第二章信号源的原理与使用

8484第二章信号发生器的原理与使用信号发生器又叫信号源，它是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号的仪器。信号发生器可产生不同波形、频率、和幅度的信号，用来测试放大器的放大倍数、频率特性以及元器件的参数等等，还可以用来校准仪表以及为各种电路提供交流电压。一、信号发生器的分类信号发生器用途广泛，种类繁多，有各种各样的分类方法，常见的分类方法有：1、按输出波形分类①正弦信号发生器，产生正弦波或受调制的正弦波。②脉冲信号发生器，产生不同脉宽的重复脉冲或脉冲链。③函数信号发生器，产生幅度与时间成一定函数关系的信号，包括正弦波、三角波、方波等各种信号。④噪声信号发生器，产生各种模拟干扰的电信号。2、按输出频率范围分类①超低频信号发生器，输出信号频率范围为1／1000Hz～1000HZ。②低频信号发生器，输出信号频率范围为1HZ～200KHZ～1MHZ。③视频信号发生器，输出信号频率范围为20HZ～10MHZ。④高频信号发生器，输出信号频率范围为200KHz～30MHz。⑤甚高频信号发生器，输出信号频率范围为30MHZ～300MHZ。⑥超高频信号发生器，输出信号频率范围为300MHZ以上。二、对信号发生器的一般要求①输出波形失真小，正弦信号发生器的非线性失真系数不超过1%～3%，有时要求低于0.1%。②输出频率稳定并且在一定范围内连续可调。一般信号发生器的频率稳定度为1～10%，标准信号发生器应优于1%。③输出电压稳定并且在一定范围内连续可调。一般最小可达毫伏级，最大可达几十伏。对于低频信号发生器，要求在整个频率范围内输出电压幅度不变，一般要求变化小于1dB，否则会给测试工作带来麻烦。④输出阻抗要低，与负载容易匹配。一般低频信号发生器具有低阻抗和600Ω阻抗；高频信号发生器多为50Ω或75Ω输出阻抗；有功率输出时可配接8Ω、16Ω、150Ω、600Ω、5000Ω等。⑤调制特性：对高频信号发生器一般要求有调幅和调频输出。调制频率：调幅一般为100HZ和400HZ，调频为10HZ～110KHZ。调制特性：调幅度为０～80%，调频频偏不低于75KHZ。三、正弦信号发生器正弦信号发生器是信号源中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号。1、正弦信号发生器的分类根据信号产生的方式，正弦信号发生器可分为：①LC振荡式信号发生器。LC振荡方式多用于高频信号发生器。②RC振荡式信号发生器。RC振荡方式多用于低频信号发生器，尤以文氏电桥振荡器最多。③差频式振荡信号发生器。差频振荡器电路复杂，频率稳定度和波形都差，但它很容易做到在整个低频范围内连续调节而不用更换频段，输出电平也较均匀，所以常用于扫频振荡器中。④石英晶体振荡器。它是由一块高稳定度的石英晶体做成基准频率振荡器，通过频率的加、减、分频、倍频的变换，产生与基准频率具有同样精确度和高稳定度的所需频率信号。8585２、低频正弦信号发生器的工作原理下面介绍电子电路测试中用得最多的低频正弦信号发生器的原理和使用方法。低频信号发生器的原理框图如图2-1所示图2-1正弦信号发生器电路原理框图主振器是低频信号发生器的核心，产生频率可调的正弦信号，决定输出信号的频率范围和稳定度。电压放大器放大主振器产生的正弦信号，以达到电压输出幅度的要求，并用主振输出调节电位器调节输出电压的大小功率放大器对负载能力很弱的电压输出信号进行功率放大。输出衰减器将放大器输出信号的幅度进行衰减后输出，以满足不同输出要求。阻抗变换器用来匹配不同的负载。指示电压表用开关“S”进行转换，当它置“1”时，电压表指示电压放大器的输出电压幅度，当它置于“2”时，电压表指示功率放大器的输出电压幅度，当它置“外”时，则对外部信号电压进行测量。3、XD-22型低频信号发生器（1）主要性能指标①频率范围：1HZ～1MHZ，分六个频段②频率误差：Ⅰ～Ⅴ频段小于±（1.5%f+1HZ），Ⅵ频段小于±1%f。③正弦波输出幅度：0～6V连续可调。④正弦波输出阻抗：600Ω⑤正弦波非线性失真度：10HZ～200KHZ小于±0.1%。⑥脉冲幅度：0——10VPP连续可调。⑦逻辑信号幅度：高电平为4.5±0.5V，低电平小于0.3V。⑧逻辑信号负载能力：大于25mA。（2）使用方法图2-2XD-22型低频信号发生器的面板图XD-22型低频信号发生器的面板如图2-2所示。使用方法如下：主振器电压放大器输出衰减器功率放大器阻抗变换器指示电压表S12外主振输出调节电压输出功率输出电压输入HZKHZ输出衰减输出细调频率占空比305070~波段开关TTL频率显示86861、接通电源，频率应有显示。由于热敏电阻的惯性，起振幅度会超过正常幅度，所以开机时输出细调旋钮不要置于最大位置。2、根据测试所要求信号的频率选择合适的波段，再转动各频率开关得到所需要的频率。3、根据测试所要求信号的波形设定信号转换开关的位置，需要正弦波则将信号转换开关置于左边，此时右下角插座输出正弦波信号；需要脉冲和TTL电平输出时，将信号转换开关置于右边，此时右下角插座输出脉冲信号，右上角插座输出TTL电平信号。输出脉冲信号的幅度可以通过衰减器和细调电位器调节，脉冲宽度可由占空比旋钮调节，由于仪器本身对占空比的指示不作严格要求，故脉宽应另用示波器来监测。4、正弦波输出信号电平可以连续调节并由电压表指示，当衰减器在0dB时，电压表满刻度为6.3V；在10dB时满刻度为2V。必须注意，①表头的指示值是正弦波信号的开路电动势。②实际输出电压的大小等于表头指示值乘以衰减倍数。四、函数信号发生器的工作原理及使用函数信号发生器能产生三角波、矩形波和正弦波等波形。由于这种信号发生器能够输出各种不同波形的信号，使用起来有很大的灵活性，因而函数发生器正在逐渐替代只产生正弦波的正弦信号发生器。目前，函数信号发生器的输出频率范围达到了0.0005Hz至50MHz，能够输出正弦波、方波、三角波、锯齿波以及各种脉冲信号，一般的函数信号发生器都具有频率计数和显示功能，既能显示自身输出信号的频率也能测量外来信号的频率。有些函数信号发生器还具备调制和扫频功能。（一）(1)图2-3函数信号发生器的原理框图图2-4调节直流电平产生不同的方波波形如图2-3所示为函数信号发生器的简化原理框图。虽然图中所示方波由三角波通过方波变换电路变换而成，实际中，三角波和方波的产生是难以分开的，方波形成电路通常是三角三角波发生器方波变换电路正弦波形成电路直流偏置放大器幅度选择衰减器输出正直流负直流无直流8787波发生器的组成部分。正弦波是三角波通过正弦波形成电路变换而来的。所需波形经过选取、放大后经衰减器输出。直流偏置电路提供一个直流补偿调整，使函数信号发生器输出的直流电平可以进行调节，如图2-4所示为具有不同直流电平的方波。图2-3是函数信号发生器的主要结构原理框图，除了图中示出的部分外，函数信号发生器一般都带有频率计数和显示电路，既可以显示自身输出信号的频率，也可以利用这部分电路测量外来信号的频率，即函数信号发生器可以当作频率计使用。此外，有些函数信号发生器为了将其输出的方波用作数字电路的时钟而设置了固定的TTL和CMOS输出电路。函数信号发生器的主要电路为三角波发生器、方波形成电路和正弦波形成电路，下面我(2)方波、三角波产生电路的构成有很多种，常用的有恒流源控制式的，施密特触发器和线性积分电路构成的以及运算放大器构成的等等。下面以恒流控制式的为例，介绍方波、三角波产生电路的原理。图2-5恒流源控制的方波、三角波产生电路如图2-5所示为恒流源控制的方波、三角波产生电路。它由恒流源控制电路、二极管开关电路、恒流源、充放电电容，电压放大器和电压比较器等部分组成。在图2-5中，由于恒流源对电容C的充电、放电，在电容C上产生线性变化的电压，从而在放大器输出端得到三角波。此三角波送到电压比较器，在比较器的输出端得到方波，该方波又反馈控制二极管开关电路，决定恒流源对电容C是充电还是放电，工作波形如图2-6所示。图2-6方波、三角波产生电路的工作波形恒流源控制电路二极管开关正恒流源负恒流源放大器比较器阀值电压C(a)(b)(c)(d)阀值电压阀值电压8888当正恒流源对电容C充电时，三角波电压线性上升，比较器输出为高电平，当三角波电压上升至上阀值电压时，比较器输出翻转为低电平，此低电平反馈给二极管开关，使正恒流源停止对C的充电，转而由C向负恒流源放电，三角波电压线性下降直到放至下阀值电压，比较器输出又翻转为高电平，此高电平又反馈给二极管开关，使正恒流再次对C充电，如此循环形成三角波、方波。电容C的大小决定三角波、方波的频率，C越小频率越高。当正、负恒流源大小相等时，得到的是对称的三角波和占空比为50%的方波。如图2-6(a)、(b)所示。调节恒流源控制电路，改变正、负恒流源的大小，可得到非对称的三角波和占空比不为50%的矩形波，如图2-6(c)、(d)所示。（3）正弦波形成电路正弦波形成电路将三角波变换成正弦波，能够完成这种变换的电路种类很多，如二极管网络、差分放大器等等。如图2-7所示为典型的二极管网络变换电路。图2-7正弦波形成电路图2-8三角波变换正弦波原理如图2-7所示电路包含12个有偏置电压的二极管。它们按照一定的控制电平，依次接入或断开6个固定电阻RA、RB、RC、RO、RE和RF，从而组成可变的衰减器。另外的7个电阻R1A、R2A、R3A、R4A、R5A、R6A和R7A用来使二极管1A～6A获得固定的偏置，而电阻R1B～R7B则用来使二极管VD1B～VD6B获得固定偏三角波从A点输入，正弦波从B点输出，设开始时，三角波输入电压为零值，图2-7中各二极管均截止。当三角波自零值向正值方向增大到“1”点电压U1时，二极管VD1A导通，使得由电阻R0、RA和R1A组成的分压器被接通，输入三角波通过该分压器分压后再传送到输RRAR1AR2AR3AR4AR5AR6AR7AR1BR2BR3BR4BR5BR6BR7BRBRCRDRERFVD1AVD2AVD3AVD4AVD5AVD6AVD1BVD2BVD3BVD4BVD5BVD6BE三角波输入三角波输出AB1234567891011121'2'3'4'5'6'7'8'9'10'11'U1U2U3tU(t)8989出端B端，使得B端电位下降，输出波形自1点下降至1′点。当三角波继续增大到2点电压U2时，二极管VD2A也导通，电阻RB、RA被接入分压，使得分压器的分压比减小而B端的电位比A端的电位更为下降，输出波形自2点下降至2′点，下降幅度大于1点至1′点的下降幅度。随着输入三角波的不断增大，二极管VD3A～VD6A将依次导通，使得分压器的分压比逐渐减小，B端电位依次从3至6点下降至3′～6′点，使三角波趋向于正弦波。同理，当三角波自正峰值逐渐减小时，二极管VD6A～VD1A依次截止，分压器的分压比又逐渐增大，B端电位依次从7～11点分别下降到7′～11′点，如图2-35所示。因此，将正半周的三角波变换成为近似的正半周正弦波。同理在三角波的负半周，对应的二极管VD1B～VD6B依次导通和截止，在B端形成近似的负半周正弦波，如图2-8所示。由图2-8可见正弦波形成电路得到的正弦波的频率与三角波的频率相等。（二）EM1643型功率函数信号发生器（1）主要性能指标1、输出波形：正弦波、方波、三角波、脉冲波、锯齿波2、输出频率范围：0.2HZ~2MHZ，分六档连续可调3、输出直流电平范围：-10V~10V4、输出阻抗：电压输出为50Ω，功率输出为4Ω5、输出电压范围：电压输出：1mVp-p25Vp-p连续可调（开路时）；功率输出：4.5W6、占空比调节范围：10%～90%7、具有TTL电平、单次脉冲输出及频率计数和显示功能。图2-9EM1643面板图（2）面板简介1、POWER：电源开关，按入开。2、OUTSIDE/INSIDE：测频选择按钮，按入时测外来信号频率，弹出时测自身输出信号的频率。3、FUNCTION：波形选择按钮，选择输出信号波形。4、RANGE-Hz：频段选择按钮，共分六档。5、FRE