高可调稳定低频信号源的设计原理及实现

低频信号源是指以输出正弦波信号为主，工作频率在1Hz～1MHz范围内的信号源。它能输出正弦波电压，有的还能输出一定的功率。低频信号源是一种用途广泛的信号源，主要用于测量或检修电子设备及家用电器中的低频电路，也可用于测量音频放大器、扬声器、低频滤波器等元器件的频率特性，还可作为高频信号源的外调制信号源。此外，低频信号源在校准电子电压表时，可用作基准电压源。

1.对低频信号源的一般要求

1）输出信号的频率在满足各项规定指标的范围内，能连续或分波段调节，并且具有较高的稳定性和准确度。一般稳定度应在±0.1%～±1%范围内。

2）输出电压在0～10V内连续调节，并且在整个频率范围内保持稳定，其不均匀性应在±1dB范围内。

3）输出阻抗应具有一种或几种不同的值，以适应不同的需要，通常为600Ω。此外，还有8Ω、50Ω和5kΩ等几种不同的输出阻抗。

4）输出信号波形的非线性失真系数一般不超过1%。

2.低频信号源的工作原理

低频信号源的一般原理框图如图9-2所示，主要包括主振器、连续衰减器（电位器RP）、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和监测电压表。

图9-2 低频信号源原理框图

主振器产生的低频正弦信号，经连续衰减器RP调节后，可以由电压放大器输出衰减器直接输出，这个输出信号的负载能力很弱，只能供给电压，故称为电压输出。该信号再经功率放大后，能够输出较大的功率，故称之为功率输出。阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗以获得最大的功率输出。输出监测实际上是一个简单的电压表，当开关S置“内”端时，监测电压表可分别监测输出电压（接电压放大器输出端时）或者监测输出功率（接功率输出端时），开关S置“外”端时，可测量外部输入电压的有效值。

（1）主振器

主振器是低频信号源的核心，其作用是产生频率连续可调、稳定的正弦波电压。低频信号源中产生振荡信号的方法有多种，在通用信号发生器中，主振器通常采用RC正弦振荡电路或差频电路来实现。RC振荡器可分为三种：RC移相振荡器、RC双T形振荡器和RC文氏电桥振荡器。由于RC文氏电桥振荡器具有频率调节方便、可调范围宽（工作频率范围为100Hz～100kHz）、振荡频率稳定、波形失真小等优点，因此，在低频信号源中的主振器通常采用RC文氏电桥振荡器，如图9-3所示。RC文氏电桥振荡器实际上是一种电压反馈式振荡器，它由同相运算放大器和一个具有选频作用的RC正反馈网络组成。正反馈网络由R₁、C₁、R2和C₂（文氏电桥）组成。电路的振荡频率由网络参数决定，f₀=1/（2πRC）（R₁=R₂=R，C₁=C₂=C）。由热敏电阻R_t组成的负反馈支路主要起稳幅作用。输出频率的调节可通过改变R₁、R₂的值进行频率粗调，利用波段开关来切换电阻元件以实现频段的覆盖。改变C₁、C₂的值进行频率微调，实现波段内的覆盖。在电子调谐的振荡电路中C₁、C₂通常由两只变容二极管来担当。

（2）放大器

低频信号源内的放大器包括电压放大器和功率放大器。

电压放大的作用是放大振荡器产生的振荡信号，以获得足够的输出电压，因此放大器由多个单级放大器按一定的耦合方式连接而成。对电压放大器的基本要求是通频带宽，波形失真小，输入阻抗高，输出阻抗低。(www.xing528.com)

当低频信号源要求有功率输出时，必须进行功率放大。对功率放大器的要求是：有额定的输出功率，效率高，非线性失真小。为了提高带负载能力，功率放大器通常采用OTL电路（无输出变压器的功放），并设置过载、短路保护等电路。

（3）衰减器

衰减器用于改变信号发生器输出的电压或功率，通常包括连续调节衰减器（R）和步进衰减器（R₁～R₃）两类，如图9-4所示，它们利用电阻分压的降压作用逐级衰减，得到不同的输出电压。连续调节衰减器是通过调节电位器的中心位置来改变衰减量，而步进衰减器的衰减系数则是固定的，如1/10、1/100等。

图9-3 RC文氏电桥振荡器原理

图9-4 连续调节衰减器和步进衰减器

（4）指示器

指示器的作用是指示信号源输出电压或功率的大小，通常采用监测电压表作为指示器。指示方式通常有模拟与数字两种：一种是用指针表头；另一种是用数码管。对于后一种指示方式，是利用A-D转换电路，将输出电压转换为成比例的数字量，最后驱动数字显示单元。

随着DDS（数字直接合成）技术的发展，目前低频信号源正向合成化方向发展。

3.低频信号发生器的应用

低频信号源产生的正弦波信号为各类低频电路提供测试信号。图9-5所示为低频放大器的频率特性测试原理。在实际测量中，通过逐步调节信号发生器的输出频率，用电子电压表测出相应的输出电压，在U_o-f直角坐标系上，用逐点描绘法画出各个频率对应的输出电压，再将各点连接起来，即可获得该放大器的频率特性曲线。

图9-5 低频放大器频率特性测试原理

利用类似于测试放大器的方法，还可测试晶体管、衰减器、滤波器、扬声器和其他各种低频线性四端器件或网络的特性。