電子測量與智能儀3-信號發(fā)生器

電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器2025/1/18第3章信號發(fā)生器3.1信號發(fā)生器概述3.1.1信號發(fā)生器的功用3.1.2信號發(fā)生器的分類3.1.3正弦信號發(fā)生器的性能指標3.2模擬信號發(fā)生器3.2.1低頻信號發(fā)生器3.2.2高頻信號發(fā)生器3.2.3脈沖信號發(fā)生器3.2.4函數信號發(fā)生器3.2.5噪聲發(fā)生器電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器22025/1/183.3合成信號發(fā)生器3.3.1直接模擬頻率合成法3.3.2直接數字頻率合成法3.3.3間接合成法3.3.4頻率合成技術的進展本章小結作業(yè)布置電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器32025/1/18第3章信號發(fā)生器電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器42025/1/183.1信號發(fā)生器概述3.1.1信號發(fā)生器的功用

測量用信號發(fā)生器，通常稱為信號源，是最基本、應用最廣泛的測量儀器。其功用主要包括以下三方面：1.作激勵源作為某些電氣設備的激勵信號。2.信號仿真在設備測量中，常需要產生模擬實際環(huán)境相同特性的信號，如對干擾信號進行仿真。3.校準源產生一些標準信號，用于對一般信號源進行校準（或比對）。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器52025/1/18圖3.1信號源的功用輸入激勵信號發(fā)生器被測設備測試儀器輸出響應電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器62025/1/183.1.2信號發(fā)生器的分類1.按頻率范圍分

無低頻高頻微波頻段頻率范圍主振電路調制方式RC電路1Hz~1MHz磁控管、體效應管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC電路AM、FM、PMAM、FM電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器72025/1/18表3.1信號源按頻率劃分表名稱頻率范圍主要應用領域超低頻信號發(fā)生器低頻信號發(fā)生器視頻信號發(fā)生器高頻信號發(fā)生器甚高頻信號發(fā)生器超高頻信號發(fā)生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz電聲學、聲納電報通訊無線電廣播廣播、電報電視、調頻廣播、導航雷達、導航、氣象電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器82025/1/183.按性能分

普通----功率大，頻率、電壓刻度不大準確，

用于天線測試等標準----頻率、電壓刻度準確，屏蔽好，供計測用2.按波形分

正弦----脈沖----函數----產生函數通用波形噪聲----ttttt電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器92025/1/183.1.3正弦信號發(fā)生器的性能指標1.頻率范圍

指信號發(fā)生器所產生信號的頻率范圍，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。2.頻率準確度

頻率準確度是指信號發(fā)生器度盤（或數字顯示）數值與實際輸出信號頻率間的偏差，通常用相對誤差表示（3.1）信號發(fā)生器最基本、最常用的性能指標有：電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器102025/1/183.頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度指標要求與頻率準確度相關，頻率準確度是由頻率穩(wěn)定度來保證的。頻率穩(wěn)定度是指其它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)定度又分為短期頻率穩(wěn)定度和長期頻率穩(wěn)定度。短期：15分鐘內長期：3小時內（3.2）

式中，f0為預調頻率，fmax和fmin分別為任意15分鐘內信號頻率的最大值和最小值。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器112025/1/184.失真度與頻譜純度

定義為了測量上的方便，也用下面的公式：高頻信號發(fā)生器用頻譜純度來評價

用失真度來評價低頻信號發(fā)生器輸出信號波形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數γ表示U1為輸出信號基波有效值，U2，U3，…Un

為各次諧波有效值。Us是信號幅度，Un是高次諧波及干擾噪聲的幅度。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器122025/1/185.輸出阻抗

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等檔。高頻信號發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω檔。

信號發(fā)生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下標定的，若負載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數是不準確的。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器132025/1/186.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在其衰減范圍內所得到輸出幅度的有效范圍。

在信號發(fā)生器的輸出級中，一般都包括衰減器，其目的是獲得從微伏級（μV）到毫伏級（mV）的小信號電壓。在信號發(fā)生器的性能指標中，包括“衰減器特性”這一指標，主要指衰減范圍和衰減誤差。

與頻率穩(wěn)定度指標類似的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)生器經規(guī)定的時間預熱后，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。平坦度指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動量。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器142025/1/187.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一種以上的已被調制的信號，多數情況下是調幅AM信號和調頻FM信號，有些還帶有調相和脈沖調制PM等功能

當調制信號由信號發(fā)生器內部產生時，稱為內調制；當調制信號由外部加到信號發(fā)生器進行調制時，稱為外調制。這種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)設備不可缺少的儀器。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器152025/1/183.2模擬信號發(fā)生器

模擬信號發(fā)生器是指一些常用的傳統信號發(fā)生器，即以單元模擬電路為主組成的儀器。這類儀器性能指標不是很高，但價格便宜，且能滿足一般實驗測試的要求，在模擬電子線路與系統的設計、測試和維修中獲得廣泛應用，仍然是當前大量使用的信號發(fā)生器。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器162025/1/183.2.1低頻信號發(fā)生器

現在一般“低頻信號發(fā)生器”是指1Hz~1MHz頻段，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)生器的組成原理主振器放大器衰減器輸出電壓指示(a)波段式

帶負載能力弱，只能提供電壓輸出。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器172025/1/18輸出(b)固定頻率振蕩器可變頻率振蕩器混頻器濾波放大衰減器f2=3.4000MHzf1=3.3997~5.1000MHzf0=300Hz~1.7000MHz差頻式

最大優(yōu)點是頻率覆蓋范圍大，容易做到整個低頻段內頻率可連續(xù)調節(jié)而不用更換波段，且輸出電平也比較平衡。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器182025/1/18頻率覆蓋范圍大小通常用頻率覆蓋系數表示：

（3.7）

以通信中常用的某電平振蕩器（實際上就是低頻信號發(fā)生器）為例，f1=3.3997MHz～5.1000MHz，f2=3.4000MHz，則f0=300Hz～1.7000MHz。比較一下頻率覆蓋系數電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器192025/1/18

而可變頻率振蕩器（相當波段式中一個波段）的頻率覆蓋系數為可見，差頻式信號發(fā)生器的頻率覆蓋范圍大得多。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器202025/1/182.主振蕩器的特點

低頻信號發(fā)生器中的主振蕩器大多都采用文氏橋式振蕩器，其特點是頻率穩(wěn)定，易于調節(jié)，并且波形失真小和易于穩(wěn)幅。輸出(f0)R1AR1R3C1C2R2?

文氏橋式振蕩器的振蕩頻率決定于RC式反饋網絡的諧振頻率，表達式為：電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器212025/1/18

在低頻信號發(fā)生器中為何不采用較熟悉的LC振蕩器呢？這是因為LC振蕩器的頻率決定于：（3.9）原因①頻率較低時，L、C數值大，相應的體積、重量也相當大，分布電容、漏電導等也都相應很大，而品質因數Q值降低很多，諧振特性變壞，頻率調節(jié)也困難。而在RC振蕩器中，頻率降低，增大電阻容易做到，且功耗也可減小。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器222025/1/18原因②在LC振蕩器中成反比，因而同一波段內頻率覆蓋系數很小。例如L固定，調節(jié)電容C改變振蕩頻率，設電容器調節(jié)范圍為40pF～450pF，則頻率覆蓋系數為而用RC振蕩器：電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器232025/1/183.低頻信號發(fā)生器的主要技術特性目前，低頻信號發(fā)生器主要技術指標的典型數據大致如下：頻率范圍：1Hz～1MHz分頻段，均勻連續(xù)可調頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于0.1%非線性失真：＜0.1%～1%輸出電壓：0V～10V輸出功率：0.5W～5W連續(xù)可調輸出阻抗：50Ω,75Ω,600Ω，5kΩ輸出形式：平衡輸出與不平衡輸出電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器242025/1/184、使用方法輸出頻率調節(jié)與指示：使用時，先將頻率范圍置于相應的擋位，按所需的頻率調節(jié)頻率度盤于相應頻率點上，在通常情況下，頻率微調旋鈕置于零位。輸出阻抗的配接：信號發(fā)生器要求負載與其輸出阻抗相匹配，使輸出信號失真小，功率大。輸出電路選擇：根據外接電路的輸入方式，選擇相應的平衡或不平衡輸出。輸出電壓的調節(jié)和測讀：調節(jié)輸出電壓旋鈕，可以連續(xù)改變輸出電壓的大小。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器252025/1/183.2.2高頻信號發(fā)生器

高頻信號發(fā)生器是指能夠供給等幅正弦波和調制波信號的信號發(fā)生器，通常分為調幅和調頻兩種。其工作頻率一般在100kHz~35MHz范圍內，輸出幅度能在較大的范圍內調節(jié)，并具有輸出微弱信號的能力，可以適應測試接收機的需要。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器262025/1/181.高頻信號發(fā)生器的組成原理圖3.4高頻信號發(fā)生器原理框圖主振級緩沖級調制級輸出級監(jiān)測器輸出電源內調制振蕩器可變電抗器外調制輸入AMFM內外標準調制：F=1000Hzm=30%若語音調制則成小電臺電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器272025/1/18l)主振級

主振級通常是LC三點式振蕩電路，通過固定電感L，改變電容C來調整振蕩頻率。但這時頻率覆蓋范圍是有限的，可通過下式進行估算。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器282025/1/18

若要擴大頻率范圍，必須變更電感L，可以象收音機那樣用多波段工作方式：圖3.7

LC回路L1CL2Ln....電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器292025/1/18例3.1XFC-6型高頻信號發(fā)生器f=4MHz～300MHz，

試問應劃分幾個波段？

上式中0.9k的含義是讓單回路覆蓋系數取小—些，這里取k=2，以保證各波段能銜接覆蓋。該例算出n=8，即要劃分8個波段。這時相鄰波段的電感值可按下式計算。（3.11）（3.10）電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器302025/1/182)緩沖級它主要起阻抗變換作用，用來隔離調制級對主振級。3)調制級

調制的方式主要有調幅、調頻和脈沖調制。調幅多用于100kHz～35MHz的高頻信號發(fā)生器中，高頻信號發(fā)生器中的調幅，一般采用正弦調制。調頻主要用于30MHz～1000MHz信號發(fā)生器中，還有線性掃頻。脈沖調制多用于300MHz以上的微波信號源中。標準調制：F=1000Hzm=30%電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器312025/1/184)輸出級

輸出級主要由放大器、濾波器、輸出微調（連續(xù)衰減電路）、輸出倍乘（步進衰減電路）等組成。

對輸出級的主要要求是：輸出電平的調節(jié)范圍寬，衰減量應能準確讀數，有良好的頻率特性，在輸出端有準確且固定的輸出阻抗。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器322025/1/182、高頻信號發(fā)生器的使用

信號發(fā)生器是向外提供激勵信號的儀器，使用比較簡單容易。它主要調節(jié)輸出頻率和幅度。關鍵是注意其使用說明書上輸出幅度是如何標定的，然后才能正確讀數。1）、輸出頻率的讀數

模擬式高頻信號發(fā)生器的頻率準確度不太高，通常只有±1%左右。2）、輸出幅度的讀數

高頻信號發(fā)生器的輸出幅度計數通常有兩種形式：一種采用電壓值表示；另一種采用分貝電平表示。

輸出幅度標稱值的準確度常用輸出幅度的絕對誤差與標稱值之比來衡量，也可把這個比值轉化為用分貝表示。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器332025/1/183）、輸出阻抗變換器

信號發(fā)生器只有在匹配的情況下才能正常工作。

同時，信號發(fā)生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下按正弦有效值標定的，若負載與信號源輸出阻抗不相等，則信號源輸出電壓的讀數是不準確的。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器342025/1/18信號源被測設備阻抗變換器(a)(b)R3R1Rs50Ω

R2RL75Ω

RsRL衰減量N取3.16，正好電壓衰減10dB電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器352025/1/183.2.3脈沖信號發(fā)生器

脈沖信號發(fā)生器通常是指矩形窄脈沖發(fā)生器，它廣泛用于測試和校準脈沖設備和寬帶設備。1、矩形脈沖的參數U0tUm0.9Um0.1UmδΔU0.5UmτtrtfΔ矩形脈沖的參數重復頻率：f占空系數：τ/T脈沖幅度：Um

上沖量：δ脈沖寬度：τ反沖量：△上升時間：tr

平頂落差：△U下降時間：tf

偏移：E電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器362025/1/182、脈沖信號發(fā)生器的組成原理外同步放大主振級同步輸出外同步輸入延遲級形成級整形級輸出級主脈沖acbdef1）、主振級

主振級可采用自激多諧振蕩器、晶體振蕩器或鎖相振蕩器產生矩形波，也可將正弦振蕩信號放大、限幅后輸出，作為下級的觸發(fā)信號。主要用于調節(jié)脈沖重復周期T。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器372025/1/182）、延遲級

延遲級電路通常由單穩(wěn)態(tài)電路和微分電路組成。對延遲級的要求是：在全波段內獲得一定的延時量td，并滿足觸發(fā)下一級電路所需的輸出幅度。3）、形成級

是脈沖信號發(fā)生器的中心環(huán)節(jié)，要求產生寬度準確、波形良好的矩形脈沖，且脈沖的寬度τ可獨立調節(jié)，并具有較高的穩(wěn)定性。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器382025/1/184）、整形級與輸出級

整形級與輸出級的電路一般由放大、限幅電路組成。整形級具有電流放大作用，輸出級具有功率放大作用，還具有保證儀器輸出的主脈沖幅度可調，極性可切換，以及良好的前、后沿等性能的作用。3、脈沖發(fā)生器的主要性能

脈沖發(fā)生器的主要工作特性：能輸出同步脈沖及與同步脈沖有一定延遲時間的主脈沖；延遲時間可調；主脈沖的頻率可調，脈寬可調，極性可切換，且具有良好的上升時間、下降時間，以及較小的上沖量。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器392025/1/183.2.4函數信號發(fā)生器

函數信號發(fā)生器是一種寬帶頻率可調的波形發(fā)生器，它可以產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等。1、正弦式函數信號發(fā)生器

其工作過程為：正弦振蕩器輸出正弦波，經緩沖級隔離后，分為兩路信號，一路送至放大器輸出正弦波，另一路作為方波形成電路的觸發(fā)信號。方波形成電路通常為施密特觸發(fā)器。后者也輸出兩路信號，一路送放大器，經放大后輸出方波；另一路作為積分器的輸入信號。積分器一般是密勒積分電路。積分器將方波積分形成三角波，經放大后輸出。三種波形的輸出由放大器中的選擇開關控制。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器402025/1/183、脈沖式函數信號發(fā)生器其工作過程如下：在觸發(fā)脈沖的作用下，施密特觸發(fā)器產生方波，積分器將方波積分形成三角波，正弦波轉換電路將三角波轉換成正弦波；放大器選擇三個波形輸出，可單獨輸出一個波形，也可同時輸出三個波形。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器412025/1/183.2.5噪聲發(fā)生器

噪聲是指元器件、電路、儀器設備或電子系統中出現的非預期的電信號。由噪聲所造成的不良效應稱為干擾。

在電子測量中，利用噪聲作為測試信號具有重要的意義：一方面，噪聲能夠模擬許多實際系統的工作狀態(tài)；另一方面，用噪聲信號代替正弦信號進行測試時，能夠收集到被測系統動態(tài)特性的有關數據，從而可以對被測系統做出全面的評價。

噪聲發(fā)生器能提供在特定頻率范圍內有足夠高的輸出電平，并具有一定統計參數的噪聲信號。圖3.14噪聲發(fā)生器的結構噪聲源變換器電平指示器電源輸出衰減器t電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器422025/1/183.3合成信號發(fā)生器

采用頻率合成技術，可以把信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準確度提高到與基準頻率相同的水平，并且可以在很寬的頻率范圍內進行精細的頻率調節(jié)。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。它是當前用得最廣泛的性能較高的信號源。

頻率合成的方法很多，但基本上分為兩大類，直接合成法和間接合成法。在具體實現中可分為下面三種方法。頻率合成的方法直接數字頻率合成法（DDS）

間接鎖相式合成法（DirectAnalogFrequencySynthesis）（DirectDigitalFrequencySynthesis）直接模擬頻率合成法（DAFS）

電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器432025/1/183.3.1直接模擬頻率合成法

利用倍頻、分頻和混頻以及濾波技術，對一個或多個基準頻率進行算術運算來產生所需頻率的方法，稱為直接合成法，由于大多是采用模擬電路來實現的，所以又稱為直接模擬頻率合成，這樣正好與下面介紹的直接數字頻率合成相對應。1.固定頻率合成法

圖中石英晶體振蕩器提供基準頻率，D為分頻器的分頻系數，N為倍頻器的倍頻系數。其輸出頻率為在式中，D和N均為給定的正整數。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器442025/1/182.可變頻率合成法帶通13MHz10MHz1M2M34混頻

十進制連續(xù)混頻分頻電路……fi1÷10++÷10++÷10++÷10++頻率選擇開關輔助基準頻率發(fā)生器2.00～2.09MHz2.000～2.099MHz2.0000～2.0999MHz2.00000～2.099999MHzfofi2fi3fi4f1f2f3f4fr2.0～2.9MHzF=16MHz2MHz5MHz圖中頻率選擇開關的作用是：根據所需輸出頻率f0的值，選擇相應數值分別作為f1~f4電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器452025/1/18直接模擬合成技術特點：1)頻率分辨力高

2)頻率切換快----用于跳頻通信對抗

（因頻率點不太多）3)電路龐大、復雜----現不用它做信號源

（因信號源頻率范圍寬）電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器462025/1/183.3.2直接數字頻率合成法

直接數字合成法（DDS，DirectDigitalFrequencySynthests）。它是從“相位”的概念出發(fā)進行頻率合成的。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，甚至可以給出各種任意波形。這在前述模擬頻率合成方法中是無法實現的。1.直接數字合成基本原理三角波：+1、+1……-1、-1……

方波：0、0、……1、1、……電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器472025/1/18以正弦波為例：

在正弦波一周期內，按相位劃分為若干等份△Ф，將各相位對應的幅值A按二進制編碼并存入ROM中，見表3.4（P93）2、信號的頻率關系

圖中，K為累加值，即相位步進碼，也稱頻率碼。一般地，對于n位地址來說，共有2n個ROM地址，限制K的最大值為：Kmax=2n-2電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器482025/1/18根據以上討論，可以得到如下頻率關系：最低輸出頻率fomin為最高輸出頻率fomax為當fomax和fomin已經設定，其間可輸出的頻率個數M為頻率分辨率：

為了改變輸出信號頻率，除了調節(jié)累加器的K值外，還可以調節(jié)控制時鐘的頻率fc。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器492025/1/183、噪聲分析

在DDFS中，噪聲有兩種：1）量化噪聲

相位和幅度量化噪聲，簡稱為量化噪聲。在一定的電路中，它一般是不變的。2）濾波器噪聲

是D/A轉換器產生的階梯波中的雜散頻率通過非理想低通濾波器而帶來的噪聲。這類噪聲將隨頻率增加而加大。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器502025/1/184、直接數字合成信號源實例AD9850是美國AnalogDevices公司生產的DDS單片頻率合成器，在DDFS的ROM中已預先存入正弦函數表：其幅度按二進制分辨率量化；其相位一個周期360°按的分辨率設立相位取樣點，然后存入ROM的相應地址中。實用中，改變讀取ROM的地址數目，即可改變的控制下，依次讀取全部地址中的相位點，則輸出頻率最低。因為這時一個周期要讀取232相位點，點間間隔時間為時鐘周期Tc，則輸出頻率。若在系統時鐘頻率

Tout=232Tc

因此這時輸出頻率為圖3.19AD9850內部組成框圖頻率相位碼寄存器相位和控制字頻率碼32位高速DDS碼輸入寄存器并行8位×5輸入時鐘輸入復位頻率更新/寄存器復位碼輸入時鐘串行1位×40輸入比較器＋－方波輸出模擬輸入模擬輸出DAC復位地＋Vs電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器512025/1/18（3.16）

若隔一個相位點讀一次，則輸出頻率就會提高一倍。依次類推可得輸出頻率的一般表達式（3.17）式中k為頻率碼，是個32位的二進制值，可寫成：（3.18）對應于32位碼值（0或1）。為電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器522025/1/18

便于看到頻率碼的權值對控制頻率高低的影響，（3.18）代入（3.17）式得：

（3.19）

按AD9850允許最高時鐘頻率fc=125MHz來進行具體說明，當A0＝1，而A31，A30，…，A1均為0時，則輸出頻率最低，也是AD9850輸出頻率的分辨率：電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器532025/1/18與上面從概念導出的結果一致。當A31＝1，而A0，A1，…，A30均為0時，輸出頻率最高：

應當指出，這時一周只有兩個取樣點，已到取樣定理的最小允許值，所以當A31＝1后，以下碼值只能取0。實際應用中，為了得到好的波形，設計最高輸出頻率小于時鐘頻率的1/3。這樣，只要改變32位頻率碼值，則可得到所需要的頻率，且頻率的準確度與時鐘頻率同數量級。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器542025/1/185.任意波形的產生方法

直接數字頻率合成技術重要的特色，它可以產生任意波形。從上述直接數字頻率合成的原理可知，其輸出波形取決于波形存儲器的數據。因此，產生任意波形的方法取決于向該存儲器（RAM）提供數據的方法。目前有以下幾種方法：1)表格法

將波形畫在小方格紙上，縱坐標按幅度相對值進行二進制量化，橫坐標按時間間隔編制地址，然后制成對應的數據表格，按序放入RAM。對經常使用的定了“形”的波形，可將數據固化于ROM或存入非易失性RAM中，以便反復使用。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器552025/1/182）用數學表達式

對能用數學方程描述的波形，先將其方程（算法）存入計算機中，在使用時，輸入方程中的有關參量，計算機經過運算后提供波形數據。也可用多個表達式分段鏈接成一個組合的波形。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器562025/1/183）復制法

將其它儀器（例如數字存儲示波器，X—Y繪圖儀）獲得的波形數據通過微機系統總線或GPIB接口總線傳輸給波形數據存儲器。該法很適于復制不再復現的信號波形。

自然界中有很多無規(guī)律的現象，例如雷電、地震及機器運轉時的振動等現象都是無規(guī)律的，甚至一去不復返。為了研究這些問題，就要模擬這些現象的產生。在過去只能采用很復雜的方法來實現，現在采用任意波形產生器則方便得多了。國內外已有多種型號的任意波形產生器可供選用。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器572025/1/18任意波形發(fā)生器的主要技術指標（見表3.5（P97）），說明：1）、任意波形長度或波形存儲器容量

因為任意波形發(fā)生器的波形實質上是由許多樣點拼湊出來的，樣點多則可拼湊較長的波形，所以用點數來表示波形長度。

波形存儲器容量亦稱波形存儲器深度，是指每個通道能存儲的最大點數。2）采樣率

通常將A/D轉換對模擬信號采樣的時鐘頻率稱為采樣率，在AWG中是指D/A轉換器從波形存儲器中讀取數據的時鐘頻率。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器582025/1/183）幅度分辨率

幅度分辨率為AWG能表現幅度細小變化的程度，它主要取決于DAC的倍數。4）通道數

雖然各種信號源都可以有不同的通道數目，但多通道的AWG更容易表現復雜波形的相關關系，因而通道數目在AWG中較受重視。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器592025/1/183.3.3間接合成法1.基本鎖相環(huán)路

間接合成法即鎖相合成法，它是利用鎖相環(huán)（PLL）的頻率合成方法。

基本鎖相環(huán)路是由相位比較器（PD），壓控振蕩器（VCO）和環(huán)路濾波器（LPF）組成的閉合環(huán)路，如圖3.22(a)所示。ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf

(a)(b)(c)開始：f0≈fi→PD→LPF→VCO最后：f0=fi(a)鎖相環(huán)(b)PD的鑒相特性(c)VCO的壓控特性電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器602025/1/18

相位比較器即鑒相器，它比較兩個輸入信號fo和fi的相位差△Ф，輸出與相位差成比例的電壓，這個電壓稱為誤差電壓ud，其鑒相特性如圖b所示：

環(huán)路濾波器是一種RC低通濾波器，它濾去誤差電壓中的高頻成分及噪聲，用以改善環(huán)路的性能。

壓控振蕩器是在外加電壓的作用下能改變其輸出頻率的振蕩器，其壓控特性如圖c所示。誤差電壓經濾波后送VCO，改變VCO的固有振蕩頻率fo，并使fo向輸入信號的頻率靠攏，這個過程稱為頻率牽引。

綜上所述，鎖相環(huán)的工作過程就是通過頻率牽引，達到相位鎖定的過程。當環(huán)路鎖定時，fo=fi，△Ф=c。通常，fi是石英晶體振蕩器的振蕩頻率。因此，在環(huán)路鎖定時，其輸出頻率具有與輸入頻率相同的頻率特性。這就是鎖相環(huán)的基本原理。ΔφfiLPFVCOPDfoudoofoudf

(a)(b)(c)開始：f0≈fi→PD→LPF→VCO最后：f0=fi(a)鎖相環(huán)(b)PD的鑒相特性(c)VCO的壓控特性電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器612025/1/18

基本鎖相環(huán)只能輸出一個頻率，而作為信號源必須要能輸出一系列頻率。2.鎖相環(huán)的幾種基本形式

1)倍頻鎖相環(huán)

fiLPFVCOPDfo=Nfi÷N1MHzi10MHzifo/N當環(huán)路鎖定時，PD兩輸入信號的頻率相等，即①根據PD兩輸入頻率相等列出等式:

fo/N＝fi②從等式中解出輸出頻率:

重點掌握電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器622025/1/18脈沖倍頻環(huán)

LPFVCOPDfo=Nfifi脈沖形成NfiNfi

脈沖形成電路將輸入信號變換為含有豐富諧波成分的窄脈沖，因而，環(huán)路的輸入信號中包含了多種諧波，通過改變VCO中可變電容的偏置電壓，調諧其固有振蕩頻率，選擇某一高次諧波，可以達到倍頻的目的。

倍頻環(huán)在信號合成中的作用是實現寬頻范圍內的點頻覆蓋，擴展合成器的高端頻率，特別適用于制作頻率間隙較大的高頻及甚高頻合成器。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器632025/1/18①根據PD兩輸入頻率相等列出等式:fi1MHzLPFVCOPDfo=fi/N100kHz×NNfifi＝Nfo

②從等式中解出輸出頻率:2)分頻鎖相環(huán)

對輸入信號頻率進行除法運算的鎖相環(huán)叫分頻鎖相環(huán)（簡稱分頻環(huán)）。分頻環(huán)可用于向低端擴展合成器的頻率范圍。LPFVCOPDfofi

Nfo電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器642025/1/18混頻器fi11MHzLPVCOPDfo=|fi1-fi2|=1000-100=900kHzBPFM+fi2=100kHzf0+fi23)混頻鎖相環(huán)

當兩個輸入頻率之和或之差超出了允許的范圍時，環(huán)路不能進入鎖定狀態(tài)，也無法控制VCO的輸出頻率，即環(huán)路“失鎖”。這時需要調整VCO的工作參數以改變其固有振蕩頻率，或者調整輸入信號的頻率，均可以達到鎖定的目的。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器652025/1/18例：設fi1為晶體振蕩器的輸出頻率，fi1=10000kHz，頻率穩(wěn)定度為1×10-6/d。Fi2為內插振蕩器的輸出頻率，且fi2在100~110kHz范圍內連續(xù)可調，頻率穩(wěn)定度為1×10-4/d。按和頻式混頻器合成。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器662025/1/183.頻率合成單元1)組合環(huán)一個典型的組合環(huán)及其輸出頻率，如圖所示。

因為

所以LPFPDfo=—fiVCO÷N2÷N1fiN1N2電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器672025/1/182)多環(huán)合成單元由倍頻環(huán)可得由混頻環(huán)可得:

因為

所以(3.22)(3.23)LPFPDfo1=Nfi1VCO1fi

圖3.27雙環(huán)合成單元VCO2M(-)晶振PDLPF內插振蕩器f

i2同軸倍頻環(huán)混頻環(huán)fo2=Nfi1+fi2Nfi1fo1電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器682025/1/183)十進合成單元圖3.29DS-1合成單元的級聯100KHz9MHz×1Hz0～90～90～90～90～9×10Hz×100Hz×1KHz×10KHz基準DS-11DS-12DS-13DS-14DS-15電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器692025/1/184)可程控合成單元圖3.30可程控合成單元PDLPF＋VCOD/A可程控分頻器fi頻率控制數碼fo

采用頻率預調技術來預置VCO的頻率。預調是由頻率控制數碼，經D/A轉換器轉換與加法放大器放大后送VCO來實現的。但準確的頻率調整是由鎖相環(huán)來完成的。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器702025/1/183.3.4頻率合成技術的進展1.三種合成方法的比較頻譜純度好100GHz(微波)ms級間接鎖相可得任意波形300MHzμs級直接數字硬件電路復雜100MHzμs級直接模擬主要特點最高工作頻率速度合成方法電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器712025/1/182.提高頻率分辨力的方法

1)微差混頻法

該方法將兩個頻率相差甚微的信號源進行差頻混頻，如圖3.31所示?；祛l器的輸出頻率為圖3.31微差混頻原理fofi1fi2M(-)

在微差混頻法中，由于參與混頻的兩個信號頻率十分接近，所以分辨力得到提高。但是當這兩個頻率很接近時，在混頻器工作中頻率牽引現象也很嚴重，且很難解決。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器722025/1/182)多環(huán)合成法PLL1(N1=2)fo=(N2+0.1N1)fr=(10+0.2)10Hz=102Hzfr10HzPLL2(N2=10)M(+)110N1fr20HzN2fr100Hz0.1N1fr2Hz電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器732025/1/183)小數合成法LPFVCOPDfo=1890kHzfi=100kHz小數分頻器(N+1)和N次

=18.9控制電路

令N=18

則平均分頻系數18.9

若要平均分頻系數=18.6，怎么控制？

若希望分頻系數有整數部分也有小數部分，其整數部分為N，小數部分為k，小數部分的位數為n，則需要進行k次（N+1）分頻，（10n-k）次N分頻并循環(huán)進行即可，每次循環(huán)總的分頻次數為10n電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器742025/1/183.擴展頻率上限的方法

前題條件：VCO能工作在很高頻率（如GHz微波段），然后鎖定。1)前置分頻法

前置分頻法是在程序分頻器之前設置一個固定分頻器，如圖3.34所示。圖中D為固定分頻器，其分頻系數為D。因此，其輸出頻率fo為圖3.34前置分器的鎖相環(huán)fi8MHzLPFVCOPDfo=DNfi==

8GHz÷N

10÷D100

fo＝DNfi

固定

電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器752025/1/182)倍頻混頻法fo=Nfi1+fi2=101MHzVCOLPFMBPFPDfi110MHz圖3.35倍頻—混頻環(huán)÷N10(－)(fo-fi2)/Nfi21MHz

由于fi2的加入提高了輸出頻率的上限，其提高的程度取決于fi2的大小，而且其頻率分辨率仍和單環(huán)倍頻式鎖相環(huán)的一樣，△f=fi1。由于混頻器引入寄生信號將會影響頻譜純度，雖然其后接帶通濾波器（BPF）對寄生信號有抑制作用，但是濾波器的延時又將對環(huán)路帶來不利的影響。電子測量與智能儀3——信號發(fā)生器762025/1/183)吞脈沖分頻法

吞脈沖分頻法是在鎖相環(huán)的反饋支路中加入吞脈沖分頻器，這時鎖相環(huán)的組成