第1章 信号发生器..

第1章信号发生器学习要点：123信号发生器的工作原理信号发生器的性能指标信号发生器的使用方法及应用•信号发生器又称信号源。在进行电路及电子设备的电参数测量时，信号发生器是必不可少的的电子测量仪器，它可以产生不同频率、幅度和波形的各种供测试信号，如正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲波、调幅波和调频波等信号。信号发生器广泛应用于实验、试验、检测、测试等方面。•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。1.1信号发生器概述1.1.1信号发生器的功用1.作激励源作为某些电气设备的激励信号。2.信号仿真在设备测量中，常需要产生模拟实际环境相同特性的信号，如对干扰信号进行仿真。3.校准源产生一些标准信号，用于对一般信号源进行校准（或比对）。图1.1信号源的功用输入激励信号发生器被测设备测试仪器输出响应1.1.2信号发生器的分类1.按用途分专用----电视信号发生器、电平振荡器、误码仪通用----产生正弦波等通用波形3.按性能分普通----功率大，频率、电压刻度不大准确，用于天线测试等标准----频率、电压刻度准确，屏蔽好，供计测用2.按波形分正弦----脉冲----函数----产生函数通用波形噪声----ttttt4.按频率产生办法分谐振----由频率选择回路控制正反馈产生振荡。合成----由基准频率通过加、减、乘、除组合一系列频率。5.按频率范围分无低频高频微波频段频率范围主振电路调制方式RC电路1Hz~1MHz磁控管、体效应管、……1MHz~1GHz1GHz~100GHzLC电路AM、FM、PMAM、FM表1.1信号源按频率划分表名称频率范围主要应用领域超低频信号发生器低频信号发生器视频信号发生器高频信号发生器甚高频信号发生器超高频信号发生器30kHz以下30kHz~300kHz300kHz~6MHz6MHz~30MHz30MHz~300MHz300MHz~3000MHz电声学、声纳电报通讯无线电广播广播、电报电视、调频广播、导航雷达、导航、气象1．1．1低频信号发生器低频信号发生器用来产生频率为1Hz～1MHz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。1．2．1低频信号发生器的工作原理1.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1-1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。1.2低频信号发生器图1-1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.2．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1-2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1-2RC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1-3（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i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ψ也逐渐变小。图1-3RC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ψ也逐渐减小。当ω=ω0时，VF和F达到最大，相移ψ=0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ω=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1-2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ω=ω0=1/RC时，ψ=0，满足相位平衡条件。只要放大器总放大倍数A≥3，则AF≥1，即可满足振幅平衡条件。因此，在频率为ω0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1-4加热敏电阻负反馈桥式振荡器原理图（a）(b)图1-4加热敏电阻负反馈桥式振荡器原理图在实际的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1-4（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1-4（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Uo，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Ui。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。3．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，简述如下电压放大器:电压放大器兼有缓冲与电压放大的作用。缓冲是为了使后级电路不影响主振器的工作，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。放大是为了使信号发生器的输出电压达到预定技术指标。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。为了在调节输出衰减器时，不影响电压放大器，要求电压放大器的输出阻抗低，有一定的带负载能力。为了适应信号发生器宽频带等的要求，电压放大器应具有宽的频带、小的谐波失真和稳定的工作性能。•2)功率放大器•功率放大器用来对衰减器输出的电压信•号进行功率放大，使信号发生器达到额•定功率输出。为了能实现与不同负载匹•配，功率放大器之后与阻抗变换器相接，•这样可以得到失真小的波形和最大的功•率输出。现以波段开关置于第二档为例，根据下式计算衰减量为4．低频信号发生器的输出电路876543218765432RRRRRRRRRRRRRRRiO2UU根据X22型低频信号发生器衰减器的参数计算得：3160.iO2UU两边取对数：dBUU20lgio210同理第三档为10.iO3UUdBUU20lgio320图1-5衰减器原理图依此类推，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。1．1．2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20Hz～200kHz，现在做到1Hz～lMHz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（0.1～0.4）%/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（1～3）%，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0～10V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0.5～5W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50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和1.5kΩ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。1．1．3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。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。下面就以如图1-6所示的AS1033型为例进行介绍：图1-6AS1033低频信号发生器•1.AS1033低频信号发生器指标•正弦波特性•方波特性•频段调节•频率调节•输出电压调节•输出阻抗•正常工作条件•2.面板装置•波段选择按钮、频率调节旋钮、频率微调旋钮、输出调节旋旋钮、衰减旋转钮、频率和幅度显示、电源开关与指示灯等低频信号发生器型号很多，但它们的使用方法基本类似。（1）了解面板结构使用仪器之前，应结合面板文字符号及技术说明书对各开关旋钮的功能及使用方法进行耐心细致的分析了解，切忌盲目猜测。信号发生器面板上有关部分通常按其功能分区布置，一般包括：波形选择开关、输出频率调谐部分（包括波段、粗调、微调等）、幅度调节旋钮（包括粗调、细调）、阻抗变换开关、指示电压表及其量程选择、电源开关及电源指示、输出接线柱等。•（2）注意正确的操作步骤•信号发生器的使用步骤如下：•①准备工作正确选择符合要求的电源电压，把幅度调节旋钮置于起始位置（最小）开机预热2～3min后方可投入使用。•②选择频率根据需要选择合适的波段，调节频率度盘（粗调）于相应的频率点上，而频率微调旋钮一般置于零位。③输出阻抗的配接根据负载阻抗的大小，拨动阻抗变换开关于相应挡级以获得最佳负载输出，否则信号发生器的输出功率小、输出波形失真大。④输出电路形式的选择根据负载电路的输入方式，用短路片变换信号发生器输出接线柱的接法以选择相应的平衡输出或不平衡输出。⑤输出电压的调节和测读调节幅度调节旋钮可以得到相应大小的电压输出。在使用衰减器（除0dB挡外）时，如图2.7所示，电压表测量的是未经衰减器衰减的电压大小，所•以输出电压的大小为电压表的示值除以电压衰减倍数。例如，信号发生器指示电压表示值为20V，衰减分贝数为60dB时，实际输出电压应为0.02V(20V÷1060/20=0.02V)。当信号发生器不平衡输出时，电压表示值即为输出电压值；当信号发生器平衡输出时，输出电压为电压表示值的