1、第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 第3章 测量用信号发生器 知识要点：知识要点：信号发生器性能指标与分类信号发生器性能指标与分类各类信号发生器的工作原理及使用方法各类信号发生器的工作原理及使用方法合成信号发生器的频率合成技术合成信号发生器的频率合成技术第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 2 3.1 概述概述信号发生器即信号源，指产生所需参数的电测试信号的仪指产生所需参数的电测试信号的仪器器，是最基本、应用最广泛的电子测量仪器之一。3.1.1 信号发生器的功用信号发生器的功用激励源，信号仿真，校准源3.1.2 信号发生器的分类信号发生器的分类信号发生器分为通用信号发生器和专用信
2、号发生器两大类。1. 按输出波形分类按输出波形分类正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器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Hz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
3、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
4、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。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 42. 按工作频率分类按工作频率分类信号发生器信号发生器的频率范围的频率范围类型频率范围应用超低频信号发生器0.0001Hz1kHz地震测量、电声学、医疗设备维修低频信号发生器1Hz1MHz音频、通信设备、家电测试、维修视频信号发生器20Hz10MHz电视设备测试、维修高频信号发生器200kHz30MHz广播、电报等无线通信测试与维修甚高频信号发生器30MHz300MHz超短波、调频广播、导航测试超高频信号发生器300MHz以上雷
5、达、微波、卫星通信设备测试、维修3. 按调制方式分类按调制方式分类按调制方式的不同，信号发生器分为调幅、调频、调相、脉冲调制等类型。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 53.1.3 正弦信号发生器的主要技术特性正弦信号发生器的主要技术特性1. 频率特性频率特性（1）有效频率范围：各项指标均能得到保证的输出频率范围称为信号发生器的有效频率范围。（2）频率准确度：指频率实际值对其标称值的相对偏差。其表达式为：（3）频率稳定度：指在一定时间间隔内频率准确度的变化，它表征信号源维持工作于恒定频率的能力。fffffa000 x0minmaxfff第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 62.
6、 输出特性输出特性（1）输出阻抗低频信号发生器一般有匹配变压器，故有50、150、600、5k等各种不同输出阻抗 高频信号发生器一般只有50或75一种输出阻抗。（2）输出电平及其平坦度输出电平是表征信号发生器所能提供的最大和最小输出电平调节范围。目前正弦信号发生器输出信号幅度采用有效值或绝对电平来度量。 输出电平平坦度是指在有效的频率范围内，输出电平随频率变化的程度。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 7（3）输出形式输出形式包括平衡输出（即对称输出u2）和不平衡输出（不对称输出u1）两种形式。（4）输出波形及谐波失真 输出波形是指信号发生器所能产生信号的波形。正弦信号发生器应输出单一
7、频率的正弦信号，但由于非线性失真、噪声等原因，其输出信号中都含有谐波等其他成分，即信号的频谱不纯。用来表征信号频谱纯度的技术指标就是谐波失真度。信号发生器+u1+u2 信号发生器的输出形式第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 83. 调制特性调制特性 高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出调幅波和调频波，有的还带有调相和脉冲调制等功能。 当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调制。 当调制信号由外部电路或低频信号发发生器提供时，称为外调制。 高频信号发生器的调制特性包括调制方式、调制频率、调制系数以及调制线性等。 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 93.2 模拟信号发
8、生器模拟信号发生器3.2.1 低频信号发生器低频信号发生器 低频信号发生器又称为音频信号发生器，用来产生频率范围为1Hz1MHz的低频正弦信号、方波信号及其他波形信号。1. 低频信号发生器的组成低频信号发生器的组成指示电压表主振器电压放大器输出衰减器功率放大器阻抗变换器电压输出S功率输出电压输入主振输出调节第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 10（1）主振器）主振器p作用：产生与输出信号频率一致低频正弦信号。p电路结构：RC文氏桥式振荡器、差频式振荡器pRC文氏桥式振荡器优点：波形失真小、振幅稳定、频率调节方便和频率可调范围宽。pRC文氏桥式振荡器缺点：频率覆盖系数（即最高频率与最低频
9、率之比）为10，要覆盖1Hz1MHz频率范围，至少需要六个波段。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 11（1）主振器）主振器p差频式振荡器优点：在不分波段的情况下得到很宽的频率覆盖范围。p差频式振荡器缺点：对振荡器频率稳定性要求很高，两个振荡器应远离整流管、功率管等发热元件，彼此分开，并良好屏蔽。差频式振荡器的组成框图差频式振荡器的组成框图输出输出固定频率固定频率振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第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 12（2
10、）电压放大器电压放大器兼有缓冲与电压放大的作用。缓冲是为了使后级电路不影响主振器的工作，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。放大是为了使信号发生器的输出电压达到预定技术指标。（3）输出衰减器 输出衰减器用于改变信号发生器的输出电压或功率，分为连续调节和步进调节。连续调节由电位器实现，步进调节由步进衰减器实现。+CR1+UiUo+R2R3R4R5R6R7R8SRP衰减器原理图第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 13 （4） 功率放大器及阻抗变换器 功率放大器用来对衰减器输出的电压信号进行功率放大，使信号发生器达到额定功率输出。为了能实现与不同负载匹配，功率放大器之后与阻抗变换器相接
11、，这样可以得到失真小的波形和最大的功率输出。 阻抗变换器只有在要求功率输出时才使用，电压输出时只需衰减器。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 142. XD-22A型低频信号发生器XD-22A型低频信号发生器是一款多功能，宽频带的通用测量仪器，它除了产生正弦波信号正弦波信号外，还能产生脉冲信号脉冲信号和逻辑信号逻辑信号，并采用3位LED数码管来显示频率。2.1 主要技术性能主要技术性能（1）频率范围：1Hz1MHz，共分为六个波段。 波段：110Hz 波段：10100Hz 波段：100Hz1KHz 波段：1KHz10KHz 波段：10KHz100KHz 波段：100KHz1MHz第 2
12、 章 测 量 用 信 号 发 生 器 15（2）频率误差 波段小于1.5%输出频率，波段小于2%输出频率（3）正弦信号 幅度：6V 频率响应： 1dB，这一技术性能的含义是，信号频率在1Hz1MHz范围内变化时，信号发生器对不同频率的信号增益的偏差要小于1dB 电压表误差： 5%满刻度值 输出阻抗： （600 10）第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 16（4）脉冲信号（10Hz200KHz） 电压幅度（峰-峰值）为010V，且连续可调 上升、下降时间：0.3s 上冲、下冲时间：7% 脉冲宽度：连续可调（5）逻辑信号 波形：方波（正极性） 幅度：高电平为（4.50.5）V，低电平0.3
13、V第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 172、面板结构图及按键功能、面板结构图及按键功能1)面板结构图及按键功能XD-22A型低频信号发生器的面板结构： XD-22A型低频信号发生器面板图型低频信号发生器面板图指示电压表XD-22A型低频信号发生器输出衰减dB输出细调频率开电源占空比频率显示窗接通电源步进旋钮微调旋钮占空比调节旋钮：调节脉冲信号的占空比波形输出开关信号输出插孔：S弹出：下输出孔输出 正弦波信号S按进：下：脉冲波信号上：逻辑信号波段输出细调旋钮：调节电压指示表显示的电压输出衰减调节开关：调节衰减器的衰减倍数频率单位显示显示输出信号的频率值电压指示表：指示缓冲放大器的输出电
14、压幅度值波段选择开关：选择调节波段频率调节旋钮第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 18（1）电源开关。（2）波段选择开关。共有六个波段。（3）频率调节旋钮。又包括三个步进旋钮和一个微调旋钮。（4）占空比调节旋钮。用于调节脉冲信号的占空比。（5）输出波形转换开关S。（6）信号输出插孔。（7）输出细调旋钮。用于调节电压指示表所显示的电压。（8）输出衰减调节开关。用于调节衰减器的衰减倍数。（9）频率单位指示。（10）频率显示窗。（11）电压指示表。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 192）使用注意事项使用注意事项： 开机前，把输出细调旋钮输出细调旋钮置于最小值最小值处，防止开机时因
15、起振幅度超过正常值而打坏表针 开机后，让仪器预热预热片刻，等表头指示稳定后再开始使用 输出波形由输出波形开关S控制 信号输出电缆的长度以（110%）m为宜，太长或太短都会引起高频段（f500KHz）电压误差第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 20 3）使用方法 （1）选择波形。由输出波形转换开关S控制。 （2）调频率。先调波段开关先调波段开关，选择待输出信号频率所在的波段，再调频率调节旋钮及频率微调旋钮再调频率调节旋钮及频率微调旋钮。即由波段选择开关和三个频率调节旋钮配合使用，进行调节；在数码显示窗上将显示出读数，三个数码管对应显示三个频率旋钮的调节值；Hz、KHz指示灯指示所显示频率
16、的单位。如，需要输出频率为2370Hz的信号，首先将波段选择开关置于波段，此时KHz指示灯亮；然后分别调节三个频率调节旋钮，从左至右分别置于“2”、“3”和“7”刻度；此时数码显示出2.37，即2.37KHz。输出即为2 370Hz。 （3）幅度调节。先调输出细调旋钮，再调输出衰减旋钮。即由输出细调旋钮和输出衰减旋钮配合使用，进行调节；面板左上方的表头将显示出电压读数；实际输出值等于电压读数实际输出值等于电压读数除以衰减倍数，即除以衰减倍数，即U实实U示示/衰减倍数。衰减倍数。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 21例1：要用XD-22A输出一个频率为74 000Hz，电压为10mV(
17、有效值)的正弦信号，如何调节？解：第1步，弹出输出波形转换开关S，使输出为正弦信号。第2步，将波段选择开关置于波段，此时KHz指示灯亮；然后分别调节三个频率调节旋钮，从左至右分别置于“7”、“4”和“0”刻度；此时数码显示出74.0，即74.0KHz。第3步，调节输出细调旋钮使电压读数为“1”；再调节输出衰减旋钮，使其置于“40”，即衰减40dB，由表2-1可知，衰减了100倍（即为原值的0.01）；输出有效电压则为1V10010mV。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 223.2.2 高频信号发生器高频信号发生器高频信号发生器和甚高频信号发生器统称为高频信号发生器。高频信号发生器：产
18、生200kHz30MHz的正弦波或调幅波信号。甚高频信号发生器：产生30MHz300MHz的正弦波、调幅波或调频波信号。 1. 高频信号发生器的组成高频信号发生器的组成 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内内外外第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 23 （1）主振级主振级是信号发生器的核心，一般采用可调频率范围宽、频率准确度高、稳定度好的LC振荡器，它用于产生高频振荡信号。为了使信号发生器有较宽的工作频率范围，可以在主
19、振级之后加入倍频器、分频器或混频器。主振级电路结构简单，输出功率不大，一般在几到几十毫瓦的范围内。 （2）缓冲级缓冲级主要起阻抗变换的作用，用来隔离调制级对主振级产生的不良影响，以保证主振级稳定工作。否则，由于调制级输入阻抗不高且在调幅过程中不断变化，而使主振级振荡频率不稳定并产生寄生调频。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 24（3）调制级调制级实现调制信号对载波的调制，它包括调频、调幅和脉冲调制等调制方式。在输出载波或调频波时，调制级实际上是一个宽带放大器；在输出调幅波时，实现振幅调制和信号放大。（4）可变电抗器可变电抗器与主振级的谐振回路相耦合，在调制信号作用下，控制谐振回路电抗
20、的变化而实现调频。 （5）内调制振荡器 内调制振荡器用于为调制级提供频率为400Hz或1kHz的内调制正弦信号，该方式称为内调制。当调制信号由外部电路提供时，称为外调制。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 25（6）输出级输出级主要由放大器、滤波器、输出微调器、输出倍乘器等组成，对高频输出信号进行调节以得到所需的输出电平，最小输出电压可达V数量级。输出级还用来提供合适的输出阻抗。 （7）监测器监测器用以监测输出信号的载波幅度和调制系数。（8）电源电源用来供给各部分所需要的电压和电流。 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 26主振器高频放大器调制器细调衰减器步进衰减器电缆分压器载
21、波电压指示器调幅度指示器内调制信号发生器外调制信号输入1kHz400Hz等幅S01V00.1V“1”“0.1” XFG-7型高频信号发生器组成框图2. 高频信号发生器实例高频信号发生器实例XFG-7型高频信号发生器是一个具有标准频率与标准输出电压的高频信号发生器。它既能产生等幅波，又能产生调幅波，可以方便地应用于高频放大器、调制器以及滤波器性能指标的测量，特别适用于无线电接收机性能指标的测试。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 27（1）整机组成主振器是一个LC振荡电路，它通过变换振荡回路中的电感线圈L来改变频段，调节电容C来连续改变频率。 高频放大器具有防大、调幅作用。细调衰减器用来
22、连续调节输出幅度，调节范围在01V之间。步进衰减器由四节型四端网络连接而成，用于对输出信号作进一步衰减，其输出电压最大仅为0.1V。为了获得更小的输出电压，还配有一根内藏分压器的输出电缆，分压比分别为11和110。内调制信号发生器是一个LC振荡器，产生供调幅用的400Hz或1kHz低频正弦信号。当高频信号幅度一定时，调幅度的大小由调制信号电压决定。调幅度指示器是通过测量低频信号的振幅来指示调幅波的调幅度。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 28VM%00.1V保险丝通调幅度调节载波调节输出微调01V0101100100010000输出倍乘400等幅1000调幅选择波段 外调幅输入V零点
23、1V校准M%零点指示灯频率粗调频率细调 XFG-7型高频信号发生器面板图12345678第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 29准备工作 通电前将载波调节、调幅度调节和输出微调旋钮逆时针旋转到最小位置，将输出倍乘开关置于1。调零 通电前对指示电表进行机械调零。通电后，将波段开关置于任意两挡之间，使主振器停振，调节零点旋钮使V表指针处在零点。接着将波段开关调至任意挡使振荡器振荡，调节载波调节旋钮，使V表指针指在红线1上，调节M%零点旋钮使M%表指针指在零点。调节频率 将波段开关置于所需波段位置，调节频率调节粗调、细调旋钮得到准确频率。调节电压 调节载波调节旋钮使表指针指在红线“1”上，根
24、据所需电压选择输出插孔。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 30 输出电压在0.1V以上时选择01V插孔。输出电压由输出微调旋钮读出，其读盘最大读数为1。调节输出微调旋钮至所需的输出电压值。输出电压在0.1V以下时选择00.1V插孔，这时输出电压等于输出微调读数与输出倍乘开关读数的乘积，单位为微伏。如果要求输出低阻抗的微弱信号，可在00.1V插孔上加接带有分压器的电缆，并在“0.1”插口处引出信号，输出电压为上述读数方法所得结果的1/10。高频等幅信号输出 将调幅选择开关置于等幅位置。调幅波输出 根据调制信号来源分为内调幅和外调幅。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 31 内调
25、幅时，将“调幅选择”开关置于400Hz或1kHz位置，在V表指示为1情况下，调节调幅度调节旋钮使M%表指针指在所需的位置上。最常用的标准调幅度为30%。 外调幅时，将调幅选择开关置于等幅位置，在外调幅输入接线柱上接入频率在50Hz8kHz范围的低频正弦信号作为外调制信号，其他操作与内调幅相同。使用注意事项 使用00.1V插孔时，应把01V插孔盖住，反之亦然。 使用内调幅时，不能在接线柱上加外调制信号。使用高频信号发生器还应注意如下两点：第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 THANK YOUSUCCESS2022-5-1132可编辑第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 33 接收机
26、的测试 高频信号发生器的典型应用是用来测试接收机的性能。为了使接收机符合实际工作情况，必须在接收机与仪器间接一个等效的天线。等效天线接在电缆分压器的分压接线柱与接收机的天线接线柱之间。 阻抗匹配 信号发生器只有在阻抗匹配情况下才能正常工作。否则，除引起衰减系数误差外，还影响前级电路的工作，降低信号发生器的功率，在输出电路中出现驻波。因此，在失配的状态下，应在信号发生器的输出端与负载间加一个阻抗变换器。第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 343.3 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
27、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
28、1010-7-7量级量级第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 353.3.1 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，由于大多是采用模拟电路来实现的，所以又称为直接成法，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。模拟频率合成。 晶振晶振谐波发生器（倍频）谐波发生器（倍频）分频（分频（1010）8MHz8MHz混频（混频（+ +）混频（混频（+ +）2MHz2MH
29、z滤波滤波分频（分频（1010）2.8MHz2.8MHz滤波滤波0.28MHz0.28MHz分频（分频（1010）混频（混频（+ +）滤波滤波6MHz6MHz6.28MHz6.28MHz0.628MHz0.628MHz3MHz3MHz3.628MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图直接式频率合成原理框图1MHz1MHz1MHz1MHz9MHz9MHz第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 36直接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
30、、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）第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 373.3.2 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）是以）是以数字信号处理数字信号处理理论为基础，从信号的理论为基础，从信号的幅度相幅度相位位关系出发进行频率合成的。与传统的频率合成器相比，关系出发进行频率合成的。与传统的频率合成器相比，DDSDDS具有具有极高
31、的分辨率极高的分辨率、快速的频率转换时间快速的频率转换时间、很宽的相对带宽很宽的相对带宽、任意波形的输出能力任意波形的输出能力和和数字调制数字调制等优点。等优点。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、 1 1、1 1、 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 38 正弦波：预存正弦函数表正弦波：预存正弦函数表 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 391K ，因而其最低频率为，因而其最低频率为 12onimcnff式中，式中， n为累加器的宽度或字长，当为累加器的宽度或字长，当 很大
32、时，最低输出很大时，最低输出n数量级。最高频率受限于时钟频率数量级。最高频率受限于时钟频率频率可达频率可达Hz甚至甚至mHz DDS具有极宽的工作频率范围具有极宽的工作频率范围。DDSDDS输出频率的输出频率的下限对应于频率控制字下限对应于频率控制字 和奈奎斯特抽样定理，即每周期至少取样两次才能够重和奈奎斯特抽样定理，即每周期至少取样两次才能够重建波形，因此最大的合成频率为建波形，因此最大的合成频率为 max12ocff实际应用中，一般取实际应用中，一般取 max40%ocff第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 40辨率就是它的最低频率，即辨率就是它的最低频率，即 12ocnff在时钟
33、频率在时钟频率 cf确定后，频率分辨率由相位累加器的字长确定后，频率分辨率由相位累加器的字长n决定，只要决定，只要 n足够大，就可以获得足够高的频率分辨足够大，就可以获得足够高的频率分辨率。例如当率。例如当 50MHzcf ，48n 位，位， 可达到可达到 of60.18 10是传统的频率合成器所不及的。是传统的频率合成器所不及的。 DDS具有极高的频率分辨率具有极高的频率分辨率 。DDS的频率分的频率分of第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 41 DDS具有极短的频率转换时间具有极短的频率转换时间。由于。由于DDS是是开环系统，无反馈环节，所以开环系统，无反馈环节，所以DDS的频率转
34、换时间的频率转换时间可以近似认为是即时的，高速可以近似认为是即时的，高速DDS系统的频率转换系统的频率转换时间可达纳秒量级。时间可达纳秒量级。 任意波形输出能力任意波形输出能力。DDSDDS可以合成任意波形。可以合成任意波形。合成的主要方法就是找出相应波形幅度和相位的关合成的主要方法就是找出相应波形幅度和相位的关系，最简单的方法是改变系，最简单的方法是改变ROMROM查询表中的数据，很查询表中的数据，很多多DDSDDS合成器可以输出正弦波、方波、三角波等任合成器可以输出正弦波、方波、三角波等任意波形。意波形。 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 423. 3. 任意波形发生器任意波形发
35、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
36、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。 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） 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 432)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
37、如数字存储示波器，X XY Y绘图仪）获得的绘图仪）获得的波形数据通过微机系统总线或波形数据通过微机系统总线或GPIBGPIB接口总线传输给波形数据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。存储器。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
38、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。 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 44 DDSDDS函数信号发生器函数信号发生器第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 453.3.3 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 利用锁相环（利用锁相环（PLLPLL）的频率合成方法。）的频率合成方法
39、。 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），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。）组成的闭合环路。 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
40、压控特性的压控特性第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 462.2.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 N1MHz1MHzi 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 重点掌握重点掌握第 2 章 测
41、 量 用 信 号 发 生 器 47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 1MHzMHzLPLPF 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 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 48脉冲分频
42、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=900kHzkHzBPFBPFM+M+f f i 2 i 2 =100=100kHzkHzf f 0 0 +f+f i 2 i 2 201iifff 21iiofff- -第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 493. 3. 频率合成单元频率合成单元 1)1
43、)组合环组合环 一个典型的组合环及其输出频率，如图所示。一个典型的组合环及其输出频率，如图所示。 因为因为 12/iof NfN 所以所以 21oiNffNLPFLPFPDPDf f o o =f fi iVCOVCON N2 2N N1 1f f i i N N1 1N N2 2第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 502)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=
44、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PDPDLPLPF 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 121ooff第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 513)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 0
45、9 90 09 90 09 910Hz10Hz100Hz100Hz1KHz1KHz10KHz10KHz基准基准DS-1DS-11 1DS-1DS-12 2DS-1DS-13 3DS-1DS-14 4DS-1DS-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 o第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 523.3.
46、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 级级间接锁相间接锁相可得任意波形可得任意波形300MHz300MHzss级级直接数字直接数字硬件电路复杂硬件电路复杂100MHz100MHzs s 级级直接模拟直接模拟主要特点主要特点最高工作频率最高工作频率速速 度度合成方法合成方法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3.3
47、13.31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(-)(-)第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 53 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，由于参与混频的两个信号频率十分接近，所以分辨力得到提高。但是当这两个频率很接近时，在混频所以分辨力得到提高。但是当这两个频率很接近时，在混频器工作中频率牵引现象也很严重，且很难解决。器工作中频率牵引现象也很严重，且很难解决。 2)2)多环合成法多环合成法 PLL1PLL1(N N1 1=2)f fo
48、o= =( (N N2 2+0.1N+0.1N1 1)f )fr r=(10+0.2)10Hz=(10+0.2)10Hz= =102Hz102Hz f fr r10Hz10HzPLL2PLL2( (N N2 2=10=10) )MM(+)(+) 1 1 1010N N1 1 f fr r20Hz20HzN N2 2 f fr r100H100Hz z0.1N0.1N1 1 f fr r2Hz2Hz第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 543)3)小数合成法小数合成法 LPFLPFVCOVCOPDPDf fo o = =1890kHz1890kHzf f i i =100kHz=100kH
49、z小数分频器小数分频器( (N+1N+1) )和和N N次次 =18.9=18.9控制电路控制电路 令令 N N= =1818 则则 平均分频系数平均分频系数 19 9 18 19 1 18.9 18.9 若要平均分频系数若要平均分频系数=18.6=18.6，怎么控制？，怎么控制？ 19 6 18 418.69 1 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 553. 3. 扩展频率上限的方法扩展频率上限的方法 前题条件：前题条件：VCOVCO能工作在很高频率（如能工作在很高频率（如GHzGHz微波段微波段），），然后锁定。然后锁定。 1)1)前置分频法前置分频法 前置分频法是在程序分频器之前
50、设置一个固定分频器，如图前置分频法是在程序分频器之前设置一个固定分频器，如图3.343.34所示。图中所示。图中D D为固定分频器，其分频系数为为固定分频器，其分频系数为DD。因此，。因此，其输出频率其输出频率f fo o为为 图图3.34 3.34 前置分器的锁相环前置分器的锁相环f f i i 8MHz8MHzLPFLPFVCOVCOPDPDf f o o = =DN fDN f i i = 8GHz8GHzN N 1010DD100100 f fo oD D N f N fi i 固固定定 第 2 章 测 量 用 信 号 发 生 器 562)2)倍频混频法倍频混频法 f fo o = =
