【文章內(nèi)容簡介】 析 信號發(fā)生器的基礎(chǔ) 信號發(fā)生器的分類凡是產(chǎn)生測試信號的儀器，統(tǒng)稱為信號源，也稱為信號發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號。在測試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測設(shè)備的激勵信號。信號發(fā)生器是許多電子設(shè)備特別是測試設(shè)備必備的一部分，用以輸入基準(zhǔn)源信號給被測設(shè)備，通過接收被測設(shè)備返回的信息，來分析研究被檢測設(shè)備的情況。信號發(fā)生器可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號發(fā)生器、矩形脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器和隨機(jī)信號發(fā)生器等四大類。正弦信號是使用最廣泛的測試信號。這是因?yàn)楫a(chǎn)生正弦信號的方法比較簡單，而且用正弦信號測量比較方便。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和微波信號發(fā)生器；按輸出電平可調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器（即信號源）、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器（輸出功率能準(zhǔn)確地衰減到100分貝毫瓦以下）和功率信號發(fā)生器（輸出功率達(dá)數(shù)十毫瓦以上）；按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號發(fā)生器、掃頻式信號發(fā)生器、程控式信號發(fā)生器和頻率合成式信號發(fā)生器等。低頻信號發(fā)生器：包括音頻（200～20000赫）和視頻（1赫～10兆赫）范圍的正弦波發(fā)生器。主振級一般用RC式振蕩器，也可用差頻振蕩器。為便于測試系統(tǒng)的頻率特性，要求輸出幅頻特性平和波形失真小。高頻信號發(fā)生器：頻率為 100千赫～30兆赫的高頻、30～300兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。一般采用 LC調(diào)諧式振蕩器，頻率可由調(diào)諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測量各種接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。輸出信號可用內(nèi)部或外加的低頻正弦信號調(diào)幅或調(diào)頻，使輸出載頻電壓能夠衰減到1微伏以下。微波信號發(fā)生器：從分米波直到毫米波波段的信號發(fā)生器。信號通常由帶分布參數(shù)諧振腔的超高頻三極管和反射速調(diào)管產(chǎn)生，但有逐漸被微波晶體管、場效應(yīng)管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機(jī)械調(diào)諧腔體來改變頻率，每臺可覆蓋一個倍頻程左右，由腔體耦合出的信號功率一般可達(dá)10毫瓦以上。掃頻和程控信號發(fā)生器：掃頻信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定范圍內(nèi)作線性變化的信號。掃頻信號發(fā)生器有自動掃頻、手控、程控和遠(yuǎn)控等工作方式。頻率合成式信號發(fā)生器：這種發(fā)生器的信號不是由振蕩器直接產(chǎn)生，而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，利用頻率合成技術(shù)形成所需之任意頻率的信號，具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，變換頻率迅速但電路復(fù)雜，最高輸出頻率只能達(dá)1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標(biāo)準(zhǔn)頻率源通過鎖相環(huán)控制電調(diào)諧振蕩器（在環(huán)路中同時(shí)能實(shí)現(xiàn)倍頻、分頻和混頻），使之產(chǎn)生并輸出各種所需頻率的信號。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器，配上多種調(diào)制功能（調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相），加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路，便構(gòu)成一種新型的高性能、可程控的合成式信號發(fā)生器，還可作為鎖相式掃頻發(fā)生器。函數(shù)發(fā)生器：又稱波形發(fā)生器。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形（主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。對這些函數(shù)發(fā)生器的頻率都可電控、程控、鎖定和掃頻，儀器除工作于連續(xù)波狀態(tài)外，還能按鍵控、門控或觸發(fā)等方式工作。 脈沖信號發(fā)生器：產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。脈沖發(fā)生器主要由主控振蕩器、延時(shí)級、脈沖形成級、輸出級和衰減器等組成。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路，除能自激振蕩外，主要按觸發(fā)方式工作。通常在外加觸發(fā)信號之后首先輸出一個前置觸發(fā)脈沖，以便提前觸發(fā)示波器等觀測儀器，然后再經(jīng)過一段可調(diào)節(jié)的延遲時(shí)間才輸出主信號脈沖，其寬度可以調(diào)節(jié)。有的能輸出成對的主脈沖或分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。隨機(jī)信號發(fā)生器：隨機(jī)信號發(fā)生器分為噪聲信號發(fā)生器和偽隨機(jī)信號發(fā)生器兩類。噪聲信號發(fā)生器： 完全隨機(jī)性信號是在工作頻帶內(nèi)具有均勻頻譜的白噪聲。噪聲信號發(fā)生器主要用途是：①在待測系統(tǒng)中引入一個隨機(jī)信號，以模擬實(shí)際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能；②外加一個已知噪聲信號與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較以測定噪聲系數(shù)；③用隨機(jī)信號代替正弦或脈沖信號，以測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。例如，用白噪聲作為輸入信號而測出網(wǎng)絡(luò)的輸出信號與輸入信號的互相關(guān)函數(shù)，便可得到這一網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)函數(shù)。偽隨機(jī)信號發(fā)生器：用白噪聲信號進(jìn)行相關(guān)函數(shù)測量時(shí)，若平均測量時(shí)間不夠長，則會出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)性誤差，這可用偽隨機(jī)信號來解決。當(dāng)二進(jìn)制編碼信號的脈沖寬度T足夠小，且一個碼周期所含T個數(shù)N很大時(shí)，則在低于=1/T的頻帶內(nèi)信號頻譜的幅度均勻，稱為偽隨機(jī)信號。只要所取的測量時(shí)間等于這種編碼信號周期的整數(shù)倍，便不會引入統(tǒng)計(jì)性誤差。二進(jìn)碼信號還能提供相關(guān)測量中所需的時(shí)間延遲。偽隨機(jī)編碼信號發(fā)生器由帶有反饋環(huán)路的n級移位寄存器組成，所產(chǎn)生的碼長為 。最具有代表性的是m序列。 ROM與波形數(shù)據(jù).：先將已經(jīng)數(shù)字化的正弦波(或三角波、方波)信號的幅度值數(shù)據(jù)存儲在波形存儲器ROM或RAM中，然后在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下，通過控制電路按照一定的地址關(guān)系從ROM中讀出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。如果一個存儲器(這里以ROM為例)有n條地址線，則這個存儲器的存儲空間為。假如在個存儲單元內(nèi)存放了一個周期的正弦波形數(shù)據(jù)，則每個單元內(nèi)的數(shù)據(jù)就表示正弦值的大小，這種存儲器稱為波形數(shù)據(jù)存儲器。如果重復(fù)地從0~ l單元讀出波形數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)，在波形數(shù)據(jù)存儲器的輸出端就會得到周期的正弦序列，如果再將周期的正弦序列輸入到D/A轉(zhuǎn)換器，則會在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到連續(xù)的正弦波形。輸出正弦序列的周期是由讀取數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率決定的。設(shè)CLK為加于波形數(shù)據(jù)存儲器的時(shí)鐘，該時(shí)鐘的周期為，則其頻率為。顯然，時(shí)鐘頻率越高,讀取波形數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)一個周期的數(shù)據(jù)所用的時(shí)間就越短，則D/A轉(zhuǎn)換器得到的正弦信號的頻率就越高。波形數(shù)據(jù)ROM波形數(shù)據(jù)0000000001 0000000011 0000000000 0000000001 時(shí)鐘尋址空間地址譯 碼 存儲器中的數(shù)據(jù)與波形的關(guān)系示意圖 信號發(fā)生器的組成.如圖2. 2所示為很簡單的一個波形發(fā)生器的系統(tǒng)組成，時(shí)鐘，輸入二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，生成波形數(shù)據(jù)存儲器所需的地址信號，地址信號的產(chǎn)生頻率正比于時(shí)鐘頻率。計(jì)數(shù)器的輸出在0~1之間周而復(fù)始地變化，從而使波形數(shù)據(jù)存儲器輸出周期的正弦序列，D/A轉(zhuǎn)換器則輸出連續(xù)的模擬正弦電壓波形。模擬波形輸出n位時(shí)鐘二進(jìn)制計(jì)數(shù)器波形數(shù)據(jù)存儲器D/A轉(zhuǎn)換圖 波形發(fā)生器的系統(tǒng)組成圖2. 3是輸出的波形的頻率與時(shí)鐘頻率的關(guān)系圖，其數(shù)學(xué)表達(dá)式是 （2 1）t 一周期的正弦波形與時(shí)鐘周期的關(guān)系知 。 也即 （2 2） DDS的原理在實(shí)際問題中，如果連續(xù)改變時(shí)鐘頻率的值，就可以得到一個頻率連續(xù)變化的周期信號。用LRC組成的雖然可以得到一個連續(xù)變化的時(shí)鐘，但其頻率穩(wěn)定性很不好，且不可能得到一個寬范圍變化的時(shí)鐘信號。如果用晶體振蕩器作為時(shí)鐘，可以得到穩(wěn)定度極高的時(shí)鐘，但又不能滿足頻率可變的要求。如圖2. 4所示的電路是傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖，由四個部分組成：計(jì)數(shù)器或地址發(fā)生器（這里為方便說明選擇8位）、正弦信號數(shù)據(jù)ROM（8位地址線，8位數(shù)據(jù)線）含有256個8位數(shù)據(jù)（一個周期）、8位D/A時(shí)鐘CLK模擬波形輸出正弦數(shù)據(jù)ROM8位計(jì)數(shù)器(地址發(fā)生器)D/A轉(zhuǎn)換圖2. 4 正弦信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器的數(shù)學(xué)方法是利用一片ROM和一片DAC，再加上地址發(fā)生計(jì)數(shù)器和寄存器即可。在ROM中，每個地址對應(yīng)的單元的內(nèi)容（即是波形數(shù)據(jù)）都對應(yīng)正弦波的離散采樣值，ROM中必須包含完整的正弦波采樣值，而且還要避免在按照地址讀取ROM內(nèi)容是可能引起的不連續(xù)點(diǎn)，避免量化噪聲集中于基頻的諧波上。時(shí)鐘頻率輸入地址發(fā)生器和寄存器，地址計(jì)數(shù)器所選中的ROM的地址中的內(nèi)容被鎖入寄存器，寄存器的輸出經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號，即由各個臺階重構(gòu)的正弦波，若相位精度n比較大，則重構(gòu)的正弦波經(jīng)適當(dāng)平滑后失真很小。當(dāng)發(fā)生變化，則D/A輸出的正弦波的頻率就隨之改變，并且輸出的正弦波信號的頻率的改變僅決定于的改變。我們可根據(jù)這個適當(dāng)?shù)恼{(diào)整輸出頻率。為了使控制輸出頻率更加方便，可以采用相位累加器，使得輸出頻率正比于時(shí)鐘頻率和相位增量之積。 為采用了相位累加器的直接數(shù)字合成系統(tǒng)，設(shè)正弦波的相位精度位n位，則其分辨率為，在通過時(shí)鐘頻率每次讀取相位圓周上個點(diǎn)，讀出ROM中所存儲的正弦波的振幅值，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換重構(gòu)正弦波，通過LPF（低通濾波器）濾波。同步寄存器相位字N位N位正弦數(shù)據(jù)ROM同步寄存器MMD/AN頻率字寄存器相位調(diào)制器CLK系統(tǒng)時(shí)鐘相位累加器 采用了相位累加器的直接數(shù)字合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖相位累加器的作用是在讀取數(shù)字相位圓周上各點(diǎn)時(shí)可以每間隔M個點(diǎn)讀取一個數(shù)值， 的頻率字。則在D/A輸出端所得的正弦波頻率是 （2 3）通常式（2 3）中的n取值在24~32之間， 相位累加器位寬和采樣點(diǎn)關(guān)系可知，相位分辨率至少是1/16777216，也即相當(dāng)于度。相位增量值可預(yù)置，通過相位累加器，選取ROM的地址時(shí)可間隔選通。相位寄存器輸出的位數(shù)一般取10~16位，也即是截?cái)嗍降姆椒ǎ@樣可以減少ROM的容量。 相位累加器位寬和采樣點(diǎn)關(guān)系 相位寄存器增量 M相位累加器寬度采樣點(diǎn)數(shù)82561240961665536201048576241677721628268435456324294967296：系統(tǒng)時(shí)鐘可來自PLL提供，使得DDS的各種部件同步工作。DDS的相位累加器由一個N位長的二進(jìn)制加法器和一個由時(shí)鐘的采樣的N位寄存器組成，作用是對頻率控制字線性累加。波形存儲器ROM中存儲的是波形查詢碼，對應(yīng)的是不同相位碼輸出的波形幅度編碼。相位控制字是對輸出頻率字的偏移（也即是相位調(diào)制），相位調(diào)制器輸出輸出的序列對波形存儲尋址，得到波形幅度編碼，該波形幅度編碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到對應(yīng)的階梯波形，再經(jīng)過LPF平滑濾波后可得到所需的模擬波形。相位累加器在系統(tǒng)時(shí)鐘作用下，進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器加滿時(shí)就會產(chǎn)生溢出，這樣就完成了一次循環(huán)，輸出了一個周期波形。 DDS的時(shí)域分析設(shè)有一頻率為f的正弦信號S(t)： （2 4）現(xiàn)以采樣頻率對該信號進(jìn)行采樣，得到離散序列為: n=0,1,2........ （2 5）其中，為采樣周期。式（25）對應(yīng)的相位為： n=0,1,2.......... （2 6）顯然可知該相位序列的顯著特性是線性變化的，即相鄰樣值之間的相位增量是一常數(shù)，且僅與信號頻率f有關(guān)，相位增量為 n=0,1,2.......... （2 7）從前面分析式（23）可知，我們希望得到的信號的頻率是與參考頻率滿足以下關(guān)系： (M,P均為正整數(shù)) （2 8）那么式（27）又可以改寫為： （2 9）由上式知，若將的相位均勻量化為M等份，則頻率為的正弦信號以頻率采樣后，其量化序列的樣本之間的量化相位增量為一不變的值P。 那么，根據(jù)以上原理，如果我們用不變量P構(gòu)造一個量化序列 n=0,1,2.......... （2 10）那么對應(yīng)的序列為： （2 11）上式是連續(xù)時(shí)間信號S(t)經(jīng)采樣頻率為采樣后的離散時(shí)間序列。根據(jù)采樣定理（Nyquist定理），若 （2 12）時(shí)，S(n)經(jīng)過低通濾波器平滑后，可唯一恢復(fù)出S(t)。通過上述變換，不變量P將唯一地確定一個單頻模擬正弦信號S(t)： （2 13）該信號頻率為 （2 14）這也就是直接數(shù)字頻率合成（DDS）合成的過程。實(shí)際中，數(shù)控合成頻率中，那么式（211）又可改寫為： （2 15）將式（23）與所推導(dǎo)的式（212）對比我們可發(fā)現(xiàn)，剔除字母區(qū)別，兩者實(shí)質(zhì)是相同的。由上面的分析，DDS可由下列兩次變換來實(shí)現(xiàn):（1） 從不變量P以時(shí)鐘產(chǎn)生量化的相位序列，該過程可由一個以作時(shí)鐘的N位相位累加器來實(shí)現(xiàn)。.（2）從離散量化的相位序列產(chǎn)生對應(yīng)的正弦信號的離散幅度序列,這個過程可由對波形ROM 的尋址來完成,不變量P被稱為頻率控制字。把輸出的量化的數(shù)字波形經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過低通濾波器就得到頻率為人的余弦信號。當(dāng)P = 1 時(shí)，DDS輸出最低頻率〔也即頻率分辨率)為，因此，只