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信号发生器

项目2信号发生器

2.1项目任务

通过本项目的学习和实践，使学习者掌握以下理论知识和职业技能。

2.1.1知识点

1.信号发生器的基本概念及应用范围。

2.函数信号发生器的基本组成原理，以及信号发生器的主要性能指标。

3.熟悉信号发生器的使用方法及注意事项。

2.1.2技能点

熟练使用函数信号发生器提供各种测试用信号。

2.2项目知识

2.2.1信号发生器基本概念

2.2.1.1定义

信号发生器又称信号源，它是在电子测量中提供符合一定电技术要求的电信号的设备，它能提供不同波形、频率、幅度大小的电信号，主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等，为测试提供不同的信号源。

它与电子线路中的电流源、电压源的区别在于它是提供的是电信号，而后者只是提供的是电能。

2.2.1.2分类

信号发生器可按输出波形和输出频率两种方法进行分类。

1.按输出波形分类，信号发生器可分为以下四种类型：

（1）正弦波信号发生器：

可产生正弦波或受调制的正弦波。

（2）脉冲信号发生器：

可产生脉宽可调的重复脉冲波。

（3）函数信号发生器：

可产生幅度与时间成一定函数关系的信号，如正弦波、三角波、方波、锯齿波、钟形波脉冲等。

（4）噪声信号发生器：

可产生各种模拟干扰的电信号。

2.按输出频率可分类，信号发生器可为以下六种类型：

（1）超低频信号发生器：

频率范围为0.0001～1KHz。

（2）低频信号发生器：

频率范围为1Hz～1MHz。

（3）视频信号发生器：

频率范围为20Hz～10MHz。

（4）高频信号发生器：

频率范围为200KHz～30MHz。

（5）甚高频信号发生器：

频率范围为30～300Hz。

（6）超高频信号发生器：

频率范围为300MHz以上。

2.2.2几种常用信号发生器

2.2.2.1正弦波信号发生器

1．频率特性

（1）频率范围。

指仪器各项指标都能得到保证时的输出频率范围，更确切地说，应称为“有效频率范围”。

（2）频率准确度。

指信号发生器度盘（或数字显示）数值

与实际输出信号频率

间的偏差。

可用频率的绝对偏离（绝对误差）

，或用相对偏离（相对误差）

α来表示，即

，式中，

为标称频率。

（3）频率稳定度。

指在其他外界条件恒定不变的情况下，在规定时间内，信号发生器输出频率相对于预调值变化的大小。

频率稳定度（实际上是频率不稳定度）指标要求与频率准确度有关，一般振荡器的频率稳定度应比所要求的准确度高1～2个数量级。

2．输出特性

一个正弦信号源的输出特性主要有：

（1）输出信号的幅度。

输出信号的幅度常采用两种表示方式：

其一，直接用正弦波有效值（单位用V，mV或μV）表示；其二，用绝对电平（单位用dBm或dB）表示。

（2）输出电平范围。

表征信号源能提供的最小和最大输出电平的可调范围。

（3）输出电平的频响。

指在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化，也就是输出电平的平坦度。

（4）输出电平准确度。

主要由电压表刻度误差、衰减器衰减误差、0dB准确度和输出衰减器决定。

它会随温度与供电电压波动的影响而变化。

常用“工作误差”来评价仪器的准确度。

（5）输出阻抗。

信号源的输出阻抗视类型不同而异。

低频信号发生器输出阻抗一般有75Ω，150Ω，600Ω几种。

高频信号发生器一般为50Ω或75Ω不平衡输出。

（6）输出信号的频谱纯度。

反映输出信号波形接近正弦波的程度，常用非线性失真度（谐波失真度）表示。

一般信号源的非线性失真度应小于1%。

3.调制特性

高频信号发生器在输出正弦波的同时，一般还能输出一种或一种以上的已被调制的信号，多数情况下是调幅信号和调频信号，有些还带有调相和脉冲调制等功能。

例如QF1481型合成信号发生器同时具有调幅、调频、调相和脉冲调制特性。

当调制信号由信号发生器内部产生时，称为内调制。

当调制信号由外部加入信号发生器进行调制时，称为外调制。

这类带有输出已调波功能的信号发生器，是测试无线电收发设备等场合不可缺少的仪器。

2.2.2.2低频信号发生器

图2-1函数信号发生器电路组成图

低频信号发生器由主振器、电压放大器、输出衰减器和电子电压表组成。

如图2-1所示。

1．主振器

主振器是低频信号发生器的核心电路。

它产生频率可调的正弦信号，决定了信号发生器的有效频率范围和频率稳定度。

低频信号发生器中产生振荡信号的方法很多，但日前主要采用RC文氏桥振荡器，图2-2所示的振荡器由两级RC网络和放大器组成。

图中R1和C1，R2，C2组成正反馈臂，跨接于放大器的输入端和输出端之间，产生了正弦振荡。

振荡频率由R1，C1和R2，C2各元件参数决定。

A为两级放大器，RF,RT组成负反馈臂，起到自动稳幅作用。

该电路的振荡频率fn为：

图2-2低频信号发生器主振电路

由上式可知，改变电阻R（R1或R2）电阻C（C1或C2）的大小均可以改变输出信号的振荡频率。

通常电阻R用于频率微调，输出信号的同谋由输入出衰减器控制。

2．电压放大器

电压放大器兼有隔离和电压放大的作用。

隔离是为了不使后级电路影响主振荡器的工作；放大是把振荡器产生的微弱振荡信号进行放大，使信号发生器的输出电压达到预定的技术指标，要求其具有输入阻抗高、输出阻抗低（有一定的带负载能力）、频率范围宽、非线性失真小等性能。

一般采用射极跟随器或运算放大器组成的电压跟随器。

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。

通常分为连续调节和步进调节。

连续调节由电阻电位器实现，即输出微调；步进调节由波段转换开关步进调节电阻分压器实现并以分贝值为刻度，也称为输出粗调。

4．电子电压表

电子电压表一般采用均值检波器作为信号输出指示器。

用来显示输出电压或输出功率的幅度或对外部信号电压进行测量。

2.2.2.3高频信号发生器

高频信号发生器也称为射频信号发生器，信号的频率范围在300KHz-300MHz之间，广泛应用于高频电子线路的测试实验中。

该仪器具有一种或一种以上的组合调制（包括正弦调幅、正弦调频以及脉冲调制）功能，以满足各种通信电路及设备的测试。

此外，该类仪器的输出信号的频率、电平、调制度均可在一定范围内调节，并能准确读数。

高频传号发生器组成原理：

高频信号发生器主要由主振级、缓冲级、调制级、内调制振荡器、输出级监测器等部分组成。

如图2-3所示。

图2-3高频信号发生器组成框图

1．主振级

调制级是信号发生器的核心，用于产生高频振荡信号并可实现调频功能。

它一般采用可调频率范围、频率准确度高、稳定性好的LC振荡器，如变压器耦合振荡器、三点式振荡器等。

其振荡频率

一般改变L进行分挡粗调；改变C进行细调。

2．缓冲级

缓冲级主要起隔离放大作用，用来隔离调制级对主振级产生的不良影响，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

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。

调频方式主要用于30Hz-1000MHz的信号发生器中；调幅方式多用于300kHz-30MHz的高频信号发生器中；脉冲调制方式多用于300MHz以上的微波信号发生器中。

信号发生器的调制方式通过面板上的选择开关来进行选择。

调制信号可来自内调制振荡器，也可来自外部其他信号源。

4．内调制振荡器

内调制振荡器用于产生调制信号，提供符合调制级要求的音频正弦调制信号。

5．输出级

高频信号发生器输出级具有如下功能：

（1）输出级包含功率放大级，提供足够的输出功率。

（2）输出级具有输出微调和步进衰减电路，使得输出信号的幅度大小可以任意调节。

（3）阻抗匹配：

在信号发生器输出端与负载之间加入阻抗变换，使其工作在负载匹配的条件下，否则不仅要引起衰减系数误差，而且还可能影响前级电路的正常工作．减少信号发生器的输出功率，在输出电缆中出现驻波。

6．监测器

监测器一般由调制显示仪表和电子电压表组成。

用于检测输出信号的载波幅度、调幅度等参数。

7．电源

用来供给整机各部分电路所需的交直流电源。

2.2.2.4函数信号发生器

函数信号发生器，它具有调频、调幅等调制功能和压控频度特性，可产生正弦波、方波、三角波等函数波形，广泛用于通信生产测试、仪器维修等工作中。

图2-4函数信号发生器电路组成图

函数发生器主要有比较器、积分器、差分放大器三大主要模块电路构成。

经比较器产生方波，再经过积分器产生三角波，而后由积分器输出信号反馈给比较器，比较器和积分器组成正反馈闭合电路，使其能够完成自激震荡，分别输出方波和三角波。

再经过级间耦合电容接入差分放大器，使其再对三角波进行整形变换，最后输出标准正弦波。

由比较器和积分器组成方波/三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

2.2.3信号发生器使用与维护常识

2.2.3.1选择信号发生器的一般原则

信号发生器的应用广泛，种类型号繁多，选择时一般根据具体使用情况进行选择：

1.根据被测信号波形选择。

2.根据被测信号频率选择。

3.根据测试功能选择。

低频信号发生器主要用于检修、测试或调整各种低频放大器、扬声器、传声器、滤波器等器件的频率特性，也可用于高频信号发生器的外调制信号源。

此外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。

高频信号发生器主要用于测量各种无线电接收机的灵敏度、选择性等参数，同时也为调试高频电子电路提供所需的各种模拟射频信号。

函数发生器可用于伺服系统、自动测试系统、音频放大器、滤波器等的实验研究中，也可用于神经刺激和麻醉等医疗研究。

脉冲信号发生器是专门用来产生脉冲波形的信号源，可用于测试视频放大器、宽带电路的振幅特性、过度特性，逻辑元件的开关速度、数字电路研究以及示波器的检定与测试等。

它广泛用于电子测量系统以及数字通信、雷达、激光、航天、计算机技术、自动控制等领域。

4.根据测量准确度要求选择。

信号发生源按性能指标可分为普通和标准信号发生器。

前者是指对输出信号的频率、幅度准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器，后者是指输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内可连续调节，且读数准确、稳定，屏蔽良好的中、高挡信号发生器。

2.2.3.2使用注意事项

1.使用前应认真阅读仪器说明书，了解其基本性能、使用方法。

2.接通电源前，检查测量装置的接线是否正确。

仪器的量程、频段、衰减、输出等旋钮是否有松脱、错位现象。

3.仪器预热。

4.对于表针指示的仪器，应在接通电源前进行机械调零。

观察指针是否指零或规定值，如有差异，可用螺丝刀轻轻旋转机械调零旋钮，使表针指示为零。

在仪器通电并充分预热后，进行电气调零，将仪器的输入端短路，调节仪器使其读数指示零或规定值。

对于具有内部校准装置的仪器，使用前要正确校准。

5.正确连接测量电路连线，并选择合适的量程。

6.日常维护应注意：

防尘、防潮、防腐、防振动等。

2.3项目实施

2.3.1EE1640C型函数信号发生器发生器简介

2.3.1.1EE1640C函数信号发生器主要特征

1．采用大规模单片集成精密函数发生器电路，使得该机具有很高的可靠性及优良性能/价格比。

2．采用单片微机电路进行整周期频率测量和智能化管理，对于输出信号的频率幅度用户可以直观、准确的了解到（特别是低频时亦是如此），因此极大的方便了用户。

3．该机采用了精密电流源电路，使输出信号在整个频带内均具有相当高的精度，同时多种电流源的变换使用，使仪器不仅具有正弦波、三角波、方波等基本波形，更具有锯齿波、脉冲波等多种非对称波形的输出，同时对各种波形均可以实现扫描、FSK调制和调频功能，正弦波可以实现调幅功能。

此外，本机还具有单次脉冲输出。

4．整机采用中大规模集成电路设计，优选设计电路，元件降额使用,全功能输出保护，以保证仪器高可靠性，平均无故障工作时间高达数千小时以上。

2.3.1.2主要技术指标

1.输出频率：

0.2Hz～10MHz，分为1、10、100、1K、10K、100K、1M、10M等8个档位。

2.功率输出：

≥10W（选件）。

3.可输出点频正弦信号：

50Hz（选件）。

4.输出幅度：

10Vp-p（50Ω）、20Vp-p（1MΩ）。

5.可同时显示频率（最大8位）和幅度（3位），且幅度显示单位可切换显示峰峰值（Vp-p）和有效值（Vrms）。

6.可输出正弦波、三角波、方波、正负向锯齿波等七种波形。

7.可输出单次脉冲。

8.可输出TTL/CMOS，且CMOS电平可调。

9.多调制输出方式：

调频、调幅、扫频、FSK。

10.具有内外调幅、调频功能。

11.正弦波失真度：

≤0.8%。

12.方波沿：

≤20ns。

13.输出波形占空比可调，有直流偏置功能。

14.输出信号衰减0dB/20dB/40dB/60dB。

15.数字频率计测量范围：

0.2Hz～100MHz（8位显示）。

16.灵敏度：

50mVrms。

17.具有全功能输出保护，且主函数输出具有错接报警功能。

18.采用大规模集成电路、SMT贴装工艺，高可靠性、散热性能好（机后有排风扇），MTBF≥10000小时。

2.3.1.3操作面板说明

EE1640C型函数信号发生器发生器操作面板如图2-5所示，各操作按钮及旋钮功能如下：

图2-5EE164C函数信号发生器前面版图

1.频率显示窗口：

显示输出信号的频率或外测频信号的频率。

2.幅度显示窗口：

显示函数输出信号的幅度。

3.频率微调电位器：

调节此旋钮可改变输出频率的1个频程。

4.输出波形占空比调节旋钮：

调节此旋钮可改变输出信号的对称性。

当电位器处在中心位置或“OFF”位置时，则输出对称信号。

5.函数输出信号直流电平调节旋钮：

调节范围：

-10V～+10V（空载），-5V～+5V（50Ω负载），当电位器处在中心位置时，则为0电平。

6.函数信号输出幅度调节旋钮：

调节此旋钮可改变输出的幅度，调节范围20dB。

7.扫描宽度/调制度调节旋钮：

调节此电位器可调节扫频输出的频率宽度。

在外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过低通开关进入测量系统。

调节此电位器可调节调频的频偏范围、调幅时的调制度和FSK调制时的高低频率差值，逆时针旋到底为关调制。

8.扫描速率调节旋钮：

调节此电位器可以改变内扫描的时间长短。

外测频时，逆时针旋到底（绿灯亮），为外输入测量信号经过衰减“20dB”进入系统。

9.CMOS电平调节旋钮：

调节此电位器可以调节输出的CMOS电平。

当电位器逆时针旋到底（绿灯亮）时，输出为标准的TTL电平。

10.频段选择按钮：

每按一次此按钮，输出频率向左调整一个频段。

11.频段选择按钮：

每按一次此按钮，输出频率向右调整一个频段。

12.波形选择按钮：

按此按钮可选择正弦波、三角波、脉冲波输出。

13.衰减选择按钮：

可选择信号输出的0dB、20dB、40dB、60dB衰减的切换。

14.幅值选择按钮：

可选择正弦波的幅度显示的峰－峰值（Vp-p）与有效值（Vrms）之间的切换。

15.方式选择按钮：

可选择多种扫描方式、多种内外调制方式以及外测频方式。

16.单脉冲选择按钮：

控制单脉冲输出，每揿动一次此按钮，单脉冲输出电平翻转一次。

17.整机电源开关：

此按键揿下时，机内电源接通，整机工作。

此键释放为关掉整机电源。

18.外部输入端：

当方式选择按钮选择在外部调制方式或外部计数时，外部调制控制信号或外测频信号由此输入。

19.函数输出端：

输出多种波形受控的函数信号，输出幅度20Vp-p（空载），10Vp-p（50Ω负载）。

20.同步输出端：

当CMOS电平调节旋钮逆时针旋到底，输出标准的TTL幅度的脉冲信号，输出阻抗为600Ω；当CMOS电平调节旋钮打开，则输出CMOS电平脉冲信号，高电平在5V～≥13.5V可调。

21.单次脉冲输出端：

单次脉冲输出由此端口输出，“0”电平：

≤0.5V，“1”电平：

≥3V。

22.点频输出端（选件）：

提供50Hz的正弦波信号。

23.功率输出端（选件）：

提供≥10W（4Ω负载）的正弦波功率输出，频率范围20Hz～40kHz。

2.3.1.4EE1640C系列函数信号发生器操作指南

1．测量、试验的准备工作

请先检查市电电压，确认市电电压在220V±10%范围内，方可将电源线插头插入本仪器后面板电源线插座内，供仪器随时开启工作。

2．自校检查

在使用本仪器进行测试工作之前，可对其进行自校检查，以确定仪器工作正常与否。

3．仪器启动

按下面板上的电源按钮，电源接通。

面板上所有数码管和发光二极管全部点亮2秒后，再闪烁显示仪器型号例如“EE1641C”1秒，之后根据系统功能中开机状态设置，波形显示区显示当前波形“～”，频率显示区显示当前频率档“1k”，衰减显示区显示当前衰减档“0dB”；其余则保持上次关机前的状态。

图2-6仪器启动

4.函数信号输出

图2-750Ω主函数信号输出

50Ω主函数信号输出：

（1）以终端连接50Ω匹配器的测试电缆，由前面板插座输出函数信号。

（2）由“频率选择”按钮选定输出函数信号的频段，由“频率调节”旋钮调整输出信号频率，直到所需的工作频率值；

（3）由“波形选择”按钮选定输出函数的波形分别获得正弦波、三角波、脉冲波；

（4）由信号幅度选择器和“幅度调节”旋钮，选定和调节输出信号的幅度；

（5）由信号直流电平设定器选定输出信号所携带的直流电平；

（6）输出波形占空比调节器可改变输出脉冲信号占空比，占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。

与此类似，输出波形为三角或正弦时可使三角波调变为锯齿波，正弦波调变为正与负半周分别为不同角频率的正弦波形，且可移相180度。

2.3.2操作实例

2.3.2.1函数信号发生器操作实例1

[技能要求]输出频率为36.6kHz的三角波，其幅度为10Vp-p。

[操作步骤]

1．测量、试验的准备工作。

2．自校检查。

3．仪器启动。

4.函数信号输出。

（1）由“波形选择”按钮选择三角波档，三角波灯亮。

（2）由“频率选择”按钮“←”或“→”选择C“10k”档灯亮，再调节“频率微调”旋钮，调整输出信号频率至频率显示为36.6KHz。

（3）调节“幅度选值”和“幅度调节”旋钮至幅度显示为10，“V”、“p-p”灯亮。

2.3.2.2函数信号发生器操作实例2

[技能要求]输出方波，其为频率366Hz，幅度为87mVp-p，占空比为70%。

[操作步骤]

1．测量、试验的准备工作。

2．自校检查。

3．仪器启动。

4.函数信号输出。

（1）按下正弦波“波形选择”按钮，正弦波灯亮。

（2）由“频率选择”按钮“←”或“→”选择“100”档灯亮，再调节“频率微调”旋钮，调整输出信号频率至频率显示为366Hz。

（3）按“衰减选择”按钮，40dB衰减灯亮，调节“幅度调节”旋钮至幅度显示为87，“mV”、“p-p”灯亮。

（4）调节输出波形占空比调节旋钮至70%。

2.3.3常见故障及检修方法

EE1640C系列函数信号发生器采用大规模集成电路和贴片电路，可靠性高，发生故障的可能性较小。

下面是几种常见的故障以及维修方法：

1.开机无显示。

解决方法：

首先打开电源插座里的保险丝查看是否完好。

保险丝位置处如果完好，则打开仪器的外壳，将仪器内部的排线重新插紧。

2.调节多圈电位器时，频率不起作用。

解决方法：

由于多圈电位器属于易损件，在使用很长时间后易损坏。

如果在使用时发现调节频率旋钮不可调时，基本可判断是多圈电位器损坏。

3.无同步输出。

解决方法：

首先检查同步输出高频头射频电缆是否符合芯线与芯线通，地线与地线通，芯线与地线不通的原则。

其次，检查N16（74LS04）4脚有无输出信号，如无则检查N15（74HC132）8脚有无输出信号。

4.无CMOS输出信号。

解决方法：

首先检查面板上的CMOS电平调节电位器是否已坏，其次检查仪器主板N17B（74LS06）8脚有无输出电8压以及判断K2（G6H-2-5V）继电器是否已坏。

5.主函数无输出。

解决方法：

首先检查主函数输出高频头射频电缆是否符合芯线与芯线通，地线与地线通，芯线与地线不通的原则。

其次，检查电阻R165或R166有无输出信号，如有则可判断是衰减器坏，如无则是幅度放大电路坏。

6.单脉冲无输出。

解决方法：

首先检查单脉冲输出高频头射频电缆是否符合芯线与芯线通，地线与地线通，芯线与地线不通的原则。

其次，检查显示板上的D17（74HC123）4脚、5脚有无信号，（74HC74）脚和6脚有无信号，D185以及D19（74HC04）8脚有无信号。

7.不测频。

解决方法：

检查是否将输入灵敏度设置过低。

如果输入灵敏度合适，那么检查外部输入高频头射频电缆是否符合芯线与芯线通，地线与地线通，芯线与地线不通的原则。

如果测频灵敏度不够可调节电位器RP13，使计数灵敏度能够满足要求。

如果低通和衰减不正常，则检查对应的两个继电器K7、K8是否完好。

8.输出波形不衰减。

解决方法：

有可能是衰减器坏，打开衰减器的上盖，检查里面的继电器K5、K6是否损坏。

9.幅度显示不对。

解决方法：

检查N33（LM331）的第7脚有一随之变化的直流电平，而第3脚应有一随之变化的脉冲波。

如无便可判定LM331坏。

10.主函数无正弦波输出。

解决方法：

检查K4（G6H-2-5V）继电器是否损坏。

11.功率输出无波形输出。

解决方法：

与功率放大电路板连接的排线有无连接牢固，是否松动。

如果排线没问题，则检查N50（7815为15V）和N51（7915为-15V）的电压是否正常。