【正文】 來產(chǎn)生正弦振蕩，獲得所需頻率。這種信號發(fā)生器雖然具有輸出信號頻率范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但輸出 波形單一，不能產(chǎn)生任意波形，且頻率穩(wěn)定度和準確度較差，頻率準確度一般在 %以下，對于作為精密測量用的信號發(fā)生器，其頻率穩(wěn)定度一般要求達到。 因此傳統(tǒng)的信號發(fā)生器己經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代電子測量的需要，正逐步退出歷史舞臺。而基于頻率合成技術(shù)制成的信號發(fā)生器，由于可以獲得很高的頻率穩(wěn)定度和精確度，因此發(fā)展非常迅速，尤其是最近隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用更是有了質(zhì)的飛躍。 國內(nèi)外動態(tài) 波形發(fā)生器的發(fā)展狀況 波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標準信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性 、可重復性和易操作性的電子儀器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅可以模擬各種復雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態(tài)、及時的控制，并能夠與其它儀器進行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、振動激勵、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在 70年代前，信號發(fā)生器主要有兩類 :正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標準波形，產(chǎn)生其它波形時，需要采用較復雜的電路和機電結(jié)合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件 構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復雜。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值 。二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。 在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、戶了 D 和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴大，產(chǎn)生更加復雜的波形 [24〕。這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對 DAC 的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器 [26〕、但是HP 公司推出了型號為 HP77OS 的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP877OA 任意 中國石油大學（北京 )本科設(shè)計 第 VI 頁 波形數(shù)字化和 HP1776A 波形發(fā)生軟件組成。 HP877OA 實際上也只能產(chǎn)生 8中波形，而且價格昂貴。不久以后， Analogic 公司推出了型號為 Data一 2020 的多波形合成器， Leeroy 公司生產(chǎn)的型號為 9100 的任意波形發(fā)生器等。 到了二十一世紀，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過 oHz 的 ons 芯片〔 38〕仁 39〕，同時也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展， 2021 年 Agilent 能夠產(chǎn)生高達 50OMHz 的頻 率，采樣的頻率可達 。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面 : ，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以利用一種強有力的數(shù)學方程輸入方式，復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成v=f(t)形式的波形方程的數(shù)學表達式產(chǎn)生。從而促進了函數(shù) 波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言 (如 VisualBasic， VisualC 等等 )編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。 VXI 資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新近開發(fā)的 VXI 模塊。由于 VXI 總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI 系統(tǒng)測量產(chǎn)生復雜的波形， VXI 的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā) VXI 模塊的周期長，而且需要專門的 VXI 機箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI 模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面， vxl 模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。 ，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。 中國石油大學（北京 )本科設(shè)計 第 VII 頁 國外波形發(fā)生器產(chǎn)品介紹 早在 1978 年，由美國 Wavetek 公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣 頻率為 SMHz，可以形成 256 點 (存儲長度 )波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為 sbit，主要用于振動、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號源，經(jīng)過將近 30 年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 以下給出了幾種波形發(fā)生器的性能指標，從中可以看出當今世界上重要電子儀器生產(chǎn)商在波形發(fā)生器上的研制水平。 函數(shù)波形發(fā)生器的幾種實現(xiàn) 方式 任意波形發(fā)生器得實現(xiàn)方案主要有程序控制輸出、 DMA 輸出、可變時鐘計數(shù)器尋址和直接數(shù)字頻率合成等多種方式。 程序控制輸出方式 計算機根據(jù)波形的函數(shù)表達式，計算出一系列波形數(shù)據(jù)瞬時值，并定時地逐個傳送給 D/A 轉(zhuǎn)換器，合成出所需要的波形。這種方式具有電路簡單、實現(xiàn)方便等特點。但數(shù)據(jù)輸出定時不準確，會影響信號的頻率和相位 。波形數(shù)據(jù)輸出依靠指令的執(zhí)行來完成，當需要同時輸出多個信號時，相鄰信號通道的輸出存在時間差 。受計算機運行速度的限制，輸出信號的頻率較低。 DMA 輸出方式 DMA(direetmemo 仃 aecess)方式輸出不依賴于程序的執(zhí)行，由 DMA 控制器申請總線控制權(quán)，通過地址總線給出存儲器的地址信號，同時選通存儲器和 D/A 轉(zhuǎn)換器，在兩者之間建立直接的數(shù)據(jù)通道，使存儲器相應(yīng)單元中的波形數(shù)據(jù)傳送給 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出信號。 DMA 方式輸出信號，可以大大提高信號的數(shù)據(jù)輸出速率。但也存在一些問題，如波形輸出期間，微處理器因為失去了總線控制權(quán)，無法進行其他操作 。在一個 中國石油大學（北京 )本科設(shè)計 第 VIII 頁 DMA 操作中，只能在一個 D/A 轉(zhuǎn)換器和存儲器之間傳送數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)多通道的信號輸出。 可變時鐘計數(shù) 器尋址方式 采用可變時鐘計數(shù)器尋址波形存儲器表，該方法是一種傳統(tǒng)型任意波形發(fā)生器。原理框圖如圖 1一 1 所示。 圖 1一 1可變時鐘計數(shù)器尋址的任意波形發(fā)生 圖中的計數(shù)器實際上是一個地址發(fā)生器，計數(shù)器的觸發(fā)時鐘脈沖由一個頻率可以控制的頻率發(fā)生器產(chǎn)生，通過改變頻率發(fā)生器的頻率設(shè)置值，實現(xiàn)調(diào)整計數(shù)器產(chǎn)生的地址變化速率，從而改變輸出的任意波形的頻率。計數(shù)器產(chǎn)生的地址碼提供讀出存儲器中波形數(shù)據(jù)所需要的地址信號，波形數(shù)據(jù)依次讀出后送至高速 D/A 轉(zhuǎn)換器，將之轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，經(jīng)低通濾波器后輸出所需的波形?？梢妭鹘y(tǒng)的任意波形 發(fā)生器采用可變時鐘和計數(shù)器尋址波形存儲器表，此方法的優(yōu)點是產(chǎn)生的地址連續(xù)，輸出波形質(zhì)量高。但其取樣時頻率較高，對硬件的 要求也較高，而且常需多級分頻或采用高性能的鎖相環(huán)，其中分頻式的任意波形發(fā)生器頻率分辨率低，鎖相式的任意波形發(fā)生器頻率切換速度慢。 直接數(shù)字頻率合成方式 Dos(direetdigitalsynthesizer)[9〕是在一組存儲器單元中按照信號波形數(shù)據(jù)點的輸出次序存儲了將要輸出波形的數(shù)據(jù)，在控制電路的協(xié)調(diào)控制下，以一定的速率，周而復始地將波形數(shù)據(jù)依次發(fā)送給 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 相應(yīng)的模擬信號。由于用硬件電路取代了計算機的控制，信號輸出穩(wěn)定度高。如需更新輸出信號，不必改動任何線路和元器件，只需改寫存儲器中的波形數(shù)據(jù)即可。更主要的是，可以將微處理器從信號輸出的負擔中解脫出來。如圖 1 一 2為其工作流程圖。 中國石油大學（北京 )本科設(shè)計 第 IX 頁 第 2 章 直接數(shù)字頻率合成器的原理及性能 第 1 頁 第二章 直接數(shù)字頻率合成器的原理及性能 頻率合成器簡介 頻率合成技術(shù)概述 頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，它作為電子系統(tǒng)的“心臟”， 在通信、雷達、電子對抗、導航、儀器儀表等許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。頻率合成理論早在 30 年代就開始提出， 迄今為止已有 70年的發(fā)展歷史。所謂的頻率合成就是將一個高精度和高穩(wěn)定度的標準參考頻率，經(jīng)過混頻、倍頻與分頻等對它進行加、減、乘、除的四則運算，最終產(chǎn)生大量的具有同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源。頻率合成大致經(jīng)歷了三個主要階段 :直接頻率合成 。采用鎖相技術(shù)的間接頻率合成 。直接數(shù)字頻率合成。早期的頻率合成方法稱為直接頻率合成。它利用混頻器、倍頻器、分頻器與帶通濾波器來完成四則運算。直接頻率合成能實現(xiàn)快速頻率變換、幾乎任意高的頻率分辨力、低相位噪聲及很高的輸出頻率。缺點是直接合成由于使用了大量硬設(shè)備如混頻器、倍頻器、分頻 器、帶通濾波器等，因而體積大、造價高。此外寄生輸出大這是由于帶通濾波器無法將混頻器產(chǎn)生的無用頻率分量濾盡。而且頻率范圍越寬，寄生分量也就越多。而這些足以抵消其所有優(yōu)點。直接頻率合成技術(shù)的固有缺點在間接頻率合成技術(shù)中得到了很到的改善。間接頻率合成又稱鎖相頻率合成，采用鎖相環(huán)路 (PLL)技術(shù)對頻率進行四則運算，產(chǎn)生所需頻率。鎖相環(huán)路(PLL)是一個能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控住系統(tǒng)。早在 1932 年DeBellescize 提出的同步檢波理論中首次公布發(fā)表了對鎖相環(huán)路的描述。但是由于其復雜的技術(shù)原理直到 1947 年鎖相環(huán)路才第一次用于電 視接收機水平和垂直的同步掃描。它的跟蹤性能及低噪聲性能得到人們的重視得到迅速發(fā)展。它在無線電技術(shù)的各個領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。但是鎖相頻率合成器也存在一些問題，以致難于滿足合成器多方面的性能要求。主要表現(xiàn)在高頻率分辨率與快速轉(zhuǎn)換頻率之間的矛盾。 直接數(shù)字頻率合成即 DDS，它是目前最新的產(chǎn)生頻率源的頻率合成技術(shù)。 第 2 章 直接數(shù)字頻率合成器的原理及性能 第 1 頁 這種技術(shù)是用數(shù)字計算機和數(shù)模變換器來產(chǎn)生信號。完成直接數(shù)字頻率合成的辦它是目前最新的產(chǎn)生頻率源的頻率合成技術(shù)。 這種技術(shù)是用數(shù)字計算機和數(shù)模變換器來產(chǎn)生信號。完成直接數(shù)字 頻率合成的辦法，或者是用計算機求解一個數(shù)字遞推關(guān)系式。或者是查閱表格上所存儲的波形值。目前用的最多的是查表法。這種合成技術(shù)具有相對帶寬很寬，頻率切換時間短 (ns 級 )，分辨率高 (uHz)，相位變化連續(xù)，低相位噪聲和低漂移，數(shù)字調(diào)制功能，可編程及數(shù)字化易于集成，易于調(diào)整等一系列性能指標遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平，為各種電子系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源性能的高質(zhì)量的頻率源。目前它正朝著系統(tǒng)化，小型化、模塊化和工程化的方向發(fā)展，性能越 來越好，使用越來越方便，是目前應(yīng)用最廣泛的頻率合成器之一。 頻率合成器主要指標 信號源的一個重要指標就是能輸出頻率準確可調(diào)的所需信號。一般傳統(tǒng)的信號發(fā)生器采用諧振法，即用具有頻率選擇性的正反饋回路來產(chǎn)生正弦振蕩，獲得所需頻率信號，但難以產(chǎn)生大量的具有同一穩(wěn)定度和準確度的不同頻率。利用頻率合成技術(shù)制成的信號發(fā)生器，通常被稱為頻率合成器。頻率合成器既要產(chǎn)生所需要的頻率，又要獲得純凈的信號。頻率合成器的主要指標如下 : (fmin~fmax):指的是輸出的最小頻率和最大頻率之間的變化范圍。 :指的是輸出頻率在一定時間間隔內(nèi)和標準頻率偏差 的數(shù)值，它分長期、短期和瞬時穩(wěn)定度三種。 :指的是輸出頻率的最小間隔。 :指的是輸出由一種頻率轉(zhuǎn)換成另一頻率的時間。 :頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來衡量，雜散分量為諧波分量和非諧波分量兩種，主要由頻率合成過程中的非線性失真產(chǎn)生，相位噪聲是衡量輸出信號相位抖動大小的參數(shù)。 :指的是頻率合成器是否具有調(diào)幅 (AM)、調(diào)頻 (FM)、調(diào)相 (PM) 等功能。 第 2 章 直接數(shù)字頻率合成器的原理及性能 第 1 頁 DDS 原理 DDS 是一種全數(shù)字的頻率合成方法，其基本結(jié)構(gòu)主要由相位累加器、波形 ROM、 D/A 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器四個部分構(gòu)成，如圖 2一 1所示。 相位累加器一波形 ROM 一 D/A 轉(zhuǎn)換器一低通濾波器 圖 2一 1DDS 結(jié)構(gòu)原理圖 圖 2一 l中相位累加 器結(jié)構(gòu)如圖 2 一 2所示。 圖 2一 2相位累加器結(jié)構(gòu)圖 相位累加器由一個 N位的加法器和一個 N位的寄存器構(gòu)成，通過把上一個 時鐘的累加結(jié)果反饋回加法器的輸入端而實現(xiàn)累加功能。從而使輸出結(jié)