2.2 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，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接调制信号源。另外，在校准电子电压表时，它可以提供交流信号电压。

2.2.1 低频信号发生器的工作原理

1．低频信号发生器的原理框图

低频信号发生器的原理如图2-1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。

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2-2所示。VT1、VT2 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。

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2-3所示。当频率很低接近零时，C1、C2 的容抗趋向无穷大，Uo几乎全部降落在C1 上，UF 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。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，UF与F也逐渐增大，选频网络所引起的相移φ也逐渐变小。

当频率很高趋向无穷大时，C1和C2的容抗都很小，C1串联于回路中，它与R1相比可以忽略，C2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，UF和F也随着增大，相角φ也逐渐减小。当ω=ω0时，UF和F达到最大，相移φ=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2-2所示，VT1、VT2 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，φ=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。

3．低频信号发生器的放大电路

放大电路包括电压放大器和功率放大器。

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。

一般电压放大器的原理框图如图2-1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也较宽，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指示电压表，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、电压都接近晶体管的极限值。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，并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，所以在设计不当或使用条件变化时，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。当因负载短路等原因使功率管中电流、功耗超过极限范围时，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。

4．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二次侧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，用步进衰减器按每挡的衰减分贝数逐挡进行。例如XD22 型低频信号发生器中的步进衰减器，共分9级衰减，每级衰减10dB，共90dB。衰减器原理如图2-4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挡为例，根据下式计算衰减量：

根据XD22型低频信号发生器衰减器的参数计算得

两边取对数为

同理，第三挡为

依此类推，波段开关每增加一挡，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。

2.2.2 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，或称为有效频率范围。一般为20Hz～200kHz，现在做到1Hz～1MHz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1～2数量级，一般应为每小时0.1%～0.4%。

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，一般要求失真系数不超过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

低频信号发生器应有平衡输出和不平衡输出两种输出形式。

2.2.3 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。下面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内容，以便使用者能在此基础上使用各种不同型号的低频信号发生器。下面就以图2-5所示的AS1033型低频信号发生器为例进行介绍。

1．AS1033低频信号发生器指标

AS1033低频信号发生器是新一代智能化产品。其具有友好的人机对话界面，由于输出频率和幅度均为数字显示，克服了传统的信号发生器刻度盘读数的不便和误差。

1）正弦波特性

频率范围：2Hz～2MHz。

信号幅度：0.5mVrms～5Vrms（可调）。

幅频特性：≤±0.3%。

失真度：2～20Hz ≤0.3%, 20Hz～200kHz ≤0.1%。

200kHz～2MHz谐波分量：≤-46dB。

2）方波特性

最大输出电压：14VP-P（无负载，中心电平为零）。

占空比系数：20%～80%（连续可调）。

逻辑电平输出：TTL电平，上升、下降沿小于或等于25ns。

输出频率调节：五位数码管显示频率。

3）频段调节

频率从2Hz至2MHz共分5挡，根据需要可用轻触按钮在5挡内任选。

第一频段：2～20Hz。

第二频段：20～450Hz。

第三频段：450Hz～7kHz。

第四频段：7～100kHz。

第五频段：100kHz～2MHz。

4）频率调节

可用轻触按钮选择快调和慢调，有发光二极管（LED）显示。

可用数码开关快调和慢调，根据手动的快和慢，频率发生相应快和慢的变化。

5）输出电压调节

三位数码管显示电压有效值或dB值，可通过轻触按钮任意选择显示方式。

电压粗调：采用轻触按钮调节，有20dB、40dB、60dB三挡可以选择。

电压细调：采用电位器调节，在0～20dB 内连续可调。

6）输出阻抗600Ω

7）正常工作条件

环境温度：0～40℃。

相对湿度：＜90%（40℃）。

气压：86～106kPa。

电源电压：（220±22）V, （50±2.5）Hz。

2．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）选择按钮、频率调节（调谐）旋钮、频率微调旋钮、输出调节旋钮、衰减选择开关、波形选择钮、频率显示、幅度显示、电源开关与指示灯等。现分别介绍如下，其面板示意如图2-6所示。

[1] 整机电源开关（POWER）。按下此开关，接通电源，同时面板上指示灯亮。

[2] 频段选择开关（也称为频率倍乘开关）。按下一次，转换一个频段，指示灯上移一格。有4挡：20～200Hz（或×1）, 200Hz～2kHz（或×10）, 2～20kHz（或×100）, 20～200kHz（或×1000）。

[3] 频段指示灯。显示当前输出信号频段。

[4] 输出信号频率调谐开关（FREQ）。此旋钮为数码开关，转动此旋钮，频率会跟着自动换挡。

[5] 频率调节快慢指示灯。

[6] 频率调节快慢选择按钮。每按一次，快与慢转换一次，频率调节快慢指示灯[5]亮为快挡（FAST），否则为慢挡。

[7] 输出波形选择。每按此键一次，在正弦波、方波和脉冲波之间转换，指示灯同时切换指示。

[8] 方波占空比调节（DUTY）。调节占空比为20%～80%。

[9] 输出幅度粗调（增加）。每按一次，增加衰减量20dB。

[10] 输出幅度调节电位器（FINE）。此旋钮按顺时针方向旋转，输出幅度加大；反之，则减小。总幅度为20dB。

[11] 输出幅度粗调（减小）。每按此键一次，减小衰减量20dB。

[12] 逻辑电平输出（TTL）。单独的逻辑电平、方波输出。

[13] 输出端（OUT）。正弦波信号输出端，输出阻抗为600Ω。

[14] 输出电压幅度/衰减电平显示选择。每按一次，显示输出电压幅度与衰减电平之间转换一次。

[15] 输出幅度单位指示。指示当前显示幅度的单位是dBV、mV或V。

[16] 输出幅度/衰减电平显示数码管。三位数码显示输出幅度/衰减电平有效数字。

[17] 输出波形选择指示灯。指示当前输出波类型。

[18] 频率单位显示。显示Hz或kHz。

[19] 输出频率显示数码管。五位数码显示频率的有效数字。

3．测试步骤与技巧

1）准备工作

将电源线接入220V/50Hz电源，把输出幅度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

首先按频段选择开关[2]，粗调频段，然后转动频率调谐开关[4]细调频率，观察输出频率显示数码管[19]，看是否达到所需频率。例如，需要获得频率为1000Hz的正弦信号。首先按输出波形选择钮[7]，选择正弦波；频率选择手动按钮应置于200～2000Hz挡，然后转动频率调谐开关[4]细调频率，观察输出频率显示数码管[19]，得到的频率为1000Hz。

3）输出电压调节

首先根据使用要求输出电压有效值或输出衰减电平值。按一次输出电压幅度/衰减电平显示选择按钮[14]，选择显示电压幅度或衰减电平。然后按[11]或[9]输出粗调按钮进行粗调，最后转动输出幅度调节电位器[11]0细调，观察输出显示数码管[16]是否达到所需电压幅度或衰减电平。

4）方波输出

使用逻辑电平输出端（TTL）[12]，调节占空比电位器[8]，用示波器观察输出方波波形，直至达到所需要的方波。

4．测试应用

（1）熟悉低频信号发生器面板装置的名称、位置和作用。

（2）观察信号发生器输出信号。

[1] 低频信号发生器输出已知频率和已知电压的信号。f1=10kHz、u1=2V, f2=1kHz、u2=5V。用电子电压表测量输出电压值。用示波器观察输出信号波形，并测量、计算电压（峰峰值、有效值）、周期、频率。

[2] 低频信号发生器输出f=1kHz、u=5V 的信号，将分贝衰减器置于0dB、20dB、40dB、60dB时，用电子电压表测量低频信号发生器的输出电压。

[3] 记录低频信号发生器做上述测量时仪器面板的主要控制装置的位置，整理测试数据，比较低频信号发生器输出信号的自身指示值和测量值。

5．注意事项

（1）使用前请先仔细阅读使用说明书。

（2）开机预热15min左右。

（3）输出小信号时，连接线不宜太长，否则会影响输出信号的幅频特性。

（4）使用时应避免剧烈振动、高温和强磁场的影响。