2.4 函数信号发生器及其使用
函数信号发生器实际上是一种能产生正弦波、方波和三角波等多波形的信号源（频率范围约几MHz～几十MHz），由于其输出波形均为数学函数，故称为函数信号发生器。现代函数信号发生器一般具有调频、调幅等调制功能和压控频率（VCF）特性，广泛应用于生产测试、仪器维修和实验室等工作中，是一种不可缺少的通用信号发生器。
2.4.1 函数信号发生器的组成与原理
函数信号发生器的构成方式有多种，主要介绍以下比较常见的两种。
1．方波-三角波-正弦波方式（脉冲式）
脉冲式函数信号发生器先由施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波形，其组成原理框图如图2-16所示。它包括双稳态触发器、积分器和正弦波形成电路等部分，双稳态触发器通常采用施密特触发器，积分器则采用密勒积分器。
图2-16 脉冲式函数信号发生器的组成原理框图
脉冲式函数信号发生器的工作过程为：假设开关S1悬空，当双稳态触发器输出为u1=U1时，积分器输出u2将开始线性下降，当u2下降到等于参考电平-Ur时，比较器使双稳态触发器翻转，u1由U1变为-U1，同时，u2将以与线性下降时相等的速率线性上升。当u2上升到等于参考电平Ur时，双稳态触发器又翻转回去，于是完成一个循环周期。不断重复上述过程，可以得到方波信号u1、三角波信号u2，u2经过正弦波形成电路再变换成的正弦波，3种波形最后经过输出级放大后，在输出端即可得到所需的各自波形。上述过程的工作波形如图2-17a所示。
图2-17 脉冲式函数信号发生器的工作波形图
a）工作波形 b）矩形波u1（t）
若S1与VD2相接，当触发器输出为U1时，VD2导通，R3被短路，积分器很快下降，当下降到-Ur时，触发电路翻转，触发器输出为-U1，VD2截止，R3接入电路，积分器输出缓慢上升，形成正向锯齿波u2（t），触发器输出为矩形波u1（t），如图2-17b所示。若S1与VD1相接，则可得到反向锯齿波和极性相反的矩形波。
综上可见，脉冲式函数信号发生器无独立的主振级，而是由施密特触发器、积分器和比较器构成的闭合回路构成的自激振荡器，它产生的最基本波形是方波和三角波。调换积分电容或改变电位器RP可以改变输出信号的频率。如果在电阻R3两端并接一支二极管VD1（或VD2），可使积分器充放电时间常数不等，由此得到矩形波和反向锯齿波（或正向锯齿波），如果再改用电位器调整比较器参考电压Ur，调整该电位器可以改变矩形波的占空比。
2．正弦波-方波-三角波方式（正弦式）
正弦式函数信号发生器先振荡出正弦波，然后经变换得到方波和三角波，其组成框图如图2-18所示。它包括正弦振荡器、缓冲级、方波形成器、积分器、放大器和输出级等部分。其工作过程是：正弦振荡器输出正弦波，经缓冲级隔离后，分为两路信号，一路送放大器输出正弦波，另一路作为方波形成器的触发信号。方波形成器通常是施密特触发器，它输出两路信号，一路送放大器，经放大后输出方波；一路作为积分器的输入信号。积分器通常为密勒积分器，积分器将方波变换为三角波，经放大后输出。3种波形的输出选择由开关进行控制。
图2-18 正弦式函数信号发生器组成框图
2.4.2 正弦波形成电路
在前面讲过的脉冲式函数信号发生器中，正弦波形成电路起着非常重要的作用，它主要用于将三角波变换成正弦波。能够完成这种变换的电路种类较多，如二极管网络和差分放大器等。图2-19所示为典型的二极管网络变换电路。
图2-19 正弦波形成电路原理图
该电路主要由二极管和电阻构成，对输入三角波ui进行可变分压处理。具体原理如下：
在三角波的正半周，当ui瞬时值较小时，所有的二极管都被+E和-E截止，ui经电阻R直接输出，即uo=ui，输出与输入波形相同。
当ui瞬时值上升到U1时，二极管VD1导通，电阻R、R1、R1a构成第一级分压器，输入三角波通过该分压器分压后送到输出端，uo比ui有所降低。
当ui瞬时值上升到U2时，二极管VD3导通，电阻R2、R2a接入，与第一级分压器电阻共同构成第二级分压器。此时，分压比进一步减小，uo的衰减增大。
随着ui的不断增大，VD5、VD7依次导通，分压比逐步减小，uo的衰减幅度更大，使输出由三角波趋于正弦波。
同理，当ui由其正峰值逐渐减小，二极管VD7、VD5、VD3和VD1依次截止，分压比又逐渐增大，uo的衰减幅度逐渐变小，三角波也趋于正弦波。以上描述的是正半周的情况，对于负半周与此类似，如图2-20所示。
图2-20 正弦波形成电路工作波形
2.4.3 函数信号发生器的操作使用实例
下面以常用的VC2002型函数信号发生器为例进行介绍。
1．操作面板说明
VC2002型函数信号发生器可以输出正弦波、方波、矩形波、三角波和锯齿波5种基本函数信号，这些信号的频率和幅度都可以连续调节。其面板图如图2-21所示，各旋钮和按键的主要功能如表2-3所示。
图2-21 VC2002型函数信号发生器面板图
表2-3 VC2002型函数信号发生器面板各部分旋钮和按键的主要功能
2．技术特性与技术指标
（1）技术特性
①频率范围：0.2Hz～2MHz。
②波形：正弦波、三角波、方波、矩形波和锯齿波。
③5位LED频率显示，3位LED幅度显示。
④频率幅度，占空比连续可调。
⑤二段式固定衰减器：20dB/40dB。
（2）技术指标
①频率范围：0.2Hz、2Hz、20Hz、200Hz、2kHz、20kHz、200kHz和2MHz。
②输出幅度：（2Up-p～20Up-p）±20%。
③输出阻抗：50Ω。
④输出衰减：20dB/40dB。
⑤占空比：20%～80%（±10%）。
⑥显示：5位LED频率显示，3位LED幅度显示。
⑦电源：220V/110V±10%、50Hz/60Hz±5%、功耗≤15W。
3．操作使用方法
1）开机并接好输出测试线。
2）设置输出信号的频段。反复按下频段选择按钮，同时观察频率显示屏最低位显示的频段号（1～7），选择合适的输出信号频段。
3）设置输出信号的波形类型。反复按下信号类型选择按钮，同时观察频率显示屏最高位显示的波形类型代码（1——正弦波，2——方波，3——三角波），选择所需输出信号的类型。
4）按下“确认”按钮，仪器开始运行，在频率显示屏显出信号的频率，在幅度显示屏显示信号的幅度。
5）调节频率调节旋钮，同时观察频率显示屏，使信号频率满足要求；调节幅度调节旋钮并观察幅度显示屏，使信号幅度满足要求。
6）调节占空比调节旋钮，使输出信号占空比满足要求。
7）将仪器的信号输出测试线与其他待测电路连接，若连接后仪器的输出信号频率或幅度等发生变化，可重新调节仪器，直至输出信号满足要求。
网络学习——信号发生器产品查询
信号发生器的型号较多，技术性能差异也较大，价格也不同。在选用时，要根据使用要求，综合考虑仪器的性价比、售后服务和企业状况等各方面因素。为此，要经常上网浏览国内外相关仪器信息，跟踪仪器最新产品及其技术发展，收集整理仪器的面板结构、技术说明与性能指标等资料。
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