2.2 低频信号发生器及其基本应用

低频信号发生器的输出频率范围通常为20Hz～20kHz，所以又称为音频信号发生器。现代生产的低频信号发生器其输出的频率范围已延伸到1Hz～1MHz频段，且可以产生正弦波、方波及其他的波形信号。

低频信号发生器广泛用于测试低频电路、音频传输网络、广播和音响等电声设备，还可为高频信号发生器提供外部调制信号。

2.2.1 低频信号发生器的组成与技术指标

低频信号发生器的组成框图如图2-4所示，它包括振荡器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器和指示电压表等。

1．振荡器

振荡器是低频信号发生器的核心，其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组成。振荡器决定了输出信号的频率范围和频率稳定度。

（1）RC文氏桥式振荡器

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的振荡器中。

（2）差频式振荡器

RC文氏桥式振荡器每个波段的频率覆盖系数k比较小，即其最高频率与最低频率之比一般仅为10。因此，要覆盖从1Hz～1MHz的频率范围至少需要5个波段。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。差频式低频振荡器的组成框图如图2-5所示。

频率覆盖范围的大小通常用频率覆盖系数k表示为

例如，假设f1=3.4MHz，f2可调范围为3.3997～5.1MHz，则振荡器输出的差频信号频率范围为f0=|f1-f2|=300Hz～1.7MHz，频率覆盖系数k0=1.7MHz/300Hz≈6000=6×103。

可见，差频式振荡器的优点是信号频率覆盖范围很宽，无须转换波段就可在整个频段内实现连续可调；缺点是频率稳定度较低，电路复杂。

2．放大器

低频信号发生器的放大器包括电压放大器和功率放大器，以达到实现输出一定电压幅度和功率的要求。电压放大器的作用是对振荡器产生的微弱信号进行放大，并把功率放大器、输出衰减器以及负载和振荡器隔离起来，防止对振荡信号的频率产生影响，所以又把电压放大器称为缓冲放大器。

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，由连续调节器和步进调节器组成。常用的输出衰减器原理图如图2-6所示，图中的电位器R为连续调节器（电压幅度细调），电阻R1～R8与开关构成了步进衰减器，开关就是步进调节器（电压幅度粗调）。调节R或变换开关的档位，均可使衰减器输出不同的电压幅度。步进衰减器一般以分贝（dB）值（即20lgUo/Ui）来标注刻度。

例如，XD2型低频信号发生器中的步进衰减器，其衰减共分8级，每级衰减10dB，共70dB。一般要求衰减器的负载阻抗很大，这样可使负载变化时对衰减系数的影响较小，从而保证衰减器的精度。衰减器每级的衰减量根据输入电压、输出电压的比值取对数求出。

现以衰减开关置于第2档为例，根据下式计算出衰减量为

根据XD2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3档为

依此类推，衰减开关每增加一档，就增加10dB的衰减量。

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计算。

【想一想】 低频信号发生器的输出为什么要进行衰减？

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。功率放大器对衰减器输出的电压信号进行功率放大，使信号发生器能达到额定的功率输出。在功率放大器之后是一个阻抗变换器，这样可以得到失真较小的波形和最大的功率输出，并能实现与不同的负载相匹配。阻抗变换器只有在信号发生器进行功率输出时才使用，在进行电压输出时只需要使用衰减器。指示电压表用于监测信号发生器的输出电压或对外来的输入电压进行测量。

5．低频信号发生器的技术指标

以XD2型低频信号发生器为例，其实物面板图如图2-7所示。

XD2型低频信号发生器的主要技术指标如下。

1）频率范围：一般为1Hz～1MHz，且可分6波段调节（有的可均匀连续可调）。

2）频率准确度：±（1～3）%。

3）频率稳定度：一般为（0.1～0.4）%/h。

4）输出电压：0～5V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：有50Ω、75Ω、150Ω、500Ω和5kΩ等几种。

8）输出形式：有平衡输出与不平衡输出。

2.2.2 低频信号发生器的操作使用

尽管低频信号发生器的型号很多，但它们的操作使用方法基本上是类似的。

1．熟悉面板

仪器的面板结构通常按功能分区，一般包括波形选择开关、输出频率调节（包括波段、粗调、微调）、幅度调节旋钮（包括粗调、细调）、阻抗变换开关、指示电压表及量程选择和输出接线柱等。XD1型低频信号发生器的面板结构如图2-8所示。

2．掌握正确的操作步骤

1）准备工作。先将“幅度调节”旋钮调至最小位置（逆时针旋到底），开机预热5min，待仪器工作稳定后方可投入使用。

2）输出频率调节。按照需要来选择合适的频率波段，将频率度盘的“粗调”旋到相应的频率点上，而频率的“微调”旋钮一般置于零位。

3）输出阻抗的配接。根据外接负载阻抗的大小，调节“阻抗变换”开关至相应的档级以便获得最佳的负载阻抗匹配，否则当仪器的输出阻抗与负载阻抗失配过大时，将会引起输出功率减小和输出波形失真大等现象。

4）输出形式的选择。根据外接负载电路的不同输入方式，用短路片对信号发生器的输出接线柱的接法进行变换，以实现相应的平衡输出或不平衡输出。

一般低频信号发生器都有两组输出端子。一组是电压输出插座，它通常输出0～5V的正弦信号电压，另一组是功率输出接线柱，它有输出Ⅰ、输出Ⅱ、中心端和接地4个接线柱，如图2-9所示。当用短路片将输出Ⅱ和接地柱连接时，信号发生器的输出为不平衡式；当用短路片将中心端和接地柱相连接时，信号发生器的输出为平衡式。

5）输出电压的调节和测读。通过调节幅度调节旋钮可以得到相应大小的输出电压。在使用衰减器（0dB档除外）时，由于指示电压表的示值是未经衰减器之前的电压，故实际输出电压的大小应为：示值÷电压衰减倍数。例如，XD2型信号发生器的指示电压表示值为5V，衰减分贝数为60dB，输出电压应为5mV（5V÷1060/20=0.005V=5mV）。表2-2列出了衰减分贝（dB）数与电压衰减倍数及电压表（XD2型）满量程时实际输出电压值的对应关系。

2.2.3 低频信号发生器的典型应用

放大倍数是放大器的重要性能指标之一，包括电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数等。

在低频电子线路中，放大倍数的测量实质上是对电压和电流的测量。测量电路如图2-10所示。

低频信号发生器输出中频段的某一频率（如音频放大器可选1kHz左右）信号，加到被测电路的输入端。输入幅度由毫伏表监测，不要过大，否则输出会失真。输出同时用毫伏表和示波器测试，使输出信号在基本不失真、无振荡和严重干扰的情况下进行定量测试。电压放大倍数为：

Au=Uo/Ui

式中 Uo——被测放大器输出电压有效值；

Ui——被测放大器输入电压有效值。