2.1 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。

2.1.1 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。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。

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（a）、（b）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Cl上，UF与F近似为零，流过R2的电流也就是流过C1的电流，，而1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，UF与F亦逐渐增大，选频网络所引起的相移ψ也逐渐变小。

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ψ也逐渐减小。当ω=ω0时，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2-2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。

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2-4（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2-4（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路

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。

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2-5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

根据X22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。

2.1.2 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）%/h。

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

输出电压需能连续或步进调节，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。

2.1.3 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2-6所示的AS1033型为例进行介绍。

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。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≤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～2MHz共分5档，根据需要可用轻触按钮在五档内任选。

第一频段：2～30Hz

第二频段：20～450Hz

第三频段：450Hz～7kHz

第四频段：7kHz～100Hz

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LED显示；可用数码开关来快调和慢调，根据手动的快和慢，频率相应变化快和慢。

（5）输出电压调节 三位数码管显示电压有效值或dB值，可通过一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三档可选择。

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：0～40oC

相对湿度：＜90%（40oC）

大气压：86～106kPa

电源电压：220 ±22V,50 ±2.5Hz

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、幅度显示、电源开关与指示灯等。现分别介绍如下。其面板示意图如图2-7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（亦称为频率倍乘开关）

按下一次，转换一个频段，指示灯上移一格。有4档：20～200Hz（或×1）,200～2kHz（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，频率会跟着自动换档。

⑤频率调节快慢指示灯

⑥频率调节快慢档选择

每按一次，快与慢转换一次，频率调节快慢指示灯⑤亮为快档（FAST），否则为慢档。

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，20%～80%。

⑨输出幅度粗调（增加）

每按一次，减小衰减量20dB。

⑩输出幅度调节电位器（AMPLFINE）

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

首先按频段选择手动按钮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④牵动所需频率。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档，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⑩，得到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按一次输出电压幅度/衰减电平显示选择按钮⑧，选择显示电压幅度或衰减电平。然后按⑪、或⑬输出粗调按钮粗调，最后，转动输出幅度调节电位器⑨细调，观察输出显示数码管⑩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）⑰，调节占空比电位器⑱，用示波器观察输出方波波形，直至达到所需言方波。

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频率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输出电压。

3）记录低频信号发生器作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。