第二章-信號源的原理與使用

PAGE86PAGE86信號發(fā)生器的原理與使用信號發(fā)生器又叫信號源，它是為電子測量提供符合一定技術要求的電信號的儀器。信號發(fā)生器可產生不同波形、頻率、和幅度的信號，用來測試放大器的放大倍數、頻率特性以及元器件的參數等等，還可以用來校準儀表以及為各種電路提供交流電壓。信號發(fā)生器的分類信號發(fā)生器用途廣泛，種類繁多，有各種各樣的分類方法，常見的分類方法有：按輸出波形分類正弦信號發(fā)生器，產生正弦波或受調制的正弦波。脈沖信號發(fā)生器，產生不同脈寬的重復脈沖或脈沖鏈。函數信號發(fā)生器，產生幅度與時間成一定函數關系的信號，包括正弦波、三角波、方波等各種信號。噪聲信號發(fā)生器，產生各種模擬干擾的電信號。按輸出頻率范圍分類①超低頻信號發(fā)生器，輸出信號頻率范圍為1／1000Hz～1000HZ。②低頻信號發(fā)生器，輸出信號頻率范圍為1HZ～200KHZ～1MHZ。③視頻信號發(fā)生器，輸出信號頻率范圍為20HZ～10MHZ。④高頻信號發(fā)生器，輸出信號頻率范圍為200KHz～30MHz。甚高頻信號發(fā)生器，輸出信號頻率范圍為30MHZ～300MHZ。超高頻信號發(fā)生器，輸出信號頻率范圍為300MHZ以上。對信號發(fā)生器的一般要求輸出波形失真小，正弦信號發(fā)生器的非線性失真系數不超過1%～3%，有時要求低于0.1%。輸出頻率穩(wěn)定并且在一定范圍內連續(xù)可調。一般信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為1～10%，標準信號發(fā)生器應優(yōu)于1%。輸出電壓穩(wěn)定并且在一定范圍內連續(xù)可調。一般最小可達毫伏級，最大可達幾十伏。對于低頻信號發(fā)生器，要求在整個頻率范圍內輸出電壓幅度不變，一般要求變化小于1dB，否則會給測試工作帶來麻煩。輸出阻抗要低，與負載容易匹配。一般低頻信號發(fā)生器具有低阻抗和600Ω阻抗；高頻信號發(fā)生器多為50Ω或75Ω輸出阻抗；有功率輸出時可配接8Ω、16Ω、150Ω、600Ω、5000Ω等。調制特性：對高頻信號發(fā)生器一般要求有調幅和調頻輸出。調制頻率：調幅一般為100HZ和400HZ，調頻為10HZ～110KHZ。調制特性：調幅度為０～80%，調頻頻偏不低于75KHZ。正弦信號發(fā)生器正弦信號發(fā)生器是信號源中最常見的一種，它能輸出一個幅度可調、頻率可調的正弦信號。正弦信號發(fā)生器的分類根據信號產生的方式，正弦信號發(fā)生器可分為：LC振蕩式信號發(fā)生器。LC振蕩方式多用于高頻信號發(fā)生器。RC振蕩式信號發(fā)生器。RC振蕩方式多用于低頻信號發(fā)生器，尤以文氏電橋振蕩器最多。差頻式振蕩信號發(fā)生器。差頻振蕩器電路復雜，頻率穩(wěn)定度和波形都差，但它很容易做到在整個低頻范圍內連續(xù)調節(jié)而不用更換頻段，輸出電平也較均勻，所以常用于掃頻振蕩器中。石英晶體振蕩器。它是由一塊高穩(wěn)定度的石英晶體做成基準頻率振蕩器，通過頻率的加、減、分頻、倍頻的變換，產生與基準頻率具有同樣精確度和高穩(wěn)定度的所需頻率信號。２、低頻正弦信號發(fā)生器的工作原理 下面介紹電子電路測試中用得最多的低頻正弦信號發(fā)生器的原理和使用方法。低頻信號發(fā)生器的原理框圖如圖2-1所示圖2-1正弦信號發(fā)生器電路原理框圖主振器是低頻信號發(fā)生器的核心，產生頻率可調的正弦信號，決定輸出信號的頻率范圍和穩(wěn)定度。電壓放大器放大主振器產生的正弦信號，以達到電壓輸出幅度的要求，并用主振輸出調節(jié)電位器調節(jié)輸出電壓的大小功率放大器對負載能力很弱的電壓輸出信號進行功率放大。 輸出衰減器將放大器輸出信號的幅度進行衰減后輸出，以滿足不同輸出要求。 阻抗變換器用來匹配不同的負載。 指示電壓表用開關“S”進行轉換，當它置“1”時，電壓表指示電壓放大器的輸出電壓幅度，當它置于“2”時，電壓表指示功率放大器的輸出電壓幅度，當它置“外”時，則對外部信號電壓進行測量。XD-22型低頻信號發(fā)生器主要性能指標頻率范圍：1HZ～1MHZ，分六個頻段頻率誤差：Ⅰ～Ⅴ頻段小于±（1.5%f+1HZ），Ⅵ頻段小于±1%f。正弦波輸出幅度：0～6V連續(xù)可調。正弦波輸出阻抗：600Ω正弦波非線性失真度：10HZ～200KHZ小于±0.1%。脈沖幅度：0——10VPP連續(xù)可調。邏輯信號幅度：高電平為4.5±0.5V，低電平小于0.3V。邏輯信號負載能力：大于25mA。使用方法圖2-2XD-22型低頻信號發(fā)生器的面板圖XD-22型低頻信號發(fā)生器的面板如圖2-2所示。使用方法如下：接通電源，頻率應有顯示。由于熱敏電阻的慣性，起振幅度會超過正常幅度，所以開機時輸出細調旋鈕不要置于最大位置。根據測試所要求信號的頻率選擇合適的波段，再轉動各頻率開關得到所需要的頻率。根據測試所要求信號的波形設定信號轉換開關的位置，需要正弦波則將信號轉換開關置于左邊，此時右下角插座輸出正弦波信號；需要脈沖和TTL電平輸出時，將信號轉換開關置于右邊，此時右下角插座輸出脈沖信號，右上角插座輸出TTL電平信號。輸出脈沖信號的幅度可以通過衰減器和細調電位器調節(jié)，脈沖寬度可由占空比旋鈕調節(jié)，由于儀器本身對占空比的指示不作嚴格要求，故脈寬應另用示波器來監(jiān)測。正弦波輸出信號電平可以連續(xù)調節(jié)并由電壓表指示，當衰減器在0dB時，電壓表滿刻度為6.3V；在10dB時滿刻度為2V。必須注意，①表頭的指示值是正弦波信號的開路電動勢。②實際輸出電壓的大小等于表頭指示值乘以衰減倍數。四、函數信號發(fā)生器的工作原理及使用函數信號發(fā)生器能產生三角波、矩形波和正弦波等波形。由于這種信號發(fā)生器能夠輸出各種不同波形的信號，使用起來有很大的靈活性，因而函數發(fā)生器正在逐漸替代只產生正弦波的正弦信號發(fā)生器。目前，函數信號發(fā)生器的輸出頻率范圍達到了0.0005Hz至50MHz，能夠輸出正弦波、方波、三角波、鋸齒波以及各種脈沖信號，一般的函數信號發(fā)生器都具有頻率計數和顯示功能，既能顯示自身輸出信號的頻率也能測量外來信號的頻率。有些函數信號發(fā)生器還具備調制和掃頻功能。函數信號發(fā)生器的工作原理原理框圖 圖2-3函數信號發(fā)生器的原理框圖圖2-4調節(jié)直流電平產生不同的方波波形如圖2-3所示為函數信號發(fā)生器的簡化原理框圖。雖然圖中所示方波由三角波通過方波變換電路變換而成，實際中，三角波和方波的產生是難以分開的，方波形成電路通常是三角波發(fā)生器的組成部分。正弦波是三角波通過正弦波形成電路變換而來的。所需波形經過選取、放大后經衰減器輸出。直流偏置電路提供一個直流補償調整，使函數信號發(fā)生器輸出的直流電平可以進行調節(jié)，如圖2-4所示為具有不同直流電平的方波。圖2-3是函數信號發(fā)生器的主要結構原理框圖，除了圖中示出的部分外，函數信號發(fā)生器一般都帶有頻率計數和顯示電路，既可以顯示自身輸出信號的頻率，也可以利用這部分電路測量外來信號的頻率，即函數信號發(fā)生器可以當作頻率計使用。此外，有些函數信號發(fā)生器為了將其輸出的方波用作數字電路的時鐘而設置了固定的TTL和CMOS輸出電路。函數信號發(fā)生器的主要電路為三角波發(fā)生器、方波形成電路和正弦波形成電路，下面我們簡單介紹一下各部分電路的工作原理。(2)方波、三角波產生電路方波、三角波產生電路的構成有很多種，常用的有恒流源控制式的，施密特觸發(fā)器和線性積分電路構成的以及運算放大器構成的等等。下面以恒流控制式的為例，介紹方波、三角波產生電路的原理。 圖2-5恒流源控制的方波、三角波產生電路如圖2-5所示為恒流源控制的方波、三角波產生電路。它由恒流源控制電路、二極管開關電路、恒流源、充放電電容，電壓放大器和電壓比較器等部分組成。在圖2-5中，由于恒流源對電容C的充電、放電，在電容C上產生線性變化的電壓，從而在放大器輸出端得到三角波。此三角波送到電壓比較器，在比較器的輸出端得到方波，該方波又反饋控制二極管開關電路，決定恒流源對電容C是充電還是放電，工作波形如圖2-6所示。圖2-6方波、三角波產生電路的工作波形當正恒流源對電容C充電時，三角波電壓線性上升，比較器輸出為高電平，當三角波電壓上升至上閥值電壓時，比較器輸出翻轉為低電平，此低電平反饋給二極管開關，使正恒流源停止對C的充電，轉而由C向負恒流源放電，三角波電壓線性下降直到放至下閥值電壓，比較器輸出又翻轉為高電平，此高電平又反饋給二極管開關，使正恒流再次對C充電，如此循環(huán)形成三角波、方波。電容C的大小決定三角波、方波的頻率，C越小頻率越高。當正、負恒流源大小相等時，得到的是對稱的三角波和占空比為50%的方波。如圖2-6(a)、(b)所示。調節(jié)恒流源控制電路，改變正、負恒流源的大小，可得到非對稱的三角波和占空比不為50%的矩形波，如圖2-6(c)、(d)所示。正弦波形成電路正弦波形成電路將三角波變換成正弦波，能夠完成這種變換的電路種類很多，如二極管網絡、差分放大器等等。如圖2-7所示為典型的二極管網絡變換電路。 圖2-7正弦波形成電路 圖2-8三角波變換正弦波原理如圖2-7所示電路包含12個有偏置電壓的二極管。它們按照一定的控制電平，依次接入或斷開6個固定

電阻RA、RB、RC、RO、RE和RF，從而組成可變的衰減器。另外的7個電阻R1A、R2A、R3A、R4A、R5A、R6A和R7A用來使二極

管1A～6A獲得固定的偏置，而電阻R1B～R7B則用來使二極管VD1B～VD6B獲得固定偏

置。三角波從A點輸入，正弦波從B點輸出，設開始時，三角波輸入電壓為零值，圖2-7中各二極管均截止。當三角波自零值向正值方向增大到“1”點電壓U1時，二極管VD1A導通，使得由電阻R0、RA和R1A組成的分壓器被接通，輸入三角波通過該分壓器分壓后再傳送到輸出端B端，使得B端電位下降，輸出波形自1點下降至1′點。當三角波繼續(xù)增大到2點電壓U2時，二極管VD2A也導通，電阻RB、RA被接入分壓，使得分壓器的分壓比減小而B端的電位比A端的電位更為下降，輸出波形自2點下降至2′點，下降幅度大于1點至1′點的下降幅度。隨著輸入三角波的不斷增大，二極管VD3A～VD6A將依次導通，使得分壓器的分壓比逐漸減小，B端電位依次從3至6點下降至3′～6′點，使三角波趨向于正弦波。同理，當三角波自正峰值逐漸減小時，二極管VD6A～VD1A依次截止，分壓器的分壓比又逐漸增大，B端電位依次從7～11點分別下降到7′～11′點，如圖2-35所示。因此，將正半周的三角波變換成為近似的正半周正弦波。同理在三角波的負半周，對應的二極管VD1B～VD6B依次導通和截止，在B端形成近似的負半周正弦波，如圖2-8所示。由圖2-8可見正弦波形成電路得到的正弦波的頻率與三角波的頻率相等。（二）EM1643型功率函數信號發(fā)生器（1）主要性能指標1、輸出波形：正弦波、方波、三角波、脈沖波、鋸齒波2、輸出頻率范圍：0.2HZ~2MHZ，分六檔連續(xù)可調3、輸出直流電平范圍：-10V~10V4、輸出阻抗：電壓輸出為50Ω，功率輸出為4Ω5、輸出電壓范圍：電壓輸出：1mVp-p25Vp-p連續(xù)可調（開路時）；功率輸出：4.5W6、占空比調節(jié)范圍：10%～90%7、具有TTL電平、單次脈沖輸出及頻率計數和顯示功能。 圖2-9EM1643面板圖（2）面板簡介POWER：電源開關，按入開。OUTSIDE/INSIDE：測頻選擇按鈕，按入時測外來信號頻率，彈出時測自身輸出信號的頻率。FUNCTION：波形選擇按鈕，選擇輸出信號波形。RANGE-Hz：頻段選擇按鈕，共分六檔。FREQVAR：頻率微調旋鈕，調節(jié)輸出信號頻率的大小。ATT：衰減器按鈕，按入時對輸出信號進行衰減，當需要小信號輸出時使用，此按鈕只在電壓輸出時有效，對功率輸出無效。AMPLITUDE：幅度微調旋鈕，調節(jié)輸出信號的大小。該旋鈕拉出時，函數發(fā)生器工作在功率輸出狀態(tài)。DCOFFSET：直流偏移調節(jié)旋鈕，調節(jié)輸出信號中的直流成分，該旋鈕拉出有效，此時直流電平可在-10V~10V內連續(xù)可調，按入時此旋鈕不起作用。RAMP/PULSE：占空比調節(jié)旋鈕，該旋鈕拉出有效，此時占空比可在10%~90%內連續(xù)可調，注意，此時輸出頻率降為未拉出前的1/10；該旋鈕按入時此旋鈕不起作用，占空比固定為50%。10、OUTPUT：信號（電壓）輸出端，內阻為50Ω。11、POWEROUT：信號（功率）輸出端，內阻為4Ω。12、TTLOUT；TTL電平輸出端，幅度為3.5VP-P。13、OUTSPSS：單次脈沖輸出端。14、SPSS：單次脈沖觸發(fā)按鈕，按一次輸出一個脈沖。15、INPUT：測頻輸入端，測量外來信號頻率時，被測信號的輸入端。16、UNITTIME：頻率計閘門時間選擇按鈕，共分4檔。17、VOLTS：電壓調節(jié)旋鈕，測量外來信號頻率時，調節(jié)輸入被測信號電壓的大小。（3）使用方法1、作為信號源使用時的操作方法根據實際測試對信號源內阻的要求選擇電壓輸出或功率輸出方式，注意這兩輸出方式的輸出端口是不同的。將測頻選擇按鈕（FREQOUT/INSIDE）彈出，此時頻率計數電路測量函數信號發(fā)生器自身輸出信號的頻率，即LED所顯示的頻率為函數信號發(fā)生器自身輸出信號的頻率；根據輸出信號波形要求設定波形選擇按鈕（FUNCTION）；根據輸出信號頻率要求設定頻段選擇按鈕（RANGE-Hz），然后調節(jié)頻率微調旋鈕（FREQVAR）得到所需要的輸出信號頻率；根據輸出信號幅度要求設定輸出衰減器按鈕（ATT），大輸出小衰減或不衰減，小輸出大衰減，然后調節(jié)幅度微調旋鈕（AMPLITUDE）得到所需要的輸出信號幅度。在此要注意兩點：一是衰減器（ATT）只能衰減電壓輸出，對功率輸出方式無效；二是實際輸出信號的