信号源的操作方法与使用注意事项

1．低频信号发生器

1)概述

(1)低频信号发生器的输出信号频率范围通常为20Hz～20k Hz，也称为音频信号发生器。

(2)低频信号发生器可用于测试调整低频放大器、传输网络和广播、音响等电声设备，还可为高频信号发生器提供外部调制信号。

2)低频信号发生器的基本组成与原理

低频信号发生器组成框图如图4－2所示。

图4－2 低频信号发生器方框图

(1)主振器。

主振器是低频信号发生器的核心部分，产生频率可调的正弦信号，一般由RC振荡器或差频式振荡器这两种电路组成。其特点是频率稳定，易于调节，并且波形失真小易于稳幅。振荡器决定输出信号的频率范围和稳定度。

①RC文氏桥式振荡器: 整个电路的频率调节是通过改变桥路电阻R值和电容C值进行的，即用波段开关改变R值进行频率初调，在同一波段利用改变电容C值来实现频率的连续调节，如图4－3所示。其振荡频率决定于RC式反馈网络的谐振频率，表达式为:

f0=1/2πRC

②差频式振荡器: 为了在不分波段的情况下得到很宽的频率覆盖范围，可以采用差频式低频振荡器，无需转换波段就可在整个高频频段内实现连续可调。但缺点是电路复杂，频率稳定度差。

(2)放大器。

低频信号发生器的放大器一般包括电压放大器和功率放大器，以实现输出一定电压幅度和功率的要求。电压放大器把振荡器产生的微弱信号进行放大，并将功放、输出衰减器以及负载与振荡器隔离，以防止对振荡信号产生影响。所以，又把电压放大器称为缓冲放大器。

图4－3 文氏电桥振荡器原理图

(3)输出衰减器。

用于改变信号发生器的输出或功率，由连续调节器和步进调节器组成。图4－4所示电路为低频信号发生器中最常用的输出衰减器。由电位器RP取出一部分信号电压加于R1～R8组成的步进衰减器，调节电位器或调节波段开关S所接的挡位，均可使衰减器输出不同电压。

图4－4 输出衰减器

(4)输出级。

输出级包括功率放大器、阻抗变换器和指示电压表几部分。低频信号发生器的输出电压一般可进行步进和连续调节，以满足不同输出要求。

3)低频信号发生器的主要性能指标

通常，低频信号发生器的主要工作特性如下:

(1)频率范围: 一般为20Hz～1MHz，连续可调。

(2)频率准确度: ±(1～3)%。

(3)频率稳定度: 优于0．1%。

(4)输出电压: 0～10V连续可调。

(5)输出功率: 0．5～5W连续可调。

(6)非线性失真范围: 0．1%～1%。

(7)输出阻抗: 50Ω、75Ω、600Ω、5kΩ。

(8)输出形式: 平衡输出与不平衡输出。

4)低频信号发生器的操作

其使用要点如下:

(1)了解面板。

(2)注意正确的操作步骤。

信号发生器的使用包括如下步骤:

①开机准备。

②选择频率。

③输出阻抗的配接。

④选择输出电路的形式。

⑤输出电压的调节和测读。

2．高频信号发生器

1)高频信号发生器的组成

高频信号发生器的组成框图如图4－5所示，主要包括振荡器、缓冲级、调制级、输出级、内调制振荡器、频率调制器、监测指示电路等。

图4－5 高频信号发生器组成框图

(1)振荡器: 用于产生高频振荡信号。它是信号发生器的核心，信号发生器的主要工作特性大都由它决定。

(2)缓冲级: 主要起隔离放大的作用，用来隔离调制级对主振级可能产生的不良影响，以保证主振级工作稳定，并将主振信号放大到一定的电平。

(3)调制级: 主要完成对主振信号的调制。

(4)内调制振荡器: 供给符合调制级要求的音频正弦调制信号。

(5)输出级: 主要由放大器、滤波器、输出微调、输出衰减器等组成。

(6)监测指示电路: 监测指示输出信号的载波电平和调制系数。

2)调谐信号发生器

根据反馈方式，又可分为变压器反馈式、电感反馈式(也称电感三点式或哈特莱式)及电容反馈式(也称电容三点式或考毕兹式)三种振荡形式，如图4－6所示。

图4－6 LC振荡器电路的三种构成形式

(a)变压器反馈式; (b)电感三点式; (c)电容三点式

3)合成信号发生器

(1)直接合成法。

直接合成法分为模拟直接合成法和数字直接合成法。模拟直接合成法采用基准频率通过谐波发生器，产生一系列谐波频率，然后利用混频、倍频和分频进行频率的算术运算，最终得到所需的频率; 数字直接合成法则是利用ROM和DAC结合，通过控制电路，从ROM单元中读出数据，再进行D/A转换，得到一定频率的输出波形。

①模拟直接合成法。

图4－7所示为模拟直接合成法的直接频率合成器的原理框图，基准频率源(石英晶体振荡器)产生1MHz基准频率，通过谐波发生器产生2MHz、3MHz、…、9MHz等谐波频率，连同1MHz基准频率一起并接在纵横制接线的电子开关上，通过电子开关取出8MHz、2MHz、6MHz、4MHz信号，再经过10分频器(完成÷10运算)、混频器(完成加法或减法运算)和滤波器，最后产生4．628MHz输出信号。

图4－7 直接频率合成器原理框图

②数字直接合成法。

数字直接合成法又叫直接数字频率合成(DDS)，它是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法，它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，通过控制相位变化速度来直接产生各种不同频率信号。DDS的基本原理如图4－8所示。

图4－8 DDS的基本原理

与传统的频率合成技术相比，DDS具有以下特殊优点: 频率分辨率高，频点数多; 频率转换快; 相位连续; 信号相干; 相位噪声小; 便于实现复杂方式的信号调制; 微处理器接口，控制容易，稳定可靠; 大规模集成，体积小，功耗低，重量轻。

(2)间接合成法。

间接合成法通过锁相技术进行频率的算术运算，最后得到所需的频率。图4－9给出了锁相环的基本原理框图。

图4－9 锁相环的基本原理框图

基本锁相环是个闭环相位负反馈环路，由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)及压控振荡器(VCO)三大部分组成。

将基本锁相环的结构稍加变化，在反馈回路中加入分频比N可变的分频器，就可得到频率合成器中经常使用的锁相环，其原理如图4－10所示。

图4－10 倍频式锁相环原理图

4)高频信号发生器的主要性能指标

其主要性能指标如下:

(1)频率范围: 100k Hz～30MHz，共分八个波段。

(2)频率刻度误差: ±1%。

(3)输出电压: 0～1V(有效值)。

(4)输出阻抗: 40Ω(0～1V输出孔)、8Ω(0～0．1V输出孔)

(5)电压表刻度误差: ±5%(载波为1MHz，1V电压时)。

(6)内调制信号频率: 400Hz、1000Hz，误差为±5%。

(7)外调制信号频率: 50Hz～8k Hz。

(8)调幅范围: 当m＜60%时，误差为±5%; 当m＞60%时，误差为±10%。

(9)谐波电平: ＜25d BC。

3．脉冲信号发生器

脉冲信号发生器不仅用于研究、测试脉冲和数字电路、逻辑元件的开关特性等，而且广泛用于雷达、通信、计算机、集成电路和半导体器件的测量。

1)脉冲基本参数

最基本的脉冲信号是矩形脉冲信号，如图4－11所示。它有以下一些基本参数:

图4－11 矩形脉冲信号

(1)脉冲振幅A: 指脉冲顶量值与底量值之差。

(2)上升时间tr: 指由10%电平处上升到90%电平处所需的时间，也叫脉冲前沿。

(3)下降时间tf: 指由90%电平处下降到10%电平处所需的时间，也叫脉冲后沿。

(4)脉冲宽度τ(或tw): 脉冲宽度本应指脉冲出现后所持续的时间，但是由于脉冲波形差异很大，顶部和底部宽度并不一致，所以定义脉冲宽度为前后沿50%电平处的宽度。

(5)脉冲周期和重复频率: 如图4－11(b)所示。

(6)脉冲的占空系数ε: 脉冲宽度τ与脉冲周期T的比值称为占空系数或占空比，即ε=τ/T。

2)脉冲信号发生器的分类

(1)按照频率范围来分，脉冲信号发生器有射频脉冲信号发生器和视频脉冲信号发生器两种。

前者一般是高频或超高频信号发生器受矩形脉冲的调制而获得的，而常用的脉冲信号发生器都是以产生矩形脉冲为主的视频脉冲信号发生器。

(2)按照用途和产生脉冲的方法不同，脉冲信号发生器可分为通用脉冲发生器、快沿脉冲发生器、函数信号发生器、特种脉冲发生器等。

(3)脉冲信号发生器的组成与基本原理

基本的脉冲信号发生器，其组成原理方框图如图4－12所示，包括主振级、延迟级、脉宽形成级、整形级、输出级等部分。

图4－12 脉冲信号发生器的原理框图

(1)主振级。

主振级是脉冲信号源的核心，决定输出脉冲的重复频率，要求有良好的调节性能，较高的频率稳定度，宽的频率范围，陡峭的前后沿和足够的幅度。

(2)延迟级。

通常采用单稳电路或微分电路组成。在很多场合下，要求输出同步脉冲，并使同步脉冲超前于主脉冲一段时间，如图4－13所示。

主振级输出未经延时的脉冲称为同步脉冲，又称前置脉冲。

图4－13 同步脉冲与主脉冲

(3)形成级。

一般由单稳态触发器等脉冲电路组成，产生宽度准确、波形良好的矩形脉冲，且脉冲宽度独立可调，并具有较高的稳定性。

(4)整形输出级。

一般由放大和限幅电路组成。整形级具有电流放大作用，输出级具有功率放大作用。

4)脉冲信号发生器的主要性能指标

(1)脉冲频率。

(2)脉冲持续时间。

(3)脉冲幅度。

(4)输出阻抗。

(5)波形失真。

(6)输出脉冲状态。

(7)工作方式。

4．信号发生器的选择

由于测量信号发生器的种类、型号繁多，使用时通常可从以下几个方面根据具体情况进行选择:

(1)被测信号的频率。

(2)测试功能。

(3)输出信号波形。

(4)测量准确度的要求。

5MFG－8216A型函数信号发生器操作方法与使用注意事项

1)面板结构(如图4－14所示)

图4－14 MFG－8216A型函数信号发生器

2)各键功能说明

(1)POWER: 电源开关。按下此键接通电源。

(2)FREQUENCY/SWEEP: 频率调节/扫描控制旋钮。顺时针旋转，频率增大，逆时针旋转，频率减小。若拉起此旋钮，则执行自动扫描功能。最高扫描频率的限制由旋钮的旋转位置来决定。

(3)TTL/CMOSOUTPUT: TTL/CMOS兼容的信号输出端。

(4)DUTY: 函数周期调节旋钮。拉起此旋钮并旋转即可调节输出信号波形的斜率。

(5)TTL/CMOSADJ: TTL与CMOS波形选择按键。按下此按键，BNC接头(8)可输出与TTL兼容之波形。若拉起此按键并旋转，可从BNC接头(8)输出5～15V的CMOS信号。

(6)OFFSETADJ: 直流偏置调节旋钮。拉起此旋钮并旋转时，可在(0±10)V范围选择任何直流电位迭加于信号之上输出。

(7)AMPL/－20d B: 幅度/衰减调节旋钮。顺时针旋转时幅度增大，逆时针旋转时幅度减小。拉起此旋钮可使输出信号衰减20d B。

(8)OUTPUT: 主要信号输出端口。

(9)ATT/20d B: 20d B衰减按键。

(10)函数功能选择按键: 按下三个按键其中之一，可选择适当的波形输出。

(11)频段选择按键: 按下七个按键其中之一，可选择相应频段的频率输出。

(12)GATE: 外部计数模式闸门时间选择按键。在使用外部计数模式时，按此键来改变闸门时间。

(13)频率单位指示灯: 显示输出信号的频率单位，可在MHz、k Hz、Hz、m Hz之间自动切换。

(14)计数器闸门时间指示灯: 电源开关按下时，此指示灯就会开始闪烁。在内部计数时的闸门时间(Gate Time)为0．01s。

(15)频率显示窗: 用6位LED数码管显示输出信号的频率值。

(16)GATE: 显示出目前的闸门时间(只用于外部计数模式)。

(17)OVER: 溢出指示灯。

3)使用方法及注意事项

(1)使用前的准备。

①用电源线将仪器连接到主电源供应器上。

②按“POWER”键，并确认其他各个旋钮全部被按下，然后旋转“AMPL”旋钮，使指示器向上。

③将“FREQUENCY”旋钮朝逆时针方向旋转到底。

(2)三角波、方波及正弦波的产生。

①按下功能选择键10的其中之一，选择欲输出的波形。

②选择频段选择按键11的其中之一，转动频率调节旋钮“FREQUENCY”，设定所需的频率值(可由频率显示窗读取)。

③转动幅度调节旋钮“AMPL”，设定所需的输出电压值(有效值)(可由晶体管毫伏表读出电压值，也可在示波器上观察波形振幅的变化)。

④如欲衰减输出信号，可拉起“AMPL”旋钮从而获得20d B的衰减，或按下按键9(ATT－20d B)以取得另一个20d B的衰减。

(3)脉冲波产生。

①首先按下函数功能选择键10之中的方波键，然后选择频段选择按键11中的适当值，转动频率调节旋钮“FREQUENCY”，设定所需的频率值。

②拉起函数周期调节旋钮“DUTY”并旋转以调整脉冲宽度。

③转动幅度调节旋钮“AMPL”，控制脉冲波振幅的大小。

④拉起幅度调节旋钮“APML”以获得20d B的衰减波形。

(4)斜波的产生。

①首先按下功能函数选择键10之中的三角波键，然后选择频段选择按键⑾中的适当值，转动频率调节旋钮“FREQUENCY”，设定所需的频率值。

②拉起函数周期调节旋钮“DUTY”并旋转以调整脉冲宽度。

③转动幅度调节旋钮“AMPL”，控制斜波振幅的大小。

④拉起幅度调节旋钮“APML”以获得20d B的衰减波形。

(5)TTL/CMOS信号的输出。

①首先选择频段选择按键11其中之一，转动频率调节旋钮“FREQUENCY”，设定所需的频率值。

②连接“TTL/CMOS”的输出信号至示波器以观察输出信号。

③此时输出波形被设定为TTL电位的方波输出，适用于一般TTL的整体电路。

④如欲输出为CMOS的方波信号，只要拉起TTL与CMOS波形选择旋钮“TTL/CMOS”即可调整其电压准位。

(6)外部电压控制频率的变化。

①选择函数功能选择键10之中的波形，然后选择频段选择按键11中的某一频段，转动频率调节旋钮“FREQUENCY”，设定所需的频率值。

②从“VCFINPUT”(在后面板)输入外部电压控制值((0±10))V，并由“OUTPUT”产生信号。

③其他调整。如旋转“AMPL”旋钮，可改变信号振幅的大小，或得到衰减。调整“OFFSET”旋钮可改变信号的直流偏置。旋转“DUTY”旋钮可改变脉冲波和斜波输出信号的脉宽和斜率。