低频信号发生器及其应用.doc

第三章 低频信号发生器及其应用凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试信号。这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。一、低频信号发生器的工作原理低频信号发生器用来产生频率为20Hz200kHz的正弦信号。除具有电压输出外，有的还有功率输出。所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。（一） 低频信号发生器的原理方框图低频信号发生器的原理方框图如图3-1所示。包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。图3-1 低频信号发生器原理方框图主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。电压输出端的负载能力很弱，只能供给电压，故为电压输出。振荡信号再经功率放大器放大后，才能输出较大的功率。阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗，以便获得最大的功率输出。电压表通过开关换接，测量输出电压或输出功率。（二）低频信号发生器的主振电路低频信号发生器的主振级几乎都采用RC桥式振荡电路。这种振荡器的频率调节方便，调节范围也较宽。RC桥式振荡器是一种反馈式振荡器，其原理电路如图3-2所示。T1、T2构成同相放大器，R1、C1、 R2、C2为选频网络。选频网络的反馈系数与频率有关（为反馈电压，为放大器输出电压）。因此，反馈网络具有选频特性，使得只有某一频率满足振荡的两个基本条件，即振幅和相位平衡条件。图3-2 RC桥式振荡器选频网络是一个RC串并联反馈电路，其电路及频率特性如图3-3（a）、（b）所示。当频率很低接近零时，C1、C2的容抗趋向无穷大，Vo几乎全部降落在Cl上，VF与F近似为零，流过R2的电流也就是流过C1的电流，而主要由C1来决定，故相位超前90，所以相位也超前90。随着频率逐渐升高，C1的容抗逐渐减小，因此C1上的压降减小，R2上的分压则逐渐增加，VF与F亦逐渐增大，选频网络所引起的相移也逐渐变小。图3-3 RC选频网络频率特性当频率很高趋向无穷大时，Cl和C2的容抗都很小，Cl是串联于回路中，它与R1相比可以忽略，C2是与R2并联，由于C2的容抗很小，所以与F很小，为在C2上的降压，与同相，所以近似落后于90。随着频率逐渐降低，VF和F也随着增大，相角也逐渐减小。当=0时，VF和F达到最大，相移=0。上述过程也可用数学公式表示：R1、C1的串联阻抗为R2、C2的并联阻抗为因此，该网络的传输系数为一般说来，为了调节方便，常取R1=R2=R，C1=C2=C，则上式可改写为当频率=0=时，则有此时，为实数，即相移=0，F为最大。因此，要产生振荡，需满足=0=，也就是,即。若,则有即有.可以RLC网络谐振来举例。由于RC串并联网络对不同频率的信号具有上述选频特性，因此，当它与放大器组成正反馈放大器时，就有可能使=1/RC的频率满足振幅和相位条件，从而得到单一频率的正弦振荡。如图3-2所示，T1、T2组成两级阻容耦合放大器。其频率特性很宽，可以把放大倍数A看成常数，每级放大器倒相180，两级放大器共产生360的相移，为同相放大。在=0=1/RC时，=0，满足相位平衡条件。只要放大器总放大倍数A3，则AF1，即可满足振幅平衡条件。因此，在频率为0时满足振幅、相位条件而产生振荡，对于其他频率，由于RC网络相移不为零，且振幅传输系数很快下降，所以其他任何频率都不可能形成振荡。图3-4 加热敏电阻负反馈桥式振荡器原理图（a）(b)在实际的RC桥式振荡电路中，由于两级放大器的放大量很大（远大于3），正反馈信号很强，使振荡幅度不断增长，直到增长到晶体管输出特性的非线性区域，放大倍数降低，振荡才能稳定。这样，振荡信号很强，一方面使波形失真严重，另一方面可能使晶体管过载。因此放大器需加入很深的负反馈，使放大倍数降为3左右。其电路如图3-4（a）所示。Rt、R6为负反馈支路，它与正反馈支路组成一个电桥，即为文氏电桥。如图3-4（b）所示，四个桥臂中AB和BC两个桥臂是由正反馈选频网络构成。另外两个桥臂AD和DC则是由放大器负反馈网络Rt和R6构成。电桥的两个端点A、C接到放大器的输出端，引回输出电压Vo，电桥的另外两个端点B、D接到放大器输入级T1的基极和发射极，以供给放大器的输入信号Vi。这种振荡器又称为文氏电桥振荡器。反馈电阻Rt是具有负温度系数的热敏电阻，可以自动稳定振荡幅度。当振荡输出电压幅度增大时，通过Rt电流加大，引起Rt温度升高，Rt阻值减小，使负反馈增强，振荡器输出电压幅度的增大受到抑制。此外，振荡器开始起振时，热敏电阻Rt的阻值较大，负反馈较弱，整个振荡器也比较容易起振。这样，不再利用晶体管的非线性特性来限制振幅，使放大器可以工作在线性区，从而减少了振荡器的波形失真。文氏电桥振荡器的优点是稳定度高，非线性失真小，正弦波形好，因此在低频信号发生器中获得广泛的应用。（三）低频信号发生器的放大电珞放大电路包括电压放大器和功率放大器，简述如下：1电压放大器主振级中的电压放大器，应能满足振荡器的幅度和相位平衡条件。RC桥式振荡器中的电压放大器应是同相放大器。缓冲放大器主要用于阻抗变换。在低频信号发生器中，主振信号常首先经过缓冲放大器，然后再输入给电压放大器或输出衰减器，使衰减器阻抗变化或电压放大器输入阻抗变化时，不影响主振级的工作。一般电压放大器的方框图如图3-1所示。为了使主振输出调节电位器的阻值变化不影响电压放大倍数，要求电压放大器的输入阻抗较高。低频信号发生器的工作频率范围较宽，要求电压放大器的通频带亦宽，并且波形失真小，工作稳定。电压放大器的后级是输出衰减器和电压指示表，为了在调节输出衰减器时，阻抗变化不影响电压放大器，要求电压放大器的输出阻抗低，有一定的负载能力。满足上述指标的放大器，才能用于低频信号发生器中。2功率放大器某些低频信号发生器要求有功率输出，这样要有功率放大器。在低频信号发生器中，对功率放大器的主要要求是失真小，输出额定功率，并设有保护电路。功率放大器主要是为负载提供所需要的功率。因此晶体管均工作在大信号（大电压、大电流）状态。为了充分利用晶体管，其工作电流、电压都接近管子的极限值。所以要求功率放大器既要满足输出功率的要求，又要避免晶体管过热，而且非线性失真也不能太大。由于功率放大器实际上是一个换能器，即将晶体管集电极直流输入功率转换为交流输出功率，因此还要求换能效率要高。由于功率放大器工作在大信号状态下，晶体管往往在接近极限参数下工作，所以因设计不当或使用条件变化，就容易超过极限范围导致晶体管损坏。因此在功率放大器电路中，常常加上保护电路。当负载短路等原因使功率管中电流、功耗超过极限运用范围时，利用负载短路取样信号，通过保护电路可以切断输入信号或切断电源，以达到保护目的。或者用保护电路把功率管负载线限制在安全工作区域之内。（四）低频信号发生器的输出电路对于只要求电压输出的低频信号发生器，输出电路仅仅是一个电阻分压式衰减器。对于需要功率输出的低频信号发生器，为了与负载匹配以减小波形失真和获得最大输出功率，还必须接上一个或两个匹配输出变压器，并用波段开关改变输出变压器次级圈数来改变输出阻抗以获得最佳匹配。低频信号发生器中的输出电压调节，常常可以分为连续调节和步进调节。为了使主振输出电压连续可调，采用电位器作连调衰减器。为了步进调节电压，用步进衰减器按每档的衰减分贝数逐档进行。例如XD22型低频信号发生器中的步进衰减器，衰减共分九级，每级衰减10dB，共90dB。衰减器原理如图3-5所示。一般要求衰减器的负载阻抗很大，使负载变化对衰减系数影响较小，从而保证衰减器的精度。衰减器每级的衰减量根据输入、输出电压的比值取对数求出。现以波段开关置于第二档为例，根据下式计算衰减量为图3-5 衰减器原理图根据XD1型低频信号发生器衰减器的参数计算得：两边取对数同理第三档为依此类推，波段开关每增加一档，就增加10dB的衰减量，根据需要可任选衰减量。输出电路还包括电子电压表，一般接在衰减器之前。经过衰减的输出电压应根据电压表读数和衰减量进行估算。（五）低频信号发生器的主要性能指标与要求1频率范围频率范围是指各项指标都能得到保证时的输出频率范围，或称有效频率范围。一般为20Hz200kHz，现在做到1HzlMHz并不困难。在有效频率范围内，频率应能连续调节。2频率准确度频率准确度是表明实际频率值与其标称频率值的相对偏离程度。一般为3%。3频率稳定度频率稳定度是表明在一定时间间隔内，频率准确度的变化，所以实际上是频率不稳定度或漂移。没有足够的频率稳定度，就不可能保证足够的频率准确度。另外，频率的不稳定可能使某些测试无法进行。频率稳定度分长期稳定度和短期稳定度。频率稳定度一般应比频率准确度高一至二个数量级，一般应为（0.10.4）%/小时。4非线性失真振荡波形应尽可能接近正弦波，这项特性用非线性失真系数表示，希望失真系数不超过（13）% ，有时要求低至0.1% 。5输出电压输出电压须能连续或步进调节，幅度应在010V范围内连续可调。6.输出功率某些低频信号发生器要求有功率输出，以提供负载所需要的功率。输出功率一般为0.55W连续可调。7输出阻抗对于需要功率输出的低频信号发生器，为了与负载完美地匹配以减小波形失真和获得最大输出功率，必须有匹配输出变压器来改变输出阻抗以获得最佳匹配。如50、75、150、600和1.5k等几种。8输出形式低频信号发生器应可以平衡输出与不平衡输出。二、低频信号发生器的使用低频信号发生器虽然型号很多，但是它们除频率范围、输出电压和功率大小等有些差异外，它们的基本测试方法和应用范围是相同的。本项介绍低频信号发生器面板装置、测试步骤与技巧等方面的一些共性的内容，以便使用者能在此基础上可适应各种不同型号的低频信号发生器。（一） 面板装置一般低频信号发生器面板上所具有的控制装置有频段（频率倍乘）开关、频率调节（调谐）度盘、频率微调旋钮、输出调节旋钮、衰减选择开关、输出阻抗选择开关、内部负载开关、电压输出插座、功率输出接线柱、电压表输入接线柱、电压表头、电源开关与指示灯等。现分别介绍如下。1频段开关 亦称为频率倍乘开关，通常有4档：20Hz200Hz（或1），200Hz2kHz（或10），2kHz20kHz（或100），20kHz200kHz（或1000）。2频率调节度盘 亦称为调谐旋钮。这是各频段内连续调节频率用的。有些仪器的4个频段分别对应4条刻度；有些仪器是一条刻度对应4个频段，用倍乘数计算频率值。3频率微调（%）旋钮 有些仪器上具有该装置，是对输出信号频率进行微调的旋钮。现以刻度上标有1.5%Hz符号的频率微调（%）旋钮为例，对于某一个特定频率点而言，例如1000Hz频率点，微调范围为15Hz；100Hz频率点，微调范围为1.5Hz。4输出调节旋钮 连续调节输出信号（电压、功率）大小。5衰减选择开关 输出信号衰减值通常用分贝（dB）表示。有些仪器有个位数（010dB）和十位数（1090dB）两个衰减选择开关，此种情况下的实际输出信号衰减数为两开关读数之和；有些仪器只有一个衰减选择开关，此种情况下的衰减数一般仅有0dB（衰减倍数为1），20dB（衰减倍数为10），40dB（衰减倍数为100），60dB（衰减倍数为1000），80dB（衰减倍数为10000）数档。后一种情况的衰减选择开关往往是与输出阻抗选择开关合而为一的。6输出阻抗选择开关 通常具有若干个档级。供选用的输出阻抗有如8、50、75、150、600和5k等。一般仪器根据各自的应用场合，均配备有若干档阻抗值供选用。7内部负载开关 有些仪器上备有此开关。有通、断两档。置于通档时，机内负载电阻（通常是600）与输出变压器次级抽头相接。这种情况主要是用于信号发生器外接负载为高阻抗状态（如外接示波器、电子电压表或高输入阻抗电路等）时。如果外部负载正好为600时，输出抗选择开关应置于600档，而内部负载开关应置于断档。如果外部负载为8，50，75,150或5K等时，输出阻抗选择开关应置于相应的阻抗档级，内部负载内部负载开关也应置于断档。8输出端 一般低频信号发生器都具有两个输出端子。一个是电压输出插座，它通常输出05V的小失真的正弦信号电压，另一个是功率输出接线柱（有输出、输出、中心端和接地4个接线柱）。当短路片连接输出和接地柱时，信号发生器输出为不对称（不平衡式）；当中心端和接地柱相连接时，信号发生器输出为对称式（平衡式）。两种不出的接法具体可见图3-6所示。图3-6 低频信号发生器功率输出端及其接法9电压表量程开关 有些信号发生器（如XFD-7A型等）的电压指示电路可单独作电子电压表用，通常设有若干档量程（如15V，30V，75V，150V等）供选用。10电压表输入接线柱 信号发生器中凡单独作电子电压表用的指示电路，均具有电压表输入接线柱。当测量信号发生器自身输出电压时，要用一根导线连接信号发生器的输出接线柱（仅测量不平衡电压）。如果测量外界电压时，外界电压由此接线柱和信号发生器接地接线柱输入。11电压表头及其刻度 电压表表头上有对应不同量程的刻度线若干条，有些信号发生器（如XD-7A型等）的电压表是读测衰减电路之前的电压值的，输出端电压值的计算要计入衰减分贝数。这一点在使用中一定要注意区分。12电源开关和指示灯（二）测试步骤与技巧1准备工作先把输出调节旋钮置于逆时针旋到底的起始位置,然后开机预热片刻，使仪器稳定工作后使用。2选择频率根据测试需要调节频段选择开关于相应档级；调节频率刻度盘于相应的频率点上。例如，需要获得频率为1000Hz的正弦信号，频率选择开关应置于10档（亦有标200Hz2000Hz档），频率刻度盘应置于100Hz刻度点频率，即为100Hz10=1000Hz。在具有频率微调（%）旋钮的信号发生器上，通常该旋钮应置于零位置。3输出阻抗的配接图3-7 匹配电路实例应根据外接负载电路的实际负载值具体考虑之。若被测电路的实际输入阻抗值与信号发生器输出阻抗选择开关有对应数值时，则信号发生器的输出阻抗选择开关应置于相对应（阻抗值相等或相近）的档级，以获得最佳负载输出，即获得功率大而失真小的输出信号。如果信号发生器输出阻抗与负载阻抗失配过大，将引起输出信号的较大失真，若被测电路的输入阻抗与信号发生器的输出阻抗档级不相符，则应在信号发生器功率输出端与被测电路输入端之间接入阻抗变换电路。图3-7匹配电路实例中，列举了3种由电阻组成的不平衡式匹配电路，这3种电路还有20dB（即10倍）的衰减量。在许多场合下的外接负载为高阻扰（例如外接负载为示波器、电子电压表或高阻抗电路等）时，通常宜在信号发生器功率输出端并联上一个相应的等效负载电阻。有些信号发生器（XFD-7A型等)中备有内部开关，设有通、断两档，当其打到通档时，功率输出端自行并联上一个等效负载电阻，这个电阻值取600，所以一般与600档配接。如果实际使用中，由于要求输出电压值比