《电子测量技术》课件第6章

第6章测量用信号源6.1信号源概述6.2信号产生方法及信号发生器发展趋势6.3频率合成技术及锁相频率合成6.4直接数字频率合成技术6.5频率合成技术的发展思考与练习6.1信号源概述6.1.1信号源的作用能产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器称为信号源，信号源在电子系统的研制、生产、测试、校准及维护中有着广泛的应用。例如在电子测量中，一个系统电参数的数值或特性(如电阻的阻值、放大器的放大倍数、四端网络的频率特性等)必须在一定的电信号作用下才能表现出来。这时可以借助于信号源，将其产生的信号作为输入激励信号，观察系统响应的方法进行测量。另一方面，许多电子系统的性能只有在一定信号的作用下才能显现出来，如扬声器，电视机等。扬声器只有在外加音频信号时才能发声，如果不给电视机外加电视信号，其屏幕上就不会有图像。和示波器、电压表、频率计等仪器一样，信号源是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。在其他领域，信号源也有着广泛的应用，例如机械部门的超声波探伤、医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。归纳起来，信号源的用途主要有以下三个方面：

(1)激励源。在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件及整机设备时，都需要有信号源作为激励信号，由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析确定它们的性能参数。

(2)标准信号源。如标准的正弦波发生器、方波发生器、脉冲波发生器、电视信号发生器等。这些信号一类是用于产生一些标准信号，提供给某类设备测量专用；另一类是用作对一般信号源校准，亦称为校准源。

(3)信号仿真。若要研究设备在实际环境下所受到的影响，而又暂时无法到实际环境中测量时，可以利用信号源给其施加与实际环境相同特性的信号来测量，这时信号源就要仿真实际的特征信号，如噪声信号、高频干扰信号等。6.1.2信号源的分类信号源的应用领域广泛，种类繁多，性能指标各异，分类方法亦不同。按用途有专用和通用之分；按性能有一般和标准信号源之分；按调试类型可以分为调幅、调频、调相、脉冲调制及组合调制信号发生器等；按频率调节方式可分为扫频、程控信号发生器等。下面介绍几种主要的分类方法。按照输出信号的频率来分，大致可以分为6类：超低频率信号发生器，频率范围为0.001～1000Hz；低频信号发生器，频率范围1Hz～1MHz;视频信号发生器，频率范围为20Hz~10MHz；高频信号发生器，频率范围为200kHz～30MHz；甚高频信号发生器，频率范围在30kHz～300MHz；超高频信号发生器，频率在300MHz以上。应该指出，按频段划分的方法并不是一种严格的界限，目前许多信号发生器可以跨越几个频段。按输出的波形可以分为：正弦波形发生器，产生正弦波形或受调制的正弦信号；脉冲信号发生器，产生脉冲宽度不同的重复脉冲；函数信号发生器，产生幅度与时间成一定函数关系的信号；噪声信号发生器，产生模拟各种干扰的电压信号。按照信号发生器的性能标准，可以分为一般的信号发生器和标准信号发生器。标准信号发生器的技术指标要求较高，有的标准信号发生器用于为收音机、电视机和通讯设备的测量校准提供标准信号；还有一类高精度的直流或交流标准信号源是用于对数字多用表等高精度仪器或一般信号源进行校准，其输出信号的频率、幅度、调制系数等可以在一定范围内调节，而且准确度、稳定度、波形失真等指标要求很高。而一般信号源对输出信号的频率、幅度的技术指标要求相对低一些。6.1.3信号发生器的基本组成信号源的种类很多，信号产生方法各不相同，但其基本结构是一致的，如图6-1所示。它主要包括主振器、缓冲级、输出级及相关的外部环节。图6-1信号发生器的结构框图主振器：它是信号源的核心，由它产生不同频率、不同波形的信号。由于要产生的信号频率、波形不同，其原理、结构差异很大。缓冲级：对主振器产生的信号进行放大、整形等。调制级：在需要输出调制波形时，对原始信号按照调幅、调频等要求进行调制。输出级：输出级的功能是调节输出信号的电平和输出阻抗，可以由衰减器、匹配变压器以及射极跟随器等构成。指示器：指示器用来监视输出信号，可以是电子电压表、功率计、频率计和调制度表等，有些脉冲信号发生器还附带有简易示波器。使用时可通过指示器来调整输出信号的频率、幅度及其他特征。通常情况下指示器接于衰减器之前，并且由于指示仪表本身准确度不高，其示值仅供参考，从输出端输出信号的实际特性需要其他更准确的测量仪表来测量。电源：提供信号发生器各部分的工作电源电压。通常是将50Hz交流市电整流成直流，并有良好的稳压措施。6.1.4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、应用最广泛的一类，几乎渗透到所有的电子学实验及测量中。其原因除了正弦信号容易产生，容易描述，又是应用最广的载波信号外，还由于任何线性双口网络的特性，都可以用它对正弦信号的响应来表征。显然，由于信号发生器作为测量系统的激励源，则被测器件、设备的各项性能参数测量的质量，将直接依赖于信号发生器的性能。通常用频率特性、输出特性和调制特性(俗称三大指标)来评价正弦信号发生器的性能，其中包括30余项具体指标。不过由于各种仪器的用途不同，精度等级不同，并非每类每台产品都用全部指标进行考核。另外，各生产厂家出厂检验标准及技术说明书中的术语也不尽一致。这里仅介绍信号发生器中几项最基本最常用的性能指标。

1.频率特性正弦信号的频率特性包括频率范围、频率准确度、频率稳定度三项指标。

(1)频率范围。频率范围指信号发生器所产生的信号频率范围，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差要求。例如国产XD—1型信号发生器，输出信号频率范围为1Hz~1MHz,分六档,即六个频段，为了保证有效频率范围连续，两相邻频段间有相互衔接的公共部分,即频段重叠。又如HP公司HP-8660C型频率合成器产生的正弦信号的频率范围为10kHz~2600MHz,可提供间隔为1Hz总共近26亿个分立频率。

(2)频率准确度。频率准确度是指信号发生器盘(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

(6-1)式中，f0为刻度盘或数字显示数值，也称预调值，f1是输出正弦信号频率的实际值。频率准确度实际上是输出信号频率的工作误差。用刻度盘读数的信号发生器频率准确度约为±(1%~10%)，精密低频信号发生器频率准确度可达±0.5%。例如调谐式XFC-6型标准信号发生器，其频率标准优于±1%，而一些采用频率合成技术带有数字显示的信号发生器，其输出信号具有基准频率(晶振)的准确度，若机内采用高稳定度晶体振荡器，输出频率的准确度可达到10-8~10-10。

(3)频率稳定度。频率稳定度指标要求与频率准确度相关。频率稳定度是指其他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的大小。按照国家标准，频率稳定又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。频率短期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意15分钟内所发生的最大变化，表示为

(6-2)式中，f0为预调频率，fmax、fmin分别为任意15分钟的信号频率的最大值和最小值。频率长期稳定度定义为信号发生器经过规定的预热时间后，信号频率在任意3小时所发生的最大变化，表示为

x×10-6+y

(6-3)式中,x、y是由厂家确定的性能指标值，也可以用式(6-2)表示频率长期稳定度。需要指出，许多厂商的产品技术说明书中，并未按上述方式给出频率稳定度指标。例如国产HG1010信号发生器和(美)KH4024信号发生器的频率稳定度都是0.01%/h，含义是经过规定的预热时间后，两种信号发生器每小时(h)的频率漂移(fmax-fmin)与预调值f0之比为0.01%。有些则以天为时间单位表示稳定度，例如国产QF1480合成信号发生器频率稳定度为5×10-10/天，而QF1076信号发生器(频率范围10MHz～520MHz)频率稳定度为±50×10-6/5min+1kHz，是用相对值和绝对值的组合形式表示稳定度。又如，国产XD—1型低频信号发生器通电预热30分钟后，第一小时内频率漂移不超过0.1%×f0(Hz)，其后7小时内不超过0.2%×f0(Hz)。通常，通用信号发声器的频率稳定度为10-2～10-4，用于精密测量的高精度高稳定度信号发生器的频率稳定度应高于10-6~10-7,而且要求频率稳定度一般应比频率准确度高1~2个数量级。例如XD—2型低频信号发生器的频率稳定度优于0.1%，频率准确度优于±(1~3)%。

2.输出特性输出特性指标主要有输出阻抗、输出电平、非线性失真系数三项指标。

(1)输出阻抗。作为信号源，输出阻抗的概念在“电路”或“电子电路”课程中都有说明。信号发生器的输出阻抗视其类型不同而异。低频信号发生器，电压输出端的输出阻抗一般为600Ω(或1kΩ)，功率输出端依输出匹配变压器的设计而定，通常有50Ω，75Ω，150Ω，600Ω和5kΩ等挡。高频信号发生器一般仅有50Ω或75Ω挡。当使用高频信号发生器时，要特别注意阻抗的匹配。

(2)输出电平。输出电平指的是输出信号幅度的有效范围，即由产品标准规定的信号发生器的最大输出电压和最大输出功率及其衰减范围内所得到输出幅度的有效范围。输出幅度可以用电压(V，mV,μV)或分贝表示。例如XD—1低频率信号发生器的最大电压输出为1Hz～1MHz＞5V，最大功率输出为10Hz～700kHz(50Ω、75Ω、150Ω、600Ω)＞4W。在图6-1信号发生器框图的输出级中，一般都包括衰减器，其目的是获得从微伏级(μV)到毫伏(mV)级的小信号电压。例如XD—1型信号发生器最大信号电压为5V，通过0～80dB的步进衰减输出，可获得500μV的小信号电压。在信号发生器的性能指标中，就包括“衰减器特征”这一指标，主要指衰减范围和衰减误差，例如上述XD—1型信号发生器的衰减器特性为：电压输出，1Hz~1MHz；衰减≤80±1.5dB。和频率稳定度指标类似，还有输出信号幅度稳定度及平坦度指标。幅度稳定度是指信号发生器经规定时间预热后，在规定时间间隔内输出信号幅度对预调幅度值的相对变化量。例如HG1010信号发生器幅度稳定度为0.01%/h。平坦度分别指温度、电源、频率等引起的输出幅度变动量。使用者通常主要关心输出幅度随频率变化的情况。像用静态“点频法”测量放大器的幅频特性时就是如此。现代信号发生器一般都有自动电平控制电路(ALC)，可以使平坦度保持在±1dB以内，即幅度波动控制在±10%以内，例如XD8B超低频信号发生器的幅频特性小于3%。

(3)非线性失真系数(失真度)。正弦信号发生器的输出在理想情况下应为单一频率的正弦波，但由于信号发生器内部放大器等元器件的非线性，会使输出信号产生非线性失真，除了所需要的正弦波频率外，还有其他谐波分量。人们通常用信号频谱纯度来说明输出信号波形接近正弦波的程度，并用非线性失真系数γ表示：(6-4)式中，U1为输出信号基波有效值，U2、U3、…为各次谐波有效值。由于U2、U3、…Un等较U1小得多，为了测量上的方便，也常用下面的公式定义；(6-5)一般低频正弦信号发生器的失真度为0.1%～1%，高档正弦信号发生器失真度可低于0.005%。例如XD—2低频信号发生器电压输出的失真度≤0.1%。而ZN1030的非线性失真系数≤0.003%。对于高频信号发生器，这项指标要求很低，作为工程测量用仪器，其非线性失真系数≤5%，以眼睛观察不到波形失真即可。另外，人们通常只用非线性失真来评价低频信号发生器，而用频谱纯度来评价高频信号发生器，频谱纯度不仅要考虑高次谐波造成的失真，还要考虑由非谐波噪声而造成的正弦波失真。

3.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两种以上的已被调制的信号。多数情况下是调幅信号和调频信号，有些还带有调相和脉冲调制功能。当调制信号由信号发生器内部产生时成为内调制，当调制信号由外部加到信号发生器时，称为外调制。这类带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收发设备等场合不可缺少的仪器。例如，XFC-6标准信号发生器，就具备内、外调幅，内、外调频，或进行内调幅时进行外调频，或同时进行外调幅与外调频等功能。而像HP8663这类高档合成信号发生器，同时具有调幅、调频、调相、脉冲调制等功能。评价信号发生器的性能指标不止上述各项，这里仅就最常用的最重要的项目作了概括介绍。由于使用目的、制造工艺、工作机理等诸方面的因素，各类信号发生器的性能指标相差是很悬殊的，因而价格相差也就很大，所以在选用信号发生器的时候(选用其他测量仪器也是如此)，必须考虑合理性和经济性。以对频率的准确度要求为例，当测试谐振回路的频率特性、电阻值和电容损耗角随频率变化时，仅需要±1×10-2～±1×10-3的准确度，而当测广播通信设备时，则要求±10-5～±10-7的准确度，显然，两种场合应当选用不同档次的信号发生器。6.2信号产生方法及信号发生器发展趋势6.2.1正弦信号发生器正弦信号发生器可以产生正弦信号或受调制的正弦信号。它包括低频信号发生器，高频信号发生器，微波信号发生器，合成信号发生器，扫频信号发生器。这里对低频信号发生器和高频信号发生器作简单介绍。

1.低频信号发生器低频信号发生器是信号发生器大家族中一个非常重要的组成部分，在模拟电子线路与系统设计、测试和维修中获得广泛的应用，其中最明显的一个例子是收音机、电视机、有线广播和音响设备中的音频放大器。事实上，“低频”就是从“音频”(20Hz～20kHz)的含义演化而来的。由于其他电路测试的需要，频率向上向下分别延伸至超低频和高频段。现在一般“低频信号发生器”是指1Hz～1MHz频段，最新的低频信号发生器的频率范围已达1Hz～10MHz，输出波形以正弦波为主，或兼有方波及其他波形的发生器。

(1)低频信号发生器主要性能指标：①频率范围为1Hz~1MHz连续可调；②频率稳定度(0.1~0.4)%/h；③频率准确度±(1~2)%；④输出电压0~10V连续可调；⑤输出功率约(0.5~5)W连续可调；⑥非线性失真(0.1~1)%；⑦输出阻抗可为50Ω、75Ω、150Ω、600Ω及5kΩ。

(2)低频信号发生器组成框图。通用低频信号发生器的组成框图如图6-2所示。主要包括：主振级、缓冲放大、功率放大、衰减器、阻抗变换以及有关调节装置。图6-2低频信号发生器组成框图

(3)通用RC振荡器。低频信号发生器中产生振荡信号(图6-2中主振级)的方法有多种，在通用信号发生器(如XD—1、XD—2、XD—7)中，主振器通常是使用RC振荡器，而其中应用最多的当属文氏桥振荡器。图6-3给出了文氏桥网络及其传输函数的幅频、相频特性，我们简要分析其工作原理。在图(a)中，是网络的输入电压，是输出电压，Z1为R、C串联阻抗，Z2为R、C并联阻抗，则网络的传输函数(6-6)式中

(6-7)由式(6-6)得到传输函数的幅频特性N(ω)和相频特性φ(ω)分别为(6-9)(6-8)或

N(ω)和φ(ω)分别示于图6-3(b)和(c)中。由图(b)、(c)可以看出：时，输出信号与输入信号同相，且此时传输函数模最大(N(ω0)=N(ω)max=1/3),如果输出信号后接放大倍数的同相放大器(一般由两极反相放大器级联实现)，那么就可以维持ω=ω0或者的正弦振荡。而由于RC

网络的选频特性，其他频率的信号被抑制。图6-3RC文氏桥网络(a)文氏桥式网络；(b)幅频特性；(c)相频特性

但是，放大倍数KV=3的放大器是不稳定的，又由于文氏桥电路的选频特性很差，放大器增益不稳，不但会引起振荡振幅变化，还会造成输出波形失真。因此，总是使用高增益的二级放大器加上负反馈，使得在维持振荡期间，总电压增益为3，这样就形成了图6-4所示的文氏桥振荡电路。图中负温度系数热敏电阻Rt和电阻Rf就构成了电压负反馈电路。热敏电阻Rt的阻值随环境温度升高或流过的电流增加而减少，当由于各种原因引起输出电压增大时，由于该电压也直接接在Rt、Rf串联电路，流过Rt的电流也随之增加而导致Rt阻值降低，负反馈加大，放大器总增益降低，使输出电压减小，达到稳定输出信号振幅的目的。而在振荡器起振阶段，由于Rt温度低，阻值大，负反馈小，放大器实际总增益大于3，振荡器容易起振。图6-4使用热敏电阻Rt作为增益控制器件的文氏桥振荡电路框图由式(6-7)可知，改变电阻R和电容C数值可调节振荡频率，可以使用同轴电阻器改变电阻R进行粗调，使得换挡时频率变化10倍，而用改变双联同轴电容C的方法在一个波段内进行频率细调。图6-5放大器输入输出阻抗对RC网络的影响在上边的分析中，没有考虑放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro的影响，Ri和Ro对RC网络的影响如图6-5所示，由图不难看出，应使Ri尽可能大而Ro尽可能小。为此实际振荡器电路中放大器输入级常采用场效应管，以提高输入阻抗Ri，输出时加接射极跟随器，以降低输出阻抗Ro。如果仅提供电压输出，那么RC振荡器后加接电压放大器即可，如图6-4中A2。如果要求功率输出，则还应加接功率放大器和阻抗变换器。

(4)LC振荡器。当谈到正弦振荡器时，很容易想到用L、C构成谐振电路和晶体管放大器来实现。实际上基本不用这种电路作为低频信号发生器的主振荡器，这是因为对LC振荡电路，振荡频率。当频率较低时，L、C都比较大，分布电容、漏电导等也都相应很大，而品质因数Q值降低很多，谐振特性变坏，且调整困难。其次由于f0与成反比，因而同一频段内的频率覆盖系数很小。例如L固定，调节电容C改变振荡频率，设电容调节范围为40～450pF，则频率覆盖系数(6-10)如果用RC桥式振荡器，仍以上面的情况为例，根据式(6-7),得到频率覆盖系数为

(6-11)事实上，若以RC文氏桥电路构成振荡器的XD—1型低频信号源，其信号频率范围为1kHz～1MHz，分为6个频段，每个频段内的频率覆盖系数均为10。

(5)差频式振荡器。RC振荡器的每一分波段的频率覆盖系数(最高频率与最低频率的比值)通常为10。因此，要覆盖1Hz～1MHz的频率范围，至少要6个波段，对于某些测量(特别是扫频测量)，极不方便。而差频式低频信号发生器可以在不分波段的情况下得到较宽的频率覆盖范围。图6-6为差频式低频信号发生器的原理框图。图6-6差频式低频信号发生器原理框图图6-6中，可变频率的高频振荡器和固定频率振荡器分别产生可变频率的高频振荡f1和固定频率的高频振荡f2，经过混频器产生两者差频f=f1-f2，后面的低通滤波器滤除混频器输出中含有的高频分量。当可变频率振荡器频率从f1max变到f1min时，低通滤波器后就得到了fmin～fmax的低频信号，再经放大器和输出衰减器后得到所需幅度的低频信号。这种方法的主要缺点是电路复杂，频率准确度、稳定度较差，波形失真较大；最大的优点是容易做到在整个频段内频率可连续调节而不用更换波段，输出电平也较均匀，所以常用在扫频振荡器中。高频振荡器是一个可调的LC振荡器，其输出频率为f1，固定频率振荡器输出频率为f2,设f1的变化范围为f11~f12,则差频信号的频率范围为Δf1(f11-f2)～Δf2(f12-f2)。如果f1与f2的值都很高，则差频的频率覆盖系数Δf1/Δf2可以达到很大的值，因此对f1进行调频指数不大的调频也可以使Δf具有很宽的范围。例如，f2＝3.4MHz，而f1可以从3.4003MHz到5.1MHz，则输出频率可为300Hz～1.7MHz。但是当f1与f2接近时，容易产生频率牵引(强迫同步)，使得Δf可以从某一较小值突变为零，而且差频振荡器的频率准确度较差，每次测量都要校准，而且校准后频率准确度仍然不高，因此该方法已较少使用。

2.高频信号发生器高频信号发生器输出范围一般在300kHz~1GHz，稳定度一般优于10-4/15min,输出电压在0.1μV～1V左右，输出阻抗为标准的50Ω(或75Ω),大多数具有调幅、调频及脉冲调制等功能。图6-7为高频信号发生器的原理图，它包括主振荡器、调制级、输出级及监测设备(载波电平表，调制度表)等。主振级通常采用LC振荡器，在波段选择及频率细调控制下产生的高频信号，经缓冲后耦合至调制级。根据反馈方式，LC高频振荡器可分为变压器反馈式、电感反馈式(也称电感三点式)及电容反馈式(也称电容三点式)三种振荡器形式。通常用改变电感L来改变频段，改变电容C进行频段内频率细调。缓冲级是为了保证主振级振荡器频率稳定，避免寄生调制和提高信噪比，缓冲一般采用选频放大器。信号根据调制要求进行相应调制，调制信号可以由内部调制振荡器产生，也可由外部输入。输出级对信号进行放大、滤波、电平调节以及获得准确固定的源阻抗(一般为50Ω或75Ω)。监测器用于监测载波电平和调制系数等。图6-7高频信号发生器原理图6.2.2脉冲信号发生器脉冲信号通常指持续时间短，按特定规律变化的电压或电流信号。常见的脉冲信号有矩形、锯齿形、阶梯形、钟形和数字编码序列等，如图6-8所示，其中最基本的是矩形脉冲信号。图6-8常见的脉冲信号(a)矩形波；(b)锯齿波；(c)阶梯波；

(d)钟形脉冲；(e)数字编码序列脉冲信号发生器是专门用于产生脉冲波形的信号源，它常用于测量宽带放大器的振幅特性、过渡特性，数字系统的开关特性，示波器、雷达及通信机等。根据脉冲发生器的用途和产生方法，可以分为通用脉冲发生器、快速(广谱)脉冲发生器、函数发生器、数字可编程脉冲发生器及特种脉冲发生器等。其中应用最广泛的是通用矩形脉冲发生器，它可以产生宽度可变，且上升、下降沿极短的矩形脉冲。这里简单介绍一下通用脉冲发生器和快速(广谱)脉冲发生器的基本原理。

1.通用脉冲发生器为了满足一般测量的要求，通用脉冲发生器能够调节脉冲的重复频率、宽度、输出幅度和极性等。有的脉冲发生器除了能输出主脉冲外，还可以输出一个超前于主脉冲的前置脉冲(亦称同步脉冲)，而且两个脉冲间的延时可调。双脉冲输出功能主要用于测量电路分辨间隔极近的相邻脉冲的能力。脉冲发生器的基本原理如图6-9所示。图6-9脉冲信号发生器组成原理框图主振级是脉冲信号发生器的振荡源，一般采用恒流源射级耦合自激多谐振荡器产生矩形波，也可采用正弦振荡及限幅放大等构成，它应具有波段调节(粗调)和频率细调。同时也可选择外部触发信号或手动触发输入作为延时级的脉冲输入信号。延时级将输入信号转换为脉冲形成单元所需的延时脉冲，脉冲形成单元在延时脉冲作用下，形成宽度准确、波形良好的矩形脉冲。输出级对脉冲进行整形、放大等处理后输出。同时主振级的输出信号驱动同步脉冲电路形成并输出前置同步脉冲。通用脉冲发生器输出脉冲的频率、幅度、延迟时间、脉冲宽度、过渡时间等可在一定范围内调节，但他们产生的脉冲持续时间和过渡时间一般在1ns以上，有的过渡时间虽然可到300ps，但参数固定不能调节。而在某些测量场合，需要脉宽更窄、过渡时间更短的脉冲，这时通用的脉冲发生器就无法满足要求，而要采用快速脉冲发生器。

2.快速(广谱)脉冲发生器快速脉冲发生器广泛应用于雷达、数字通信、时域特性测量等场合。在时域测量中，快速脉冲信号发生器用来提供广谱的激励信号，尤其在微波网络、宽带元器件的时域测量中，脉冲信号发生器相当于频域测量中的扫频信号源。理论上脉冲信号可以产生无限的频谱，但是实际测量中由于器件、电路、工艺以及噪声等因素的限制，其频谱是有限的。在时域测量中提供边沿时间极短、幅度很大的快速脉冲信号具有十分重要的意义。例如一个前沿上升时间为1ns的脉冲，其可用频谱分量为1GHz，而隧道二极管脉冲发生器产生的脉冲前沿上升时间快达15ps，则其可用频谱高达30GHz。快速脉冲信号的产生技术主要有：水银开关脉冲发生器、雪崩晶体管脉冲发生器、阶跃恢复二极管脉冲发生器以及隧道二极管脉冲发生器等。水银开关脉冲发生器原理如图6-10所示，它由直流电压源UD，充电电阻RC，特征阻抗为R0的同轴电缆及水银开关组成。图6-10水银开关脉冲发生器原理同轴电缆传输线呈电容特性，开关打开时，直流电源经充电电阻RC将同轴传输线充电至电压UD。当开关闭合时，同轴传输线向负载RL放电，此时传输线被看作内阻为R0(R0RC)、电压为UD的电压源，如果负载与传输线匹配，则负载上得到的输出电压为UD/2，持续时间为传输线过渡过程时间2倍的脉冲。该方法产生的脉冲幅度可达50～100V，过渡持续时间为500ps，如果采用超小型水银开关,其过渡时间还可以更短。但是由于水银开关的机械特性，脉冲重复频率很低，而且开关闭合产生的触发不确定性导致了较大的相位抖动。采用雪崩晶体管来代替机械式的水银开关还可以解决水银开关造成的重复频率低及触发不确定的问题。雪崩晶体管脉冲发生器的触发抖动可以小于10ps，重复频率可以达到数兆赫兹，但是它的脉冲幅度较低，过渡时间为数百皮秒。为了使过渡时间进一步缩短，采用阶跃恢复二极管对雪崩二极管的输出脉冲进行整形，可以获得100ps以下量级的过渡持续时间，脉冲幅度能达到10～30V，其可用频谱可提高到微波波段。6.2.3函数发生器在低频(或超低频)信号发生器的家族中，还有一种被称为函数信号发生器，简称函数发生器，它在输出正弦波的同时还能输出同频率的三角波、方波、锯齿波等波形，以满足不同的测试要求，因其时间波形可用某些时间函数来描述而得名。

1.函数发生器的性能和组成函数发生器一般能输出方波、三角波、锯齿波、正弦波等波形，具有较宽的频率范围(0.1Hz到几十兆赫兹)及较稳定的频率。具有可变的上升时间(对方波)以及可变的直流补偿，具有较高的频率准确度和较强的驱动能力，波形失真应比较小。函数发生器的典型原理框图如图6-11所示。图6-11函数发生器的基本组成原理框图比较完整的函数发生器主要由频率控制网络、恒流源电路、积分电路、比较器、波形综合及缓冲电路、输出级等组成。其中频率控制网络控制恒流源电流大小，即改变积分器充放电斜率，进而改变输出三角波的周期，从而控制输出信号频率。恒流源提供一个稳定的充放电电流，以使积分电路输出电压呈线性上升和下降。比较器将三角波与两个门限电压比较，从而控制恒流源的工作，达到双稳态电路的功能。正弦波波形综合电路由三角波得到一个正弦波输出，而方波电路是由三角波产生一个方波输出。函数选择及其他波形产生部分则根据需要选择一个波形输出，或由三种基本波形产生锯齿波等波形并输出。输出级完成对输出信号的放大或衰减，阻抗匹配及直流补偿等功能。

2.函数发生器的基本工作原理函数发生器一般以某种波形为第一波形，然后在该波形基础上转换导出其他波形。因第一波形的不同，而采取不同的波形导出方式，主要的导出方式有：方波→三角波→正弦波，正弦波→方波→三角波，三角波→正弦波→方波等，这里主要讨论第一种方法。图6-12是方波→三角波→正弦波形式的函数发生器原理框图，图中由双稳态触发器，比较器Ⅰ、Ⅱ和积分器构成方波及三角波振荡电路，然后由二极管整形网络将三角波整形成正弦波。图6-12函数发生器原理图其简要工作原理如下：设开始工作时，双稳输出端电压为-E，经过电位器P分压，设分压系数，则积分器输出端D点电位随时间t正比上升

(6-12)当经过时间T1，uD上升到Um时，比较器Ⅰ输出触发脉冲使双稳态电路翻转，端输出电压为E并输入给积分器，则积分器输出端D点电位为

(6-13)再经过时间T2，uD下降到-Um时，比较器Ⅱ输出触发脉冲使双稳态电路再次翻转，端重新输出-E，如此周而复始，在Q()端产生周期性方波，在积分器输出端产生三角波。如果比较器Ⅰ、Ⅱ正负比较电平完全一样，那么得到的将是完全对称的方波和三角波。如果改变积分器正向，反向积分时间常数，比如用二极管代替电阻R，由式(6-12)、(6-13)可以看到，uD达到+Um和-Um各自需要的时间T1将不等于T2，从而可以产生锯齿波和不对称的方波，上述情况下函数发生器的波形如图6-13所示。图6-13函数发生器波形图将对称三角波转换为正弦波的原理图如图6-14(a)所示。正弦波可以看做是由许多斜率不同的直线段组成，只要直线段足够多，由折线构成的波形就可以相当好的近似正弦波形，斜率不同的直线段可由三角波经电阻分压得到(各段相应的分压系数不同)。因此，只要将三角波ui通过一个分压网络，根据ui大小改变分压网络的分压系数，便可以得到近似的正弦波输出。二级管整形网络就可实现这种功能，我们用图6-14(b)所示的二级管整形网络来说明其工作原理。图中E1、E2、E3及-E1、-E2、-E3等为由正负电源+E和-E通过分压电阻R7、R8、…、R14分压得到的不同电位，由于各二极管串联的电阻R1、R2、…、R6及R0都比R7、R8、…、R14大得多，因而它们的接入几乎不会影响E1、E2等的数值。开始阶段(t<t1),ui<E1,二级管VD1～VD6全部截止，输出电压uo等于输入电压ui；t1<t<t2阶段，E1<ui<E2，二极管VD3导通，此阶段uo等于ui经R0和R3分压输出，uo上升斜率减小；在t2<t<t3阶段，E2<ui<E3，此时VD3、VD2都导通，uo等于ui经R0和(R2∥R3)(R2与R3并联)分压输出，上升斜率进一步减小；当ui>E3，即t>t3后，VD3、VD2、VD1全部导通，uo等于ui经R0和(R3∥R2∥R1)(R3、R2、R1三个电阻并联)分压输出，上升斜率最小；当到达t=后，ui逐渐减小，二极管VD1、VD2、VD3依次截止，uo下降斜率又逐步增大，完成正弦波的正半周期近似；负半周期情况类似，不再赘述。通常将正弦波一个周期分为22段或26段，用10个或12个二极管组成整形网络，只要电路参数选择得合理、对称，就可以得到非线形失真小于0.5％的波形良好的正弦波。图6-14由三角波整形成正弦波

(a)正弦波的折线近似；(b)二极管整形网络

3.集成函数信号发生器由大规模集成电路构成的集成函数信号发生器，能产生方波、三角波、锯齿波及正弦波；由于这种集成电路的功能很强，除了输出固定频率的信号外，还可以输出调频或扫频信号。其典型芯片为5G8038，电路组成如图6-15所示。三角波由电流源I1、I2对外接电容器CT充放电实现。当RS触发器输出Q=0时，内部开关S断开，电流源I1对CT正向充电，充电电流使CT的端电压上升。当上升到比较器1门限电平EC/3时，触发器置位(Q＝1)。由于Q＝1，开关S接通，CT被电流I1＋I2充电。调节RB可使|I2|=|2I1|，则CT的反相充电电流也等于|I1|(因为I2＋I1＝-2I1＋I1＝-I1)。在反向充电的过程中，CT上的电压(

)线性下降。当降至比较器2的门限电平-EC/3时，触发器复位(Q=0)，开关S再次断开，再由I1向CT正向充电。如此反复进行，CT上形成的三角波经过缓冲器1在引脚3输出。，三角波的频率(f0)取决于外接元件CT、RA和RB，其关系可以参考下面的关系式表达：

(6-14)式中，设，|+EC|=|-EC|=|E|。如果RA=RB=RT，则

(6-15)5G8038的输出频率范围为1MHz～300kHz。如果改变两个电阻RA和RB的比值，则将输出非对称三角波或锯齿波。在RS触发器的输出Q端后接缓冲器2就可以从引脚9输出方波或脉冲波，这时调节RA和RB的比值可得到占空比为2%～98%的脉冲波。三角波在缓冲器1后经过正弦波变换电路就在引脚1(或2、12)输出正弦波，通过外接元件可以对正弦波的非线形失真进行改善。在引脚7输入调频电压，引脚8外接适当控制信号可以使输出信号实现扫频和调频。所以，5G8038是一个功能很强的集成函数信号发生器。图6-15集成函数信号发生器芯片原理图以5G8038为核心接入少量外部元件就可以构成一个实用的函数信号发生器，原理电路如图6-16所示。图中5G8038是该发生器的核心，可以输出三角波、正弦波和方波，经过4选1模拟开关可以选择其中一种波形。A4为该信号源的输出级，输出具有一定幅度和功率的信号。调节引脚8的电位可以改变输出信号的频率以实现扫频或调频。在图6-16中引脚8的电位由数/模转换系统提供。当它输出定值电压时，信号源输出点频；当它输出扫描电压时，其输出信号的频率随扫描电压的规律变化，从而实现扫频。数/模转换系统包括D/A转换器(DAC0832)及运算放大器A1和A2。A3是跟随器，起缓冲作用。图中D/A及4选1模拟开关所需的数据线(DB)及控制线(CB)均由微机提供。图6-16集成函数信号发生器应用电路6.2.4合成信号发生器合成信号发生器是借助电子技术及计算机技术将一个(或几个)基准频率通过合成产生一系列满足实际需要频率的信号源。其基准信号通常由石英晶体振荡器产生。

1.现代科学技术对信号源技术的要求随着电子科学技术的发展，对信号频率的稳定度和准确度提出了愈来愈高的要求。例如在无线电通信系统中，蜂窝通信频段在912MHz并以30kHz步进，为此，信号频率稳定度的要求必须优于10-6。同样，在电子测量技术中，如果信号源频率的稳定度和准确度不够高，就很难做到对电子设备特性进行准确的测量。因此，频率的稳定度和准确度是信号源的一个重要的技术指标。在以RC、LC为主振荡器的信号源中，频率准确度一般只能达到10-2量级，频率稳定度只能达到10-3～10-4量级，远远不能满足现代电子测量和无线电通信等方面的要求。另外，以石英晶体组成的晶体振荡器日稳定度优于10-8量级，但是它只能产生某些特定的频率，为此需要采用频率合成技术，产生一定频段的高稳定度的信号。频率合成技术是对一个或几个高稳定度频率进行加、减、乘、除算术运算，得到一系列所要求的频率信号。采用频率合成技术做成的信号源称为频率合成器，用于各种专用设备或系统中，例如通信系统中的激励源和本振。用这种技术做成通用的电子仪器，称为合成信号发生器(或称合成信号源)。频率的加、减通过混频获得，乘、除通过倍频、分频获得，采用锁相环也可以实现加、减、乘、除运算。合成信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形，它是当前应用最广泛且性能较高的信号源。其具体原理将在本章第三节中作比较详细的介绍。

2.合成信号源的主要技术指标如同6.1.4节所述，合成信号源的工作特性应该包括以下几个方面：频率特性、频谱纯度、输出特性、调制特性等。下面就对频率特性和频谱纯度作进一步的叙述。

(1)频率准确度和稳定度。其取决于内部基准源，一般能达到10-8/日或更好的水平。HP8663A合成信号发生器的频率稳定度已经达到5×10-10/日。

(2)频率分辨力。由于合成信号源的频率稳定度较高，所以分辨力也较好，可达0.01～10Hz。

(3)相位噪声。信号相位的随机变化称为相位噪声，相位噪声会引起频率稳定度的下降。在合成信号源中，由于其频率稳定度较高，所以对相位噪声也应该严格限制，通常带宽相位噪声应低于-60dB，远端相位噪声(功率谱密度)应低于-120dB/Hz。

(4)相位杂散。在频率合成的过程中常常会产生各种寄生频率分量，称为相位杂散，相位杂散一般限制在-70dB以下。需要说明的是：在频域里，相位杂散是在信号谱两旁呈对称的离散谱线分布，而相位噪声则在两旁呈连续分布。

(5)频率转换速度。指信号源的输出从一个频率变换到另一个频率所需要的时间。直接合成信号源的转换时间为微秒量级，而间接合成则需要毫秒量级。6.2.5信号发生器的发展趋势由于电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类日益增多，性能日益提高，尤其随着上个世纪70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化的方向发展。现在，许多信号发生器除因为带有微处理器而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成与修正等功能外，还带有IEEE-488或RS232总线，可以控制计算机及其他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高频率稳定度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。6.3频率合成技术及锁相频率合成6.3.1频率合成的原理在现代测量和现代通信技术中，需要高稳定度、高纯度的频率信号源。这种高稳定度的信号不能用LC或RC振荡器(稳定度只能达到10-3～10-4量级)产生，而一般采用晶体振荡器(稳定度可以优于10-6～10-8量级)来产生，但晶体振荡器只能产生一个固定的频率。当要获得许多稳定的信号频率时，采用很多个晶体振荡器来产生是不现实的，而采用频率合成的方法就能方便地实现。频率合成是由一个或多个高稳定的基准频率(一般由高稳定的石英晶体振荡器产生)，通过基本的代数运算(加、减、乘、除)，得到一系列所需的频率。通过合成产生的各种频率信号，频率稳定度可以达到与基准频率源基本相同的量级。与其他方式的正弦波信号发生器相比，信号源的频率稳定度可以提高3～4个数量级。频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现的。分频实现频率的除，即输入频率是输出频率的某一整数倍。倍频实现频率的乘，即输出频率为输入频率的整数倍。频率的加减则是通过频率的混频来实现。6.3.2频率合成的分类及特点频率合成技术已发展近五十年的时间，特别是随着集成电路技术的发展而不断的发展和完善。当前主要的频率合成方式有：直接频率合成和间接频率合成，直接频率合成又可以分为模拟直接频率合成和数字直接频率合成。

1.直接频率合成法

1)模拟直接合成法模拟直接合成法是借助电子线路直接对基准频率进行算术运算，输出各种需要的频率。鉴于采用模拟电子技术，所以又称为直接模拟频率合成法(DirectAnalogFrequencySynthesis，DAFS)。常见的电路有以下两种。

(1)固定频率合成法。图6-17为固定频率合成原理框图。图中，石英晶体振荡器提供基准频率fr，D为分频器的分频系数，N为倍频器的倍频系数。因此，输出频率fo为

(6-16)式中，D和N均为给定的正整数。输出频率为定值，所以称为固定频率合成法。图6-17固定频率合成原理

(2)可变频率合成法。图6-8是利用直接模拟式频率合成实现可变频率合成的原理框图，它是通过频率的混频、倍频和分频等方法，由基准频率产生一系列频率信号并用窄带滤波器选出。以实现3.628MHz输出信号为例，由晶体振荡器产生的1MHz基准频率通过谐波发生器产生1MHz、2MHz、…、9MHz等多个基准频率信号，将这些频率信号进行10分频(完成÷10运算)、混频(完成加法运算)和滤波，最后产生所需的3.628MHz输出信号。只要选取不同的谐波并进行相应的组合就可以得到所需的信号。图6-18模拟直接式频率合成原理框图直接模拟式频率合成的优点是频率切换迅速，相位噪声很低。其缺点是电路硬件结构复杂，需要大量的混频器、分频器及带通滤波器等，因而体积大，价格昂贵，不便于集成化。

2)数字直接合成法前面两种信号合成方法都是基于频率合成的原理，用模拟的方法，通过对基准频率fr进行加、减、乘、除算术运算得到所需要的输出频率。自20世纪70年代以来，由于大规模集成电路的发展以及计算机技术的普及，开创了另一种信号合成技术——直接数字频率合成法(DirectDigitalFrequencySynthsis，DDFS)。它的原理是基于取样技术和数字计算机技术来实现数字合成，产生所需要的信号。它突破了前两种频率合成法的原理，从“相位”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，甚至可以给出各种各样形状的任意波形。在前述两种合成方法中，后两个性能是无法实现的。此合成方法的优点是能够解决快捷变和小步进之间的矛盾，且集成度高，体积小。但是由于D/A等器件的速率度限制，其频率上限较低，杂散也较大。

2.间接频率合成法间接频率合成法是基于锁相环(PhaseLockedLoop，PLL)的原理，利用锁相环(PLL)把压控振荡器(VCO)的输出频率锁定在基准频率上，锁相环可以看做为中心频率能自动跟踪输入基准频率的窄带滤波器。如果在锁相环内加入有关电路就可以对基准频率进行算术运算，产生人们需要的各种频率。由于它不同于模拟直接合成法，不是用电子线路直接对基准频率进行运算，故称为间接合成法。锁相式频率合成的优点是：易于集成化、体积小、结构简单、功耗小、价格低等，但是它的频率切换时间相对较长。6.3.3锁相频率合成

1.锁相环基本工作原理及性能锁相环是一个相位环负反馈控制系统，该环路由鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)、电压控制振荡器(VCO)及基准晶体振荡器等部分组成，其基本原理如图6-19所示。图6-19锁相环控制系统原理框图图中的鉴相器是一个相位比较电路，用于检测输入信号ui与反馈信号uo之间的相位差，其输出为误差电压ud。环路滤波器实际上是一个低通滤波器，用于滤除误差电压uD中的高频成分和噪声，达到稳定环路工作及改善环路性能的目的。压控振荡器的输出频率受控制电压的控制，鉴相器输出的误差电压经过环路滤波器滤波后，去控制压控振荡器的输出信号频率，实现了相位的反馈控制，将输出信号频率fo锁定在输入信号频率fi上。当环路稳定时，fo=fi，它们具有同等的稳定度，或者说锁相式频率合成器的频率稳定度可以提高到晶体振荡器的质量水平。当压控振荡器输出频率fo由于某些原因发生变化时(称为锁相环的失锁)，相应相位也发生变化，该相位变化在鉴相器中与基准晶振频率的稳定相位比较，使得鉴相器输出一个与相位差成比例的电压ud，该电压经低通滤波检出直流分量去控制压控振荡器的输出频率，使压控振荡器的输出频率fo向输入频率fi方向拉动，产生了所谓的频率牵引现象，随着压控振荡器的输出频率fo向输入频率fi方向逐渐拉动，ud相应的逐渐变小，最后，不但使压控振荡器输出频率和基准晶振一致，而且相位也趋于同步，这时称为环路相位锁定。同样若改变输入基准频率fi，也会引起鉴相器输出电压ud发生变化，进而驱动VCO的输出频率及相位与输入一致并进入锁定状态。当环路锁定时，VCO的输出频率fo=fi，若fi变化，fo

也跟随着变化，动维持fo=fi的关系，这就是环路的跟踪性。但是fi变化必须在一定范围内，fo才能跟踪fi，超出这一范围fo将无法跟踪输入频率fi的变化而“失锁”。将锁定条件下输入频率所允许的最大变化范围称为同步带宽，它表明了锁定状态下VCO的最大频率变化范围。锁相环的工作过程是一个从失锁状态→频率牵引→锁定状态的过程，锁相环从失锁状态进入锁定状态是有条件的，当锁相环刚开始工作时，锁相环处于失锁状态，VCO的输出频率fo与输入参考频率fi之间存在一个频差Δfo=fo-fi，只要当Δfo减小到一定值，环路才能从失锁状态进入锁定状态。因此将环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的频差称为捕捉带宽。当失锁状态下的频差Δfo小于捕捉带宽时，锁相环总能进入锁定状态。锁相环是一个相位环反馈控制系统，系统的信息是相位，因此可以采用相位传递函数来描述锁相环的特性，锁相环的闭环相位传递函数为

(6-17)式中，Φo(s)为输出相位φo(t)的拉氏变换；Φi(s)为输入相位φi(t)的拉氏变换。传递函数H(s)的阶数取决于环路滤波器的形式，若没有环路滤波器则H(s)为一阶，一般H(s)为二阶，也有三阶的，相应称为一阶环、二阶环、三阶环等。若取s＝jω，则得到锁相环的频率特性，即

(6-18)式中，ω为输入相位的调制角频率。由此可见，锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性，其高频截止频率称为环路带宽。应当注意，这里所说的低通特性是针对输入信号的相位而言，不是对输入信号的整体而言。对输入信号的相位φi(t)具有低通特性就意味着对输入信号的整体(Uimsin［ωit+φi(t)］)具有带通特性，即锁相环只允许在输入频率fi附近的频率成分通过，而阻止远离fi的频率成分通过，因此锁相环具有窄带滤波特性。

2.锁相环的基本形式在锁相式频率合成信号源中，需要采用不同形式的锁相环，以便产生在一定频率范围内步进的或连续可调的输出频率，常见的锁相环形式主要有以下几种。

(1)倍频式锁相环(倍频环)。倍频环是实现对输入频率进行乘法运算的锁相环。倍频环主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环。图6-20是其原理框图。图6-20倍频式锁相环原理框图

(a)谐波倍频环；(b)数字倍频环图6-20(a)中，输入频率fi信号经谐波形成电路形成含丰富谐波分量的窄脉冲，通过调谐VCO的固有频率靠近谐波中第N次谐波，即用第N次谐波与VCO信号在鉴相器中进行相位比较，从而VCO被锁定在输入信号的第N次谐波上，使得环路锁定后fo=Nfi。倍频环也可采用数字倍频的形式，图6-20(b)是其实现原理框图。它是在反馈回路中加入数字分频器，将输出信号N分频后送入相位比较器，与基准频率信号进行比较，当环路锁定时，fo=Nfi。倍频锁相环一般用符号NPLL表示。

(2)分频式锁相环(分频环)。分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有两种基本形式，如图6-21所示。图6-21分频式锁相环原理框图

(a)谐波分频环；(b)数字分频环与倍频不同的是，在谐波分频式锁相环中，谐波形成电路放于反馈回路之中，在鉴相器中将输入参考频率与输出频率的第N次谐波进行相位比较，因此锁定后，输出频率fo=fi/N。而在数字分频式锁相环中，数字分频器置于锁相环外，分频器的输出频率与VCO的输出频率进行相位比较，则当环路锁定时，同样有fo=fi/N。

(3)混频式锁相环(混频环)。混频环实现对频率的加减运算，图6-22(a)是一个进行加法运算的混频环，图6-22(b)是一个进行减法运算的混频环。在图6-22(a)中，输出频率fo与输入频率fi2混频后取差频fo-fi2与输入频率fi1进行相位比较，因此，环路锁定后，fo＝fi1＋fi2。如果fi2采用高稳定的石英晶体振荡器，fi1

采用可调的LC振荡器,则可以实现fo在一定范围内的连续可调，而且当fi2比fi1高得多时，输出频率稳定度仍可达到与输入频率fi2同一量级。而在图(b)中，输出频率fo与基准频率fi2混频后,取和频fo+fi2与参考频率fi1进行相位比较，因此环路锁定后，fo＝fi1-fi2。图6-22混频式锁相环(a)加法混频环；(b)减法混频环

(4)多环合成单元。以上几种锁相环都是单环形式，其不足之处在于频率点数目较少，频率分辨力不高，我们无法利用单环锁相环来合成所需的输出频率覆盖并实现连续可调。所以，一般合成式信号源都是由多环合成单元组成。根据需要，多环结构的形式可以是多种多样的，下面以一个双环合成单元为例加以说明，其原理结构如图6-23所示。图6-23双环合成器原理结构图(a)双环合成器原理结构框图；(b)双环合成器简化结构框图该双环合成器由一个倍频环(虚线下方部分)和一个加法混频环(虚线上方部分)组成，倍频环的输出作为加法混频环的一个输入，内插振荡器的连续可变输出作为加法混频环的另一个输入，可知混频环的输出频率为fo=Nfi1+fi2

(6-19)由式(6-19)可知，通过调谐VCO1固有频率改变倍频系数N和调谐fi2即可实现在两个锁定点之间的连续可调，下面用一个例子进行说明。例如，为了从图6-23的双环合成单元获得在3400～5100kHz之间连续可调的输出频率，N、fi1、fi2可选择如下：取输入基准频率fi1为10kHz，N在330～500之间变化，则倍频环输出Nfi1为3300kHz～5000kHz之间，间隔为10kHz的离散频率，如3300kHz，3310kHz，…，4990kHz，5000kHz。为了实现fo在3400kHz～5100kHz之间连续可调，选择内插振荡器的输出频率fi2具有10kHz的覆盖，即可把fi2的10kHz连续可调范围“插入”到倍频环输出频率相邻的两个离散锁定点之间。这里取fi2的连续可调范围为100kHz～110kHz，则可实现要求区间内的连续覆盖。例如，若要求输出频率fo为2153.5kHz，首先调谐VCO1使之锁定在2050kHz(N为205)，然后调节内插振荡器使其输出频率fi2为103.5kHz，则通过混频环后得到合成频率fo＝(2050+103.5)kHz=2153.5kHz。VCO1和VCO2的可变电容是同轴统调，当VCO1的频率从一个锁定点调到另一个锁定点的同时，VCO2的固有频率作相应改变，使其始终能进入混频环的捕捉带宽之内从以上可知，由于在锁相环的反馈支路中加入频率运算电路(加、减、乘、除等)，所以，锁相环的输出频率fo是基准频率fi经有关数学运算的结果，环路不同，数学运算的结果不同。在锁相环频率合成信号源中，倍频式锁相环和混频式锁相环获得更多的应用，数字环的N值可以借助计算机实现程控设定。6.4直接数字频率合成技术

6.4.1直接数字频率合成的基本原理直接数字合成的过程是在标准时钟的作用下，通过控制电路按照一定的地址关系从数据存储器ROM(或RAM)单元中读出数据，再进行数模转换(D/A)，就可以得到一定频率的输出波形。由于输出信号(在D/A的输出端)为阶梯状，为了使之成为理想正弦波还必须进行滤波，滤除其中的高频分量，所以在D/A之后接一平滑滤波器，最后输出频率为fo的正弦信号波形。

1.DDS组成原理直接数字合成(DirectDigitalSynthesis，DDS)的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。任何频率的正弦波形都可以看做是由一系列取样点所组成。设取样时钟频率为fc，正弦波每个周期由K个取样点构成，则该正弦波的频率为

(6-20)式中，Tc为取样时钟周期。如果改变取样时钟频率fc,则可以改变输出正弦波的频率fo。其基本实现原理框图如图6-24所示。图6-24DDS组成原理如果将一个完整周期的正弦波形幅值数据存放于波形存储器ROM中，地址计数器在参考时钟fc的作用下进行加1的累加计数，生成对应的地址，并将该地址存储的波形数据通过D/A转换器输出，就完成了合成的波形。其合成波形的输出频率取决于两个因数：参考时钟频率fc、ROM中存储的正弦波。因此改变时钟频率fc或改变ROM中每周期波形的采样点数K，均能改变输出频率fo。

2.相位累加器原理如果改变地址计数器计数步进值(即以值M(M＞1)来进行累加)，则在保持时钟频率fc和ROM数据不变的情况下，可以改变每周期的采样点数，从而实现输出频率fo

的改变。例如,设存储器中存储了K个数据(一个周期的采样数据)，则地址计数器步进为1时，输出频率fo=fc/K，如果地址计数步进为M，则每周期取样点数为K/M，输出频率fo=(M/K)fc。地址计数器步进值改变可以通过相位累加器法来实现，其基本原理框图如图6-25所示。图6-25相位累加器原理相位累加器在参考时钟fc作用下进行累加，相位累加的步进幅度(相位增量Δ)由频率控制字M决定。设相位累加器为N位(其累加值为K)，频率控制字为M，则每来一个时钟作用后累加器的值Ki+1=Ki+M,若Ki+1＞2N则自动溢出(N为累加器中的余数保留)，参加下一次累加。将累加器输出中的高A(A＜N)位数据作为波形存储器的地址，即丢掉了低位(N-A)的地址(又称为相位截尾)，波形存储器的输出经D/A转换和滤波后输出。为了便于理解，我们可以将正弦波看做一个矢量沿相位圆转动，相位圆对应正弦波一个周期的波形。波形中的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。如图6-26所示。图6-26数字相位圆如果正弦波形定位到相位圆上的精度为N位，则其分辨力为1/2N,即以fc对基本波形一周期的采样数为2N。如果相位累加时的步进为M(频率控制字)，则每个时钟fc使得相位累加器的值增加M/2N,即Ki+1=Ki+(M/2N),因此每周期的取样点数为2N/M,则输出频率为

(6-21)为了提高波形相位精度，N的取值应较大，如果直接将N全部作为波形存储器的地址，则要求采用的存储器容量极大，一般舍去N的低位，只取N的高A位(如高16位)作为存储器地址，使得相位的低位被截断(即相位截尾)。当相位值变化小于1/2A时,波形幅值并不会发生变化，但输出频率的分辨力并不会降低，由于地址截断而引起的幅值误差称为截断误差。

3.DDS的性能因为输出信号实际上是以时钟fc的速率对波形进行取样，从获得的样本值中恢复出来的。根据取样定理fomax≤(fc/2)，所以M≤2N-1，实际中一般取M≤2N-2。当M＝1时，输出频率最小，fomin=(1/2N)fc。输出频率的分辨力Δf由相位累加器的位数N决定，即Δf=(1/2N