天津工业大学本科毕业论文 第二章
使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。
2.1.4 标准信号发生器
其输出信号电平能准确读数，所加的调幅度或频偏也能用电表读出。此外，仪器还有防止信号泄漏的良好屏蔽。
2.1.5 微波信号发生器
从分米波直到毫米波波段的信号发生器。信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。
2.1.6 扫频和程控信号发生器
扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以YIG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。
2.1.7 频率合成式信号发生器
这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达11位数字的极高分辨力。频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达1000兆
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赫左右。用得较多的间接式频率合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同时能实现倍频、分频和混频），使之产生并输出各种所需频率的信号。这种合成器的最高频率可达26.5吉赫。高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能（调幅、调频和调相），加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程控的合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器。
2.2 直接数字频率合成器 2.2.1 DDS的基本结构
DDS包括数字器件与模拟器件两部分，主要由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、数/模转换器和低通滤波器组成，其基本框图如图2-1所示。
图2-1 DDS组成框图
其中参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。DDS系统的核心是相位累加器，它由N位加法器与N位相位寄存器构成，类似于一个简单的计算器。每来一个时间脉冲，相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加，累加至满量程时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为DDS的输出频率。正弦查询表是一个可编程只读存储器(PROM)，存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0～360°范围的一个相位点。将相位寄存器的输出与相位控制字相加，得到的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动DAC，输出模拟信号。低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。
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2.2.2 DDS的基本原理
以产生正弦信号的DDS技术来阐述DDS的基本原理。一个正弦信号可以由振幅、频率及初始相位惟一确定。正弦信号S(t)的表达式为：
2?(ft??0) （2-1） S(t)?Acos在用数字合成方式合成一个正弦信号时，只要产生相应的振幅A、频率f及初始相位θ0即可，实际应用中与初始相位θ0无关，振幅更是容易控制。为更好地分析起见，这里设振幅A为1、初始相位θ0为0。则正弦信号S(t)可表示为：
S(t)?cos2?(ft) （2-2）
令?(t)?2?ft，则S(t)?c那么只要确定了?(t)就确定了S(t)。由?(t)os?(t)，的表达式?(t)?2?ft，可知不同频率在相同时间T内的相位增量是不同的，且它们是一一对应的关系。因此推导出下面公式：
f???
这一公式放映出在相位-时间平面构造中对应于时间间隔T的均匀相位增量时等效为在幅度-时间平面内合成频率f???2?T的正弦波，这正是DDS技术的基本理论。
对于计数容量为2N相位累加器和具有M个相位取样点的正弦波波形存储器，若频率控制字为K，输出信号频率为f0，参考时钟频率为fc，则DDS系统输出信号的频率为：
f0?kfc
?fmin?fc2N2?T (2-3)
2N
输出信号频率的频率分辨率为
（2-4）
由奈奎斯特采样定理可知，DDS输出的最大频率为
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fc fma? x2 （2-5）
频率控制字可由以上公式推出：
k?f0?2Nfc
（2-6）
通常，相位累加器位数较大，例如N=32或48，故用DDS技术能得到较高的频率分辨率。
2.2.3 DDS的性能特点
DDS完全不同于传统的频率合成方式，它是一种全数字结构形式。它的特点主要有以下几点：
1．DDS可以产生极高的频率
DDS工作在300MHz的时钟下，根据采样定理，DDS的最高输出频率应小于采样时钟频率的1/2，在实际应用中，考虑到低通滤波器的非线性影响，因此，一般能达到fc的40％，频率很高，完全能满足设计要求中的高频率要求。
2．DDS具有极高的频率分辨率
DDS最主要的特点之一，就是它可以实现极高的频率分辨率。由公式
f0?kfc2N (2-7)
可推导出DDS的分辨率决定于相位累加器的字长和参考时钟频率，只要相位累加器的字长M足够长，DDS的分辨率可以达到足够高。例如：时钟频率为100MHz、相位累加器字长为32比特时，最小频率分辨率为：108/232=0.02328 …Hz
当时钟频率为100MHz、相位累加器字长为48比特时，最小频率分辨率为：108/248=0.0000003553…Hz ，这样的频率分辨率是传统的频率合成方法绝不可能达到的，完全能满足设计要求中高精度的分辨率。
3．DDS具有极短的频率转换时间
DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，频率转换时间主要由LPF附加的时延来决定。如fc?10MHz，转换时间即为100 ns，若时钟频率升高，转换时间将缩短，但不可能少于数字门电路的延迟时间。目前，DDS的调谐时间一般在ns量级，比使用其它的频率合成方式都要短几个数量级。
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4．输出频率的相对带宽很宽
当频率控制字K=0时，输出频率fc=0Hz，即DDS的输出下限频率为0。根据奈奎斯特定理，理论上DDS输出的上限频率为fc2，fc是参考时钟频率，即采样频率。但由于外接低通滤波器的非理想性，实际工程中，DDS的输出频率的上限一般为：
F0?0.4fc
完全能满足设计中带宽要求。
5．DDS具有相位连续性变化
DDS工作时，改变频率控制字K，就可以改变它的输出频率，但从其工作原理来看，改变K的实质是改变了信号的相位增长速率，而输出信号的相位是连续的。
6．易于集成，易于调整
DDS中几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，除DAC和滤波器外，无需任何调整，从而降低了成本，简化了生产设备。
（2-8）
2.2.4 DDS的应用
DDS问世之初，构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声，这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。
1．实时模拟仿真的高精密信号
在DDS的波形存储器中存入正弦波形及方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任意改变输出信号的波形。利用DDS具有的快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步进的特点，将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的最佳方式和手段。这是其它频率合成方法不能与之相比的。例如它可以模拟各种各样的神经脉冲之类的波形，重现由数字存储示波器（DSO）捕获的波形。
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