單通道信號源構成多通道信號源技術研究

車朝光　李東　邵海明

摘 要： 為了在只有單通道信號源的實驗室條件下，實現能夠使用多通道信號源的目標，研究了如何將多臺單通道信號源構成多通道信號源。提出一種多臺單通道信號源構成多通道信號源的實現方案，詳細說明了儀器之間的連接方式，并進行實驗，分析了所提出方案的優劣。最后，根據實驗結果，得出了多臺單通道信號源構成多通道信號源時多路輸出信號間的相位差與頻率之間的關系，并由此確定了最終的實現方案，實現了多臺單通道信號源構成多通道信號源。

關鍵詞： 信號源； 單通道； 多通道； 鎖相

中圖分類號： TN911.8?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0063?03

Abstract： To utilize the multichannel signal source in the laboratory condition of only having single channel signal sour?ces， the method of how to use some single channel signal sources to constitute the multichannel signal source is researched. An implementation scheme using some single channel signal sources to constitute the multichannel signal source is proposed. The connection mode among the instruments are described and tested to analyze the merits of the proposed scheme. According to the experimental results， the relationship of phase difference and frequency among the multiple output signals is obtained when the multichannel signal source is applied. On this basis， the final implementation scheme is determined to realize the multichannel signal source constituted of some single channel sources.

Keywords： signal source； single channel； multichannel； phase locked

0 引 言

信號源是一種能產生多種不同信號的電子儀器，是工業生產和電工、電子實驗室經常使用的電子儀器之一。為了能以合理價格提供最大的性能，測試設備制造商設計了大量單通道信號源，單通道源能滿足工程師基本應用的需要，但經常也會遇到需要頻率和相位鎖定的多個源通道的挑戰。在工程師需要多通道時，通常辦法還是購買單通道源，把多臺單通道源聯用，而不是把有限的預算花在一臺多通道儀器上。

在信號發生器說明手冊中，給出了單通道源構成多通道源的方式，但這種方式無法使多通道源的所有輸出通道都產生連續的波形，而是只能產生有限的脈沖串。本文在此基礎上進行多次實驗，提出了一種可以使由多臺單通道源構成的多通道源輸出連續的波形的實現方案。

1 信號發生器的原理

信號發生器的主要部件由頻率產生單元、調制單元、緩沖放大單元和衰減輸出單元等部分組成。其中頻率產生單元是信號發生器的基礎和核心。目前的中高端信號發生器頻率產生單元采用了先進的DDS頻率合成技術，具有頻率輸出穩定度高、頻率合成范圍寬、信號頻譜合成度高等優點[1]。

DDS技術是一種通過DAC將數字量信號轉換成模擬量信號的合成技術。DDS技術是利用高速存儲器作查詢表，然后通過高速DAC平滑產生正弦波，正弦輸出的DDS原理框圖如圖1所示。圖中，系統時鐘由高穩定度的晶振提供，用于DDS中各期間的同步。DDS工作時，頻率控制字（FCW）K在每個時鐘周期內與相位累加器累加一次，得到的相位值在每個時鐘周期內以二進制碼的形式去尋址正弦查詢表ROM，將相位信息轉變成它相應的數字化正弦幅度值，ROM輸出的數字化波形序列再經DAC得到模擬輸出，DAC輸出的階梯波再通過低通濾波器（LPF）平滑后得到一個純凈的正弦信號。當DDS中的相位累加器計數大于[2N]時，累加器自動溢出，保留后面的[N]比特數字于累加器中，即相當于做[2N]的模余運算，相位累加器平均每[2NK]個時鐘周期溢出一次。整個DDS系統輸出一個正弦波[2?6]。

2 構成多通道源需要解決的問題

構成多通道源的難點主要有兩個：一是不同儀器輸出信號間相位的鎖定，相位鎖定的信號間保持彼此間恒定的相位偏移，并且沒有漂移；二是使不同儀器輸出信號的相位差保持為0°。

多通道源的主要優點是多路信號由同樣的時鐘源產生，因此多路信號之間能夠進行鎖相，而多臺單通道源之間的時鐘源不同，因此不同儀器輸出的波形之間的相位會不停的漂移。因此構成多通道源，就需要一個稱為“外基準”的公共時鐘信號[7?8]。通過選取公共時鐘信號，兩臺信號發生器之間進行了鎖相，此時可以手動調節兩臺儀器輸出波形之間的相位差，直到兩路信號相位差為0°。但也可以通過選取公共觸發信號同時觸發兩臺儀器，使輸出信號之間的相位差[9?10]自動保持為0°，本文就以后一種方式進行研究。

3 兩臺雙通道信號源構成三通道信號源的方法

由于身邊儀器所限，本文實驗所用儀器為一臺Keysight公司生產的33600A雙通道信號發生器和一臺Agilent公司生產的33522A雙通道信號發生器，利用這兩臺雙通道源來構成三通道源。由單通道源構成多通道源的原理與方法與此相同。

3.1 公共時鐘信號的選取

在兩臺儀器的后面板均可以看到有10 MHz In和10 MHz Out兩個BNC端口，其中的10 MHz Out可以輸出本臺儀器的時鐘信號，相應的10 MHz In可以接收來自外部的時鐘信號。將33600A的10 MHz Out通過BNC電纜接33522A的10 MHz In，并且在33600A的前面板設置所用時鐘源為內部時鐘源，在33522A的前面板設置所用時鐘源為外部時鐘源。這樣就完成了公共時鐘信號的選取，即兩臺儀器共用了33600A的時鐘信號。

3.2 公共觸發信號的選取

兩臺儀器后面板均有EXT Trig BNC端口，EXT Trig 端口可以通過前面板設置為輸入或者輸出。設置為輸入時則儀器可以接收外部的觸發信號；設置為輸出時則儀器可以輸出觸發信號。儀器說明手冊給出的選取公共觸發信號的方式是將兩臺儀器的EXT Trig接口連接在一起，并通過前面板的設置實現兩臺儀器的公共觸發，但這種方式的缺點在于只能輸出有限的脈沖串，當需要連續信號時則無法實現。本文經過研究對此方式進行了改進，實現了連續信號的輸出。

實現上述輸出的方式是利用一臺儀器的同步輸出端輸出信號到另一臺儀器的EXT Trig 接口（同步輸出端輸出的信號是占空比為50%的方波信號，可以提供準確的上升沿或下降沿）。本文中用33600A的同步輸出端輸出信號到33522A的EXT Trig 端口，并在33522A的前面板設置其通道的輸出模式為burst模式，觸發源設置為外部觸發源。

4 測試結果及分析

按照上面所述連接好儀器，將兩臺信號發生器的4個通道分別接到示波器的4個通道（所用示波器為lecroy示波器，共有4個可輸入通道），連接如圖2所示。

圖2中，33600A的1通道連接到示波器的1通道，輸出正弦信號；33522A的2通道連接到示波器的2通道，初始相位設置為默認的0°，期望輸出與1通道同頻同相的信號；33522A的3通道連接到示波器的3通道，初始相位設為-35°，期望輸出與1通道同頻不同相的信號。本文選取了1 kHz，5 kHz，10 kHz，50 kHz，100 kHz， 500 kHz，1 MHz這些點來測試是否能夠實現上述輸出信號。測試結果如表1所示。表中，[C1，C2，C3]是指示波器的1，2，3通道；PC1，C2，PC1，C3，PC2，C3 指通道之間的相位差。由于[PC1，C3=PC1，C2+PC2，C3，]而[PC2，C3]是一個恒定不變的值。下面只對[C1，C2]之間相位差與頻率的關系進行分析。

[C1，C2]之間相位差與頻率之間的折線圖如圖3所示。

由于空間所限，折線圖的橫坐標沒有按照等差遞增的關系來設置。從圖3可以看到在1 kHz以內，[C1，C2]之間的相位差趨近于0°，在1～10 kHz，10～100 kHz，100 kHz～1 MHz三個頻率段，[C1，C2]之間的相位差與頻率均表現出明顯的線性關系。

為了確定[k]值是否會因儀器的不同而不同，繼續進行如下的實驗：用另一臺33600A取代33522A，其余條件不變進行測試，測試結果如表2所示。

通過上述測試分析，可以得出：

（1） 可以非常好地實現兩臺儀器輸出波形之間的相位鎖定。

（2） 在低頻（1 kHz以內）時，兩臺儀器輸出信號間的相位差值為0°；當頻率升高（1 kHz～1 MHz）時，隨著頻率的升高兩臺儀器輸出波形之間的相位差出現一定偏差。

（3） 當頻率升高（1 kHz～1 MHz）時，兩臺儀器輸出波形之間的相位差隨著頻率的升高表現出線性變化，可以用公式[y=kx+b]來表示，其中的系數[k]隨著所用儀器的不同而不同。

通過上述測試，已經得出多通道信號之間相位隨著頻率的變化關系。在實際應用中，可以利用計算機實現對儀器的遠程控制，并在上位機的程序中加入對相位的人為修正，實現在所有頻率上多個通道輸出信號間的相位差保持為0°。

5 結 論

本文對用單通道源構成多通道源進行了探索研究，提出了一種實現的方法，并對此方法進行了測試分析。測試結果表明，可以很好地實現多通道信號之間的相位鎖定；利用計算機遠程控制，在上位機程序中進行適當的人為修正，多通道輸出信號之間相位差為0°也可以很好的實現。在工程師需要多通道源，而又沒有多通道源時，本文的研究成果為工程師們提供了一種切實可行的方式來獲得多通道源，在實際應用中具有重要的意義。

參考文獻

[1] 王永疆.信號發生器的原理與使用[J].家電檢修技術，2006（4）：42?44.

[2] 湯兵兵.基于DDS技術的信號發生器設計與實現[D].南昌：南昌大學，2015.

[3] 錢永青.基于DDS技術正弦信號發生器的設計[J].現代電子技術，2008，31（21）：104?105.

[4] 石雄.直接數字頻率合成技術的研究與應用[D].武漢：華中科技大學，2007.

[5] WEI Li， ZHANG Jinbo. Research of parameter adjustable harmonic signal generator based on DDS [C]// Proceedings of 2008 ISECS International Colloquium on Computing， Communication， Control， and Management. [S.l.]： ISECS， 2008： 88?91.

[6] DU Y H， OUYANG Q R. Fast frequency hopping signal gene?rator based on DDS [J]. Advanced materials research， 2011， 142： 162?165.

[7] 馬秋.淺談鎖相環在信號發生器中的應用[J].山東工業技術，2014（22）：270.

[8] SINGHAL A， MADHU C， KUMAR V. Designs of all digital phase locked loop [C]// Proceedings of 2014 Recent Advances in Engineering and Computational Sciences. Chandigarh： IEEE， 2014： 1?5.

[9] 王燚，謝啟，呂庭，等.高精度多通道同步正弦信號源設計與實現[J].計算機測量與控制，2010（11）：2663?2665.

[10] HUANG Xiaoyan， FENG Xian， GAO Tiande. The design of high?speed real time multi?channel sonar simulation signal source based on FPGA parallel technology [C]// Proceedings of 2009 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing. Nanjing， China： IEEE， 2009： 1?4.