2.1 低頻信號發生器

低頻信號發生器用來產生頻率為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生器的外調制信號源。另外，在校準電子電壓表時，它可提供交流信號電壓。

2.1.1 低頻信號發生器的工作原理

1．低頻信號發生器的原理方框圖

低頻信號發生器的原理方框圖如圖2-1所示。包括主振級、主振輸出調節電位器、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。

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

2．低頻信號發生器的主振電路

低頻信號發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節方便，調節范圍也較寬。

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構成同相放大器，R1、C1、R2、C2為選頻網絡。選頻網絡的反饋系數與頻率有關（為反饋電壓，為放大器輸出電壓）。因此，反饋網絡具有選頻特性，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。

選頻網絡是一個RC串并聯反饋電路，其電路及頻率特性如圖2-3（a）、（b）所示。當頻率很低接近零時，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，選頻網絡所引起的相移ψ也逐漸變小。

當頻率很高趨向無窮大時，Cl和C2的容抗都很小，Cl是串聯于回路中，它與R1相比可以忽略，C2是與R2并聯，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ω=ω0時，和F達到最大，相移ψ=0。

由于RC串并聯網絡對不同頻率的信號具有上述選頻特性，因此，當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A看成常數，每級放大器倒相180°，兩級放大器共產生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、相位條件而產生振蕩，對于其他頻率，由于RC網絡相移不為零，且振幅傳輸系數很快下降，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（遠大于3），正反饋信號很強，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域，放大倍數降低，振蕩才能穩定。這樣，振蕩信號很強，一方面使波形失真嚴重，另一方面可能使晶體管過載。因此放大器需加入很深的負反饋，使放大倍數降為3左右。其電路如圖2-4（a）所示。Rt、R6為負反饋支路，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絡構成。另外兩個橋臂AD和DC則是由放大器負反饋網絡Rt和R6構成。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是具有負溫度系數的熱敏電阻，可以自動穩定振蕩幅度。當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，使負反饋增強，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，從而減少了振蕩器的波形失真。

文氏電橋振蕩器的優點是穩定度高，非線性失真小，正弦波形好，因此在低頻信號發生器中獲得廣泛的應用。

3．低頻信號發生器的放大電路

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。在低頻信號發生器中，主振信號常首先經過緩沖放大器，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。為了使主振輸出調節電位器的阻值變化不影響電壓放大倍數，要求電壓放大器的輸入阻抗較高。低頻信號發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，為了在調節輸出衰減器時，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，有一定的負載能力。滿足上述指標的放大器，才能用于低頻信號發生器中。

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

功率放大器主要是為負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。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下，晶體管往往在接近極限參數下工作，所以因設計不當或使用條件變化，就容易超過極限范圍導致晶體管損壞。因此在功率放大器電路中，常常加上保護電路。當負載短路等原因使功率管中電流、功耗超過極限運用范圍時，利用負載短路取樣信號，通過保護電路可以切斷輸入信號或切斷電源，以達到保護目的。或者用保護電路把功率管負載線限制在安全工作區域之內。

4．低頻信號發生器的輸出電路

對于只要求電壓輸出的低頻信號發生器，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生器，為了與負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，并用波段開關改變輸出變壓器次級圈數來改變輸出阻抗以獲得最佳匹配。

低頻信號發生器中的輸出電壓調節，常常可以分為連續調節和步進調節。為了使主振輸出電壓連續可調，采用電位器作連調衰減器。為了步進調節電壓，用步進衰減器按每檔的衰減分貝數逐檔進行。例如XD22型低頻信號發生器中的步進衰減器，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載阻抗很大，使負載變化對衰減系數影響較小，從而保證衰減器的精度。衰減器每級的衰減量根據輸入、輸出電壓的比值取對數求出。現以波段開關置于第二檔為例，根據下式計算衰減量為

根據X22型低頻信號發生器衰減器的參數計算得：

兩邊取對數

同理第三檔為

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

輸出電路還包括電子電壓表，一般接在衰減器之前。經過衰減的輸出電壓應根據電壓表讀數和衰減量進行估算。

2.1.2 低頻信號發生器的主要性能指標與要求

1．頻率范圍

頻率范圍是指各項指標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，現在做到1Hz～lMHz并不困難。在有效頻率范圍內，頻率應能連續調節。

2．頻率準確度

頻率準確度是表明實際頻率值與其標稱頻率值的相對偏離程度。一般為±3%。

3．頻率穩定度

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

4．非線性失真

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

5．輸出電壓

輸出電壓需能連續或步進調節，幅度應在0～10V范圍內連續可調。

6．輸出功率

某些低頻信號發生器要求有功率輸出，以提供負載所需要的功率。輸出功率一般為0.5～5W連續可調。

7．輸出阻抗

對于需要功率輸出的低頻信號發生器，為了與負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

低頻信號發生器應可以平衡輸出與不平衡輸出。

2.1.3 低頻信號發生器的使用

低頻信號發生器雖然型號很多，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用范圍是相同的。低頻信號發生器面板裝置、測試步驟與技巧等方面的一些共性的內容，以便使用者能在此基礎上可適應各種不同型號的低頻信號發生器。下面就以如圖2-6所示的AS1033型為例進行介紹。

1．AS1033低頻信號發生器指標

AS1033低頻信號發生器是新一代智能化產品。具有友好的人機對話界面，由于輸出頻率和幅度均為數字顯示，克服了傳統的信號發生器刻度盤讀數的不便和誤差。

（1）正弦波特性：頻率范圍2Hz～2MHz

信號幅度0.5mVrms～5Vrms（可調）

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（無負載中心電平為零）

占空比系數20%～80%（連續可調）

邏輯電平輸出：TTL電平，上升、下降沿≤25ns

輸出頻率調節，五位數碼管顯示頻率

（3）頻段調節 頻率從2Hz～2MHz共分5檔，根據需要可用輕觸按鈕在五檔內任選。

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）頻率調節 可用輕觸按鈕選擇快調和慢調，有LED顯示；可用數碼開關來快調和慢調，根據手動的快和慢，頻率相應變化快和慢。

（5）輸出電壓調節 三位數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：采用輕觸按鈕調節，有20dB、40dB、60dB三檔可選擇。

電壓細調：采用電位器調節，在0～20dB內連續可調。

（6）輸出阻抗：600Ω。

（7）正常工作條件

環境溫度：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、頻率調節（調諧）旋鈕、頻率微調旋鈕、輸出調節旋鈕、衰減選擇開關、波形選擇鈕、頻率、幅度顯示、電源開關與指示燈等。現分別介紹如下。其面板示意圖如圖2-7所示。

①整機電源開關（POWER）

按下此開關，接通電源，同時面板上指示燈亮。

②頻段選擇開關（亦稱為頻率倍乘開關）

按下一次，轉換一個頻段，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

顯示當前輸出信號頻段。

④輸出信號頻率調諧開關（FREQ）

此旋鈕為數碼開關，轉動此旋鈕，頻率會跟著自動換檔。

⑤頻率調節快慢指示燈

⑥頻率調節快慢檔選擇

每按一次，快與慢轉換一次，頻率調節快慢指示燈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換，指示燈同時切換指示。

⑧方波占空比調節（DUTY）

調節占空比，20%～80%。

⑨輸出幅度粗調（增加）

每按一次，減小衰減量20dB。

⑩輸出幅度調節電位器（AMPLFINE）

此旋鈕按順時針方向旋轉，輸出幅度加大，反之，則減小。總幅度為20dB。

?輸出幅度粗調（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換一次。

?輸出幅度單位指示

指示當前顯示幅度的單位是dBv、mV或V。

?輸出幅度/衰減電平顯示數碼管

三位數碼顯示輸出幅度/衰減電平有效數字。

?輸出波形選擇指示燈

指示當前輸出波類型。

?頻率單位顯示

顯示Hz或kHz。

?輸出頻率顯示數碼管

五位數碼顯示頻率有效數字。

3．測試步驟與技巧

（1）準備工作

將電源線接入220V/50Hz電源，把輸出幅度調節旋鈕置于逆時針旋到底的起始位置，然后開機預熱片刻，使儀器穩定工作后使用。

（2）選擇頻率

首先按頻段選擇手動按鈕②，粗調頻段，然后轉動頻率調諧開關④細調頻率，觀察輸出頻率顯示數碼管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置于200～2000Hz檔，然后轉動頻率調諧開關④細調頻率，觀察輸出頻率顯示數碼管⑩，得到1000Hz。

（3）輸出電壓調節

首先根據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?輸出粗調按鈕粗調，最后，轉動輸出幅度調節電位器⑨細調，觀察輸出顯示數碼管⑩達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）?，調節占空比電位器?，用示波器觀察輸出方波波形，直至達到所需言方波。

4．測試應用

（1）熟悉低頻信號發生器面板裝置的名稱、位置和作用。

（2）觀察信號發生器輸出信號。

1）低頻信號發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生器輸出電壓。

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

5．注意事項

（1）使用前請先仔細閱讀使用說明書。

（2）開機預熱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）使用時應避免劇烈振動、高溫和強磁場。