模块五测量用信号发生器DOC.docx
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模块五测量用信号发生器
§5-1低频信号发生器
学习目标
1．掌握低频信号发生器的组成及原理。
2．掌握低频信号发生器的使用方法。
低频信号发生器是用来产生标准低频正弦信号的一种电子仪器。
作为测试用的信号源，能根据需要输出正弦波音频电压或功率，供电气设备或电子线路的调试及维修时使用。
本节主要介绍常用的XD-2型低频信号发生器的组成及原理。
一、低频信号发生器的组成及原理
低频信号发生器用来产生1HZ~1MHZ的低频正弦信号。
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。
低频信号发生器的原理框图如图5-1-1所示，它主要由主振器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器和监测电压表等组成。
其工作原理说明如下：
主振器的作用是产生低频的正弦波信号，并实现频率调节功能。
它是低频信号发生器的主要部件，一般采用RC振荡器，尤以文氏电桥振荡器为多。
电压放大器的作用是放大主振级产生的振荡信号，满足信号发生器对输出信号幅度的要求，并将振荡器与后续电路隔离，防止因输出负载变化而影响振荡器频率的稳定。
功率放大器提供足够的输出功率，为了保证信号不失真，要求放大器的频率特性好，非线性失真小。
输出衰减器的作用是调节输出电压使之达到所需的值，低频信号发生器一般采用连续衰减器和步级衰减器配合进行衰减，可提供多级衰减倍数。
阻抗变换器实际上是一个变压器，其作用是使输出端连接不同的负载时都能得到最大的输出功率。
监测电压表用于监测信号源输出电压或输出功率的大小。
二、低频信号发生器的外观及性能指标
下面以XD-2型低频信号发生器为例，介绍低频信号发生器的外观及性能指标。
XD-2型低频信号发生器外观如图5-1-2所示
1.面板介绍
（1）电源开关：
用来接通和切断仪器内部电路的电源。
当开关拨向“ON”时接通电源，开关拨向“OFF”时关闭电源。
（2）电源指示灯：
用于指示仪器是否接通电源。
当开关拨向“ON”时指示灯亮，开关拨向“OFF”时指示灯灭。
（3）交流电压表：
用来指示输出低频信号电压的大小。
（4）阻尼开关：
用来调节电压表表针摆动的速度。
当开关拨向“快”时，表针受到阻力小，摆动速度快；开关拨向“慢”时，表针受到阻力大，摆动速度慢。
（5）频率范围选择开关：
用来调节输出信号的频率范围。
它有1~10HZ，10~100HZ，100HZ~1KHZ，1KHZ~10KHZ，10KHZ~100KHZ，100KHZ~1000KHZ六个档位。
（6）输出衰减开关：
用来调节电路对输出信号的衰减，衰减越大，输出信号越小。
它有0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB、60dB、70dB、80dB、90dB十个衰减档位。
（7）输出细调旋钮：
用来调节输出信号的幅度大小。
与输出衰减开关配合使用，先调节输出衰减开关，选择大致的输出信号幅度范围，然后通过调节输出细调旋钮精确调整输出信号幅度。
（8）频率调节旋钮：
用来调节输出信号的频率。
有三个旋钮，第一个旋钮有10个档位（倍数为），第二个旋钮有10个档位（倍数为），第三个旋钮有15个档位（倍数为）。
（9）输出接线柱：
用来将仪器内部的信号输出。
有红和黑两个接线柱，红色为信号输出端，黑色为接地端。
2.技术特性与技术指标
双信号输出；主信号有正弦波、脉冲波、TTL 等波形可供选择，从信号是一固定1KHz的正弦波输出；主信号各种波形的频率可调节，正弦波、方波幅度可调，脉冲波、TTL 占空比可调；数字显示信号频率。
（1）主信号：
输出频率 ：
1Hz~1MHz，分六档。
幅频特性 ：
20Hz~1MHz≤±1dB。
频率精度 ：
≤1％f±0.3Hz。
正弦波失真 ：
≤0.3%。
输出电压 ：
≥5Vrms。
输出功率 ：
≥20W。
输出衰减 ：
≤±1dB。
脉冲幅度 ：
0~10Vpp。
TTL幅度 ：
4.5V 。
（2）从信号:
输出电压 ：
≥10Vp-p。
失真 ：
≤0.5%。
三、XD-2型低频信号发生器的使用方法
（1）开机前将输出细调旋钮置于最小值处，防止开机时输出信号幅度过大而打弯表针。
（2）接通电源。
将电源开关拨向“ON”位，接通仪器内部电路电源，同时电源指示灯亮。
（3）调节输出信号的频率。
先通过频率范围选择开关选择输出信号的频率范围，再调节面板上三个频率调节旋钮，将输出信号频率调整到所需频率。
（4）调解输出信号的幅度。
先通过输出衰减开关选择适当的衰减倍数，再调节输出细调旋钮，将输出信号电压调整到所需幅度。
这样，就可以从仪器的输出接线柱端输出所需频率和幅度的低频信号。
§5-2函数信号发生器
学习目标
1．熟悉函数信号发生器的组成及原理。
2．熟悉函数信号发生器的使用方法。
函数信号发生器实际上是一种多波形信号源，一般能产生正弦波、方波、三角波，有的还可以产生锯齿波、矩形波、正负脉冲、半正弦波等波形。
由于其输出波形都能用数学函数来描述，故命名为函数信号发生器。
目前生产的函数信号发生器，其输出信号的频率低端可至微赫兹量级，高端可达200MHz。
函数信号发生器除了作为正弦信号源使用外，还可以用来测试各种电路和机电设备的瞬态特性、数字电路的逻辑功能、A/D转换器、压控振荡器以及锁相环的性能，广泛应用于生产测试、仪器维修和电工电子实验室等场合。
一、函数信号发生器的组成及工作原理
函数信号发生器产生信号的方法通常有三种：
一种是脉冲式，用施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波；第二种是正弦式，即先产生正弦波，再经过变换得到方波和三角波；第三种是三角式，即先产生三角波，再转换为方波和正弦波，它是近年来比较流行的一种组成方式。
下面分别介绍它们的组成及原理。
1．脉冲式函数信号发生器
图5-2-1所示为脉冲式函数信号发生器的工作方框图。
由图可以看出，脉冲式函数信号发生器的工作过程是：
双稳态触发器产生方波信号；再用积分器将方波变换成三角波信号；最后用正弦波形成电路将三角波变换成正弦波信号。
三种信号通过各自独立的输出电路同时输出，也可使用同一输出电路，用开关实现输出波形的转换。
上述变换过程可以简化为方波→三角波→正弦波。
图5-2-1脉冲式函数信号发生器的组成方框图
那么，脉冲式函数信号发生器是如何产生方波、三角波和正弦波的呢？
（1）方波和三角波的产生
在脉冲式函数信号发生器中，产生方波和三角波的电路主要由双稳态触发器、积分电路和两个电压比较器组成。
其原理如下：
设双稳态触发器工作在第一稳态，此时双稳态电路的输出端Q的电压u1为正，因此，
输出端为负，积分电路的输出电压u2将直线下降，当u2下降到等于参考电压－U1时，电压比较器2输出一信号使双稳态触发器翻转到第二稳态，此时，输出电压u1由正变负，同时积分电路的输出电压u2将线性上升。
当u2上升到等于参考电压U2时，电压比较器1使双稳态触发器又翻回到第一稳态，完成一个循环周期。
不断重复上述过程，从双稳态触发器输出端就能得到方波信号，该方波信号分两路输出：
一路经输出级直接输出方波信号；另一路则送入积分电路，经积分后得到三角波信号。
然后三角波再经正弦波形成电路还能得到正弦波。
（2）三角波到正弦波的变换
电工基础里我们已经了解了积分电路的工作情况。
那么，正弦波形成电路又是如何把三角波变换成正弦波的呢？
要把三角波变成正弦波，最简便的方法是利用低通滤波器滤除掉三角波中的高次谐波，使之成为正弦波，这种方法虽然比较简单，但不适合于宽的频率范围。
目前生产的函数信号发生器中常用的三角波到正弦波的变换一般都是利用函数变换网络完成。
输入和输出信号之间有确定关系的网络，称为函数变换网络。
函数变换网络主要用来变换信号波形，例如，积分器能把方波变成三角波，它就属于函数变换网络的一种。
将三角波变成正弦波的函数变换网络是利用分段逼近法来实现波形变换的。
实际上正弦曲线可以看作由很多斜率不同的直线段组合而成。
将三角波另行加到由很多不同偏置二极管组成的整形网络，形成许多不同斜度的折线段，便可形成正弦波。
显然特性曲线中折线的段数越多，电路输出波形就越接近正弦波。
图5-2-2所示是三角波变换正弦波的原理图，其中图a是某一个电路的输入输出特性曲线；图b是该电路输入信号；图c是该电路的输出信号。
较之输入信号，输出信号向正弦波逼近了一大步。
图5-2-2三角波变换正弦波原理图
目前生产的函数信号发生器中，常见的正弦波形成网络的实际电路如图5-2-3所示。
该电路共使用了6对二极管，正、负直流稳压电源和电阻R1～R7及R8,～R14为二极管提供适当的偏压，以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置。
随着输入电压的变化，6对二极管依次导通和截止，并把电阻RA～RF依次接入电路，或从电路中断开。
该电路实质上是一个由输入三角波电压控制的可变分压器，其工作过程是：
当由A点输入的三角波的电压瞬时值很小时，所有二极管都被偏置电压所截止，输入三角波直接送到输出端B。
当三角波的电压瞬时值正向上升到
时，二极管V1导通，这使得由电阻R、RA、R1组成的分压器被接通，因此输入三角波将通过该分压器，再传送到输出端B。
随着输入三角波电压瞬时值的不断升高，二极管V2～V6将依次导通，这使得分压器的分压比逐渐减小，从而使三角波趋向于正弦波。
在三角波的正峰值以后，随着输入三角波电压瞬时值的的降低，二极管V6～V1又相继截止。
在三角波的负半周，二极管V7～V12也按照同样方式相继导通和截止，从而在B点得到正弦波。
由以上分析可以看出，电路中每个二极管可产生一个转折点。
转折点越多，由这种正弦波形成网络所获得的正弦信号失真越小。
实践证明，用5对二极管时可小于1％，用6对二极管时可小于0.25％。
图5-2-3正弦波形成网络
2．正弦式函数信号发生器
正弦式函数信号发生器的原理方框图如图5-2-4所示。
由图中看出，正弦式函数信号发生器主要由正弦波振荡器、射极跟随器、方波形成电路、积分电路、输出级组成。
该仪器中振荡器通常采用文氏电桥振荡器，因此能输出较好的正弦波，在20Hz～20kHz范围内，谐波失真度可小于0.1％。
其工作频率为1Hz～1MHz。
图5-2-4正弦式函数信号发生器的原理方框图
正弦式函数信号发生器的工作过程如下：
正弦波振荡器输出正弦波，经过射极跟随器隔离后，分为两路信号输出：
一路直接送往输出级输出正弦波信号；另一路作为方波形成电路的触发信号。
方波形成电路通常由双稳态电路组成，它也输出两路信号，一路送输出级放大后输出标准方波信号，另一路送积分电路变换为三角波。
三个波形的输出由选择开关控制输出。
3．三角式函数信号发生器
三角式函数信号发生器是先产生三角波，然后产生方波和正弦波。
它由三角波发生器、方波形成电路、正弦波形成电路、输出级等部分组成，是近年来函数信号发生器中使用较多的一种组成方式，其原理框图如图5-2-5所示。
图5-2-5由三角波产生方波、正弦波原理框图
三角式函数信号发生器是利用正负电流源对积分电容进行充放电的原理制成的，能产生线性很好的三角波。
改变正负电流源的激励电压，能够改变电流源的输出电流值，从而改变积分电容的充放电速度，使三角波的重复频率得到改变，实现频率调谐。
正、负电流源的工作转换受转换开关S1的控制，它可用来交替切换送往积分器的充电电流正、负极性，使缓冲放大器输出一定幅度的三角波信号。
S2为频段选择开关，通过切换不同容量的电容器，可以改变三角波的频率。
将三角波送到方波形成电路，就能输出一定幅度的方波。
将三角波再经正弦波形成网络整形，即可输出正弦波。
三角波、方波和正弦波经选择开关S3送往输出放大级放大后输出。
输出端一般还接有衰减器，用以调节输出电压的大小。
可调电阻RP为频率调节电位器，当调节该电位器时，恒流源控制电路会改变正、负电流源输出电流的大小，电容充电电流就会发生变化，电路形成的三角波频率也会变化。
如电流源的电流变大，在电容器容量不变的情况下，充电充到上、下限电压所需的时间就短，形成的三角波周期短，频率高。
由于RP可以连续调节，因此就可以连续调节三角波的频率。
二、函数信号发生器的外观及性能指标
函数信号发生器种类很多，使用方法大同小异，这里以VC2002型函数信号发生器为例来说明。
VC2002型函数信号发生器可以输出正弦波、方波、矩形波、三角波和锯齿波等5种基本函数信号，这些信号的频率和幅度都可以连续调节。
1．面板介绍
VC2002型函数信号发生器的前、后面板如图10—14所示。
a）前面板
b）后面板
图5-2-6VC2002型函数信号发生器
VC2002型函数信号发生器面板各部分功能说明见表5-2。
表5-2VC2002型函数信号发生器面板各部分功能说明
序号
名称
功能
1
信号输出插孔
用于输出仪器产生的信号
2
占空比调节旋钮
用来调节输出信号的占空比。
本仪器的占空比调节范围为20％～80％
3
频率调节旋钮
用来调节输出信号的频率
4
幅度调节旋钮
用来调节输出信号的幅度
5
频率显示屏
用来显示输出信号的频率。
频率显示屏是一个多功能显示屏，由5位LED数码管组成。
在进行信号类型选择时，最高位显示1、2、3，分别代表正弦波、方波、三角波；在进行频段选择时，最低位显示1、2、3、4、5、6、7，分别代表不同的频率范围；在输出信号时，显示输出信号的频率
6
kHz指示灯
当该灯亮时，表示输出信号频率以“kHz”为单位
7
Hz指示灯
当该灯亮时，表示输出信号频率以“Hz”为单位
8
幅度显示屏
用来显示输出信号的幅度
9
mVp-p指示灯
当该灯亮时，表示输出信号的峰峰值幅度以“mVp-p”为单位，Vp-p表示峰峰值
10
Vp-p指示灯
当该灯亮时，表示输出信号的峰峰值幅度以“Vp-p”为单位
11
20dB衰减按钮
当该键按下时，输出信号会被衰减20dB（即衰减10倍）再输出
12
40dB衰减按钮
当该键按下时，输出信号会被衰减40dB（即衰减100倍）再输出
13
信号类型选择按钮
用来选择输出信号的类型。
当反复按下该键时，5位LED频率显示屏的最高位会循环显示1、2、3，显示“1”表示选择输出信号为正弦波，“2”表示方波，“3”表示三角波
14
频段选择按钮
用来选择输出信号的频段。
当反复按下该键时，5位LED频率显示屏的最低位会循环显示频段1、2、3、4、5、6、7，各频段的频率范围分别为0.2~2Hz，2~20Hz，20~200Hz，200~2kHz，2kHz~20kHz，20kHz~200kHz，20kHz~200MHz
15
确定按钮
当仪器的各项调节好后，再按下此键，仪器开始运行，按设定输出信号，同时在显示屏上显示输出信号的频率和幅度
16
复位按钮
当仪器出现显示错误或死机时，按下此键，仪器复位启动重新开始工作
17
电源开关
电源开关用来接通和切断仪器的电源
18
110V／220V电源转换开关
110V／220V电源转换开关的功能是使仪器能在110V或220V两种交流电源供电时都能正常使用
19
电源插座
用来插入配套的电源插线，为仪器引入110V或220V电源
20
保险管
当仪器内部出现过载或短路时，保险管内熔丝熔断，使仪器得到保护。
该保险管熔丝的容量为0.5A／250V
【小提示】
（1）占空比是指—个信号周期内高电平时间与整个周期时间的比值，占空比为50％的矩形波为方波。
（2）在使用仪器时，先操作频段选择按钮选择好频段，再调节频率调节旋钮，就可使仪器输出本频段频率范围内的任一频率信号。
2．技术特性与技术指标
VC2002型函数信号发生器的特性与技术指标如下。
（1）技术特性
①频率范围：
0.2Hz～2MHz。
②波形：
正弦波、三角波、方波、矩形波、锯齿波。
③5位LED频率显示，3位LED幅度显示。
④频率幅度，占空比连续可调。
⑤二段式固定衰减器：
20dB／40dB。
（2）技术指标
①频率范围：
0.2Hz／2Hz／20Hz／200Hz／2kHz／20kHz／200kHz／2MHz
②输出幅度：
（2Vp－p～20Vp－p）±20％。
③输出阻抗：
50Ω。
④输出衰减：
20dB／40dB。
⑤占空比：
20％～80％（±10％）。
⑥显示：
5位LED频率显示，3位LED幅度显示。
⑦正弦波：
失真度<2％。
⑧三角波：
线性度>99％，：
⑨方波：
上升沿／下降沿时间<100ns。
⑩时基：
标称频率：
12MHz；频率稳定度±5×105。
信号频率稳定度：
<0.1％／min。
测量误差：
≤0.5％。
电源：
220V／110V土10％、50Hz／60Hz±5％、功耗≤15W。
三、VC2002型函数信号发生器的使用方法
（1）开机并接好输出测试线。
将仪器后面板上的110V／220V电源转换开关拨到“220V”位置，然后给电源插座插入电源线并接通220V电源，再按下电源开关，仪器开始工作，接着在仪器的信号输出插孔上接好输出测试线。
（2）设置输出信号的频段。
反复按下频段选择按钮，同时观察频率显示屏最低位显示的频段号（1～7），选择合适的输出信号频段。
（3）设置输出信号的波形类型。
反复按下信号类型选择按钮，同时观察频率显示屏最高位显示的波形类型代码（1：
正弦波；2：
方波；3：
三角波），选择所需输出信号的类型。
（4）按下“确认”按钮，仪器开始运行，在频率显示屏显出信号的频率，在幅度显示屏显示信号的幅度。
（5）调节频率调节旋钮，同时观察频率显示屏，使信号频率满足要求；调节幅度调节旋钮并观察幅度显示屏，使信号幅度满足要求。
（6）调节占空比调节旋钮，使输出信号占空比满足要求。
方波的占空比为50％，大于或小于该值则为矩形波；三角波的占空比为50％，大于或小于该值则为锯齿波。
（7）将仪器的信号输出测试线与其他待测电路连接，若连接后仪器的输出信号频率或幅度等发生变化，可重新调节仪器，直至输出信号满足要求。
实训用函数信号发生器测量低频信号放大器的幅频特性
一、实训目的
1.能熟练使用用函数信号发生器测量低频信号放大器的幅频特性。
2.培养学生分析问题和解决问题的能力。
二、实训器材
函数发生器1台、电子毫伏表1台、双踪示波器1台、装好的晶体管低频放大器1台。
三、实训步骤
1．按图5-2-7所示连接图联线。
图5-2-7放大器幅频特性测试连接图
2．调节函数信号发生器，使其输出频率1kHz，幅度为10mV的正弦信号，并将其送到被测放大器输入端。
3．在被测放大器输出端接上负载电阻RL后，再将输出接到毫伏表或示波器的Y输入端，测出放大器在1kHz时的输出电压值。
4．按被测电路的技术指标，在保持函数信号发生器输出幅度不变的情况下，逐点改变函数信号发生器的频率，逐点记录被测放大器的输出电压值，然后，根据记录数据，画出被测放大器的频率特性曲线。
四、评分标准
表5－3实训评分标准
序号
考核内容
考核标准
配分
得分
1
按图连线
正确连接电路，步骤每错一处扣5分，最多扣20分
20
2
调节仪器
调试设备,步骤每错一处扣5分，最多扣30分
30
3
测被测电路的技术指标
正确进行电路的测试,测试步骤每错一处扣5分，最多扣20分;测量结果有较大误差或错误每错一个扣5分，最多扣20分
40
4
仪器仪表使用及文明操作
仪器仪表使用错误一次扣5分，违反文明规程一次扣5分，最多扣10分
10
合计
100
升级会员 