電子測(cè)量技術(shù)第3章 測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器

第3章測(cè)量用信號(hào)發(fā)生器3.1信號(hào)發(fā)生器概述

3.1.1信號(hào)源的作用

能產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號(hào)發(fā)生器稱(chēng)為信號(hào)源，信號(hào)源在電子系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)、測(cè)試、校準(zhǔn)及維護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用。例如在電子測(cè)量中，一個(gè)系統(tǒng)電參數(shù)的數(shù)值或特性(如電阻的阻值、放大器的放大倍數(shù)、四端網(wǎng)絡(luò)的頻率特性等)必須在一定的電信號(hào)作用下才能表現(xiàn)出來(lái)。

可以借助于信號(hào)源，將其產(chǎn)生的信號(hào)作為輸入激勵(lì)信號(hào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)的方法進(jìn)行測(cè)量。另一方面，許多電子系統(tǒng)的性能只有在一定信號(hào)的作用下才能顯現(xiàn)出來(lái)，如揚(yáng)聲器，電視機(jī)等。揚(yáng)聲器只有在外加音頻信號(hào)時(shí)才能發(fā)聲，如果不給電視機(jī)外加電視信號(hào)，其屏幕上就不會(huì)有圖像。和示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣，信號(hào)源是電子測(cè)量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)電子儀器。在其他領(lǐng)域，信號(hào)源也有著廣泛的應(yīng)用，例如機(jī)械部門(mén)的超聲波探傷、醫(yī)療部門(mén)的超聲波診斷、頻譜治療儀等。歸納起來(lái)，信號(hào)源的用途主要有以下三個(gè)方面：

(1)激勵(lì)源在研制、生產(chǎn)、使用、測(cè)試和維修各種電子元器件、部件及整機(jī)設(shè)備時(shí)，都需要有信號(hào)源作為激勵(lì)信號(hào)，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電壓、電流信號(hào)并加到被測(cè)器件設(shè)備上，用其他測(cè)量?jī)x器觀察、測(cè)量被測(cè)者的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。(2)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源如標(biāo)準(zhǔn)的正弦波發(fā)生器、方波發(fā)生器、脈沖波發(fā)生器、電視信號(hào)發(fā)生器等。這些信號(hào)一類(lèi)是用于產(chǎn)生一些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，提供給某類(lèi)設(shè)備測(cè)量專(zhuān)用；另一類(lèi)是用作對(duì)一般信號(hào)源校準(zhǔn)，亦稱(chēng)為校準(zhǔn)源。(3)信號(hào)仿真(信號(hào)模擬器)

若要研究設(shè)備在實(shí)際環(huán)境下所受到的影響，而又暫時(shí)無(wú)法到實(shí)際環(huán)境中測(cè)量時(shí)，可以利用信號(hào)源給其施加與實(shí)際環(huán)境相同特性的信號(hào)來(lái)測(cè)量，這時(shí)信號(hào)源就要仿真實(shí)際的特征信號(hào)，如噪聲信號(hào)、高頻干擾信號(hào)等。3.2信號(hào)發(fā)生器的分類(lèi)及工作特性3.2.1信號(hào)發(fā)生器的分類(lèi)信號(hào)源的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，種類(lèi)繁多，性能指標(biāo)各異，分類(lèi)方法亦不同。按用途有專(zhuān)用和通用之分；按性能有一般和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源之分；按調(diào)制類(lèi)型可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制及組合調(diào)制信號(hào)發(fā)生器等；按頻率調(diào)節(jié)方式可分為掃頻、程控信號(hào)發(fā)生器等。下面介紹幾種主要的分類(lèi)方法。按照輸出信號(hào)的頻率來(lái)分，大致可以分為6類(lèi)：(1)超低頻率信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為0.001～1000Hz；(2)低頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍1Hz～1MHz;(3)視頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為20Hz～10MHz；(4)高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為200kHz～30MHz；(5)甚高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍在30MHz～300MHz；(6)超高頻信號(hào)發(fā)生器，頻率在300MHz以上。應(yīng)該指出，按頻段劃分的方法并不是一種嚴(yán)格的界限，目前許多信號(hào)發(fā)生器可以跨越幾個(gè)頻段。2.按輸出的波形可以分為：(1)正弦波形發(fā)生器，產(chǎn)生正弦波形或受調(diào)制的正弦信號(hào)；(2)脈沖信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生脈沖寬度不同的重復(fù)脈沖；(3)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生幅度與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系的信號(hào)；(4)噪聲信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生模擬各種干擾的電壓信號(hào)。

3.按照信號(hào)發(fā)生器的性能標(biāo)準(zhǔn)，可以分為一般的信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)要求較高，有的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器用于為收音機(jī)、電視機(jī)和通訊設(shè)備的測(cè)量校準(zhǔn)提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；還有一類(lèi)高精度的直流或交流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源是用于對(duì)數(shù)字多用表等高精度儀器或一般信號(hào)源進(jìn)行校準(zhǔn)，其輸出信號(hào)的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、波形失真等指標(biāo)要求很高。而一般信號(hào)源對(duì)輸出信號(hào)的頻率、幅度的技術(shù)指標(biāo)要求相對(duì)低一些。3.2.2信號(hào)發(fā)生器的工作特性在各類(lèi)信號(hào)發(fā)生器中，正弦信號(hào)發(fā)生器是最普通、應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)，幾乎滲透到所有的電子學(xué)實(shí)驗(yàn)及測(cè)量中。其原因除了正弦信號(hào)容易產(chǎn)生，容易描述，又是應(yīng)用最廣的載波信號(hào)外，還由于任何線性雙口網(wǎng)絡(luò)的特性，都可以用它對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表征。

顯然，由于信號(hào)發(fā)生器作為測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)源，則被測(cè)器件、設(shè)備的各項(xiàng)性能參數(shù)測(cè)量的質(zhì)量，將直接依賴于信號(hào)發(fā)生器的性能。通常用頻率特性、輸出特性和調(diào)制特性(俗稱(chēng)三大指標(biāo))來(lái)評(píng)價(jià)正弦信號(hào)發(fā)生器的性能，其中包括30余項(xiàng)具體指標(biāo)。不過(guò)由于各種儀器的用途不同，精度等級(jí)不同，并非每類(lèi)每臺(tái)產(chǎn)品都用全部指標(biāo)進(jìn)行考核。另外，各生產(chǎn)廠家出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)說(shuō)明書(shū)中的術(shù)語(yǔ)也不盡一致。這里僅介紹信號(hào)發(fā)生器中幾項(xiàng)最基本最常用的性能指標(biāo)。1.頻率特性

正弦信號(hào)的頻率特性包括頻率范圍、頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度三項(xiàng)指標(biāo)。

(1)頻率范圍。

頻率范圍指信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)頻率范圍，該范圍內(nèi)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(nèi)應(yīng)滿足全部誤差要求。例如國(guó)產(chǎn)XD—1型信號(hào)發(fā)生器，輸出信號(hào)頻率范圍為1Hz～1MHz,分六檔,即六個(gè)頻段，為了保證有效頻率范圍連續(xù)，兩相鄰頻段間有相互銜接的公共部分,即頻段重疊。又如HP公司HP-8660C型頻率合成器產(chǎn)生的正弦信號(hào)的頻率范圍為10kHz～2600MHz,可提供間隔為1Hz總共近26億個(gè)分立頻率。

(2)頻率準(zhǔn)確度

頻率準(zhǔn)確度是指信號(hào)發(fā)生器盤(pán)(或數(shù)字顯示)數(shù)值與實(shí)際輸出信號(hào)頻率間的偏差，通常用相對(duì)誤差表示式中，f0為刻度盤(pán)或數(shù)字顯示數(shù)值，也稱(chēng)預(yù)調(diào)值，f1是輸出正弦信號(hào)頻率的實(shí)際值。頻率準(zhǔn)確度實(shí)際上是輸出信號(hào)頻率的工作誤差。用刻度盤(pán)讀數(shù)的信號(hào)發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度約為±(1%～10%)，精密低頻信號(hào)發(fā)生器頻率準(zhǔn)確度可達(dá)±0.5%。例如調(diào)諧式XFC-6型標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，其頻率標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)于±1%，而一些采用頻率合成技術(shù)帶有數(shù)字顯示的信號(hào)發(fā)生器，其輸出信號(hào)具有基準(zhǔn)頻率(晶振)的準(zhǔn)確度，若機(jī)內(nèi)采用高穩(wěn)定度晶體振蕩器，輸出頻率的準(zhǔn)確度可達(dá)到10-8～10-10。(3)頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度指標(biāo)要求與頻率準(zhǔn)確度相關(guān)。頻率穩(wěn)定度是指其他外界條件恒定不變的情況下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率相對(duì)于預(yù)調(diào)值變化的大小。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，頻率穩(wěn)定又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。頻率短期穩(wěn)定度定義為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，信號(hào)頻率在任意15分鐘內(nèi)所發(fā)生的最大變化，表示為

式中，f0為預(yù)調(diào)頻率，fmax、fmin分別為任意15分鐘的信號(hào)頻率的最大值和最小值。頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度定義為信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，信號(hào)頻率在任意3小時(shí)所發(fā)生的最大變化，表示為

x×10-6+y

式中,x、y是由廠家確定的性能指標(biāo)值，也可以用上式表示頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

需要指出，許多廠商的產(chǎn)品技術(shù)說(shuō)明書(shū)中，并未按上述方式給出頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。例如國(guó)產(chǎn)HG1010信號(hào)發(fā)生器和(美)KH4024信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度都是0.01%/h，含義是經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，兩種信號(hào)發(fā)生器每小時(shí)(h)的頻率漂移(fmax-fmin)與預(yù)調(diào)值f0之比為0.01%。有些則以天為時(shí)間單位表示穩(wěn)定度。例如國(guó)產(chǎn)QF1480合成信號(hào)發(fā)生器頻率穩(wěn)定度為5×10-10/天，而QF1076信號(hào)發(fā)生器(頻率范圍10MHz～520MHz)頻率穩(wěn)定度為±50×10-6/5min+1kHz，是用相對(duì)值和絕對(duì)值的組合形式表示穩(wěn)定度。又如，國(guó)產(chǎn)XD-1型低頻信號(hào)發(fā)生器通電預(yù)熱30分鐘后，第1小時(shí)內(nèi)頻率漂移不超過(guò)0.1%×f0(Hz)，其后7小時(shí)內(nèi)不超過(guò)0.2%×f0(Hz)。通常，通用信號(hào)發(fā)聲器的頻率穩(wěn)定度為10-2～10-4，用于精密測(cè)量的高精度高穩(wěn)定度信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度應(yīng)高于10-6～10-7,而且要求頻率穩(wěn)定度一般應(yīng)比頻率準(zhǔn)確度高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。例如XD-2型低頻信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于±(1～3)%。2.輸出特性

輸出特性指標(biāo)主要有輸出阻抗、輸出電平、非線性失真系數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)。

(1)輸出阻抗作為信號(hào)源，輸出阻抗的概念在“電路”或“電子電路”課程中都有說(shuō)明。信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗視其類(lèi)型不同而異。低頻信號(hào)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(shè)計(jì)而定，通常有50Ω，75Ω，150Ω，600Ω和5kΩ等擋。高頻信號(hào)發(fā)生器一般僅有50Ω或75Ω擋。當(dāng)使用高頻信號(hào)發(fā)生器時(shí)，要特別注意阻抗的匹配。(2)輸出電平

輸出電平指的是輸出信號(hào)幅度的有效范圍，即由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號(hào)發(fā)生器的最大輸出電壓和最大輸出功率及其衰減范圍內(nèi)所得到輸出幅度的有效范圍。輸出幅度可以用電壓(V，mV,μV)或分貝表示。例如XD-1低頻率信號(hào)發(fā)生器的最大電壓輸出為1Hz～1MHz＞5V，最大功率輸出為10Hz～700kHz(50Ω、75Ω、150Ω、600Ω)＞4W。

在信號(hào)發(fā)生器的輸出級(jí)中，一般都包括衰減器，其目的是獲得從微伏級(jí)(μV)到毫伏(mV)級(jí)的小信號(hào)電壓。例如XD-1型信號(hào)發(fā)生器最大信號(hào)電壓為5V，通過(guò)0～80dB的步進(jìn)衰減輸出，可獲得500μV的小信號(hào)電壓。在信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)中，就包括“衰減器特征”這一指標(biāo)，主要指衰減范圍和衰減誤差，例如上述XD-1型信號(hào)發(fā)生器的衰減器特性為：電壓輸出，1Hz～1MHz；衰減≤80±1.5dB。和頻率穩(wěn)定度指標(biāo)類(lèi)似，還有輸出信號(hào)幅度穩(wěn)定度及平坦度指標(biāo)。幅度穩(wěn)定度是指信號(hào)發(fā)生器經(jīng)規(guī)定時(shí)間預(yù)熱后，在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)輸出信號(hào)幅度對(duì)預(yù)調(diào)幅度值的相對(duì)變化量。例如HG1010信號(hào)發(fā)生器幅度穩(wěn)定度為0.01%/h。平坦度分別指溫度、電源、頻率等引起的輸出幅度變動(dòng)量。使用者通常主要關(guān)心輸出幅度隨頻率變化的情況。像用靜態(tài)“點(diǎn)頻法”測(cè)量放大器的幅頻特性時(shí)就是如此。現(xiàn)代信號(hào)發(fā)生器一般都有自動(dòng)電平控制電路(ALC)，可以使平坦度保持在±1dB以內(nèi)，即幅度波動(dòng)控制在±10%以內(nèi)，例如XD8B超低頻信號(hào)發(fā)生器的幅頻特性小于3%。(3)非線性失真系數(shù)(失真度)

正弦信號(hào)發(fā)生器的輸出在理想情況下應(yīng)為單一頻率的正弦波，但由于信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部放大器等元器件的非線性，會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生非線性失真，除了所需要的正弦波頻率外，還有其他諧波分量。人們通常用信號(hào)頻譜純度來(lái)說(shuō)明輸出信號(hào)波形接近正弦波的程度，并用非線性失真系數(shù)γ表示：式中，U1為輸出信號(hào)基波有效值，U2、U3、…為各次諧波有效值。由于U2、U3、…Un等較U1小得多，為了測(cè)量上的方便，也常用下面的公式定義；一般低頻正弦信號(hào)發(fā)生器的失真度為0.1%～1%，高檔正弦信號(hào)發(fā)生器失真度可低于0.005%。例如XD-2低頻信號(hào)發(fā)生器電壓輸出的失真度≤0.1%。而ZN1030的非線性失真系數(shù)≤0.003%。對(duì)于高頻信號(hào)發(fā)生器，這項(xiàng)指標(biāo)要求很低，作為工程測(cè)量用儀器，其非線性失真系數(shù)≤5%，以眼睛觀察不到波形失真即可。另外，人們通常只用非線性失真來(lái)評(píng)價(jià)低頻信號(hào)發(fā)生器，而用頻譜純度來(lái)評(píng)價(jià)高頻信號(hào)發(fā)生器，頻譜純度不僅要考慮高次諧波造成的失真，還要考慮由非諧波噪聲而造成的正弦波失真。3.調(diào)制特性

高頻信號(hào)發(fā)生器在輸出正弦波的同時(shí)，一般還能輸出一種或兩種以上的已被調(diào)制的信號(hào)。多數(shù)情況下是調(diào)幅信號(hào)和調(diào)頻信號(hào)，有些還帶有調(diào)相和脈沖調(diào)制功能。當(dāng)調(diào)制信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)成為內(nèi)調(diào)制，當(dāng)調(diào)制信號(hào)由外部加到信號(hào)發(fā)生器時(shí)，稱(chēng)為外調(diào)制。這類(lèi)帶有輸出已調(diào)波功能的信號(hào)發(fā)生器，是測(cè)試無(wú)線電收發(fā)設(shè)備等場(chǎng)合不可缺少的儀器。例如，XFC-6標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，就具備內(nèi)、外調(diào)幅，內(nèi)、外調(diào)頻，或進(jìn)行內(nèi)調(diào)幅時(shí)進(jìn)行外調(diào)頻，或同時(shí)進(jìn)行外調(diào)幅與外調(diào)頻等功能。而像HP8663這類(lèi)高檔合成信號(hào)發(fā)生器，同時(shí)具有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈沖調(diào)制等功能。評(píng)價(jià)信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)不止上述各項(xiàng)，這里僅就最常用的最重要的項(xiàng)目作了概括介紹。由于使用目的、制造工藝、工作機(jī)理等諸方面的因素，各類(lèi)信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)相差是很懸殊的，因而價(jià)格相差也就很大，所以在選用信號(hào)發(fā)生器的時(shí)候(選用其他測(cè)量?jī)x器也是如此)，必須考慮合理性和經(jīng)濟(jì)性。以對(duì)頻率的準(zhǔn)確度要求為例，當(dāng)測(cè)試諧振回路的頻率特性、電阻值和電容損耗角隨頻率變化時(shí)，僅需要±1×10-2～±1×10-3的準(zhǔn)確度，而當(dāng)測(cè)廣播通信設(shè)備時(shí)，則要求±10-5～±10-7的準(zhǔn)確度，顯然，兩種場(chǎng)合應(yīng)當(dāng)選用不同檔次的信號(hào)發(fā)生器。3.2.3信號(hào)發(fā)生器的基本組成

信號(hào)源的種類(lèi)很多，信號(hào)產(chǎn)生方法各不相同，但其基本結(jié)構(gòu)是一致的，如圖1所示。它主要包括主振器、緩沖級(jí)、輸出級(jí)及相關(guān)的外部環(huán)節(jié)。圖1信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖

(1)主振器：它是信號(hào)源的核心，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的信號(hào)。由于要產(chǎn)生的信號(hào)頻率、波形不同，其原理、結(jié)構(gòu)差異很大。

(2)緩沖級(jí)：對(duì)主振器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大、整形等。

(3)調(diào)制級(jí)：在需要輸出調(diào)制波形時(shí)，對(duì)原始信號(hào)按照調(diào)幅、調(diào)頻等要求進(jìn)行調(diào)制。

(4)輸出級(jí)：輸出級(jí)的功能是調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的電平和輸出阻抗，可以由衰減器、匹配變壓器以及射極跟隨器等構(gòu)成。

(5)指示器：指示器用來(lái)監(jiān)視輸出信號(hào)，可以是電子電壓表、功率計(jì)、頻率計(jì)和調(diào)制度表等，有些脈沖信號(hào)發(fā)生器還附帶有簡(jiǎn)易示波器。使用時(shí)可通過(guò)指示器來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的頻率、幅度及其他特征。通常情況下指示器接于衰減器之前，并且由于指示儀表本身準(zhǔn)確度不高，其示值僅供參考，從輸出端輸出信號(hào)的實(shí)際特性需要其他更準(zhǔn)確的測(cè)量?jī)x表來(lái)測(cè)量。

(6)電源：提供信號(hào)發(fā)生器各部分的工作電源電壓。通常是將50Hz交流市電整流成直流，并有良好的穩(wěn)壓措施。3.3函數(shù)信號(hào)發(fā)生器工作原理它在輸出正弦波的同時(shí)還能輸出同頻率的三角波、方波、鋸齒波等波形，以滿足不同的測(cè)試要求，因其時(shí)間波形可用某些時(shí)間函數(shù)來(lái)描述而得名。

3.3.1電路工作原理電路工作原理框圖如圖3.3.1所示。3.3.2典型電路分析3.4DDS數(shù)字式頻率合成信號(hào)發(fā)生器3.4.1頻率合成的原理

在現(xiàn)代測(cè)量和現(xiàn)代通信技術(shù)中，需要高穩(wěn)定度、高純度的頻率信號(hào)源。這種高穩(wěn)定度的信號(hào)不能用LC或RC振蕩器(穩(wěn)定度只能達(dá)到10-3～10-4量級(jí))產(chǎn)生，而一般采用晶體振蕩器(穩(wěn)定度可以優(yōu)于10-6～10-8量級(jí))來(lái)產(chǎn)生，但晶體振蕩器只能產(chǎn)生一個(gè)固定的頻率。當(dāng)要獲得許多穩(wěn)定的信號(hào)頻率時(shí)，采用很多個(gè)晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生是不現(xiàn)實(shí)的，而采用頻率合成的方法就能方便地實(shí)現(xiàn)。

頻率合成是由一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率(一般由高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器產(chǎn)生)，通過(guò)基本的代數(shù)運(yùn)算(加、減、乘、除)，得到一系列所需的頻率。通過(guò)合成產(chǎn)生的各種頻率信號(hào)，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到與基準(zhǔn)頻率源基本相同的量級(jí)。與其他方式的正弦波信號(hào)發(fā)生器相比，信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度可以提高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。

頻率的代數(shù)運(yùn)算是通過(guò)倍頻、分頻及混頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。分頻實(shí)現(xiàn)頻率的除，即輸入頻率是輸出頻率的某一整數(shù)倍。倍頻實(shí)現(xiàn)頻率的乘，即輸出頻率為輸入頻率的整數(shù)倍。頻率的加減則是通過(guò)頻率的混頻來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.4.2頻率合成的分類(lèi)及特點(diǎn)

頻率合成技術(shù)已發(fā)展近五十年的時(shí)間，特別是隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展而不斷的發(fā)展和完善。當(dāng)前主要的頻率合成方式有：直接頻率合成和間接頻率合成，直接頻率合成又可以分為模擬直接頻率合成和數(shù)字直接頻率合成。

1.直接頻率合成法

(1)模擬直接合成法

模擬直接合成法是借助電子線路直接對(duì)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，輸出各種需要的頻率。鑒于采用模擬電子技術(shù)，所以又稱(chēng)為直接模擬頻率合成法(DirectAnalogFrequencySynthesis，DAFS)。常見(jiàn)的電路有以下兩種。(1)固定頻率合成法。下圖為固定頻率合成原理框圖。圖中，石英晶體振蕩器提供基準(zhǔn)頻率fr，D為分頻器的分頻系數(shù)，N為倍頻器的倍頻系數(shù)。因此，輸出頻率fo為

式中，D和N均為給定的正整數(shù)。輸出頻率為定值，所以稱(chēng)為固定頻率合成法。

圖

固定頻率合成原理(2)可變頻率合成法

下圖是利用直接模擬式頻率合成實(shí)現(xiàn)可變頻率合成的原理框圖，它是通過(guò)頻率的混頻、倍頻和分頻等方法，由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生一系列頻率信號(hào)并用窄帶濾波器選出。以實(shí)現(xiàn)3.628MHz輸出信號(hào)為例，由晶體振蕩器產(chǎn)生的1MHz基準(zhǔn)頻率通過(guò)諧波發(fā)生器產(chǎn)生1MHz、2MHz、…、9MHz等多個(gè)基準(zhǔn)頻率信號(hào)，將這些頻率信號(hào)進(jìn)行10分頻(完成÷10運(yùn)算)、混頻(完成加法運(yùn)算)和濾波，最后產(chǎn)生所需的3.628MHz輸出信號(hào)。只要選取不同的諧波并進(jìn)行相應(yīng)的組合就可以得到所需的信號(hào)。圖

模擬直接式頻率合成原理框圖直接模擬式頻率合成的優(yōu)點(diǎn)是頻率切換迅速，相位噪聲很低。其缺點(diǎn)是電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大量的混頻器、分頻器及帶通濾波器等，因而體積大，價(jià)格昂貴，不便于集成化。(2)數(shù)字直接合成法

前面兩種信號(hào)合成方法都是基于頻率合成的原理，用模擬的方法，通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)頻率fr進(jìn)行加、減、乘、除算術(shù)運(yùn)算得到所需要的輸出頻率。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，開(kāi)創(chuàng)了另一種信號(hào)合成技術(shù)——直接數(shù)字頻率合成法(DirectDigitalFrequencySynthsis，DDFS)。它的原理是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需要的信號(hào)。它突破了前兩種頻率合成法的原理，從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)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，甚至可以給出各種各樣形狀的任意波形。在前述兩種合成方法中，后兩個(gè)性能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。此合成方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠解決快捷變和小步進(jìn)之間的矛盾，且集成度高，體積小。但是由于D/A等器件的速率度限制，其頻率上限較低，雜散也較大。2.間接頻率合成法

間接頻率合成法是基于鎖相環(huán)(PhaseLockedLoop，PLL)的原理，利用鎖相環(huán)(PLL)把壓控振蕩器