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。