号发生器工作原理 它在输出正弦波的同时还能输出同频率的三角波、方波、它在输出正弦波的同时还能输出同频率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足不同的测试要求，因其时间波形可用某锯齿波等波形，以满足不同的测试要求，因其时间波形可用某些时间函数来描述而得名。些时间函数来描述而得名。 3.3.1 3.3.1 电路工作

32、原理电路工作原理 电路工作原理框图如图电路工作原理框图如图3.3.13.3.1所示。所示。3.3.2 3.3.2 典型电路分析典型电路分析3.4 DDS3.4 DDS数字式频率合成信号发生器数字式频率合成信号发生器3.4.1 3.4.1 频率合成的原理频率合成的原理在现代测量和现代通信技术中，需要高稳定度、在现代测量和现代通信技术中，需要高稳定度、高纯度的频率信号源。这种高稳定度的信号不能用高纯度的频率信号源。这种高稳定度的信号不能用LCLC或或RCRC振荡器振荡器( (稳定度只能达到稳定度只能达到1010-3-31010-4-4量级量级) )产生，产生，而一般采用晶体振荡器而一般采用晶体振荡

33、器( (稳定度可以优于稳定度可以优于1010-6-61010-8-8量量级级) )来产生，但晶体振荡器只能产生一个固定的频率来产生，但晶体振荡器只能产生一个固定的频率。当要获得许多稳定的信号频率时，采用很多个晶体。当要获得许多稳定的信号频率时，采用很多个晶体振荡器来产生是不现实的，而采用频率合成的方法就振荡器来产生是不现实的，而采用频率合成的方法就能方便地实现。能方便地实现。 频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率( (一般由高一般由高稳定的石英晶体振荡器产生稳定的石英晶体振荡器产生) )，通过基本的代数运算，通过基本的代数运算( (加、减加、减、乘、除、

34、乘、除) )，得到一系列所需的频率，得到一系列所需的频率。通过合成产生的各种。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基本相同的量频率信号，频率稳定度可以达到与基准频率源基本相同的量级。与其他方式的正弦波信号发生器相比，信号源的频率稳级。与其他方式的正弦波信号发生器相比，信号源的频率稳定度可以提高定度可以提高3 34 4个数量级。个数量级。 频率的代数运算频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现的是通过倍频、分频及混频技术来实现的。分频分频实现频率的除，即输入频率是输出频率的某一整数倍实现频率的除，即输入频率是输出频率的某一整数倍。倍频倍频实现频率的乘，即输出频率为输入

35、频率的整数倍。频实现频率的乘，即输出频率为输入频率的整数倍。频率的加减则是通过频率的率的加减则是通过频率的混频混频来实现。来实现。 3.4.2 3.4.2 频率合成的分类及特点频率合成的分类及特点频率合成技术已发展近五十年的时间，特别是随着集成频率合成技术已发展近五十年的时间，特别是随着集成电路技术的发展而不断的发展和完善。当前主要的频率合成方电路技术的发展而不断的发展和完善。当前主要的频率合成方式有：式有：直接频率合成和间接频率合成直接频率合成和间接频率合成，直接频率合成又可以分，直接频率合成又可以分为模拟直接频率合成和数字直接频率合成。为模拟直接频率合成和数字直接频率合成。 1. 1. 直

36、接频率合成法直接频率合成法(1) (1) 模拟直接合成法模拟直接合成法 模拟直接合成法是借助电子线路直接对基准频率进行算模拟直接合成法是借助电子线路直接对基准频率进行算术运算，输出各种需要的频率。术运算，输出各种需要的频率。 鉴于采用模拟电子技术，所以又称为直接模拟频率合成鉴于采用模拟电子技术，所以又称为直接模拟频率合成法法(Direct Analog Frequency Synthesis(Direct Analog Frequency Synthesis，DAFS)DAFS)。常见的。常见的电路有以下两种。电路有以下两种。 (1) (1) 固定频率合成法固定频率合成法。下图为固定频率合成原

37、理框图。图。下图为固定频率合成原理框图。图中，石英晶体振荡器提供基准频率中，石英晶体振荡器提供基准频率f fr r，D D 为分频器的分频系为分频器的分频系数，数，N N 为倍频器的倍频系数。因此，输出频率为倍频器的倍频系数。因此，输出频率f fo o为为 式中，式中，D D 和和N N 均为给定的正整数。输出频率为定值，均为给定的正整数。输出频率为定值，所以称为固定频率合成法。所以称为固定频率合成法。 rfDNf 0图图 固定频率合成原理固定频率合成原理(2) (2) 可变频率合成法可变频率合成法 下图是利用直接模拟式频率合成实现可变频率合成的原理框图，下图是利用直接模拟式频率合成实现可变频

38、率合成的原理框图，它是它是通过频率的混频、倍频和分频等方法，由基准频率产生一通过频率的混频、倍频和分频等方法，由基准频率产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出系列频率信号并用窄带滤波器选出。以实现。以实现3.628MHz3.628MHz输出信号输出信号为例，由晶体振荡器产生的为例，由晶体振荡器产生的1MHz1MHz基准频率通过谐波发生器产生基准频率通过谐波发生器产生1MHz1MHz、2MHz2MHz、9MHz9MHz等多个基准频率信号，将这些频率信号等多个基准频率信号，将这些频率信号进行进行1010分频分频( (完成完成1010运算运算) )、混频、混频( (完成加法运算完成加法运算) )和滤波

39、，最和滤波，最后产生所需的后产生所需的3.628MHz3.628MHz输出信号。只要选取不同的谐波并进行输出信号。只要选取不同的谐波并进行相应的组合就可以得到所需的信号。相应的组合就可以得到所需的信号。 图图 模拟直接式频率合成原理框图模拟直接式频率合成原理框图 直接模拟式频率合成的优点是频率切换迅速，相位噪声很直接模拟式频率合成的优点是频率切换迅速，相位噪声很低。其缺点是电路硬件结构复杂，需要大量的混频器、分频器低。其缺点是电路硬件结构复杂，需要大量的混频器、分频器及带通滤波器等，因而体积大，价格昂贵，不便于集成化。及带通滤波器等，因而体积大，价格昂贵，不便于集成化。 (2) (2) 数字直

40、接合成法数字直接合成法 前面两种信号合成方法都是基于频率合成的原理，用模前面两种信号合成方法都是基于频率合成的原理，用模拟的方法，通过对基准频率拟的方法，通过对基准频率f fr r进行加、减、乘、除算术运算进行加、减、乘、除算术运算得到所需要的输出频率。自得到所需要的输出频率。自2020世纪世纪7070年代以来，由于大规模年代以来，由于大规模集成电路的发展以及计算机技术的普及，开创了另一种信号集成电路的发展以及计算机技术的普及，开创了另一种信号合成技术合成技术直接数字频率合成法直接数字频率合成法(Direct Digital (Direct Digital Frequency Synthsis

41、Frequency Synthsis，DDFS)DDFS)。它的原理是基于取样技术和。它的原理是基于取样技术和数字计算机技术来实现数字合成，产生所需要的信号。它突数字计算机技术来实现数字合成，产生所需要的信号。它突破了前两种频率合成法的原理，破了前两种频率合成法的原理，从从“相位相位”的概念出发进行的概念出发进行频率合成频率合成。 这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波，这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波，而且还而且还可以给出不同初始相位可以给出不同初始相位的正弦波，甚至可以的正弦波，甚至可以给出各种各样形状的任意波形给出各种各样形状的任意波形。在前述两种合成方。在前述两种合成方法中，

42、后两个性能是无法实现的。此合成方法的优法中，后两个性能是无法实现的。此合成方法的优点是点是能够解决快捷变和小步进之间的矛盾能够解决快捷变和小步进之间的矛盾，且集成，且集成度高，体积小。但是由于度高，体积小。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，其频率上限较低，杂散也较大。其频率上限较低，杂散也较大。 2. 2. 间接频率合成法间接频率合成法间接频率合成法是基于锁相环间接频率合成法是基于锁相环(Phase Locked Loop(Phase Locked Loop， PLL)PLL)的原理的原理，利用锁相环，利用锁相环(PLL)(PLL)把压控振荡器把压控振荡器(VCO)(

43、VCO)的输出频的输出频率锁定在基准频率上，锁相环可以看做为中心频率能自动跟率锁定在基准频率上，锁相环可以看做为中心频率能自动跟踪输入基准频率的窄带滤波器。如果踪输入基准频率的窄带滤波器。如果在锁相环内加入有关电在锁相环内加入有关电路就可以对基准频率进行算术运算，产生人们需要的各种频路就可以对基准频率进行算术运算，产生人们需要的各种频率率。由于它不同于模拟直接合成法，不是用电子线路直接对。由于它不同于模拟直接合成法，不是用电子线路直接对基准频率进行运算，故称为间接合成法。基准频率进行运算，故称为间接合成法。 锁相式频率合成的优点是：易于集成化、体积小、结构锁相式频率合成的优点是：易于集成化、体

44、积小、结构简单、功耗小、价格低等，但是它的频率切换时间相对较长。简单、功耗小、价格低等，但是它的频率切换时间相对较长。 3.4.3 3.4.3 直接数字频率合成的基本原理直接数字频率合成的基本原理 直接数字合成的过程是在标准时钟的作用下，通直接数字合成的过程是在标准时钟的作用下，通过控制电路按照一定的地址关系从数据存储器过控制电路按照一定的地址关系从数据存储器ROM(ROM(或或RAM)RAM)单元中读出数据，再进行数模转换单元中读出数据，再进行数模转换(D/A)(D/A)，就可，就可以得到一定频率的输出波形。由于输出信号以得到一定频率的输出波形。由于输出信号( (在在D/AD/A的的输出端输

45、出端) )为阶梯状，为了使之成为理想正弦波还必须为阶梯状，为了使之成为理想正弦波还必须进行滤波，滤除其中的高频分量，所以在进行滤波，滤除其中的高频分量，所以在D/AD/A之后接之后接一平滑滤波器，最后输出频率为一平滑滤波器，最后输出频率为f fo o的正弦信号波形。的正弦信号波形。 1. DDS1. DDS组成原理组成原理直接数字合成直接数字合成(Direct Digital Synthesis(Direct Digital Synthesis，DDS)DDS)的基本的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的

46、参考频率可调的信号。相位对于固定的参考频率可调的信号。 任何频率的正弦波形都可以看做是由一系列取样点所组成。任何频率的正弦波形都可以看做是由一系列取样点所组成。设取样时钟频率为设取样时钟频率为fcfc，正弦波每个周期由，正弦波每个周期由K K 个取样点构成，则个取样点构成，则该正弦波的频率为该正弦波的频率为KfKTfcc01式中，式中，TcTc为取样时钟周期。为取样时钟周期。 如果改变取样时钟频率如果改变取样时钟频率fcfc, ,则可以改变输出正弦波的频率则可以改变输出正弦波的频率f fo o。其基本实现原理框图下图所示。其基本实现原理框图下图所示。 图图 DDS DDS原理框图原理框图其中虚

47、线框内为相位累加器。其中虚线框内为相位累加器。 如果将一个完整周期的正弦波形幅值数据存放如果将一个完整周期的正弦波形幅值数据存放于波形存储器于波形存储器ROMROM中，地址计数器在参考时钟中，地址计数器在参考时钟f fc c的的作用下进行加作用下进行加1 1的累加计数，生成对应的地址，并的累加计数，生成对应的地址，并将该地址存储的波形数据通过将该地址存储的波形数据通过D/AD/A转换器输出，就转换器输出，就完成了合成的波形。其合成波形的完成了合成的波形。其合成波形的输出频率取决于输出频率取决于两个因数两个因数：参考时钟频率：参考时钟频率f fc c、ROMROM中存储的正弦波。中存储的正弦波。

48、因此改变时钟频率因此改变时钟频率f fc c或改变或改变ROMROM中每周期波形的采中每周期波形的采样点数样点数K K，均能改变输出频率，均能改变输出频率f fo o。 2. 2. 相位累加器原理相位累加器原理如果改变地址计数器计数步进值如果改变地址计数器计数步进值( (即以值即以值M M ( (M M 1)1)来进行累加来进行累加) )，则在保持时钟频率，则在保持时钟频率f fc c 和和ROMROM数据数据不变的情况下，可以改变每周期的采样点数，从而不变的情况下，可以改变每周期的采样点数，从而实现输出频率实现输出频率f fo o的改变。例如的改变。例如, , 设存储器中存储了设存储器中存储

49、了K K个数据个数据( (一个周期的采样数据一个周期的采样数据) )，则地址计数器步进，则地址计数器步进为为1 1时，输出频率时，输出频率f fo o= =f fc c/ /K K，如果地址计数步进为，如果地址计数步进为M M， 则每周期取样点数为则每周期取样点数为K K/ /M M，输出频率，输出频率f fo o=(=(M M/ /K K) )f fc c。 地址计数器步进值改变可以通过相位累加器法地址计数器步进值改变可以通过相位累加器法来实现。来实现。 相位累加器在参考时钟相位累加器在参考时钟f fc c作用下进行累加，相位累加的作用下进行累加，相位累加的步进幅度步进幅度( (相位增量相位

50、增量)由频率控制字由频率控制字M M 决定。设相位累加器决定。设相位累加器为为N N 位位( (其累加值为其累加值为K K ) )，频率控制字为，频率控制字为M M ，则每来一个时钟，则每来一个时钟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则自动溢出则自动溢出(N(N为累加器为累加器中的余数保留中的余数保留) )，参加下一次累加。将累加器输出中的高，参加下一次累加。将累加器输出中的高A A( (A AN N) )位数据作为波形存储器的地址，即丢掉了低位位数据作为波形存储器的地址，即丢掉了低位( (N N- -A A) )的地的

51、地址址( (又称为相位截尾又称为相位截尾) )，波形存储器的输出经，波形存储器的输出经D/AD/A转换和滤波后转换和滤波后输出。输出。 为了便于理解，我们可以将正弦波看做一个矢量沿相位圆为了便于理解，我们可以将正弦波看做一个矢量沿相位圆转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个采样转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。点对应相位圆上的一个相位点。图图 数字相位圆数字相位圆 如果正弦波形定位到相位圆上的精度为如果正弦波形定位到相位圆上的精度为N N位，则其分辨位，则其分辨力为力为1/21/2N N, , 即以即以f fc c对基本波形一周期的采

52、样数为对基本波形一周期的采样数为2 2N N。如果相。如果相位累加时的步进为位累加时的步进为M(M(频率控制字频率控制字) )，则每个时钟，则每个时钟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样点数为样点数为2 2N N/K,/K,则输出频率为则输出频率为co2fMfN 为了提高波形相位精度，为了提高波形相位精度，N N的取值应较大的取值应较大(LUT(LUT的长度的长度) )，如，如果直接将果直接将N N全部作为波形存储器的地址，则要求采用的存储器全部

53、作为波形存储器的地址，则要求采用的存储器容量极大，一般舍去容量极大，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) )作为作为存储器地址，使得相位的低位被截断存储器地址，使得相位的低位被截断( (即相位截尾即相位截尾) )。当相位值。当相位值变化小于变化小于1/21/2A A时时, , 波形幅值并不会发生变化，但输出频率的分波形幅值并不会发生变化，但输出频率的分辨力并不会降低，辨力并不会降低，由于地址截断而引起的幅值误差称为截断误由于地址截断而引起的幅值误差称为截断误差。差。 3.4.4 DDS3.4.4 DDS的性能的性能 因为输出信号实际上是以时

54、钟因为输出信号实际上是以时钟f fc c的速率对波形进行取样，的速率对波形进行取样， 从获得的样本值中恢复出来的。根据取样定理从获得的样本值中恢复出来的。根据取样定理f fomaxomax(f fc c/2)/2)， 所以所以M M 22N N-1-1，实际中一般取，实际中一般取M M 22N N-2-2。(1)(1)当当M M 1 1时，输出频率最小，时，输出频率最小，f fominomin=(1/2=(1/2N N) )f fc c。(2)(2)输出频率的分辨力输出频率的分辨力f f 由相位累加器的位数由相位累加器的位数N N 决定，即决定，即f f =(1/2=(1/2N N) )f f

55、c c。例如例如, , 若参考时钟频率为若参考时钟频率为1GHz1GHz，累加器相位为，累加器相位为3232位，则频率分位，则频率分辨力为辨力为0.233Hz0.233Hz。而。而M M改变时，其频率分辨力不会发生变化，因改变时，其频率分辨力不会发生变化，因此此DDSDDS可以解决快捷变与小步进之间的矛盾。由于可以解决快捷变与小步进之间的矛盾。由于D/AD/A、存储器、存储器等器件速率的限制，等器件速率的限制，DDSDDS输出频率的上限不是很高，目前，一输出频率的上限不是很高，目前，一般只能达到几十般只能达到几十MHzMHz。 3.5 DDS3.5 DDS芯片的应用芯片的应用3.5.1 AD9

56、8523.5.1 AD9852的特性介绍的特性介绍DDSDDS可以合成频率分辨力和精度很高的信号，解决了快可以合成频率分辨力和精度很高的信号，解决了快捷变与小步进的矛盾，并且实现了捷变与小步进的矛盾，并且实现了DDSDDS信号源的单片集成化。信号源的单片集成化。 图为一种集成单片图为一种集成单片DDSDDS芯片芯片AD9852AD9852的内部结构，它包括了相的内部结构，它包括了相位累加器、波形存储器、位累加器、波形存储器、D/AD/A及时钟源等部分。及时钟源等部分。 图图 AD9852 DDS AD9852 DDS原理结构框图原理结构框图 外部输入的参考时钟经外部输入的参考时钟经4 4202

57、0倍倍频，为倍倍频，为DDSDDS提供最高可到提供最高可到300MHz300MHz的时钟频率。通过可编程寄存器，可以设置的时钟频率。通过可编程寄存器，可以设置4848位频率控位频率控制字制字和和1414位相位控制字位相位控制字，从而实现频率和相位控制。，从而实现频率和相位控制。D/AD/A之前加之前加入了一个数字乘法器，以实现幅度调制。入了一个数字乘法器，以实现幅度调制。1212位控制字送入位控制字送入MUXMUX中，中， 实现对输出信号的幅度控制。另外该芯片还设置了一个高速比实现对输出信号的幅度控制。另外该芯片还设置了一个高速比较器，可以将较器，可以将DDSDDS输出的正弦波信号变为方波信号

58、。输出的正弦波信号变为方波信号。 该芯片的该芯片的4848位频率控制字使得输出位频率控制字使得输出频率分辨率可达频率分辨率可达1Hz1Hz，1414位相位控制字可以提供分辨率为位相位控制字可以提供分辨率为0.0220.022的相位控制的相位控制。在内部。在内部参考时钟选择为最大即参考时钟选择为最大即300MHz300MHz时，输出频率最高可达时，输出频率最高可达100MHz100MHz。 3.6 3.6 频率合成技术的发展频率合成技术的发展3.6.1 3.6.1 几种合成技术的比较几种合成技术的比较如前所述，频率合成技术可分为模拟直接合成技术、数如前所述，频率合成技术可分为模拟直接合成技术、数

59、字直接合成技术和锁相环间接频率合成技术，三种合成方法基字直接合成技术和锁相环间接频率合成技术，三种合成方法基于不同原理，各有不同的特点。于不同原理，各有不同的特点。模拟直接合成法模拟直接合成法虽然转换速度虽然转换速度快快( (s s量级量级) )，但是由于电路复杂，难以集成化，因此其发展，但是由于电路复杂，难以集成化，因此其发展受到一定的限制。受到一定的限制。 数字直接合成法数字直接合成法基于大规模集成电路和计算机技基于大规模集成电路和计算机技术，尤其适用函数波形和任意波形的信号源，将进一术，尤其适用函数波形和任意波形的信号源，将进一步得到发展，但目前有关芯片的发展速度还跟不上高步得到发展，但

60、目前有关芯片的发展速度还跟不上高频信号的需要，利用频信号的需要，利用DDFSDDFS专用芯片仅能产生专用芯片仅能产生100MHz100MHz正正弦波，其相位累加器可达弦波，其相位累加器可达3232位，在基准时钟为位，在基准时钟为100MHz100MHz时输出频率分辨力可达时输出频率分辨力可达0.023Hz0.023Hz，可贵的是这一优良，可贵的是这一优良性能在其他合成方法中是难以达到的。性能在其他合成方法中是难以达到的。 锁相环频率合成锁相环频率合成虽然转换速度慢虽然转换速度慢(ms(ms量级量级),),但其输出但其输出信号频率可达超高频频段甚至微波信号频率可达超高频频段甚至微波, ,输出信号