单通道信号源构成多通道信号源技术研究

车朝光　李东　邵海明

摘 要： 为了在只有单通道信号源的实验室条件下，实现能够使用多通道信号源的目标，研究了如何将多台单通道信号源构成多通道信号源。提出一种多台单通道信号源构成多通道信号源的实现方案，详细说明了仪器之间的连接方式，并进行实验，分析了所提出方案的优劣。最后，根据实验结果，得出了多台单通道信号源构成多通道信号源时多路输出信号间的相位差与频率之间的关系，并由此确定了最终的实现方案，实现了多台单通道信号源构成多通道信号源。

关键词： 信号源； 单通道； 多通道； 锁相

中图分类号： TN911.8?34 文献标识码： A 文章编号： 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

信号源是一种能产生多种不同信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验室经常使用的电子仪器之一。为了能以合理价格提供最大的性能，测试设备制造商设计了大量单通道信号源，单通道源能满足工程师基本应用的需要，但经常也会遇到需要频率和相位锁定的多个源通道的挑战。在工程师需要多通道时，通常办法还是购买单通道源，把多台单通道源联用，而不是把有限的预算花在一台多通道仪器上。

在信号发生器说明手册中，给出了单通道源构成多通道源的方式，但这种方式无法使多通道源的所有输出通道都产生连续的波形，而是只能产生有限的脉冲串。本文在此基础上进行多次实验，提出了一种可以使由多台单通道源构成的多通道源输出连续的波形的实现方案。

1 信号发生器的原理

信号发生器的主要部件由频率产生单元、调制单元、缓冲放大单元和衰减输出单元等部分组成。其中频率产生单元是信号发生器的基础和核心。目前的中高端信号发生器频率产生单元采用了先进的DDS频率合成技术，具有频率输出稳定度高、频率合成范围宽、信号频谱合成度高等优点[1]。

DDS技术是一种通过DAC将数字量信号转换成模拟量信号的合成技术。DDS技术是利用高速存储器作查询表，然后通过高速DAC平滑产生正弦波，正弦输出的DDS原理框图如图1所示。图中，系统时钟由高稳定度的晶振提供，用于DDS中各期间的同步。DDS工作时，频率控制字（FCW）K在每个时钟周期内与相位累加器累加一次，得到的相位值在每个时钟周期内以二进制码的形式去寻址正弦查询表ROM，将相位信息转变成它相应的数字化正弦幅度值，ROM输出的数字化波形序列再经DAC得到模拟输出，DAC输出的阶梯波再通过低通滤波器（LPF）平滑后得到一个纯净的正弦信号。当DDS中的相位累加器计数大于[2N]时，累加器自动溢出，保留后面的[N]比特数字于累加器中，即相当于做[2N]的模余运算，相位累加器平均每[2NK]个时钟周期溢出一次。整个DDS系统输出一个正弦波[2?6]。

2 构成多通道源需要解决的问题

构成多通道源的难点主要有两个：一是不同仪器输出信号间相位的锁定，相位锁定的信号间保持彼此间恒定的相位偏移，并且没有漂移；二是使不同仪器输出信号的相位差保持为0°。

多通道源的主要优点是多路信号由同样的时钟源产生，因此多路信号之间能够进行锁相，而多台单通道源之间的时钟源不同，因此不同仪器输出的波形之间的相位会不停的漂移。因此构成多通道源，就需要一个称为“外基准”的公共时钟信号[7?8]。通过选取公共时钟信号，两台信号发生器之间进行了锁相，此时可以手动调节两台仪器输出波形之间的相位差，直到两路信号相位差为0°。但也可以通过选取公共触发信号同时触发两台仪器，使输出信号之间的相位差[9?10]自动保持为0°，本文就以后一种方式进行研究。

3 两台双通道信号源构成三通道信号源的方法

由于身边仪器所限，本文实验所用仪器为一台Keysight公司生产的33600A双通道信号发生器和一台Agilent公司生产的33522A双通道信号发生器，利用这两台双通道源来构成三通道源。由单通道源构成多通道源的原理与方法与此相同。

3.1 公共时钟信号的选取

在两台仪器的后面板均可以看到有10 MHz In和10 MHz Out两个BNC端口，其中的10 MHz Out可以输出本台仪器的时钟信号，相应的10 MHz In可以接收来自外部的时钟信号。将33600A的10 MHz Out通过BNC电缆接33522A的10 MHz In，并且在33600A的前面板设置所用时钟源为内部时钟源，在33522A的前面板设置所用时钟源为外部时钟源。这样就完成了公共时钟信号的选取，即两台仪器共用了33600A的时钟信号。

3.2 公共触发信号的选取

两台仪器后面板均有EXT Trig BNC端口，EXT Trig 端口可以通过前面板设置为输入或者输出。设置为输入时则仪器可以接收外部的触发信号；设置为输出时则仪器可以输出触发信号。仪器说明手册给出的选取公共触发信号的方式是将两台仪器的EXT Trig接口连接在一起，并通过前面板的设置实现两台仪器的公共触发，但这种方式的缺点在于只能输出有限的脉冲串，当需要连续信号时则无法实现。本文经过研究对此方式进行了改进，实现了连续信号的输出。

实现上述输出的方式是利用一台仪器的同步输出端输出信号到另一台仪器的EXT Trig 接口（同步输出端输出的信号是占空比为50%的方波信号，可以提供准确的上升沿或下降沿）。本文中用33600A的同步输出端输出信号到33522A的EXT Trig 端口，并在33522A的前面板设置其通道的输出模式为burst模式，触发源设置为外部触发源。

4 测试结果及分析

按照上面所述连接好仪器，将两台信号发生器的4个通道分别接到示波器的4个通道（所用示波器为lecroy示波器，共有4个可输入通道），连接如图2所示。

图2中，33600A的1通道连接到示波器的1通道，输出正弦信号；33522A的2通道连接到示波器的2通道，初始相位设置为默认的0°，期望输出与1通道同频同相的信号；33522A的3通道连接到示波器的3通道，初始相位设为-35°，期望输出与1通道同频不同相的信号。本文选取了1 kHz，5 kHz，10 kHz，50 kHz，100 kHz， 500 kHz，1 MHz这些点来测试是否能够实现上述输出信号。测试结果如表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 指通道之间的相位差。由于[PC1，C3=PC1，C2+PC2，C3，]而[PC2，C3]是一个恒定不变的值。下面只对[C1，C2]之间相位差与频率的关系进行分析。

[C1，C2]之间相位差与频率之间的折线图如图3所示。

由于空间所限，折线图的横坐标没有按照等差递增的关系来设置。从图3可以看到在1 kHz以内，[C1，C2]之间的相位差趋近于0°，在1～10 kHz，10～100 kHz，100 kHz～1 MHz三个频率段，[C1，C2]之间的相位差与频率均表现出明显的线性关系。

为了确定[k]值是否会因仪器的不同而不同，继续进行如下的实验：用另一台33600A取代33522A，其余条件不变进行测试，测试结果如表2所示。

通过上述测试分析，可以得出：

（1） 可以非常好地实现两台仪器输出波形之间的相位锁定。

（2） 在低频（1 kHz以内）时，两台仪器输出信号间的相位差值为0°；当频率升高（1 kHz～1 MHz）时，随着频率的升高两台仪器输出波形之间的相位差出现一定偏差。

（3） 当频率升高（1 kHz～1 MHz）时，两台仪器输出波形之间的相位差随着频率的升高表现出线性变化，可以用公式[y=kx+b]来表示，其中的系数[k]随着所用仪器的不同而不同。

通过上述测试，已经得出多通道信号之间相位随着频率的变化关系。在实际应用中，可以利用计算机实现对仪器的远程控制，并在上位机的程序中加入对相位的人为修正，实现在所有频率上多个通道输出信号间的相位差保持为0°。

5 结 论

本文对用单通道源构成多通道源进行了探索研究，提出了一种实现的方法，并对此方法进行了测试分析。测试结果表明，可以很好地实现多通道信号之间的相位锁定；利用计算机远程控制，在上位机程序中进行适当的人为修正，多通道输出信号之间相位差为0°也可以很好的实现。在工程师需要多通道源，而又没有多通道源时，本文的研究成果为工程师们提供了一种切实可行的方式来获得多通道源，在实际应用中具有重要的意义。

参考文献

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