1、第第3 3章信號發生器章信號發生器 本章要點本章要點測量用測量用信號發生器信號發生器，通常稱為，通常稱為信號源信號源。 u 信號源的功用、種類和主要性能指標信號源的功用、種類和主要性能指標 u 通用低頻、高頻信號發生器的組成原理、特性和應用通用低頻、高頻信號發生器的組成原理、特性和應用 u 合成信號源的組成原理、特性和應用合成信號源的組成原理、特性和應用u 頻率合成技術的發展狀況頻率合成技術的發展狀況 u 射頻率合成信號發生器（射頻率合成信號發生器（數字調制信號源、矢數字調制信號源、矢量信號源量信號源）-新增內容新增內容 3.1 3.1 信號發生器概述信號發生器概述3.1.1 3.1.1 信號

2、發生器的功用信號發生器的功用 1.1.作激勵源作激勵源 作為某些電氣設備的激勵信號。作為某些電氣設備的激勵信號。 2.2.信號仿真信號仿真 在設備測量中，常需要產生模擬實際環境相同特在設備測量中，常需要產生模擬實際環境相同特性的信號，如對干擾信號進行仿真。性的信號，如對干擾信號進行仿真。 3.3.校準源校準源 產生一些標準信號，用于對一般信號源進行校準產生一些標準信號，用于對一般信號源進行校準（或比對）。（或比對）。 圖圖3.1 3.1 信號源的功用信號源的功用輸輸 入入激激 勵勵信信號號發發生生器器被被測測設設備備測測試試儀儀器器輸輸 出出響響 應應3.1.2 3.1.2 信號發生器的分類信

3、號發生器的分類 1. 1. 按用途分按用途分 專用專用-電視信號發生器、電平振蕩器、誤碼儀電視信號發生器、電平振蕩器、誤碼儀 通用通用-產生正弦產生正弦: :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，頻率、電壓刻度不大準確，功率大，頻率、電壓刻度不大準確， 用于天線測試等用于天線測試等 標準標準-頻率、電壓刻度準確，屏蔽好，供計測用頻率、電壓刻度準確，屏蔽好，供計測用2. 2. 按波形分按波形分 正弦正弦-脈沖脈沖-函數函數-產生函數通用波形產生函數通用波形 噪聲噪聲-ttttt4. 4. 按頻率產生辦法分按頻率產生辦法分 諧振諧振-由頻率選擇回路控制正反饋由頻

4、率選擇回路控制正反饋 產生振蕩。產生振蕩。 合成合成-由基準頻率通過加、減、乘、由基準頻率通過加、減、乘、 除組合一系列頻率。除組合一系列頻率。 5. 5. 按頻率范圍分按頻率范圍分 無無低頻低頻高頻高頻微波微波頻段頻段頻率范圍頻率范圍主振電路主振電路調制方式調制方式R CR C 電電路路1Hz1MHz1Hz1MHz磁控管、體效磁控管、體效應管、應管、1MHz1GHz1MHz1GHz1GHz100GHz1GHz100GHzLCLC電路電路AMAM、FMFM、PMPMAMAM、FMFM表3.1 頻段的劃分50%36%14%超音頻音頻亞音頻100%0%視頻射頻0101001K10K100K1M10

5、M100M1G10G100G1T300K1Km300M1m3G1dm1cm1mm30G300Gf (Hz)極高頻毫米波超高頻厘米波特高頻分米波甚高頻米波高頻短波中高頻中短波中頻中波低頻長波甚低頻超長波中波短波超波微波通信廣播通信電視雷達探傷加熱感應加熱(應用)實用頻段劃實用頻段劃頻率與波長的關系頻率與波長的關系（=C=C/f/f，C=3C=310108 8mm） 0tU名 稱波形示意圖主 要 特 性正弦波信號正弦波是電子系統中最基本的測試信號，頻率從Hz至幾十GHz。大多信號源都具備正弦波輸出。函數信號通常包含正弦波、方波、三角波三種，有的還包含鋸齒波、脈沖波、梯形波、階梯波等波形，頻率從幾H

6、z至上百MHz。掃頻信號頻率可在某區間有規律地掃動，多為用鋸齒波進行線性掃頻。多數掃頻源是以正弦波掃頻，也有以方波、三角波掃頻。還有非線性的對數掃頻。脈沖信號輸出的脈沖信號可按需要設置其重復頻率、脈沖寬度、占空比、上升及下降時間等參數。脈沖信號有的還有雙脈沖輸出。數字信號可按編碼要求產生0/1邏輯電平（多為TTL或ECL電平），也稱數據發生器、圖形或模式發生器。通常是具備多路數字輸出的。噪聲信號提供隨機噪聲信號，具有很寬的均勻頻譜。常用于測量接收機的噪聲系數或調制到高頻、射頻載波上作干擾源。偽隨機信號是一串0/1電平隨機編碼的數字序列信號，因其序列周期相當長（在足夠寬的頻帶內產生相當平坦的離散

7、頻譜），故有點類似隨機信號。任意波形能產生任意形狀的模擬信號，例如：模仿產生心電圖、雷電干擾、機械運動等形狀復雜的波形。調制信號將模擬信號或數字信號調制到射頻載波信號上，以便于遠程傳輸。通常調制方式有：調幅、調頻、調相、脈沖調制、數字調制等。數字矢量信號通過正交調制（I-Q調制），可以同時傳遞幅度和相位信息，故稱為數字矢量信號源。該內容將在本章3.4節射頻信號發生器中介紹。3.1.3 3.1.3 正弦信號發生器的性能指標正弦信號發生器的性能指標 在各類信號發生器中，正弦信號發生器是最普通、應用最廣泛在各類信號發生器中，正弦信號發生器是最普通、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

8、。的一類，幾乎滲透到所有的電子學實驗及測量中。 1. 1. 頻率范圍頻率范圍 指信號發生器所產生信號的頻率范圍，該范圍內既可連續又可指信號發生器所產生信號的頻率范圍，該范圍內既可連續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。差要求。 2.2.頻率準確度頻率準確度 頻率準確度是指信號發生器度盤（或數字顯示）數值與實際輸頻率準確度是指信號發生器度盤（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出信號頻率間的偏差，通常用相對誤差表示 %100000fffff（3.13.1） 3. 3. 頻率穩定度頻率穩定

9、度 頻率穩定度指標要求與頻率準確度相關，頻率穩定度指標要求與頻率準確度相關，頻率準確度是由頻率頻率準確度是由頻率穩定度來保證的穩定度來保證的。頻率穩定度是指其它外界條件恒定不變的情。頻率穩定度是指其它外界條件恒定不變的情況下，在規定時間內，信號發生器輸出頻率相對于預調值變化況下，在規定時間內，信號發生器輸出頻率相對于預調值變化的大小。按照國家標準，頻率穩定度又分為短期頻率穩定度和的大小。按照國家標準，頻率穩定度又分為短期頻率穩定度和長期頻率穩定度。長期頻率穩定度。 %1000minmaxfff短期：短期：1515分鐘內分鐘內 長期：長期：3 3小時內小時內 （3.23.2） 4.4.失真度與頻

10、譜純度失真度與頻譜純度 定義定義 %100122322 UUUUn測量：低頻信號發生器用失真系數測量：低頻信號發生器用失真系數2222322212100%nnUUUUUU高頻信號發生器用頻譜純度高頻信號發生器用頻譜純度 20lg80 100SnUdBUU US SU Un nf fA Af fA At tU U5. 5. 輸出阻抗輸出阻抗 低頻低頻信號發生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為信號發生器電壓輸出端的輸出阻抗一般為600600（或（或1k1k）功率輸出端依輸出匹配變壓器的設計而定，通常有功率輸出端依輸出匹配變壓器的設計而定，通常有5050、7575、150150、600600和和5 k5

11、k等檔等檔 高頻高頻信號發生器一般僅有信號發生器一般僅有5050或或7575檔。檔。 信號發生器輸出電壓的信號發生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下標定的讀數是在匹配負載的條件下標定的，若，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。準確的。 6. 6. 輸出電平輸出電平 輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍，即由產品標準規定輸出電平指的是輸出信號幅度的有效范圍，即由產品標準規定的信號發生器的最輸出電壓和最大輸出功率在其衰減范圍內所的信號發生器的最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。得到輸出幅

12、度的有效范圍。 討論：討論：信號源輸出：信號源輸出： 100mv100mv示波器顯示：示波器顯示： 200mv200mv信號發生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下按正弦波信號發生器輸出電壓的讀數是在匹配負載的條件下按正弦波有效值標定的。有效值標定的。 7.7.調制特性調制特性 高頻信號發生器在輸出正弦波的同時，一般還能輸出一種或一高頻信號發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，多數情況下是調幅種以上的已被調制的信號，多數情況下是調幅AMAM信號和調頻信號和調頻FMFM信號，有些還帶有調相和脈沖調制信號，有些還帶有調相和脈沖調制PMPM等功能等功能 5050505

13、0，匹配時，匹配時 100mv100mv200mv200mv不匹配時，不確知。示波器輸入不匹配時，不確知。示波器輸入阻抗高約阻抗高約1M1M，故顯示故顯示200mv200mv不匹配時，不確知。示波器輸入不匹配時，不確知。示波器輸入阻抗高約阻抗高約1M1M，故顯示故顯示200mv200mv為什么？為什么？3.2 3.2 通用信號發生器通用信號發生器 本節介紹的通用信號發生器是指一些常用的傳統信號發生器，本節介紹的通用信號發生器是指一些常用的傳統信號發生器，以區別后面介紹的合成信號發生器。以區別后面介紹的合成信號發生器。 專業課專業課講講系統、整機系統、整機的組成的框圖原理、特點及實例的組成的框圖

14、原理、特點及實例基礎課基礎課講講部件、單元電路部件、單元電路如振蕩器、放大器等單元如振蕩器、放大器等單元 模擬電路模擬電路 課程特點課程特點 例例：超外差接收機已經歷電子管、晶體管、集成電路幾代發展，：超外差接收機已經歷電子管、晶體管、集成電路幾代發展， 但但框圖原理框圖原理未變。未變。 高高 放放天線天線混頻器混頻器中中 放放檢檢 波波低低 放放功放功放本本 振振3.2.1 3.2.1 低頻信號發生器低頻信號發生器 主振器主振器放大器放大器衰減器衰減器輸出輸出電壓指示電壓指示( (a a) )圖圖3.3 3.3 低頻信號源組成框圖低頻信號源組成框圖輸出輸出( (b b) )固定頻率固定頻率振

15、蕩器振蕩器可變頻率可變頻率振蕩器振蕩器混頻器混頻器濾波放大濾波放大衰減器衰減器f2=3.4000MHzf1=3.39975.1000MHzf0=300Hz1.7000MHz頻率覆蓋范圍大小通常用頻率覆蓋范圍大小通常用頻率覆蓋系數頻率覆蓋系數表示：表示： minmaxffk （3.73.7） 以通信中常用的某電平振蕩器（實際上就是低頻信號發生器）以通信中常用的某電平振蕩器（實際上就是低頻信號發生器）為例，為例，f f1 1=3.3997MHz=3.3997MHz5.1000MHz5.1000MHz，f f2 2=3.4000MHz=3.4000MHz，則，則f f0 0=300Hz=300Hz1

16、.7000MHz1.7000MHz。比較一下頻率覆蓋系數。比較一下頻率覆蓋系數 301063007000. 1HzMHzk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 5 . 13997. 31000. 51k可見，可見，差頻式信號發生器的頻率覆蓋范圍大得多。差頻式信號發生器的頻率覆蓋范圍大得多。 2. 2. 主振蕩器的特點主振蕩器的特點 低頻信號發生器中的主振蕩器大多都采用文氏橋式振蕩器，低頻信號發生器中的主振蕩器大多都采用文氏橋式振蕩器，其特點是頻率穩定，易于調節，并且波形失真小和易于穩幅。其特點是頻率穩定，易于調節，并且

17、波形失真小和易于穩幅。 文氏橋式振蕩器是典型的文氏橋式振蕩器是典型的RCRC正弦振蕩器。其振蕩頻率決定于正弦振蕩器。其振蕩頻率決定于RCRC式反饋網絡的諧振頻率，表達式為：式反饋網絡的諧振頻率，表達式為： RCf210（3.83.8） 選頻網絡選頻網絡放大器放大器放大器放大器0 0 180 180 180 180 U U0 0輸出輸出(f (f0 0) )R R1 1A AR R1 1R R3 3C C1 1C C2 2R R2 2 振蕩條件？振蕩條件？LCf210在低頻信號發生器中為何不采用較熟悉的在低頻信號發生器中為何不采用較熟悉的LCLC振蕩器呢？這是振蕩器呢？這是因為因為LCLC振蕩器

18、的頻率決定于：振蕩器的頻率決定于：（3.93.9） 原因原因 頻率較低時，頻率較低時，L L、C C 數值大，相應的體積、重量也相當數值大，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，而品質因數大，分布電容、漏電導等也都相應很大，而品質因數QQ值降低值降低很多，諧振特性變壞，頻率調節也困難。而在很多，諧振特性變壞，頻率調節也困難。而在RCRC振蕩器中，振蕩器中，頻率降低，增大電阻容易做到，且功耗也可減小。頻率降低，增大電阻容易做到，且功耗也可減小。 原因原因 在在LCLC振蕩器中振蕩器中 LCf 與0成反比，因而同一波段內頻率成反比，因而同一波段內頻率覆蓋系數很小。例如覆蓋系數很

19、小。例如L L固定，調節電容固定，調節電容C C改變振蕩頻率，設電容改變振蕩頻率，設電容器調節范圍為器調節范圍為40 pF40 pF450pF450pF，則頻率覆蓋系數為，則頻率覆蓋系數為340450minmaxminmaxCCffk而用而用RCRC振蕩器，由（振蕩器，由（3.83.8）式可知，）式可知， RCf 與0成反比，頻率成反比，頻率覆蓋系數為覆蓋系數為1140450minmaxminmaxCCffk在一個波段內有較大的頻率覆蓋系數。在一個波段內有較大的頻率覆蓋系數。 3.3.低頻信號發生器的主要技術特性低頻信號發生器的主要技術特性 目前，低頻信號發生器主要技術指標的典型數據大致如下：

20、目前，低頻信號發生器主要技術指標的典型數據大致如下： 頻率范圍：頻率范圍： 1Hz1Hz1MHz1MHz分頻段，均勻連續可調分頻段，均勻連續可調 頻率穩定度：優于頻率穩定度：優于0.1%0.1%非線性失真：非線性失真：0.1%0.1%1% 1% 輸出電壓：輸出電壓：0V0V10V 10V 輸出功率：輸出功率：0.5 W0.5 W5W 5W 連續可調連續可調 輸出阻抗：輸出阻抗：50,75,60050,75,600，5k 5k 輸出形式：平衡輸出與不平衡輸出輸出形式：平衡輸出與不平衡輸出 3.2.23.2.2高頻信號發生器高頻信號發生器 1. 1. 高頻信號發生器的組成原理高頻信號發生器的組成原

21、理 圖圖3.43.4高頻信號發生器原理框圖高頻信號發生器原理框圖主振級主振級緩沖級緩沖級調制級調制級輸出級輸出級監測器監測器輸出輸出電電 源源內調制內調制振蕩器振蕩器可可 變變電抗器電抗器外調制輸入外調制輸入AMAMFMFM內內外外標準調制標準調制：F=1000Hz m=30%F=1000Hz m=30%若語音調制則成小電臺若語音調制則成小電臺l) l)主振級主振級 主振級通常是主振級通常是LCLC三點式振蕩電路，產生具有一定工作頻率三點式振蕩電路，產生具有一定工作頻率范圍的正弦信號。范圍的正弦信號。 2)2)緩沖級緩沖級 它主要起阻抗變換作用，用來隔離調制級對主振級。它主要起阻抗變換作用，用

22、來隔離調制級對主振級。 3)3)調制級調制級 為了測試各種接收機的靈敏度和選擇性等性能指標，必須用已為了測試各種接收機的靈敏度和選擇性等性能指標，必須用已調制正弦信號作為測試信號，這個任務在調制級中完成。調制調制正弦信號作為測試信號，這個任務在調制級中完成。調制的方式主要有調幅、調頻和脈沖調制。調幅多用于的方式主要有調幅、調頻和脈沖調制。調幅多用于 100kHz100kHz35MHz35MHz的高頻信號發生器中，高頻信號發生器中的調幅，一般的高頻信號發生器中，高頻信號發生器中的調幅，一般采用正弦調制。調頻主要用于采用正弦調制。調頻主要用于30MHz30MHz1000MHz1000MHz信號發生

23、器信號發生器中，還有中，還有線性掃頻線性掃頻。脈沖調制多用于。脈沖調制多用于300MHz300MHz以上的微波信號源中。以上的微波信號源中。4)4)輸出級輸出級 輸出級可進一步控制輸出電壓的幅度，使最小輸出電壓達到輸出級可進一步控制輸出電壓的幅度，使最小輸出電壓達到VV數量級。輸出電平的調節范圍寬，衰減量應能準確讀數，有良數量級。輸出電平的調節范圍寬，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。好的頻率特性，在輸出端有準確且固定的輸出阻抗。標準調制標準調制：F=1000Hz m=30%F=1000Hz m=30%l) l)主振級主振級 主振級通常是主振級通常是LCLC

24、三點式振蕩電路，產生具有一定工作頻率三點式振蕩電路，產生具有一定工作頻率范圍的正弦信號。范圍的正弦信號。 高頻信號發生器主振級的高頻信號發生器主振級的LCLC振蕩器，通常是固定電感振蕩器，通常是固定電感L L，通過改變電容，通過改變電容C 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：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： 322121minmaxmaxminminmaxCCLCLCffk圖圖3.43.4LCLC回路回路L L1 1C CL L2 2L Ln n.三點式振蕩器三點式振蕩器例例3.1 XFC-63.1 XFC-6型高頻信號發生器型高頻

25、信號發生器f f =4 MHz=4 MHz300MHz300MHz， 試問應劃分幾個波段？試問應劃分幾個波段？754300knkkknklglg835. 7254. 087. 18 . 1lg75lg9 . 0lglgkkn上式中上式中0.90.9k k的含義是讓單回路覆蓋系數取小的含義是讓單回路覆蓋系數取小些，這里取些，這里取k k=2=2，以保證各波段能銜接覆蓋。該例算出以保證各波段能銜接覆蓋。該例算出n n=8=8，即要劃分，即要劃分8 8個波段。個波段。這時相鄰波段的電感值可按下式計算。這時相鄰波段的電感值可按下式計算。 21kLLnn（3.113.11） （3.103.10） 2)2

26、)緩沖級緩沖級 它主要起阻抗變換作用，用來隔離調制級對主振級。它主要起阻抗變換作用，用來隔離調制級對主振級。 3)3)調制級調制級 為了測試各種接收機的靈敏度和選擇性等性能指標，必須用已為了測試各種接收機的靈敏度和選擇性等性能指標，必須用已調制正弦信號作為測試信號，這個任務在調制級中完成。調制調制正弦信號作為測試信號，這個任務在調制級中完成。調制的方式主要有調幅、調頻和脈沖調制。調幅多用于的方式主要有調幅、調頻和脈沖調制。調幅多用于 100kHz100kHz35MHz35MHz的高頻信號發生器中，高頻信號發生器中的調幅，一般的高頻信號發生器中，高頻信號發生器中的調幅，一般采用正弦調制。調頻主要

27、用于采用正弦調制。調頻主要用于30MHz30MHz1000MHz1000MHz信號發生器信號發生器中，還有中，還有線性掃頻線性掃頻。脈沖調制多用于。脈沖調制多用于300MHz300MHz以上的微波信號源中。以上的微波信號源中。4)4)輸出級輸出級 輸出級可進一步控制輸出電壓的幅度，使最小輸出電壓達到輸出級可進一步控制輸出電壓的幅度，使最小輸出電壓達到VV數量級。輸出電平的調節范圍寬，衰減量應能準確讀數，有良數量級。輸出電平的調節范圍寬，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。好的頻率特性，在輸出端有準確且固定的輸出阻抗。標準調制標準調制：F=1000Hz m=30

28、%F=1000Hz m=30%2.2.高頻信號發生器的高頻信號發生器的使用使用信號發生器是向外提供激勵信號的儀器，使用比較簡單容易。主信號發生器是向外提供激勵信號的儀器，使用比較簡單容易。主要調節輸出頻率和幅度，關鍵是注意其使用說明書上輸出幅度要調節輸出頻率和幅度，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。是如何標定的，然后才能正確讀數。1) 1) 輸出輸出頻率頻率的讀數的讀數LCLC振蕩器，通過調節電容來改變輸出頻率的，調節頻率時來回振蕩器，通過調節電容來改變輸出頻率的，調節頻率時來回轉動時其齒輪的回差會給頻率讀數帶來誤差，因此頻率準確度轉動時其齒輪的回差會給頻率讀數帶

29、來誤差，因此頻率準確度不太高，通常只有不太高，通常只有1 1左右。左右。2) 2) 輸出輸出幅度幅度的讀數的讀數RsUsRs(輸出阻抗)Us(電動勢)RL(負載)(a)信號源等效模型（b）加載等效電路UO圖3.6 信號源模型及加載等效電路輸出電阻常取輸出電阻常取5050、7575、150150、600600歐姆等數值歐姆等數值 輸出電壓顯示值均為輸出電壓顯示值均為阻抗匹配時阻抗匹配時信號源輸出端信號源輸出端電壓值電壓值:V:V、mVmV、VV；或分貝電平；或分貝電平dBmdBm（分貝毫（分貝毫瓦）、瓦）、dBVdBV（分貝伏）（分貝伏）的電壓的電壓。浮地浮地信號發生器輸出電壓的讀數是在匹配負載

30、的條件下標定的，信號發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。是不準確的。 R Ri iR R0 0R Rb bR Rb bR Rb bR Rb bR RL LR R0 0R Ra aR Ra aR Ra a3 3）輸出匹配變換器）輸出匹配變換器 圖圖3.83.8阻抗匹配阻抗匹配信號源信號源被測設備被測設備阻阻 抗抗變換器變換器( (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美國夏威夷大學曾來電詢問如何設計？美國夏威夷大學曾來電詢問如何設計？3.2.33.2.3脈沖信號發生器脈沖信號發生器 外同步外同步放放 大大主振級主振級同步輸出同步輸出外同步輸入外同步輸入延遲級延遲級形成級形成級整形級整形級輸出級輸出級主脈沖主脈沖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矩形脈沖的參數矩形脈沖的參數3

32、.2.43.2.4函數信號發生器函數信號發生器 圖圖3.123.12函數信號發生器的基本組成函數信號發生器的基本組成正弦振蕩器正弦振蕩器緩沖級緩沖級放大級放大級輸出級輸出級方波形成方波形成積分器積分器（a a）（b b）積分器積分器外觸發輸入外觸發輸入施密特施密特觸發器觸發器脈脈 沖沖觸發器觸發器正弦波轉正弦波轉換電路換電路放大器放大器（a a）正弦式）正弦式（b b）脈沖式）脈沖式現在多用數字頻率合成技術來實現函數信號發生器，待述現在多用數字頻率合成技術來實現函數信號發生器，待述3.2.5 3.2.5 噪聲發生器噪聲發生器 圖圖3.14 3.14 噪聲發生器的結構噪聲發生器的結構噪聲源噪聲源

33、變換器變換器電平指示器電平指示器電電 源源輸出衰減器輸出衰減器t3.3 3.3 合成信號發生器合成信號發生器 頻率合成的方法頻率合成的方法 直接數字頻率合成法（直接數字頻率合成法（DDS DDS ） 間接鎖相式合成法間接鎖相式合成法（ Direct Analog Frequency SynthesisDirect Analog Frequency Synthesis）（ Direct Digital Frequency Synthesis Direct Digital Frequency Synthesis ） 直接模擬頻率合成法（直接模擬頻率合成法（DAFS DAFS ）信號源信號源 主振級

34、主振級 頻率準確度頻率準確度 頻率穩定度頻率穩定度 通用信號源通用信號源 RCRC、LCLC振蕩器振蕩器 1010-2-2量級量級 1010-3-31010-4 -4 合成信號源合成信號源 晶體振蕩器晶體振蕩器 1010-8-8量級量級 1010-7-7量級量級 3.3.1 3.3.1 直接模擬頻率合成法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，大

35、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，且正好與下面介紹的直接數字頻率合成相對應。且正好與下面介紹的直接數字頻率合成相對應。 1.1.固定頻率合成法固定頻率合成法 圖圖3.153.15固定頻率合成法原理固定頻率合成法原理晶體振蕩器晶體振蕩器DDN Nf fr rf fo o圖圖3.153.15為固定頻率合成的原理電路。圖中石英晶體振蕩器提供為固定頻率合成的原理電路。圖中石英晶體振蕩器提供基準頻率基準頻率 rf，D D為分頻器的分頻系數，為分頻器的分頻系數，N N為倍頻器的倍頻系數。為倍頻器的倍頻系數。因此，圖因此，圖3.153.15固定頻率合成法輸出頻率固定頻率合成法輸出頻率 0

36、f為為rfDNf 0在式中，在式中，D D和和N N均為給定的正整數。輸出頻率人為定值，所以均為給定的正整數。輸出頻率人為定值，所以稱為固定頻率合成法。稱為固定頻率合成法。 2.2.可變頻率合成法可變頻率合成法 3210M帶通帶通13MHz13MHz10MHz10MHz41M1M2M2M3 34 4混頻混頻( + )圖圖3.16 3.16 固定頻率合成法原理固定頻率合成法原理f fi1i11010+ + +1010+ + +1010+ + +1010+ + +頻頻 率率 選選 擇擇 開開 關關輔助基準頻率發生器輔助基準頻率發生器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、模擬合成技術直接模擬合成技術特點特點： 1)1)頻率分辨力高頻率分辨力高 2)2)頻率切換快頻率切換快 -用于跳頻通信對抗用于跳頻通信對抗 （因頻率點不太多因頻率點不太多）3)3)電電路龐大、復雜路龐大、復雜 -現不用它做信號源現不用它做信號源 （因信號源頻率范圍寬因信號源頻率范圍寬）3.3.2 3.3.2 直接數字頻率合成法直接數字頻率合成法 直接數字合成法（直接數字合成法（DDSDDS，Direct Digital Frequency Direct Digital Frequency SynthestsSynthests）。它突破了頻率合成法的原理，從）。它突破了頻率合成法的原理，從“相位

39、相位”的的概念出發進行頻率合成。這種合成方法不僅可以給出不同頻概念出發進行頻率合成。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。這里先討論正弦波的合成問題，關于任意波形將法實現的。這里先討論正弦波的合成問題，關于任意波形將在后面進行討論。在后面進行討論。 1.1.直接數字合成基本原理直接數字合成基本原理 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：預存正弦函數表，如圖正弦波：預存正弦函數表，如圖3.183.18。 2 2 實例說明（信號的實例說明（信號的頻率關系頻率關系）：）： AD9850AD9850是美國是美國Analog DevicesAnalog Devices公司生產的公司生產的DDSDDS單片頻率合單片頻率合成器，在成器，在DDFSDDFS的的ROMROM中已預先存入正弦函數表：其幅度按中已預先存入正弦函數表：其幅度按二進制分辨率量化；其相位一個周期二進制分辨率量化；其相位一個周期360360按按 32min2/2的分辨率設立相位取樣點，然后存入的分辨率設立相位取樣點，然后存入ROMROM的相應地

41、址中。的相應地址中。 實用中，改變讀取實用中，改變讀取ROMROM的地址數目，即可改變輸出頻率。若的地址數目，即可改變輸出頻率。若在系統時鐘頻率在系統時鐘頻率 cf的控制下，依次讀取全部地址中的相位點，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則輸出頻率最低。因為這時一個周期要讀取2 23232相位點，點間相位點，點間間隔時間為時鐘周期間隔時間為時鐘周期T Tc c，則，則T Toutout=2=23232T Tc c 因此這時輸出頻率為因此這時輸出頻率為圖圖3.19 AD98503.19 AD9850內部組成框圖內部組成框圖頻率相位碼寄存器頻率相位碼寄存器相

42、位和相位和控制字控制字頻率碼頻率碼3232位位高速高速DDSDDS碼碼 輸輸 入入 寄寄 存存 器器并并 行行8 8位位5 5輸入輸入時鐘輸入時鐘輸入復位復位頻率更新頻率更新/ /寄存器復位寄存器復位碼輸入時鐘碼輸入時鐘串行串行1 1位位4040輸入輸入比較器比較器方波輸出方波輸出模擬輸入模擬輸入模擬輸出模擬輸出DACDAC復位復位地地V Vs s322coutff（3.163.16） 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可得輸出頻率的一般表達式322coutfkf（3.173.17） 式中式中k

43、k為頻率碼，是個為頻率碼，是個3232位的二進制值，可寫成：位的二進制值，可寫成： 0011303031312222AAAAk（3.183.18） 013031AAAA，對應于對應于3232位碼值（位碼值（0 0或或1 1）。為便于看）。為便于看出頻率碼的權值對控制頻率高低的影響，將（出頻率碼的權值對控制頻率高低的影響，將（3.183.18）代入）代入（3.173.17）式得：）式得： 0321313023112222AfAfAfAffccccout （3.193.19） 3. 3. 任意波形發生器任意波形發生器 直接數字頻率合成技術重要的特色，它可以產生任意波形。直接數字頻率合成技術重要的特

44、色，它可以產生任意波形。從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儲器的數據。因此，產生任意波形的方法取決于向該存儲器（RAMRAM）提供數據的方法。目前有以下幾種方法：）提供數據的方法。目前有以下幾種方法： 1)1)表格法表格法 將波形畫在小方格紙上，縱坐標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，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，按序放后制成對應的數據表格，按序放入入RAMRAM。對經

45、常使用的定了。對經常使用的定了“形形”的波形，可將數據固化于的波形，可將數據固化于ROMROM或存入非易失性或存入非易失性RAMRAM中，以便中，以便反復使用。反復使用。 圖圖3.21 3.21 表格法示意圖表格法示意圖0.20.20 0U UA AP PQQR RS ST T0.40.4 0.60.6t t(s)(s)（AWGAWG）或任意函數發生器（）或任意函數發生器（AFGAFG） 2)2)數學方程法數學方程法 3)3)復制法復制法 將其它儀器（例如數字存儲示波器，將其它儀器（例如數字存儲示波器，XYXY繪圖儀）獲得的波形繪圖儀）獲得的波形數據通過微機系統總線或數據通過微機系統總線或GP

46、IBGPIB接口總線傳輸給波形數據存儲器。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。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律的現象，例如雷電、地震及機器運轉時自然界中有很多無規律的現象，例如雷電、地震及機器運轉時的振動等現象都是無規律的，甚至一去不復返。為了研究這些的振動等現象都是無規律的，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

47、可供選用。有多種型號的任意波形產生器可供選用。 用數學方程描述的波形，先將其方程（算法）存入計算機，用數學方程描述的波形，先將其方程（算法）存入計算機，經過運算提供波形數據。經過運算提供波形數據。 任意波形發生器的主要技術指標任意波形發生器的主要技術指標1) 1) 任意波形長度或波形存儲器容量任意波形長度或波形存儲器容量：因為任意波形發生器：因為任意波形發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。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波形存儲

48、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。容量越大，存儲的點數越多，表現波形隨時間變最大點數。容量越大，存儲的點數越多，表現波形隨時間變化的內容越豐富，當然存儲器的成本也相應提高?；膬热菰截S富，當然存儲器的成本也相應提高。 曾經提出一些技術或算法用來節省波形存儲器容量。曾經提出一些技術或算法用來節省波形存儲器容量。 2) 2) 采樣率采樣率：通常將：通常將A/DA/D對模擬信號采樣的時鐘頻率稱為采樣率。對模擬信號采樣的時鐘頻率稱為采樣率。在在AWGAWG中是中是指指D/AD/A從波形存儲器中讀取數據的時鐘頻率從波形存儲器中讀取數據的時鐘頻率。因。因此，將此，將A/DA/D或或D

49、/AD/A轉換的時鐘頻率都稱作采樣率。在轉換的時鐘頻率都稱作采樣率。在AWGAWG中可以這樣理解，采樣率中的中可以這樣理解，采樣率中的“采樣采樣”不是從波形采集，而不是從波形采集，而是從波形存儲器中是從波形存儲器中“采集采集”。3) 3) 幅度分辨率幅度分辨率-表現幅度細小變化的程度，它主要取決于表現幅度細小變化的程度，它主要取決于DACDAC的位數的位數 ，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) 通道數通道數 -可實現可實現 2 2 至多路的任意波形發生器。至多路的任意波形發生器。 石家莊數英儀器公司石家莊數英儀器公司( (無線電四廠無線電四廠) )生產的生產

50、的 DDSDDS函數信號發生器函數信號發生器按按AD9850AD9850允許最高時鐘頻率允許最高時鐘頻率f fc c=125MHz=125MHz來進行具體說明，來進行具體說明，當當A A0 01 1，而，而A A3131，A A3030，A A1 1均為均為0 0時，則輸出頻率最低，時，則輸出頻率最低，也是也是AD9850AD9850輸出頻率的分辨率：輸出頻率的分辨率： HzMHzffcout0291. 04294967296125232min與上面從概念導出的結果一致。當與上面從概念導出的結果一致。當A A31311 1，而，而A A0 0，A A1 1， A A3030均為均為0 0時，輸

51、出頻率最高：時，輸出頻率最高：max12562.522coutffMHz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，所以當許值，所以當A A31311 1后，以下碼值只能取后，以下碼值只能取0 0。實際應用中，為。實際應用中，為了得到好的波形，了得到好的波形，設計最高輸出頻率小于時鐘頻率的設計最高輸出頻率小于時鐘頻率的1/31/3。這。這樣，只要改變樣，只要改變3232位頻率碼值，則可得到所需要的頻率，且頻率位頻率碼值，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。的準確度與時鐘頻率同數量級。例如例如HP33120

52、AHP33120A函數函數/ /任意波形發生器可以產生任意波形發生器可以產生1010種標準波形種標準波形和任意波形，采樣速率為和任意波形，采樣速率為40MS/s40MS/s，輸出最高頻率，輸出最高頻率15MHz15MHz（正弦波），波形幅度分辨力為（正弦波），波形幅度分辨力為1212位。位。 HP33120AHP33120A3.3.3 3.3.3 間接合成法間接合成法 1.1.基本鎖相環路基本鎖相環路 間接合成法即鎖相合成法，它是利用鎖相環（間接合成法即鎖相合成法，它是利用鎖相環（PLLPLL）的頻率）的頻率合成方法。合成方法。 基本鎖相環路是由相位比較器（基本鎖相環路是由相位比較器（PDPD

53、），壓控振蕩器（），壓控振蕩器（VCOVCO）和環路濾波器（和環路濾波器（LPFLPF）組成的閉合環路，如圖）組成的閉合環路，如圖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) )開始：開始：f f0 0ffi iPD PD LPF VCOLPF VCO最后：最后： f f0 0=f=fi i( (a a) ) 鎖相環鎖相環( (b b) PD) PD的鑒相特性的鑒相特性( (c c) VCO) VCO的壓控特性的壓控特

54、性相位比較器即鑒相器，它比較兩個輸入信號相位比較器即鑒相器，它比較兩個輸入信號f fo o和和f fi i的相位差的相位差 輸出與相位差成比例的電壓，這個電壓稱為誤差電壓輸出與相位差成比例的電壓，這個電壓稱為誤差電壓u ud d其鑒其鑒相特性如圖相特性如圖3.22(b)3.22(b)所示。所示。基本鎖相環只能輸出一個頻率，而作為信號源必須要能輸出基本鎖相環只能輸出一個頻率，而作為信號源必須要能輸出一系列頻率。一系列頻率。 2.2.鎖相環的幾種基本形式鎖相環的幾種基本形式 1)1)倍頻鎖相環倍頻鎖相環 f f i i LPLPF FVCOVCOPDPDf f o o = =NfNfi iN N1

55、MHz1MHzi i 10MHz10MHzi i f f o o / /N N當環路鎖定時，當環路鎖定時，PDPD兩輸入信號的頻率相等，即兩輸入信號的頻率相等，即 根據根據PDPD兩輸入頻率相等列出等式兩輸入頻率相等列出等式: : f fo o/ /N Nf fi i 從等式中解出輸出頻率從等式中解出輸出頻率: : ioNff 重點掌握重點掌握脈沖倍頻環脈沖倍頻環 L PL PF FVCOVCOPDPDf f o o = =NfNfi if f i i 脈沖形成脈沖形成NfNf i i NfNf i i 根據根據PDPD兩輸入頻率相等列出等式兩輸入頻率相等列出等式: : f f i i 1 1

56、MHzMHzLPLPF FVCOVCOPDPDf f o o = = f fi i/N/N100100kHzkHzN NNfNf i i f fi iNfNfo o 從等式中解出輸出頻率從等式中解出輸出頻率: : Nffio/2)2)分頻鎖相環分頻鎖相環 脈沖分頻環脈沖分頻環 LPFLPFVCOVCOPDPDf f o o f fi i NfNf o o Nffio/3)3)混頻鎖相環混頻鎖相環 混頻器混頻器 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)多環合成單元多環合成單元 由倍頻環可得由倍頻環可得 11ioNff 由混頻環可得由混頻環可得 : : 因為因為 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 圖圖3.27 3.27 雙環合成單元雙環合成單元VCOVCO2 2M(-)M(-)晶振晶振PDPDL

58、PLPF F內插振蕩器內插振蕩器f f i i2 2同軸同軸倍頻環倍頻環混頻環混頻環f f o 2 o 2=N=Nf fi i1 1+ +f fi2i2N Nf fi i1 1f f o 1 o 121ooff3)3)十進合成單元十進合成單元 圖圖3.29 DS-13.29 DS-1合成單元的級聯合成單元的級聯100KHz100KHz9MHz9MHz1Hz1Hz0 09 90 09 90 09 90 09 90 09 910Hz10Hz100Hz100Hz1KHz1KHz10KHz10KHz基準基準DS-1DS-11 1DS-1DS-12 2DS-1DS-13 3DS-1DS-14 4DS-1

59、DS-15 54)4)可程控合成單元可程控合成單元 頻率范圍為頻率范圍為 1.200000MHz1.200000MHz1.299999MHz 1.299999MHz 圖圖3.30 3.30 可程控合成單元可程控合成單元PDPDLPFLPFVCOVCODD/ /A A可程控可程控分頻器分頻器f fi i頻率控制數碼頻率控制數碼f fo o3.3.4 3.3.4 頻率合成技術的進展頻率合成技術的進展 1. 1. 三種合成方法的比較三種合成方法的比較頻譜純度好頻譜純度好100GHz(100GHz(微波微波) )ms ms 級級間接鎖間接鎖相相可得任意波形可得任意波形300MHz300MHzss級級直

60、接數直接數字字硬件電路復雜硬件電路復雜100MHz100MHzs s 級級直接模直接模擬擬主要特點主要特點最高工作頻率最高工作頻率速速 度度合成方合成方法法2. 2. 提高頻率分辨力的方法提高頻率分辨力的方法 1)1)微差混頻法微差混頻法 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3.313.31所示。混頻器的輸出頻率為所示?；祛l器的輸出頻率為 21iiofff圖圖3.31 3.31 微差混頻原理微差混頻原理f fo of fi1i1f fi2i2MM(-)(-) 在微差混頻法中，由于參與混頻的兩個信號頻率十分接近，在微差混頻法中，由于