R3C1、R2C2串、并联和放大器结合构成具有选频特性的正反馈。图5-47 正弦波信号发生器电路由选频网络的特性可知，网络的固有频率f0=1/2πfC，在此频率下，放大器输出电压与反送到同相输入端的电压相位相同，满足正反馈，其正反馈系数F=ui+/uo=1/3为最大。根据正弦振荡电路的自激振荡条件可知，该频率必须满足自激振荡的要求。所以调节RP使其为某一值时，保证AuFF略大于1，即1+RP/R1≥3时，输出为正弦波，波形如图5-47b所示。......
2023-06-28
通用传统信号发生器及其构成原理
【摘要】：通用的传统信号发生器是指以模拟电路单元构成的仪器，主要包括低频信号发生器、高频信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器和噪声信号发生器等。RC 文氏桥式振荡器具有输出波形失真小、振幅稳定、频率调节方便和频率可调范围宽等特点，故被普遍应用于低频信号发生器主振器中。主振器产生与低频信号发生器频率一致的低频正弦信号。放大是为了使信号发生器的输出电压达到预定技术指标。
通用的传统信号发生器是指以模拟电路单元构成的仪器，主要包括低频信号发生器、高频信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器和噪声信号发生器等。下面重点以低频信号发生器组成原理为例进行介绍。
1.低频信号发生器
低频信号发生器又称为音频信号发生器，用来产生频率范围为1 Hz～1 MHz的低频正弦信号、方波信号及其他波形信号。它是一种多功能、宽量程的电子仪器，在低频电路测试中应用比较广泛，还可以为高频信号发生器提供外部调制信号。
图5-4为低频信号发生器组成框图。它主要包括主振器、缓冲放大级、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器和指示电压表等。
图5-4 低频信号发生器的组成框图
1）主振器
主振器是信号发生器里的最关键的部件。低频信号发生器的主振器有多种形式，包括RC振荡器、LC 振荡器、差频振荡器，以及超低频电路中常采用的运放构成的振荡器。其中又以RC振荡器的应用最为广泛。
RC 文氏桥式振荡器具有输出波形失真小、振幅稳定、频率调节方便和频率可调范围宽等特点，故被普遍应用于低频信号发生器主振器中。主振器产生与低频信号发生器频率一致的低频正弦信号。
如图5-5所示，RC文氏桥式振荡器是一个电压反馈式振荡器，由两个电阻和电容构成串并联正反馈支路，起到选频的作用，改变电阻和电容值可进行频率调节。一般选用波段开关调节电阻大小，实现频率的粗调，选用双联电容改变电容大小，实现频率的细调。
图5-5 RC文氏桥式振荡电路
图5-6所示为差频振荡器组成框图。差频振荡器通过混频器将一个固定频率和一个可变频率进行混频，其原理是当两个不同频率的信号同时作用到一个非线性元件上时，会在它的输出电流中产生许多组合频率分量。差频振荡器的缺点是电路复杂，频率准确度、稳定度较差，波形失真大；优点是频率连续可调节，常用在扫频振荡器中。
图5-6 差频式低频振荡器
2）缓冲放大级
缓冲放大级兼有缓冲与电压放大的作用。缓冲是为了使后级电路不影响主振器的工作，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。放大是为了使信号发生器的输出电压达到预定技术指标。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。为了在调节输出衰减器时，不影响电压放大器，要求电压放大器的输出阻抗低，有一定的带负载能力。为了适应信号发生器宽频带等的要求，电压放大器应具有宽的频带、小的谐波失真和稳定的工作性能。
3）输出衰减器
输出衰减器用于改变信号发生器的输出电压或功率，分为连续调节和步进调节两种。连续调节由电位器实现，步进调节由步进衰减器实现。图5-7所示为常用输出衰减器原理图，图中电位器RP为连续调节器（细调），电阻R1～R8与开关S构成步进衰减器，开关S为步进调节器（粗调）。调节RP或变换开关S的挡位，均可使衰减器输出不同的电压。步进衰减量的表示方法有两种：一种是用步进衰减器的输出电压Uo与其输入电压Ui之比来表示，即Uo/Ui；另一种是用Uo/Ui的分贝值来表示，即20lg（Uo/Ui），单位为分贝（dB）。
图5-7 衰减器原理图
4）功率放大器及阻抗变换器
功率放大器用来对衰减器输出的电压信号进行功率放大，使信号发生器达到额定功率输出。为了实现与不同负载匹配，功率放大器后端与阻抗变换器相接，这样可以得到失真小的波形和最大的功率输出。
阻抗变换器只在要求功率输出时才使用，电压输出时只需衰减器。阻抗变换器即匹配输出变压器，输出频率为5 Hz～5 kHz时使用低频匹配变压器，以减少低频损耗，输出频率为5 kHz～1 MHz时使用高频匹配变压器。其原理是利用波段开关改变输出变压器次级圈数来改变输出阻抗。
2.高频信号发生器
高频信号发生器的组成框图如图5-8所示，主要包括主振级、缓冲级、调制级、输出级、可变电抗器、内调制振荡器、监测器等部分。
图5-8 高频信号发生器组成框图
1）主振级
主振级是信号发生器的核心，一般采用可调频率范围宽、频率准确度高、稳定度好的LC振荡器，用于产生高频振荡信号。为了使信号发生器有较宽的工作频率范围，可以在主振级之后加入倍频器、分频器或混频器。主振级电路结构简单，输出功率不大，一般在几到几十毫瓦的范围内。
2）缓冲级
缓冲级主要起阻抗变换的作用，用来隔离调制级对主振级产生的不良影响，以保证主振级稳定工作。否则，会由于调制级输入阻抗不高且在调幅过程中不断变化，而使主振级振荡频率不稳定并产生寄生调频。
3）调制级
调制级实现调制信号对载波的调制，它包括调频、调幅和脉冲调制等调制方式。在输出载波或调频波时，图5-8所示的调制级实际上是一个宽带放大器；在输出调幅波时，实现振幅调制和信号放大。
4）可变电抗器
可变电抗器与主振级的谐振回路相耦合，在调制信号作用下，控制谐振回路电抗的变化从而实现调频。
5）内调制振荡器
内调制振荡器用于为调制级提供频率为400 Hz或1 kHz的内调制正弦信号，该方式称为内调制。当调制信号由外部电路提供时，称为外调制。
6）输出级
输出级主要由放大器、滤波器、输出微调器、输出倍乘器等组成，对高频输出信号进行调节以得到所需的输出电平，最小输出电压可达微伏数量级。输出级还用来提供合适的输出阻抗。
7）监测器
监测器用于监测输出信号的载波幅度和调制系数。
8）电源
电源用来供给各部分所需要的电压和电流。
3.函数信号发生器
函数信号发生器实际上是一种特殊的低频信号发生器。可输出多种波形，有正弦波、三角波、锯齿波和方波等。其输出重复频率范围很宽，可以从10－6 Hz到1 MHz，现在高端函数信号发生器可达50 MHz。不同函数信号发生器产生信号的方法有所不同，通常有三种：第一种是先产生方波，再由变换电路产生正弦波和三角波；第二种是先产生正弦波，再变换得到方波和三角波；最后一种是先产生三角波，再变换得到正弦波和方波。下面以脉冲式函数信号发生器为例进行介绍。
脉冲式函数信号发生器由双稳态触发器电路产生方波，再经变换得到三角波和正弦波。常用脉冲式函数信号发生器的组成原理如图5-9所示。
图5-9 脉冲式函数信号发生器的组成框图
典型的脉冲式函数信号发生器的组成包括双稳触发器、密勒积分器、电压比较器及二极管整形网络等。当双稳态触发器工作于第一稳态时，接到密勒积分器的输入端电压为U1，积分器开始积分，其输出电压U2立即线性下降。当U2下降到参考电压Er2时，电压比较器2使双稳态触发器翻转，进入第二稳态，U1就会由正突然变成负值（－U1），积分器输出电压U2开始线性上升。当U2上升至参考电压Er1时，电压比较器1又使双稳态触发器翻转，使U1由负值变成正值，完成了一个振荡周期，进入下一次循环。
这样，双稳态触发器直接输出方波，密勒积分器输出三角波，三角波再经二极管整形网络后，输出正弦波。这些信号经转换开关和放大后，可选择使用。工作波形如图5-10所示。
图5-10 输出波形图
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