2.1 低頻信號發(fā)生器

低頻信號發(fā)生器用來產(chǎn)生頻率為1Hz～1MHz的正弦信號。除具有電壓輸出外，有的還有功率輸出。所以用途十分廣泛，可用于測試或檢修各種電子儀器設(shè)備中的低頻放大器的頻率特性、增益、通頻帶，也可用作高頻信號發(fā)生器的外調(diào)制信號源。另外，在校準(zhǔn)電子電壓表時，它可提供交流信號電壓。

2.1.1 低頻信號發(fā)生器的工作原理

1．低頻信號發(fā)生器的原理方框圖

低頻信號發(fā)生器的原理方框圖如圖2-1所示。包括主振級、主振輸出調(diào)節(jié)電位器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器（輸出變壓器）和指示電壓表。

主振級產(chǎn)生低頻正弦振蕩信號，經(jīng)電壓放大器放大，達(dá)到電壓輸出幅度的要求，經(jīng)輸出衰減器可直接輸出電壓，用主振輸出調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。電壓輸出端的負(fù)載能力很弱，只能供給電壓，故為電壓輸出。振蕩信號再經(jīng)功率放大器放大后，才能輸出較大的功率。阻抗變換器用來匹配不同的負(fù)載阻抗，以便獲得最大的功率輸出。電壓表通過開關(guān)換接，測量輸出電壓或輸出功率。

2．低頻信號發(fā)生器的主振電路

低頻信號發(fā)生器的主振級幾乎都采用RC橋式振蕩電路。這種振蕩器的頻率調(diào)節(jié)方便，調(diào)節(jié)范圍也較寬。

RC橋式振蕩器是一種反饋式振蕩器，其原理電路如圖2-2所示。T1、T2構(gòu)成同相放大器，R1、C1、R2、C2為選頻網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)與頻率有關(guān)（為反饋電壓，為放大器輸出電壓）。因此，反饋網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，使得只有某一頻率滿足振蕩的兩個基本條件，即振幅和相位平衡條件。

選頻網(wǎng)絡(luò)是一個RC串并聯(lián)反饋電路，其電路及頻率特性如圖2-3（a）、（b）所示。當(dāng)頻率很低接近零時，C1、C2的容抗趨向無窮大，Uo幾乎全部降落在Cl上，UF與F近似為零，流過R2的電流也就是流過C1的電流，，而1主要由C1來決定，故相位超前90°，所以相位也超前90°。隨著頻率逐漸升高，C1的容抗逐漸減小，因此C1上的壓降減小，R2上的分壓則逐漸增加，UF與F亦逐漸增大，選頻網(wǎng)絡(luò)所引起的相移ψ也逐漸變小。

當(dāng)頻率很高趨向無窮大時，Cl和C2的容抗都很小，Cl是串聯(lián)于回路中，它與R1相比可以忽略，C2是與R2并聯(lián)，由于C2的容抗很小，所以與F很小，為在C2上的降壓，與同相，所以近似落后于90°。隨著頻率逐漸降低，VF和F也隨著增大，相角ψ也逐漸減小。當(dāng)ω=ω0時，和F達(dá)到最大，相移ψ=0。

由于RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對不同頻率的信號具有上述選頻特性，因此，當(dāng)它與放大器組成正反饋放大器時，就有可能使ω=1/RC的頻率滿足振幅和相位條件，從而得到單一頻率的正弦振蕩。如圖2-2所示，T1、T2組成兩級阻容耦合放大器。其頻率特性很寬，可以把放大倍數(shù)A看成常數(shù)，每級放大器倒相180°，兩級放大器共產(chǎn)生360°的相移，為同相放大。在ω=ω0=1/RC時，ψ=0，滿足相位平衡條件。只要放大器總放大倍數(shù)A≥3，則AF≥1，即可滿足振幅平衡條件。因此，在頻率為ω0時滿足振幅、相位條件而產(chǎn)生振蕩，對于其他頻率，由于RC網(wǎng)絡(luò)相移不為零，且振幅傳輸系數(shù)很快下降，所以其他任何頻率都不可能形成振蕩。

在實際的RC橋式振蕩電路中，由于兩級放大器的放大量很大（遠(yuǎn)大于3），正反饋信號很強(qiáng)，使振蕩幅度不斷增長，直到增長到晶體管輸出特性的非線性區(qū)域，放大倍數(shù)降低，振蕩才能穩(wěn)定。這樣，振蕩信號很強(qiáng)，一方面使波形失真嚴(yán)重，另一方面可能使晶體管過載。因此放大器需加入很深的負(fù)反饋，使放大倍數(shù)降為3左右。其電路如圖2-4（a）所示。Rt、R6為負(fù)反饋支路，它與正反饋支路組成一個電橋，即為文氏電橋。如圖2-4（b）所示，四個橋臂中AB和BC兩個橋臂是由正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。另外兩個橋臂AD和DC則是由放大器負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)Rt和R6構(gòu)成。電橋的兩個端點A、C接到放大器的輸出端，引回輸出電壓Uo，電橋的另外兩個端點B、D接到放大器輸入級T1的基極和發(fā)射極，以供給放大器的輸入信號Ui。這種振蕩器又稱為文氏電橋振蕩器。

反饋電阻Rt是具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，可以自動穩(wěn)定振蕩幅度。當(dāng)振蕩輸出電壓幅度增大時，通過Rt電流加大，引起Rt溫度升高，Rt阻值減小，使負(fù)反饋增強(qiáng)，振蕩器輸出電壓幅度的增大受到抑制。此外，振蕩器開始起振時，熱敏電阻Rt的阻值較大，負(fù)反饋較弱，整個振蕩器也比較容易起振。這樣，不再利用晶體管的非線性特性來限制振幅，使放大器可以工作在線性區(qū)，從而減少了振蕩器的波形失真。

文氏電橋振蕩器的優(yōu)點是穩(wěn)定度高，非線性失真小，正弦波形好，因此在低頻信號發(fā)生器中獲得廣泛的應(yīng)用。

3．低頻信號發(fā)生器的放大電路

放大電路包括電壓放大器和功率放大器，簡述如下：

（1）電壓放大器 主振級中的電壓放大器，應(yīng)能滿足振蕩器的幅度和相位平衡條件。RC橋式振蕩器中的電壓放大器應(yīng)是同相放大器。

緩沖放大器主要用于阻抗變換。在低頻信號發(fā)生器中，主振信號常首先經(jīng)過緩沖放大器，然后再輸入給電壓放大器或輸出衰減器，使衰減器阻抗變化或電壓放大器輸入阻抗變化時，不影響主振級的工作。

一般電壓放大器的方框圖如圖2-1所示。為了使主振輸出調(diào)節(jié)電位器的阻值變化不影響電壓放大倍數(shù)，要求電壓放大器的輸入阻抗較高。低頻信號發(fā)生器的工作頻率范圍較寬，要求電壓放大器的通頻帶亦寬，并且波形失真小，工作穩(wěn)定。電壓放大器的后級是輸出衰減器和電壓指示表，為了在調(diào)節(jié)輸出衰減器時，阻抗變化不影響電壓放大器，要求電壓放大器的輸出阻抗低，有一定的負(fù)載能力。滿足上述指標(biāo)的放大器，才能用于低頻信號發(fā)生器中。

（2）功率放大器 某些低頻信號發(fā)生器要求有功率輸出，這樣要有功率放大器。在低頻信號發(fā)生器中，對功率放大器的主要要求是失真小，輸出額定功率，并設(shè)有保護(hù)電路。

功率放大器主要是為負(fù)載提供所需要的功率。因此晶體管均工作在大信號（大電壓、大電流）狀態(tài)。為了充分利用晶體管，其工作電流、電壓都接近管子的極限值。所以要求功率放大器既要滿足輸出功率的要求，又要避免晶體管過熱，而且非線性失真也不能太大。由于功率放大器實際上是一個換能器，即將晶體管集電極直流輸入功率轉(zhuǎn)換為交流輸出功率，因此還要求換能效率要高。

由于功率放大器工作在大信號狀態(tài)下，晶體管往往在接近極限參數(shù)下工作，所以因設(shè)計不當(dāng)或使用條件變化，就容易超過極限范圍導(dǎo)致晶體管損壞。因此在功率放大器電路中，常常加上保護(hù)電路。當(dāng)負(fù)載短路等原因使功率管中電流、功耗超過極限運用范圍時，利用負(fù)載短路取樣信號，通過保護(hù)電路可以切斷輸入信號或切斷電源，以達(dá)到保護(hù)目的。或者用保護(hù)電路把功率管負(fù)載線限制在安全工作區(qū)域之內(nèi)。

4．低頻信號發(fā)生器的輸出電路

對于只要求電壓輸出的低頻信號發(fā)生器，輸出電路僅僅是一個電阻分壓式衰減器。對于需要功率輸出的低頻信號發(fā)生器，為了與負(fù)載匹配以減小波形失真和獲得最大輸出功率，還必須接上一個或兩個匹配輸出變壓器，并用波段開關(guān)改變輸出變壓器次級圈數(shù)來改變輸出阻抗以獲得最佳匹配。

低頻信號發(fā)生器中的輸出電壓調(diào)節(jié)，常常可以分為連續(xù)調(diào)節(jié)和步進(jìn)調(diào)節(jié)。為了使主振輸出電壓連續(xù)可調(diào)，采用電位器作連調(diào)衰減器。為了步進(jìn)調(diào)節(jié)電壓，用步進(jìn)衰減器按每檔的衰減分貝數(shù)逐檔進(jìn)行。例如XD22型低頻信號發(fā)生器中的步進(jìn)衰減器，衰減共分九級，每級衰減10dB，共90dB。衰減器原理如圖2-5所示。一般要求衰減器的負(fù)載阻抗很大，使負(fù)載變化對衰減系數(shù)影響較小，從而保證衰減器的精度。衰減器每級的衰減量根據(jù)輸入、輸出電壓的比值取對數(shù)求出。現(xiàn)以波段開關(guān)置于第二檔為例，根據(jù)下式計算衰減量為

根據(jù)X22型低頻信號發(fā)生器衰減器的參數(shù)計算得：

兩邊取對數(shù)

同理第三檔為

依此類推，波段開關(guān)每增加一檔，就增加10dB的衰減量，根據(jù)需要可任選衰減量。

輸出電路還包括電子電壓表，一般接在衰減器之前。經(jīng)過衰減的輸出電壓應(yīng)根據(jù)電壓表讀數(shù)和衰減量進(jìn)行估算。

2.1.2 低頻信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)與要求

1．頻率范圍

頻率范圍是指各項指標(biāo)都能得到保證時的輸出頻率范圍，或稱有效頻率范圍。一般為20Hz～200kHz，現(xiàn)在做到1Hz～lMHz并不困難。在有效頻率范圍內(nèi)，頻率應(yīng)能連續(xù)調(diào)節(jié)。

2．頻率準(zhǔn)確度

頻率準(zhǔn)確度是表明實際頻率值與其標(biāo)稱頻率值的相對偏離程度。一般為±3%。

3．頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是表明在一定時間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化，所以實際上是頻率不穩(wěn)定度或漂移。沒有足夠的頻率穩(wěn)定度，就不可能保證足夠的頻率準(zhǔn)確度。另外，頻率的不穩(wěn)定可能使某些測試無法進(jìn)行。頻率穩(wěn)定度分長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度一般應(yīng)比頻率準(zhǔn)確度高一至二個數(shù)量級，一般應(yīng)為（0.1～0.4）%/h。

4．非線性失真

振蕩波形應(yīng)盡可能接近正弦波，這項特性用非線性失真系數(shù)表示，希望失真系數(shù)不超過（1～3）%，有時要求低至0.1%。

5．輸出電壓

輸出電壓需能連續(xù)或步進(jìn)調(diào)節(jié)，幅度應(yīng)在0～10V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

6．輸出功率

某些低頻信號發(fā)生器要求有功率輸出，以提供負(fù)載所需要的功率。輸出功率一般為0.5～5W連續(xù)可調(diào)。

7．輸出阻抗

對于需要功率輸出的低頻信號發(fā)生器，為了與負(fù)載完美地匹配以減小波形失真和獲得最大輸出功率，必須有匹配輸出變壓器來改變輸出阻抗以獲得最佳匹配。如50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和1.5kΩ等幾種。

8．輸出形式

低頻信號發(fā)生器應(yīng)可以平衡輸出與不平衡輸出。

2.1.3 低頻信號發(fā)生器的使用

低頻信號發(fā)生器雖然型號很多，但是它們除頻率范圍、輸出電壓和功率大小等有些差異外，它們的基本測試方法和應(yīng)用范圍是相同的。低頻信號發(fā)生器面板裝置、測試步驟與技巧等方面的一些共性的內(nèi)容，以便使用者能在此基礎(chǔ)上可適應(yīng)各種不同型號的低頻信號發(fā)生器。下面就以如圖2-6所示的AS1033型為例進(jìn)行介紹。

1．AS1033低頻信號發(fā)生器指標(biāo)

AS1033低頻信號發(fā)生器是新一代智能化產(chǎn)品。具有友好的人機(jī)對話界面，由于輸出頻率和幅度均為數(shù)字顯示，克服了傳統(tǒng)的信號發(fā)生器刻度盤讀數(shù)的不便和誤差。

（1）正弦波特性：頻率范圍2Hz～2MHz

信號幅度0.5mVrms～5Vrms（可調(diào)）

幅頻特性 ≤±0.3%，

失真度2～20Hz≤0.3%,20Hz～200kHz≤0.1%，

200kHz～2MHz諧波分量 ≤-46dB

（2）方波特性

最大輸出電壓14Vp-p（無負(fù)載中心電平為零）

占空比系數(shù)20%～80%（連續(xù)可調(diào)）

邏輯電平輸出：TTL電平，上升、下降沿≤25ns

輸出頻率調(diào)節(jié)，五位數(shù)碼管顯示頻率

（3）頻段調(diào)節(jié) 頻率從2Hz～2MHz共分5檔，根據(jù)需要可用輕觸按鈕在五檔內(nèi)任選。

第一頻段：2～30Hz

第二頻段：20～450Hz

第三頻段：450Hz～7kHz

第四頻段：7kHz～100Hz

第五頻段：100kHz～2MHz

（4）頻率調(diào)節(jié) 可用輕觸按鈕選擇快調(diào)和慢調(diào)，有LED顯示；可用數(shù)碼開關(guān)來快調(diào)和慢調(diào)，根據(jù)手動的快和慢，頻率相應(yīng)變化快和慢。

（5）輸出電壓調(diào)節(jié) 三位數(shù)碼管顯示電壓有效值或dB值，可通過一輕觸按鈕任意選擇顯示方式。

電壓粗調(diào)：采用輕觸按鈕調(diào)節(jié)，有20dB、40dB、60dB三檔可選擇。

電壓細(xì)調(diào)：采用電位器調(diào)節(jié)，在0～20dB內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

（6）輸出阻抗：600Ω。

（7）正常工作條件

環(huán)境溫度：0～40oC

相對濕度：＜90%（40oC）

大氣壓：86～106kPa

電源電壓：220 ±22V,50 ±2.5Hz

2．面板裝置

一般低頻信號發(fā)生器面板上所具有的控制裝置有頻段（頻率倍乘）選擇按鈕、頻率調(diào)節(jié)（調(diào)諧）旋鈕、頻率微調(diào)旋鈕、輸出調(diào)節(jié)旋鈕、衰減選擇開關(guān)、波形選擇鈕、頻率、幅度顯示、電源開關(guān)與指示燈等。現(xiàn)分別介紹如下。其面板示意圖如圖2-7所示。

①整機(jī)電源開關(guān)（POWER）

按下此開關(guān)，接通電源，同時面板上指示燈亮。

②頻段選擇開關(guān)（亦稱為頻率倍乘開關(guān)）

按下一次，轉(zhuǎn)換一個頻段，指示燈上移一格。有4檔：20～200Hz（或×1）,200～2kHz（或×10）,2～20kHz（或×100）,20～200kHz（或×1000）。

③頻段指示燈

顯示當(dāng)前輸出信號頻段。

④輸出信號頻率調(diào)諧開關(guān)（FREQ）

此旋鈕為數(shù)碼開關(guān)，轉(zhuǎn)動此旋鈕，頻率會跟著自動換檔。

⑤頻率調(diào)節(jié)快慢指示燈

⑥頻率調(diào)節(jié)快慢檔選擇

每按一次，快與慢轉(zhuǎn)換一次，頻率調(diào)節(jié)快慢指示燈⑤亮為快檔（FAST），否則為慢檔。

⑦輸出波形選擇

每按此鍵一次，在正弦波、方波和脈沖波之間轉(zhuǎn)換，指示燈同時切換指示。

⑧方波占空比調(diào)節(jié)（DUTY）

調(diào)節(jié)占空比，20%～80%。

⑨輸出幅度粗調(diào)（增加）

每按一次，減小衰減量20dB。

⑩輸出幅度調(diào)節(jié)電位器（AMPLFINE）

此旋鈕按順時針方向旋轉(zhuǎn)，輸出幅度加大，反之，則減小。總幅度為20dB。

?輸出幅度粗調(diào)（減小）

每按此鍵一次，減小衰減量20dB。

?邏輯電平輸出（TTL）

單獨的邏輯電平、方波輸出。

?輸出端（OUT）

正弦波信號輸出端，輸出阻抗600Ω。

?輸出電壓幅度/衰減電平顯示選擇

每按一次，顯示輸出電壓幅度與衰減電平之間轉(zhuǎn)換一次。

?輸出幅度單位指示

指示當(dāng)前顯示幅度的單位是dBv、mV或V。

?輸出幅度/衰減電平顯示數(shù)碼管

三位數(shù)碼顯示輸出幅度/衰減電平有效數(shù)字。

?輸出波形選擇指示燈

指示當(dāng)前輸出波類型。

?頻率單位顯示

顯示Hz或kHz。

?輸出頻率顯示數(shù)碼管

五位數(shù)碼顯示頻率有效數(shù)字。

3．測試步驟與技巧

（1）準(zhǔn)備工作

將電源線接入220V/50Hz電源，把輸出幅度調(diào)節(jié)旋鈕置于逆時針旋到底的起始位置，然后開機(jī)預(yù)熱片刻，使儀器穩(wěn)定工作后使用。

（2）選擇頻率

首先按頻段選擇手動按鈕②，粗調(diào)頻段，然后轉(zhuǎn)動頻率調(diào)諧開關(guān)④細(xì)調(diào)頻率，觀察輸出頻率顯示數(shù)碼管④牽動所需頻率。例如：需要獲得頻率為1000Hz的正弦信號。首先按輸出波形選擇鈕⑦，選擇正弦波；頻率選擇手動按鈕應(yīng)置于200～2000Hz檔，然后轉(zhuǎn)動頻率調(diào)諧開關(guān)④細(xì)調(diào)頻率，觀察輸出頻率顯示數(shù)碼管⑩，得到1000Hz。

（3）輸出電壓調(diào)節(jié)

首先根據(jù)使用要求輸出電壓有效值或輸出衰減電平按一次輸出電壓幅度/衰減電平顯示選擇按鈕⑧，選擇顯示電壓幅度或衰減電平。然后按?、或?輸出粗調(diào)按鈕粗調(diào)，最后，轉(zhuǎn)動輸出幅度調(diào)節(jié)電位器⑨細(xì)調(diào)，觀察輸出顯示數(shù)碼管⑩達(dá)到所需電壓幅度或衰減電平。

（4）方波輸出

使用邏輯電平輸出端（TTL）?，調(diào)節(jié)占空比電位器?，用示波器觀察輸出方波波形，直至達(dá)到所需言方波。

4．測試應(yīng)用

（1）熟悉低頻信號發(fā)生器面板裝置的名稱、位置和作用。

（2）觀察信號發(fā)生器輸出信號。

1）低頻信號發(fā)生器輸出已知頻率和已知電壓的信號。

f1=10kHz、u1=2V, f2=1kHz、u2=5V。用電子電壓表測量輸出電壓值。用示波器觀察輸出信號波形，并測量、計算電壓（峰-峰值、有效值）、周期、頻率。

2）低頻信號發(fā)生器輸出頻率f=1kHz、u=5V的信號，將分貝衰減器置于0dB,20dB, 40dB,60dB時，用電子電壓表測量低頻信號發(fā)生器輸出電壓。

3）記錄低頻信號發(fā)生器作上述測量時儀器面板的主要控制裝置的位置，整理測試數(shù)據(jù)，比較低頻信號發(fā)生器輸出信號的自身指示值和測量值。

5．注意事項

（1）使用前請先仔細(xì)閱讀使用說明書。

（2）開機(jī)預(yù)熱15min左右。

（3）輸出小信號時，連接線不宜太長，否則影響輸出信號的幅頻特性。

（4）使用時應(yīng)避免劇烈振動、高溫和強(qiáng)磁場。