第3章信号发生器

1、第第3 3章信号发生器章信号发生器 本章要点本章要点测量用测量用信号发生器信号发生器，通常称为，通常称为信号源信号源。 u 信号源的功用、种类和主要性能指标信号源的功用、种类和主要性能指标 u 通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用通用低频、高频信号发生器的组成原理、特性和应用 u 合成信号源的组成原理、特性和应用合成信号源的组成原理、特性和应用u 频率合成技术的发展状况频率合成技术的发展状况 u 射频率合成信号发生器（射频率合成信号发生器（数字调制信号源、矢数字调制信号源、矢量信号源量信号源）-新增内容新增内容 3.1 3.1 信号发生器概述信号发生器概述3.1.1 3.1.1 信号

2、发生器的功用信号发生器的功用 1.1.作激励源作激励源 作为某些电气设备的激励信号。作为某些电气设备的激励信号。 2.2.信号仿真信号仿真 在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特性的信号，如对干扰信号进行仿真。性的信号，如对干扰信号进行仿真。 3.3.校准源校准源 产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准（或比对）。（或比对）。 图图3.1 3.1 信号源的功用信号源的功用输输 入入激激 励励信信号号发发生生器器被被测测设设备备测测试试仪仪器器输输 出出响响 应应3.1.2 3.1.2 信号发生器的分类信

3、号发生器的分类 1. 1. 按用途分按用途分 专用专用-电视信号发生器、电平振荡器、误码仪电视信号发生器、电平振荡器、误码仪 通用通用-产生正弦产生正弦: :波等通用波形波等通用波形 3. 3. 按性能分按性能分 普通普通-功率大，频率、电压刻度不大准确，功率大，频率、电压刻度不大准确， 用于天线测试等用于天线测试等 标准标准-频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用2. 2. 按波形分按波形分 正弦正弦-脉冲脉冲-函数函数-产生函数通用波形产生函数通用波形 噪声噪声-ttttt4. 4. 按频率产生办法分按频率产生办法分 谐振谐振-由频率选择回路控制正反馈由频

4、率选择回路控制正反馈 产生振荡。产生振荡。 合成合成-由基准频率通过加、减、乘、由基准频率通过加、减、乘、 除组合一系列频率。除组合一系列频率。 5. 5. 按频率范围分按频率范围分 无无低频低频高频高频微波微波频段频段频率范围频率范围主振电路主振电路调制方式调制方式R CR C 电电路路1Hz1MHz1Hz1MHz磁控管、体效磁控管、体效应管、应管、1MHz1GHz1MHz1GHz1GHz100GHz1GHz100GHzLCLC电路电路AMAM、FMFM、PMPMAMAM、FMFM表3.1 频段的划分50%36%14%超音频音频亚音频100%0%视频射频0101001K10K100K1M10

5、M100M1G10G100G1T300K1Km300M1m3G1dm1cm1mm30G300Gf (Hz)极高频毫米波超高频厘米波特高频分米波甚高频米波高频短波中高频中短波中频中波低频长波甚低频超长波中波短波超波微波通信广播通信电视雷达探伤加热感应加热(应用)实用频段划实用频段划频率与波长的关系频率与波长的关系（=C=C/f/f，C=3C=310108 8mm） 0tU名 称波形示意图主 要 特 性正弦波信号正弦波是电子系统中最基本的测试信号，频率从Hz至几十GHz。大多信号源都具备正弦波输出。函数信号通常包含正弦波、方波、三角波三种，有的还包含锯齿波、脉冲波、梯形波、阶梯波等波形，频率从几H

6、z至上百MHz。扫频信号频率可在某区间有规律地扫动，多为用锯齿波进行线性扫频。多数扫频源是以正弦波扫频，也有以方波、三角波扫频。还有非线性的对数扫频。脉冲信号输出的脉冲信号可按需要设置其重复频率、脉冲宽度、占空比、上升及下降时间等参数。脉冲信号有的还有双脉冲输出。数字信号可按编码要求产生0/1逻辑电平（多为TTL或ECL电平），也称数据发生器、图形或模式发生器。通常是具备多路数字输出的。噪声信号提供随机噪声信号，具有很宽的均匀频谱。常用于测量接收机的噪声系数或调制到高频、射频载波上作干扰源。伪随机信号是一串0/1电平随机编码的数字序列信号，因其序列周期相当长（在足够宽的频带内产生相当平坦的离散

7、频谱），故有点类似随机信号。任意波形能产生任意形状的模拟信号，例如：模仿产生心电图、雷电干扰、机械运动等形状复杂的波形。调制信号将模拟信号或数字信号调制到射频载波信号上，以便于远程传输。通常调制方式有：调幅、调频、调相、脉冲调制、数字调制等。数字矢量信号通过正交调制（I-Q调制），可以同时传递幅度和相位信息，故称为数字矢量信号源。该内容将在本章3.4节射频信号发生器中介绍。3.1.3 3.1.3 正弦信号发生器的性能指标正弦信号发生器的性能指标 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

8、。的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。 1. 1. 频率范围频率范围 指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可指信号发生器所产生信号的频率范围，该范围内既可连续又可由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误由若干频段或一系列离散频率覆盖，在此范围内应满足全部误差要求。差要求。 2.2.频率准确度频率准确度 频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输频率准确度是指信号发生器度盘（或数字显示）数值与实际输出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示出信号频率间的偏差，通常用相对误差表示 %100000fffff（3.13.1） 3. 3. 频率稳定度频率稳定

9、度 频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率稳定度指标要求与频率准确度相关，频率准确度是由频率频率准确度是由频率稳定度来保证的稳定度来保证的。频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情。频率稳定度是指其它外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和的大小。按照国家标准，频率稳定度又分为短期频率稳定度和长期频率稳定度。长期频率稳定度。 %1000minmaxfff短期：短期：1515分钟内分钟内 长期：长期：3 3小时内小时内 （3.23.2） 4.4.失真度与频

10、谱纯度失真度与频谱纯度 定义定义 %100122322 UUUUn测量：低频信号发生器用失真系数测量：低频信号发生器用失真系数2222322212100%nnUUUUUU高频信号发生器用频谱纯度高频信号发生器用频谱纯度 20lg80 100SnUdBUU US SU Un nf fA Af fA At tU U5. 5. 输出阻抗输出阻抗 低频低频信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为信号发生器电压输出端的输出阻抗一般为600600（或（或1k1k）功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有5050、7575、150150、600600和和5 k5

11、k等档等档 高频高频信号发生器一般仅有信号发生器一般仅有5050或或7575档。档。 信号发生器输出电压的信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的读数是在匹配负载的条件下标定的，若，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。准确的。 6. 6. 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，即由产品标准规定输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定的信号发生器的最输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所的信号发生器的最输出电压和最大输出功率在其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。得到输出幅

12、度的有效范围。 讨论：讨论：信号源输出：信号源输出： 100mv100mv示波器显示：示波器显示： 200mv200mv信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下按正弦波有效值标定的。有效值标定的。 7.7.调制特性调制特性 高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一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一种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅AMAM信号和调频信号和调频FMFM信号，有些还带有调相和脉冲调制信号，有些还带有调相和脉冲调制PMPM等功能等功能 5050505

13、0，匹配时，匹配时 100mv100mv200mv200mv不匹配时，不确知。示波器输入不匹配时，不确知。示波器输入阻抗高约阻抗高约1M1M，故显示故显示200mv200mv不匹配时，不确知。示波器输入不匹配时，不确知。示波器输入阻抗高约阻抗高约1M1M，故显示故显示200mv200mv为什么？为什么？3.2 3.2 通用信号发生器通用信号发生器 本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，本节介绍的通用信号发生器是指一些常用的传统信号发生器，以区别后面介绍的合成信号发生器。以区别后面介绍的合成信号发生器。 专业课专业课讲讲系统、整机系统、整机的组成的框图原理、特点及实例的组成的框图

14、原理、特点及实例基础课基础课讲讲部件、单元电路部件、单元电路如振荡器、放大器等单元如振荡器、放大器等单元 模拟电路模拟电路 课程特点课程特点 例例：超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展，：超外差接收机已经历电子管、晶体管、集成电路几代发展， 但但框图原理框图原理未变。未变。 高高 放放天线天线混频器混频器中中 放放检检 波波低低 放放功放功放本本 振振3.2.1 3.2.1 低频信号发生器低频信号发生器 主振器主振器放大器放大器衰减器衰减器输出输出电压指示电压指示( (a a) )图图3.3 3.3 低频信号源组成框图低频信号源组成框图输出输出( (b b) )固定频率固定频率振

15、荡器振荡器可变频率可变频率振荡器振荡器混频器混频器滤波放大滤波放大衰减器衰减器f2=3.4000MHzf1=3.39975.1000MHzf0=300Hz1.7000MHz频率覆盖范围大小通常用频率覆盖范围大小通常用频率覆盖系数频率覆盖系数表示：表示： minmaxffk （3.73.7） 以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器）以通信中常用的某电平振荡器（实际上就是低频信号发生器）为例，为例，f f1 1=3.3997MHz=3.3997MHz5.1000MHz5.1000MHz，f f2 2=3.4000MHz=3.4000MHz，则，则f f0 0=300Hz=300Hz1

16、.7000MHz1.7000MHz。比较一下频率覆盖系数。比较一下频率覆盖系数 301063007000. 1HzMHzk而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为而可变频率振荡器（相当波段式中一个波段）的频率覆盖系数为 5 . 13997. 31000. 51k可见，可见，差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。差频式信号发生器的频率覆盖范围大得多。 2. 2. 主振荡器的特点主振荡器的特点 低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器，低频信号发生器中的主振荡器大多都采用文氏桥式振荡器，其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小和易于稳幅。其特点是频率稳定，易于调节，并且

17、波形失真小和易于稳幅。 文氏桥式振荡器是典型的文氏桥式振荡器是典型的RCRC正弦振荡器。其振荡频率决定于正弦振荡器。其振荡频率决定于RCRC式反馈网络的谐振频率，表达式为：式反馈网络的谐振频率，表达式为： RCf210（3.83.8） 选频网络选频网络放大器放大器放大器放大器0 0 180 180 180 180 U U0 0输出输出(f (f0 0) )R R1 1A AR R1 1R R3 3C C1 1C C2 2R R2 2 振荡条件？振荡条件？LCf210在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的在低频信号发生器中为何不采用较熟悉的LCLC振荡器呢？这是振荡器呢？这是因为因为LCLC振荡器

18、的频率决定于：振荡器的频率决定于：（3.93.9） 原因原因 频率较低时，频率较低时，L L、C C 数值大，相应的体积、重量也相当数值大，相应的体积、重量也相当大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数QQ值降低值降低很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在很多，谐振特性变坏，频率调节也困难。而在RCRC振荡器中，振荡器中，频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。频率降低，增大电阻容易做到，且功耗也可减小。 原因原因 在在LCLC振荡器中振荡器中 LCf 与0成反比，因而同一波段内频率成反比，因而同一波段内频率覆盖系数很小。例如覆盖系数很

19、小。例如L L固定，调节电容固定，调节电容C C改变振荡频率，设电容改变振荡频率，设电容器调节范围为器调节范围为40 pF40 pF450pF450pF，则频率覆盖系数为，则频率覆盖系数为340450minmaxminmaxCCffk而用而用RCRC振荡器，由（振荡器，由（3.83.8）式可知，）式可知， RCf 与0成反比，频率成反比，频率覆盖系数为覆盖系数为1140450minmaxminmaxCCffk在一个波段内有较大的频率覆盖系数。在一个波段内有较大的频率覆盖系数。 3.3.低频信号发生器的主要技术特性低频信号发生器的主要技术特性 目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下：

20、目前，低频信号发生器主要技术指标的典型数据大致如下： 频率范围：频率范围： 1Hz1Hz1MHz1MHz分频段，均匀连续可调分频段，均匀连续可调 频率稳定度：优于频率稳定度：优于0.1%0.1%非线性失真：非线性失真：0.1%0.1%1% 1% 输出电压：输出电压：0V0V10V 10V 输出功率：输出功率：0.5 W0.5 W5W 5W 连续可调连续可调 输出阻抗：输出阻抗：50,75,60050,75,600，5k 5k 输出形式：平衡输出与不平衡输出输出形式：平衡输出与不平衡输出 3.2.23.2.2高频信号发生器高频信号发生器 1. 1. 高频信号发生器的组成原理高频信号发生器的组成原

21、理 图图3.43.4高频信号发生器原理框图高频信号发生器原理框图主振级主振级缓冲级缓冲级调制级调制级输出级输出级监测器监测器输出输出电电 源源内调制内调制振荡器振荡器可可 变变电抗器电抗器外调制输入外调制输入AMAMFMFM内内外外标准调制标准调制：F=1000Hz m=30%F=1000Hz m=30%若语音调制则成小电台若语音调制则成小电台l) l)主振级主振级 主振级通常是主振级通常是LCLC三点式振荡电路，产生具有一定工作频率三点式振荡电路，产生具有一定工作频率范围的正弦信号。范围的正弦信号。 2)2)缓冲级缓冲级 它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级。它主要起阻抗变换作用，用

22、来隔离调制级对主振级。 3)3)调制级调制级 为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于 100kHz100kHz35MHz35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般采用正弦调制。调频主要用于采用正弦调制。调频主要用于30MHz30MHz1000MHz1000MHz信号发生

23、器信号发生器中，还有中，还有线性扫频线性扫频。脉冲调制多用于。脉冲调制多用于300MHz300MHz以上的微波信号源中。以上的微波信号源中。4)4)输出级输出级 输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到VV数量级。输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良数量级。输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。标准调制标准调制：F=1000Hz m=30%F=1000Hz m=30%l) l)主振级主振级 主振级通常是主振级通常是LCLC

24、三点式振荡电路，产生具有一定工作频率三点式振荡电路，产生具有一定工作频率范围的正弦信号。范围的正弦信号。 高频信号发生器主振级的高频信号发生器主振级的LCLC振荡器，通常是固定电感振荡器，通常是固定电感L L，通过改变电容，通过改变电容C C来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算：来调整振荡频率。但这时频率覆盖范围是有限的，可通过下式进行估算： 322121minmaxmaxminminmaxCCLCLCffk图图3.43.4LCLC回路回路L L1 1C CL L2 2L Ln n.三点式振荡器三点式振荡器例例3.1 XFC-63.1 XFC-6型高频信号发生器型高频

25、信号发生器f f =4 MHz=4 MHz300MHz300MHz， 试问应划分几个波段？试问应划分几个波段？754300knkkknklglg835. 7254. 087. 18 . 1lg75lg9 . 0lglgkkn上式中上式中0.90.9k k的含义是让单回路覆盖系数取小的含义是让单回路覆盖系数取小些，这里取些，这里取k k=2=2，以保证各波段能衔接覆盖。该例算出以保证各波段能衔接覆盖。该例算出n n=8=8，即要划分，即要划分8 8个波段。个波段。这时相邻波段的电感值可按下式计算。这时相邻波段的电感值可按下式计算。 21kLLnn（3.113.11） （3.103.10） 2)2

26、)缓冲级缓冲级 它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级。它主要起阻抗变换作用，用来隔离调制级对主振级。 3)3)调制级调制级 为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已为了测试各种接收机的灵敏度和选择性等性能指标，必须用已调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制调制正弦信号作为测试信号，这个任务在调制级中完成。调制的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于的方式主要有调幅、调频和脉冲调制。调幅多用于 100kHz100kHz35MHz35MHz的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般的高频信号发生器中，高频信号发生器中的调幅，一般采用正弦调制。调频主要

27、用于采用正弦调制。调频主要用于30MHz30MHz1000MHz1000MHz信号发生器信号发生器中，还有中，还有线性扫频线性扫频。脉冲调制多用于。脉冲调制多用于300MHz300MHz以上的微波信号源中。以上的微波信号源中。4)4)输出级输出级 输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到输出级可进一步控制输出电压的幅度，使最小输出电压达到VV数量级。输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良数量级。输出电平的调节范围宽，衰减量应能准确读数，有良好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。好的频率特性，在输出端有准确且固定的输出阻抗。标准调制标准调制：F=1000Hz m=30

28、%F=1000Hz m=30%2.2.高频信号发生器的高频信号发生器的使用使用信号发生器是向外提供激励信号的仪器，使用比较简单容易。主信号发生器是向外提供激励信号的仪器，使用比较简单容易。主要调节输出频率和幅度，关键是注意其使用说明书上输出幅度要调节输出频率和幅度，关键是注意其使用说明书上输出幅度是如何标定的，然后才能正确读数。是如何标定的，然后才能正确读数。1) 1) 输出输出频率频率的读数的读数LCLC振荡器，通过调节电容来改变输出频率的，调节频率时来回振荡器，通过调节电容来改变输出频率的，调节频率时来回转动时其齿轮的回差会给频率读数带来误差，因此频率准确度转动时其齿轮的回差会给频率读数带

29、来误差，因此频率准确度不太高，通常只有不太高，通常只有1 1左右。左右。2) 2) 输出输出幅度幅度的读数的读数RsUsRs(输出阻抗)Us(电动势)RL(负载)(a)信号源等效模型（b）加载等效电路UO图3.6 信号源模型及加载等效电路输出电阻常取输出电阻常取5050、7575、150150、600600欧姆等数值欧姆等数值 输出电压显示值均为输出电压显示值均为阻抗匹配时阻抗匹配时信号源输出端信号源输出端电压值电压值:V:V、mVmV、VV；或分贝电平；或分贝电平dBmdBm（分贝毫（分贝毫瓦）、瓦）、dBVdBV（分贝伏）（分贝伏）的电压的电压。浮地浮地信号发生器输出电压的读数是在匹配负载

30、的条件下标定的，信号发生器输出电压的读数是在匹配负载的条件下标定的，若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数若负载与信号源输出阻抗不相等，则信号源输出电压的读数是不准确的。是不准确的。 R Ri iR R0 0R Rb bR Rb bR Rb bR Rb bR RL LR R0 0R Ra aR Ra aR Ra a3 3）输出匹配变换器）输出匹配变换器 图图3.83.8阻抗匹配阻抗匹配信号源信号源被测设备被测设备阻阻 抗抗变换器变换器( (a a) )221(1)41.84SLRR RNN2212118.7SSLRRRRR R2232149LSLRRRRR RdBN1016. 3

31、lg20lg20( (b b) )R R3 3R R1 1 R Rs s50 50 R R2 2R RL L75 75 R Rs sR RL L美国夏威夷大学曾来电询问如何设计？美国夏威夷大学曾来电询问如何设计？3.2.33.2.3脉冲信号发生器脉冲信号发生器 外同步外同步放放 大大主振级主振级同步输出同步输出外同步输入外同步输入延迟级延迟级形成级形成级整形级整形级输出级输出级主脉冲主脉冲a ac cb bd de ef fa ab bc cd de et tz z t tr rf fU Ut tt tt tT TU0tUm0.9Um0.1UmU0.5Umtrtf矩形脉冲的参数矩形脉冲的参数3

32、.2.43.2.4函数信号发生器函数信号发生器 图图3.123.12函数信号发生器的基本组成函数信号发生器的基本组成正弦振荡器正弦振荡器缓冲级缓冲级放大级放大级输出级输出级方波形成方波形成积分器积分器（a a）（b b）积分器积分器外触发输入外触发输入施密特施密特触发器触发器脉脉 冲冲触发器触发器正弦波转正弦波转换电路换电路放大器放大器（a a）正弦式）正弦式（b b）脉冲式）脉冲式现在多用数字频率合成技术来实现函数信号发生器，待述现在多用数字频率合成技术来实现函数信号发生器，待述3.2.5 3.2.5 噪声发生器噪声发生器 图图3.14 3.14 噪声发生器的结构噪声发生器的结构噪声源噪声源

33、变换器变换器电平指示器电平指示器电电 源源输出衰减器输出衰减器t3.3 3.3 合成信号发生器合成信号发生器 频率合成的方法频率合成的方法 直接数字频率合成法（直接数字频率合成法（DDS DDS ） 间接锁相式合成法间接锁相式合成法（ Direct Analog Frequency SynthesisDirect Analog Frequency Synthesis）（ Direct Digital Frequency Synthesis Direct Digital Frequency Synthesis ） 直接模拟频率合成法（直接模拟频率合成法（DAFS DAFS ）信号源信号源 主振级

34、主振级 频率准确度频率准确度 频率稳定度频率稳定度 通用信号源通用信号源 RCRC、LCLC振荡器振荡器 1010-2-2量级量级 1010-3-31010-4 -4 合成信号源合成信号源 晶体振荡器晶体振荡器 1010-8-8量级量级 1010-7-7量级量级 3.3.1 3.3.1 直接模拟频率合成法直接模拟频率合成法 利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率利用倍频、分频和混频以及滤波技术，对一个或多个基准频率进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于进行算术运算来产生所需频率的方法，称为直接合成法，由于大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成，大

35、多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接模拟频率合成，且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。且正好与下面介绍的直接数字频率合成相对应。 1.1.固定频率合成法固定频率合成法 图图3.153.15固定频率合成法原理固定频率合成法原理晶体振荡器晶体振荡器DDN Nf fr rf fo o图图3.153.15为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供为固定频率合成的原理电路。图中石英晶体振荡器提供基准频率基准频率 rf，D D为分频器的分频系数，为分频器的分频系数，N N为倍频器的倍频系数。为倍频器的倍频系数。因此，图因此，图3.153.15固定频率合成法输出频率固定频率合成法输出频率 0

36、f为为rfDNf 0在式中，在式中，D D和和N N均为给定的正整数。输出频率人为定值，所以均为给定的正整数。输出频率人为定值，所以称为固定频率合成法。称为固定频率合成法。 2.2.可变频率合成法可变频率合成法 3210M带通带通13MHz13MHz10MHz10MHz41M1M2M2M3 34 4混频混频( + )图图3.16 3.16 固定频率合成法原理固定频率合成法原理f fi1i11010+ + +1010+ + +1010+ + +1010+ + +频频 率率 选选 择择 开开 关关辅助基准频率发生器辅助基准频率发生器2.002.002.09MHz2.09MHz2.0002.0002

37、.099MHz2.099MHz2.00002.00002.0999MHz2.0999MHz2.000002.000002.099999MHz2.099999MHzf fo of fi2i2f fi3i3f fi4i4f f1 1f f2 2f f3 3f f4 4f fr r2.02.02.9MHz2.9MHzF F=16MHz=16MHz2 2MHzMHz5MHz5MHz11ifFf=2=21616( (2.02.02.92.9)MHz=(20.0)MHz=(20.020.9)MHz 20.9)MHz 0f= =（2.000002.000002.099992.09999）MHz MHz 直接

38、模拟合成技术直接模拟合成技术特点特点： 1)1)频率分辨力高频率分辨力高 2)2)频率切换快频率切换快 -用于跳频通信对抗用于跳频通信对抗 （因频率点不太多因频率点不太多）3)3)电电路庞大、复杂路庞大、复杂 -现不用它做信号源现不用它做信号源 （因信号源频率范围宽因信号源频率范围宽）3.3.2 3.3.2 直接数字频率合成法直接数字频率合成法 直接数字合成法（直接数字合成法（DDSDDS，Direct Digital Frequency Direct Digital Frequency SynthestsSynthests）。它突破了频率合成法的原理，从）。它突破了频率合成法的原理，从“相位

39、相位”的的概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频概念出发进行频率合成。这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至率的正弦波，而且还可以给出不同初始相位的正弦波，甚至可以给出各种任意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无可以给出各种任意波形。这在前述模拟频率合成方法中是无法实现的。这里先讨论正弦波的合成问题，关于任意波形将法实现的。这里先讨论正弦波的合成问题，关于任意波形将在后面进行讨论。在后面进行讨论。 1.1.直接数字合成基本原理直接数字合成基本原理 三角波：三角波：+1+1、+1+1 -1 -1、-1 -1 方方 波：波：0 0、0 0、

40、 1 1、1 1、 正弦波：预存正弦函数表，如图正弦波：预存正弦函数表，如图3.183.18。 2 2 实例说明（信号的实例说明（信号的频率关系频率关系）：）： AD9850AD9850是美国是美国Analog DevicesAnalog Devices公司生产的公司生产的DDSDDS单片频率合单片频率合成器，在成器，在DDFSDDFS的的ROMROM中已预先存入正弦函数表：其幅度按中已预先存入正弦函数表：其幅度按二进制分辨率量化；其相位一个周期二进制分辨率量化；其相位一个周期360360按按 32min2/2的分辨率设立相位取样点，然后存入的分辨率设立相位取样点，然后存入ROMROM的相应地

41、址中。的相应地址中。 实用中，改变读取实用中，改变读取ROMROM的地址数目，即可改变输出频率。若的地址数目，即可改变输出频率。若在系统时钟频率在系统时钟频率 cf的控制下，依次读取全部地址中的相位点，的控制下，依次读取全部地址中的相位点，则输出频率最低。因为这时一个周期要读取则输出频率最低。因为这时一个周期要读取2 23232相位点，点间相位点，点间间隔时间为时钟周期间隔时间为时钟周期T Tc c，则，则T Toutout=2=23232T Tc c 因此这时输出频率为因此这时输出频率为图图3.19 AD98503.19 AD9850内部组成框图内部组成框图频率相位码寄存器频率相位码寄存器相

42、位和相位和控制字控制字频率码频率码3232位位高速高速DDSDDS码码 输输 入入 寄寄 存存 器器并并 行行8 8位位5 5输入输入时钟输入时钟输入复位复位频率更新频率更新/ /寄存器复位寄存器复位码输入时钟码输入时钟串行串行1 1位位4040输入输入比较器比较器方波输出方波输出模拟输入模拟输入模拟输出模拟输出DACDAC复位复位地地V Vs s322coutff（3.163.16） 若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推若隔一个相位点读一次，则输出频率就会提高一倍。依次类推可得输出频率的一般表达式可得输出频率的一般表达式322coutfkf（3.173.17） 式中式中k

43、k为频率码，是个为频率码，是个3232位的二进制值，可写成：位的二进制值，可写成： 0011303031312222AAAAk（3.183.18） 013031AAAA，对应于对应于3232位码值（位码值（0 0或或1 1）。为便于看）。为便于看出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（出频率码的权值对控制频率高低的影响，将（3.183.18）代入）代入（3.173.17）式得：）式得： 0321313023112222AfAfAfAffccccout （3.193.19） 3. 3. 任意波形发生器任意波形发生器 直接数字频率合成技术重要的特色，它可以产生任意波形。直接数字频率合成技术重要的特

44、色，它可以产生任意波形。从从上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存储器的数据。因此，产生任意波形的方法取决于向该存储器储器的数据。因此，产生任意波形的方法取决于向该存储器（RAMRAM）提供数据的方法。目前有以下几种方法：）提供数据的方法。目前有以下几种方法： 1)1)表格法表格法 将波形画在小方格纸上，纵坐标将波形画在小方格纸上，纵坐标按幅度相对值进行二进制量化，按幅度相对值进行二进制量化，横坐标按时间间隔编制地址，然横坐标按时间间隔编制地址，然后制成对应的数据表格，按序放后制成对应的数据表格，按序放入入RAMRAM。对经

45、常使用的定了。对经常使用的定了“形形”的波形，可将数据固化于的波形，可将数据固化于ROMROM或存入非易失性或存入非易失性RAMRAM中，以便中，以便反复使用。反复使用。 图图3.21 3.21 表格法示意图表格法示意图0.20.20 0U UA AP PQQR RS ST T0.40.4 0.60.6t t(s)(s)（AWGAWG）或任意函数发生器（）或任意函数发生器（AFGAFG） 2)2)数学方程法数学方程法 3)3)复制法复制法 将其它仪器（例如数字存储示波器，将其它仪器（例如数字存储示波器，XYXY绘图仪）获得的波形绘图仪）获得的波形数据通过微机系统总线或数据通过微机系统总线或GP

46、IBGPIB接口总线传输给波形数据存储器。接口总线传输给波形数据存储器。该法很适于复制不再复现的信号波形。该法很适于复制不再复现的信号波形。 自然界中有很多无规律的现象，例如雷电、地震及机器运转时自然界中有很多无规律的现象，例如雷电、地震及机器运转时的振动等现象都是无规律的，甚至一去不复返。为了研究这些的振动等现象都是无规律的，甚至一去不复返。为了研究这些问题，就要模拟这些现象的产生。在过去只能采用很复杂的方问题，就要模拟这些现象的产生。在过去只能采用很复杂的方法来实现，现在采用任意波形产生器则方便得多了。国内外已法来实现，现在采用任意波形产生器则方便得多了。国内外已有多种型号的任意波形产生器

47、可供选用。有多种型号的任意波形产生器可供选用。 用数学方程描述的波形，先将其方程（算法）存入计算机，用数学方程描述的波形，先将其方程（算法）存入计算机，经过运算提供波形数据。经过运算提供波形数据。 任意波形发生器的主要技术指标任意波形发生器的主要技术指标1) 1) 任意波形长度或波形存储器容量任意波形长度或波形存储器容量：因为任意波形发生器：因为任意波形发生器的波形实质上是由许多样点拼凑出来的，样点多则可拼凑的波形实质上是由许多样点拼凑出来的，样点多则可拼凑较长的波形，所以用点数来表示波形长度。较长的波形，所以用点数来表示波形长度。波形存储器容量亦称波形存储器深度，是指每个通道能存储的波形存储

48、器容量亦称波形存储器深度，是指每个通道能存储的最大点数。容量越大，存储的点数越多，表现波形随时间变最大点数。容量越大，存储的点数越多，表现波形随时间变化的内容越丰富，当然存储器的成本也相应提高。化的内容越丰富，当然存储器的成本也相应提高。 曾经提出一些技术或算法用来节省波形存储器容量。曾经提出一些技术或算法用来节省波形存储器容量。 2) 2) 采样率采样率：通常将：通常将A/DA/D对模拟信号采样的时钟频率称为采样率。对模拟信号采样的时钟频率称为采样率。在在AWGAWG中是中是指指D/AD/A从波形存储器中读取数据的时钟频率从波形存储器中读取数据的时钟频率。因。因此，将此，将A/DA/D或或D

49、/AD/A转换的时钟频率都称作采样率。在转换的时钟频率都称作采样率。在AWGAWG中可以这样理解，采样率中的中可以这样理解，采样率中的“采样采样”不是从波形采集，而不是从波形采集，而是从波形存储器中是从波形存储器中“采集采集”。3) 3) 幅度分辨率幅度分辨率-表现幅度细小变化的程度，它主要取决于表现幅度细小变化的程度，它主要取决于DACDAC的位数的位数 ，通常幅度分辨率取通常幅度分辨率取1010位或略高位或略高 。4) 4) 通道数通道数 -可实现可实现 2 2 至多路的任意波形发生器。至多路的任意波形发生器。 石家庄数英仪器公司石家庄数英仪器公司( (无线电四厂无线电四厂) )生产的生产

50、的 DDSDDS函数信号发生器函数信号发生器按按AD9850AD9850允许最高时钟频率允许最高时钟频率f fc c=125MHz=125MHz来进行具体说明，来进行具体说明，当当A A0 01 1，而，而A A3131，A A3030，A A1 1均为均为0 0时，则输出频率最低，时，则输出频率最低，也是也是AD9850AD9850输出频率的分辨率：输出频率的分辨率： HzMHzffcout0291. 04294967296125232min与上面从概念导出的结果一致。当与上面从概念导出的结果一致。当A A31311 1，而，而A A0 0，A A1 1， A A3030均为均为0 0时，输

51、出频率最高：时，输出频率最高：max12562.522coutffMHz应当指出，这时一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允应当指出，这时一周只有两个取样点，已到取样定理的最小允许值，所以当许值，所以当A A31311 1后，以下码值只能取后，以下码值只能取0 0。实际应用中，为。实际应用中，为了得到好的波形，了得到好的波形，设计最高输出频率小于时钟频率的设计最高输出频率小于时钟频率的1/31/3。这。这样，只要改变样，只要改变3232位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率位频率码值，则可得到所需要的频率，且频率的准确度与时钟频率同数量级。的准确度与时钟频率同数量级。例如例如HP33120

52、AHP33120A函数函数/ /任意波形发生器可以产生任意波形发生器可以产生1010种标准波形种标准波形和任意波形，采样速率为和任意波形，采样速率为40MS/s40MS/s，输出最高频率，输出最高频率15MHz15MHz（正弦波），波形幅度分辨力为（正弦波），波形幅度分辨力为1212位。位。 HP33120AHP33120A3.3.3 3.3.3 间接合成法间接合成法 1.1.基本锁相环路基本锁相环路 间接合成法即锁相合成法，它是利用锁相环（间接合成法即锁相合成法，它是利用锁相环（PLLPLL）的频率）的频率合成方法。合成方法。 基本锁相环路是由相位比较器（基本锁相环路是由相位比较器（PDPD

53、），压控振荡器（），压控振荡器（VCOVCO）和环路滤波器（和环路滤波器（LPFLPF）组成的闭合环路，如图）组成的闭合环路，如图3.22(3.22(a a) )所示。所示。 f f i i LPLPF FVCOVCOPDPDf f o o u ud do oo of f o o u ud df f ( (a a) )( (b b) )( (c c) )开始：开始：f f0 0ffi iPD PD LPF VCOLPF VCO最后：最后： f f0 0=f=fi i( (a a) ) 锁相环锁相环( (b b) PD) PD的鉴相特性的鉴相特性( (c c) VCO) VCO的压控特性的压控特

54、性相位比较器即鉴相器，它比较两个输入信号相位比较器即鉴相器，它比较两个输入信号f fo o和和f fi i的相位差的相位差 输出与相位差成比例的电压，这个电压称为误差电压输出与相位差成比例的电压，这个电压称为误差电压u ud d其鉴其鉴相特性如图相特性如图3.22(b)3.22(b)所示。所示。基本锁相环只能输出一个频率，而作为信号源必须要能输出基本锁相环只能输出一个频率，而作为信号源必须要能输出一系列频率。一系列频率。 2.2.锁相环的几种基本形式锁相环的几种基本形式 1)1)倍频锁相环倍频锁相环 f f i i LPLPF FVCOVCOPDPDf f o o = =NfNfi iN N1

55、MHz1MHzi i 10MHz10MHzi i f f o o / /N N当环路锁定时，当环路锁定时，PDPD两输入信号的频率相等，即两输入信号的频率相等，即 根据根据PDPD两输入频率相等列出等式两输入频率相等列出等式: : f fo o/ /N Nf fi i 从等式中解出输出频率从等式中解出输出频率: : ioNff 重点掌握重点掌握脉冲倍频环脉冲倍频环 L PL PF FVCOVCOPDPDf f o o = =NfNfi if f i i 脉冲形成脉冲形成NfNf i i NfNf i i 根据根据PDPD两输入频率相等列出等式两输入频率相等列出等式: : f f i i 1 1

56、MHzMHzLPLPF FVCOVCOPDPDf f o o = = f fi i/N/N100100kHzkHzN NNfNf i i f fi iNfNfo o 从等式中解出输出频率从等式中解出输出频率: : Nffio/2)2)分频锁相环分频锁相环 脉冲分频环脉冲分频环 LPFLPFVCOVCOPDPDf f o o f fi i NfNf o o Nffio/3)3)混频锁相环混频锁相环 混频器混频器 f f i1 i1 1 1MHzMHzLPLPVCOVCOPDPDf f o o=|=| f f i1 i1 - -f f i2 i2| |=1000-100=1000-100=900=

57、900kHzkHzBPFBPFM+M+f f i 2 i 2 =100=100kHzkHzf f 0 0 +f+f i 2 i 2 201iifff 21iiofff- -2)2)多环合成单元多环合成单元 由倍频环可得由倍频环可得 11ioNff 由混频环可得由混频环可得 : : 因为因为 212ooifff 所以所以 212oiifNff(3.22)(3.22) (3.23) (3.23) LPLPF FPDPDf f o 1 o 1=N=Nf fi i1 1VCOVCO1 1f f i i 图图3.27 3.27 双环合成单元双环合成单元VCOVCO2 2M(-)M(-)晶振晶振PDPDL

58、PLPF F内插振荡器内插振荡器f f i i2 2同轴同轴倍频环倍频环混频环混频环f f o 2 o 2=N=Nf fi i1 1+ +f fi2i2N Nf fi i1 1f f o 1 o 121ooff3)3)十进合成单元十进合成单元 图图3.29 DS-13.29 DS-1合成单元的级联合成单元的级联100KHz100KHz9MHz9MHz1Hz1Hz0 09 90 09 90 09 90 09 90 09 910Hz10Hz100Hz100Hz1KHz1KHz10KHz10KHz基准基准DS-1DS-11 1DS-1DS-12 2DS-1DS-13 3DS-1DS-14 4DS-1

59、DS-15 54)4)可程控合成单元可程控合成单元 频率范围为频率范围为 1.200000MHz1.200000MHz1.299999MHz 1.299999MHz 图图3.30 3.30 可程控合成单元可程控合成单元PDPDLPFLPFVCOVCODD/ /A A可程控可程控分频器分频器f fi i频率控制数码频率控制数码f fo o3.3.4 3.3.4 频率合成技术的进展频率合成技术的进展 1. 1. 三种合成方法的比较三种合成方法的比较频谱纯度好频谱纯度好100GHz(100GHz(微波微波) )ms ms 级级间接锁间接锁相相可得任意波形可得任意波形300MHz300MHzss级级直

60、接数直接数字字硬件电路复杂硬件电路复杂100MHz100MHzs s 级级直接模直接模拟拟主要特点主要特点最高工作频率最高工作频率速速 度度合成方合成方法法2. 2. 提高频率分辨力的方法提高频率分辨力的方法 1)1)微差混频法微差混频法 该方法将两个频率相差甚微的信号源进行差频混频，如图该方法将两个频率相差甚微的信号源进行差频混频，如图3.313.31所示。混频器的输出频率为所示。混频器的输出频率为 21iiofff图图3.31 3.31 微差混频原理微差混频原理f fo of fi1i1f fi2i2MM(-)(-) 在微差混频法中，由于参与混频的两个信号频率十分接近，在微差混频法中，由于