测量用信号源

第六章测量用信号源
第一节引言
测量用信号源指测量用信号发生器．在电子电路测量中，需要各种信号源．大致可分为三大类：即正弦信号发生器、函数波形）信号发生器和数字信号发生器．
正弦信号源在线性系统测试中具有特殊意义，这是因为正弦测试信号具有它独特的特点：它的波形不受线性电路或系统的影响．众所周知．在正弦信号的激励下，线性电路内的所有电压和电流都是具有同一频率的正弦波，只是彼此之间的幅值和相位可能有所差别．此外，若已知线性系统对一切频率（或一组靠得很近的频率）的外加正弦信号的幅值和相位的响应，那么就能够完全确定该系统在其线性工作范围内对于任意输入信号的响应．也就是说，正弦波测试是线性系统频域分析的重要实验方法。

正因为正弦测试信号的上述特点，正强信号源在线性系统测试中应用十分广泛，例如，电子放大器增益的测量、相位差的测量、非线性失真的测鳗、以及系统频域特性的测量等等．无不需要正蓝信号源．
具有频率稳定度很高的正弦信号源还可以作为标准频率源，它可以作为勺其它各种频率测量进行比对的标准频率．
本章专门讨论正弦信号源．我们将对一般正弦信号发生器作扼要介绍，而重点放在锁相和频率合成技术在正弦信号源中的应用．
第二节正弦信号发生器的分类.组成和工作特性
一、分类与组成
正弦信号发生器的分类与其组成密切相关．传统的分类是：无线电测量用正弦信号发生器一般按频段分，见表6－l。

这一类信号发生器一般都是波段式的．有线载波通信系统用正弦信号发生器．其输出频率范围是根据载波复用设备的话路所占用的频带宽度来划分的，见表6－2．这一类信号发生器都是差频式的，通常称“电平振荡器”，例如，18。

6 MHZ电平振荡器，其输出频率为10 k H～18。

6 MHZ．它是1800成 3 600路载波系统的测试用信号源．
（－）波段式信号发生器组成
波段式信号发生器的组成方框图如图6-l所示．输出频率由主振级确定，低于视频频段的主振器一般采用RC振荡器，而高频段的主振器都采用LC振荡器，由于这两类振荡器的频率覆盖都不大，故都做成波段式的．高频信号发生器除输出等幅波外，还可输出调幅波（AM），而甚高频信号发生器还可输出调频波FM）．
由主振级输出的正弦信号经缓冲级（调制级）输出级，并通过输出电路而输出．输出电路用来进行输出电压（电平）的选择和输出阻抗变换之用（详后）
（二）差频式信号发生器组成
差频式信号发生的组成方框图示于图6－2，主要包括：固定频率振荡器（f2）、可变频率振荡器(f1),混频器以及低通滤波器。

设f1能从f min连续调到f max, 则混频器输出的差额信号频率的变化范围从F min=|f min-f2|变到F max=f max-f2（其中f max＞f2＞f min）．例如，f2＝3．4 MHZ，而f1可从3．3 997MHZ变到5．I1HZ．则可得输出频率为300 HZ—1.7 MHz．
可见，差频式的最大特点是输出频率覆盖范围宽．这样，输出频率的调谐就无需划分成多个频段，就有可能完成整个频率范围的覆盖．从上例来看，输出频率覆盖系数为：K=F max/F min=6×103
而要求可变频率振荡器的频率覆盖为：
K’= f max/f min=1.5
显而易见．利用对变电容器调谐的LC振荡器都能够做到这个覆盖．
二、工作特性
对一个正弦信号源的基本要求对概括为：能够迅速而准确地把信号源的输出信号调到所需的频率上．并提供所需的信号电平（幅度），因此．评价一个正弦信号源可归结为频率和电平两个主要参数．
（一）关于频率——频率特性
正弦信号源的一个重要工作特性就是频率特性，可用下列几项来表征频率特性：
1、频率范围
正弦信号源的频率范围是指各项指标都能得到保证时的输出频率范围，更确切地说，应称“有效频率范围”．
2．频率准确度
频率准确度的定义已在第五章中给出，即可用频率的绝对偏离（绝对误差）Δf=f-fo，或用相对偏离（相对误差）Δf/f来表示，即
α=Δf/fo (6-1)
式中f。

一标称频率．
3．频率稳定度
一个正弦信号源的频率准确度是由主振级振荡器的频率稳定度来保证的，所以频率稳定度是一个信号源的重要工作特性（指标）,一般，振荡器的频率稳定度（实际上是频率不稳定度）应比所要求的准确度高1一2个数量级．
一个频率连续可调的正弦信号源，其输出频率准确度还将受到频率读出装置所产生的刻度误差的限制，其中齿轮传动装置的位差是引起刻度误差的主要原因．
经过了一个很长的发展阶段，频率连续可调的正弦信号源的频率准确度，从三十年代只能达到10-2量级开始，直至现在已可达到优于10-5一10-6量级，甚至更高的水平．但是，采用普通谐振法（例如LC振荡器）若要获得这样高的准确度，无论是在电路上或是在工艺上都是困难的．所以，一般由频率可变的LC或RC振荡器作为主振级的信号源，由于其频率稳定度只能做到10-4量级左右，故输出频率准确度的提高将受到限制．
利用频率合成技术，即由一个基准频率（一般用高稳定的石英振荡器产生）通过基本代数运算（加、减、乘、除）产生一系列所需频率，其稳定度可达到基准频率相同的量级．这样，可把信号源的频率稳定度提高2一3个量级．目前，在信号源中广泛采用锁相技术来完成频率合成．
为了保证精确地读出输出频率，必须装备有高质量的精密机械齿轮驱动装置和胶带频率刻度盘．而且，为了获得所需的准确度，每台信号发生器的胶带频率刻度金必须个别地进行定标，这就导致仪器的机构复杂和价格昂贵．
近来，由于大规模集成技术的发展，制造出了体积小、重量轻、耗电小（仅几十毫瓦）的集成电路计数器，这就有可能用频率计数器替代机械驱动的频率刻度，使连续可调信号源的输出频率准确度达到一个新的水平．
（二）关于电平一输出特性
1．输出信号幅度的度量
目前，正弦信号源的输出信号幅度采用两种表示方式：其一。

直接用正弦有效值（单位用V、mV或μV）表示；其二，用绝对电平（单位用dBm. dB）表示．对信号源来说，在阻抗匹配的条件下，即当信号源的输出阻抗（内阻）等于外接负载阶抗时，我们定义功率电平为：
Pn =10lg (Px/Po) [dBm] (6-2)
而定义电压电平为
Pv=20lg(Vx/V0) [db] (6-3)
式中Px, Vx一分别为负载吸取的功率和负载两端的电压（正弦有效值）；
P。

，V。

一基准量．
若基准量P。

和V。

分别取lmw和0j。

77 5 V，则零功率电平0 dB和零电压电平0 d B）的定义与第六章中讨论分贝测量时是一致的．所以，目前大多数信号源，尤其是电平振荡器中都取lmw或0。

7 7 5 V为绝对电平的基准量．
应该指出，也有一些信号源是选用其他基准量来定义零电平的，一般都有明确指明．例如，0 dBm代表6 mw（5 00Ω），表示在500 Q电阻上吸取6 mw功率定为0 dBm．即V。

=1．730 V．所以，当使用这类信号源时应加注意．
2．输出电平的读出
1）用电压度量的信号源输出电路
信号源的输出电路应完成输出电压的选择和读出，以及输出阻抗（需要时）变换等功能，作为一个例子，囱6-3示出了一个标准信号发生器的输出电路．
输出电路由一组分压器组成，由R3一R10组成步进分压器。

每步的分压比为1/10，作为输出电压“倍乘选择”开关，R1与
R2组成连续可调分压器，P2用来作为“输出电压”连续调节。

首先，利用电位器P1可使输出指示为1V．经R1与R2组成的分压器得0。

1V．由于R2由同轴电位器P2组成．故利用P2（“输出电压”调节）可使加到步进分压器的输入电压从0连续变到0。

1V．当步进分压器置于“×10 000”步位，即不经分压，则输出电压为0一0。

1V（0一100 000μV）连续可调，例如，P2调至最上端，输出电压为100 000μV，我们在P2电位器度盘上标10，
步进分压器标X10000．这样，输出电压的μV值等于“输出电压”调节度盘读数与倍乘选择的信乘数的乘积。

利用上述方法读出输出电压可保证所需的准确度，因为若直接用电子电压表去测量Hv级的输出电压是困难的。

2）用绝对电平表示的信号源的输出电路
作为一个例子．图6－4示出了一个电平振荡器的输出电路。

设最大输出电压电平为十10 dB（当Zl＝Zo阻抗匹配条件下）, 这时由R1——R8组成的分压式衰减器置于零衰减（如图所画步位，并在该步位标十10 dB），所以输出放大器的输出电压V o直接加到平衡变压器(1：l）T的初级图，即Vo’＝Vo, 平衡变压器用来把对地不平衡输出变为平衡输出．由于输出放大器的输出阻抗Ro=0（所以，常称“零欧”输出放大器）, 故利用与负载阻抗Zl串联的一组电阻，可很方便地改变信号源的输出阻抗Zo. 例如，输出阻抗选择开关置于图示步位，则从输出端看进去的输出阻抗Z。

＝300＋300＝600 Ω。

要求输出放大器输出的最大输出电压可按最大输出电平（＋10 dB）来计算．为了给负载Z L提供十10 dB的电压电平，计算可得V L=2．45 V（有效值）。

，因为Z L=Z。

，故V。

=V O’=2 V L=4。

9V。

这个电压由电平指示器指示，但不刻4．9 V，而刻0 dB，电平指示器以0 dB刻度所对应的电压为基准，以 d B分度．由以上讨论可知，在电平振荡器中，输出电平等于电平指示的dB值和“电平选择”开关所标步位dB值的代数和．比如，输出衰耗器衰减10 dB，则输出电平为0 dB（当电平指示0 dB），故该步位标0 dB，以此类推．
3、输出特性
一个正弦信号源的输出特性主要有：
1）输出电平范围
这是表征信号源所能提供的最小和最大输出电平的可调范围。

－般标准高频信号发生器的输出电压为0。

1μV一1V．而电平振荡器的输出电平为十10 dB——60 dB．
2）输出电平的频响
这是指在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化，也就是输出电平的平坦度．对电平振荡器来说，对输出电平平坦度的要求较高，－般，相对于中频段的输出电平，平坦度应优于士0。

1dB。

3）输出电平准确度
输出电平准确度由下列几项误差决定：0 dB准确度α0，输出衰耗器换档误差αd, 表头刻度误差αm以及输出电平平坦度αr, 我们可按均方根合成来计算输出电平准确度，即αz=(α02+αd2+αm2+αr,2)1/2．此外，输出电平还将随温度与供电电压波动而变化．对成批生产的电子仪器，采用“工作误差”来评价仪器的准确度．工作误差是指，仪器在额定工作条件下，在各种使用条件为任何可能组合情况下仪器总的极限误差．例如，某电平振荡器的输出电平准确度，用工作误差可表示为：
频率范围 5 kHZ—1。

7 MHZ．
输出电平十10一一 6 0 dB
表头范围一10一十5 dB。

＜土0．5 dB
环境温度0—＋400C
电源波动土10％
工作误差表示仪器在上列使用条件下，其输出电平可能产生的最大误差为土0。

5 dB．
4）输出阻抗
信号源的输出阻抗视类型不同而异，如电平振荡器，频率低于620 kHZ为平衡输出，一般有75 Q、150 Q和600 Q．高频信号发生器一般为5 0 或7 5Q不平衡输出。

5）输出信号的频谱纯度
正弦信号源不可能提供理想的正弦波，频谱不纯的主要因素为：由非线性失真产生的谐波成分、混频器（对差频法）输出的组合波，以及噪声。

一般信号源的非线性失真应小十1％，某些测量（例如，高传真系统）要求优于0。

1％．
除上述工作特性外，还有调制特性，其中包括调制频率、调幅系数或最大频偏，以及调制线性等．
第三节频率合成式信号发生器
一、概述
现代电子测量对信号源频率准确度的要求愈来愈高。

一个信号源的输出频率的准确度，在很大程度上是建立在主振器的输出频率稳定度的基础上．所以，如何在宽的频率范围内获得输出频率的高稳定度，这是设计信号源的主要问题．
频率合成技术，特别是锁相技术的发展和应用，使得我们有可能获得频率稳定度很高，而且频率连续可调的信号源．
频率合成技术始于30年代，至今经历了五十多年的历史，随着电子技术的飞速发展，频率合成技术的发展大至可分为三个阶段．第一阶段是直接频率合成技术，这种频率合成是把一个或多个基准频率通过倍频、分频和混频技术实现算术运算（加、减、乘、除），合成所需频率。

并用窄带滤波器选出．
图6--5所示为直接合成法的一个例子．将石英振荡器产生的蕨频率（1MHZ），通过谐波发生器产生十个谐波．这些谐波
接在一系列纵横制接线开关上．若所需输出频率是4。

7j3 5 MHz，我们可将这些开关分别置于“4”、“7”、“3”和“5”步位上（正如图中连接），频率合成的过程是：首先从低位开始，5 MHZ信号经开关选出后．经10分频器得0。

5 MHZ．后者在混频器M1内与3MHZ相加．得3。

5MHZ，用窄带滤波器选出。

新合成的3。

5MHZ信号再经10分频，仍按上述顺序进行合成，可得0。

735 MHZ人最后和4 MHZ信号在混频器M3中相加，即可选出所需的4。

735 MHZ输出频率．显然，每增加一组选择开关、混频器、分频器和窄带滤波器，就能使合成频率的有效数字增加一位．
直接合成法的优点是工作可靠，频率转换速度快，但是需要大量的混频器、分频器和窄带滤波器，这样，造成体积大，难于集成化，所以价格昂贵．但是，直接频率合成切换频率的速度快，至今仍是一个特点．
锁相环在频率合成技术中的应用，标志着频率合成技术进入第二个阶段．在锁相式频率合成中，利用锁相环把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，同样可以利用一个基准频率通过不同形式的锁相环合成所需频率。

我们用图6-6所示最简单的锁相环为例，来说明锁相合成法的基本原理．
锁相环是指由相位比较器（PD）环路滤波器（LPF）压控振荡器（VCO）组成的闭合环路．相位比较器，用来比较两个输入信号的相位，其输出电压比例子两信号的相位差，叫“误差电压”，压控振荡器，其振荡频率可用电压控制，一般都利用变容二极管（变容管）作为回路电容，这样，改变变容管的反向偏压，其结电容将改变，从而使振荡频率随反向偏压而变，故名“压控”振荡器．环路滤波器实际上是一个低通滤波器，用来滤掉相位比较器输出的高频成分和噪声，以达到稳定环路工作和改善环路性能的目的．
在锁相合成法中，图6--6所示锁相环的输人频率f1为基准频率fr，即f1＝fr．锁相环开始工作时, VCO的固有输出信号频率f0(即开环时的VCO自由振荡频率）总是不等于基准信号频率fr, 即存在固有频差Δf=f0-fr，则两个信号Vi和V oL间的相位差将随时间变化，相位比较器将这个相位差变化鉴出，即输出与之相应的误差电压，后者通过环路滤波器加到VCO上，VCQ受误差电压控制，其输出频率朝着减小fo与fr之间固有频差的方向变化，即f。

向fr靠拢，这叫“频率牵引”现象．在一定条件下。

环路通过频率牵引，fo愈来愈接近fr, 直至fo=fr。

环路进入所谓“锁定”状态．环路从失锁状态进入锁定状态的上述过程，称为锁相环的捕捉过程．锁相环处于锁定状态的一个基本特性是，输入信号Vi和VCO输出信号V。

之间只存在一个稳态相位差，而不存在频率差．锁相合成法正是利用锁相环的这一特性，把VCO的输出频率稳定在基准频率上．
由此可知，我们所需的输出频率f。

虽然间接取自VCO，但是，只要环路处于锁定状态，就有f。

＝fr，这样VCO的输出频率稳定度就可提高到基准频率同一量级，这就是锁相合成法的基本原理．
锁相合成法克服了上述直接合成法的许多缺点，特别是集成技术的发展，使锁相和成法的优点—一体积小、功耗小、价廉，且适合大规模生产—一更为突出，从而在频率合成中获得广泛应用．
早期的锁相式频率合成采用模拟锁相环，进而在环路中加入了数字可控分频器，但其本质还是属于模拟环，它与后来出现的全数字锁相环有本质差别．目前，带有模拟锁相环的频率合成技术无论在理论上或是在制作上都已达到成熟阶段，而且实现了集成化，在设计上已广泛应用计算机辅助设计。

由于锁相式频率合成具有极宽的频率范围和十分良好的寄生信号抑制特性，从而输出频谱纯度很高（寄生输出可优于一14 0 dB），而且输出频率易于用微机控制，锁相技术在频率合成器中的应用至今仍占统治地位．
微电子科学的发展正在各个领域兴起一场深刻的革命，它正在改变许多传统的理论、
方法和技术，70年代初开始出现的直接数字频率合成（缩写为DDFS）标志着频率合成技术进入到第三阶段，DDFS的主要特点是采用计算技术和微计算机参与频率合成，DDFS的优点是极易实现频率和相位控制，且切换时间快，尤其适用于合成任意波形．关于这种频率合成方法将在第八章中介绍．这里主要讨论销相式频率合成在信号源中的应用．
二、有关锁相环的基本概念
详细阐述锁相理论已超出本课程范围，读者可阅读有关教材．为了下面讨论锁相合成信号发生器的需要，首先让我们简要说明有关锁相的几个基本概念．
（一）锁相环的跟踪特性和同步带宽
正如前述，当环路锁定时，VCO的输出频率（也称环路输出频率）f。

等于环路输入频率fi，换句话说，环路输出频率可以精确地跟踪上输人频率的变化，这就是环路的跟踪特性，所以环路的锁定状态又称跟踪状态或同步状态．当然，当输人频率变化超过一定范围(即固有频差超过一定值) 输出频率不再能跟踪输入频率的变化，这时环路将“失锁”．在环路保持锁定的条件下，我们把输入频率所允许的最大变化范围定义为同步带宽．在锁相合成法中，输入频率是基准频率fr，相对于输出频率fo，可认为fr不变，那么同步带宽可理解为，在环路保持锁定的条件下，VCO频率fo允许变化的最大范围．由此可知，若环路的同步带宽较宽，那么即使VCO本身的频率稳定度不太高，也可通过环路的作用把VCO的输出频率稳定在基准频率同一量级．同步带宽是表征环路跟踪性能的重要参数．
（二）锁相环的捕捉与捕捉带宽
锁相环从失锁状态进入锁定状态是有条件的，当锁相环处于失锁状态，若调谐VCO的输出频率fo, 使它逐渐向基准频率fr靠近，即减小固有频差Δf0=fo-fr，只有当固有频差减小到一定值，环路才能从失锁状态进入锁定状态．环路最终能够自行进入锁定状态的最大允许的固有频差，叫做“捕捉带宽”，
环路从失锁状态进入锁定状态的过程称捕捉过程．只要固有频差Δf0小于环路的捕捉带宽，那么通过捕捉，环路总能进入锁定，当然捕捉过程是需要一定时间．一般锁相环的捕捉过程可分成两个阶段，现说明如下．
若环路开始工作时存在固有频差Δf0=fo-fr，则相位比较器将输出一个误差电压vd(t), vd(t)的波形是上下不对称的非正弦波，VCO在这个误差电压控制下，其瞬时频率fo(t)将随之变化，如图6－7所示。

由于误差电压vd(t)是上下不对称的，故存在一个直流成分，这个直流成分把VCO的平均频率fo拉向输入频率fi,
产生了所谓频率牵引现象，只要fo(t)的摆动范围还达不到fi。

环路就不能立即进入锁定．这时，环路虽然不能立即锁定，但是依靠误差电压的直流成分在环路滤波器电容上的不断积累，使得VCO的平均频率愈来愈向输入频率靠拢，这就是频率牵引阶段．频率牵引的结果使得平均的频差Δf0=fo-fr逐渐减小，即误差电压的频率愈来愈低，环路滤波器对它产生的衰耗也愈来愈小，这样，使得fo(t)的摆动幅度加大，r－旦fo(t)摆到fi(如图6--7f中时间to）。

环路立即进入锁定，这就是所谓快捕，快捕阶段是很快的．
综上所述，当环路的固有频差在其捕捉带内，则环路经过频率牵引阶段最后总能进入锁定，但需要相当的时间，即所谓捕捉时间．当减小固有频差，使它进入快捕带宽内，则环路只有快捕过程，故捕捉时间可以减小，因此，快捕带宽在实际上是环路的一个重要参数．（三）锁相环的窄带滤波特性
锁相环是一个相位反馈系统，系统的信息为相位，我们可以用相位传递函数来描述锁相环的特性．锁相环的闭环相位传递函数为
H(s)=Φo(s)/Φi(s)
式中, Φo(s)-----输出相位φo(t)的拉氏变换；
Φi(s)—一输入相位φi(t)的拉氏变换．
传递函数H(S）的阶数取决于环路滤波器的型式，没有环路滤波器的锁相环的H(s）为一阶，一般为二阶，也有用三阶的．相应称为－阶环、二L阶环、……等．若取s=jω,则可得到锁相环的频率特性
式中, ω----输入相位的调制角频．
分析指出，锁相环的频率特性具有低通滤波器的传输特性．其高频截止频率称环路带宽．注意，这里所说低通特性是对输入信号的相位而言，而不是对输入信号的整体而言．对输入信号的相位φi(t)具有低通特性，就意味着对输入信号整体－Vim Sin[ωit+φi(t)]具有带通特性，换言之，锁相环只允许在输入频率fi附近的频率成分通过，而阻止远离fi的频率成分通过．所以，锁相环具有窄带滤波特性．锁相环的这一特性是十分重要的，比如，利用锁相环做成的倍频器，可输出高纯度的高次倍频信号．
（四）锁相环中引入环路滤波器的目的
没有环路滤波器的锁相环，称为一阶环，一阶环实际上是很少用的．加入环路滤波器的目的．一方面可滤除相位比较器输出的高频成分与噪声，因为，这些无用的干扰电压加到VCO的结果，将对VCO产生寄生调相，而引起相位抖动，从而使VCO的输出信号纯度降低；另一方面厂可改善锁相环的性能，并在设计上带来灵活性．比如，分析可得一阶环的同步带宽ΔωH、捕捉带宽ΔωP、快捕带宽ΔωG以及环路带宽ω3dB都等于鉴相器的鉴相灵敏度Kd和VCO的压控灵敏度K0的乘积，这在设计上无灵活余地．加入环路滤波器后，上述参数除ΔωH外，都与滤波器型式有关，我们就有可能借助于选择滤波器的电路元件参数来调整环路参数，
三、·锁相环的几种基本形式
在一个锁相合成式信号源中，需要应用若干不同形式的锁相环，以便在所需的频率范围内得到步进的或连续可调的输出频率
(一)混频式锁相环
可以对输入频率（基准频率）进行加、减运算的锁相环，称混频式锁相环，简称混频环．图6-8所示为一个进行加法运算的混频环，
VCO的输出频率fo在混频器M中与第一输入频率fi1(基准频率)
频率）相减，其差额为|fo-fi1|. 这个差频信号vi在相位比较器(PD）中与第二输人频率fi2。

的信号vi2进行相位比较．环路锁定时具有|f0—fi1|=fi2的关系，即fo=fi1+fi2.。

可见，VCO 的输出频率等于两个输入频率之和，从而完成了加法运算．
加法环在合成式信号源中可以用来提供连续可调的输出频率，我们举例说明．若fi1＝2 340 kHZ，而fi2由连续可调的LC振荡器（称内插振荡器）产生，fi2＝50—60 kHZ．则合成后的输出频率fo＝2 390一2 400 kHZ连续可调．
下面我们来讨论输出频率fo的频率稳定度．因为fo=fi1+fi2, 则按误差传递公式，Δf0=＝Δfi1+Δfi2, 若石英振荡器的频率稳定度为1×10-N／日，LC内插振荡器的频率稳定度为1×10-4／日，设fi1＝2 340 kflz，fi2＝60 kHz，则Δf0＝2．34 Hz＋6HZ＝8．34HZ，输出频率稳定度Δf0／f0=3．6×10-6/日．可见。

仍可达到10-6／日量级，即与基准频率同－一量级．
（二）倍频式锁相环
可以对输入频率进行乘法运算的锁相环．称倍频式锁相见简称倍频环．
1．倍频环的两种基本形式
常用的倍频环有两种：脉冲控制环和数字环．
图6-4是脉冲控制环的基本形式．这种锁相环的特点是：。