函數(shù)信號發(fā)生器實驗教學設計與實踐

周一恒 吳新忠 馮小龍 趙峻

摘 要：對傳統(tǒng)模擬電子技術實驗項目——函數(shù)信號發(fā)生器設計進行了研究探索，結(jié)合工程背景分層次提出了任務要求和多種設計方案，各任務相互獨立又緊密關聯(lián)，形成遞進關系。在實驗教學中注重啟發(fā)式教學和可持續(xù)研究。該實驗內(nèi)容涉及電子技術和單片機技術且能與CPLD等后續(xù)課程結(jié)合，可為電子信息專業(yè)本科分層次自主探究實驗教學提供參考。

關鍵詞：研究性實驗;信號發(fā)生器;分層次教學;啟發(fā)引導

函數(shù)發(fā)生器實驗涵蓋了波形產(chǎn)生、波形轉(zhuǎn)換、信號放大等知識點，是模擬電子技術實驗課程經(jīng)典案例[1-3]。但傳統(tǒng)模電實驗知識體系單一，與后續(xù)課程脫節(jié)，且目前單片機控制波形產(chǎn)生電路、DDS直接數(shù)字頻率合成技術已成波形產(chǎn)生的主流技術[4-6]，一味深挖模擬環(huán)境下指標參數(shù)的深難，無異于南轅北轍，與工程實際漸行漸遠。本著“優(yōu)化基礎、提升能力、激發(fā)創(chuàng)新”的教學理念，課程組在實驗教學中加入了數(shù)控元素，并對實驗內(nèi)容要求、方案設計和教學方法等方面做了優(yōu)化改革，完成了從基礎型到研究創(chuàng)新型實驗的轉(zhuǎn)變。

1 實驗內(nèi)容與任務要求

按照“寬基礎、強能力、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)要求，為從思維方式和工程實踐兩方面培養(yǎng)學生的研究和創(chuàng)新能力，設計了基礎實驗層、提高設計層、研究創(chuàng)新層“三層面”課內(nèi)外一體的開放創(chuàng)新實驗[7]。具體實驗任務如下：

1.1 基礎實驗層，培養(yǎng)學生基本工程素質(zhì)和基本實驗技能

（1）采用三種方案設計電路，輸出周期性正弦波、方波及三角波，頻率156Hz、信號幅度≥1V;

（2）改進電路實現(xiàn)波形連續(xù)可調(diào)，頻率100Hz～10kHz，矩形波占空比20%～70%，正弦波峰峰值0～5V（負載1KΩ）;

（3）完善電路，保證正弦波非線性失真度<3%、方波上升時間<2μs;

（4）選擇一種方案加寬頻帶范圍，使波形100Hz～1MHz內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

1.2 提高設計層，培養(yǎng)學生知識更新、自主學習和綜合應用能力

（1）在完成基礎實驗的基礎上，加入數(shù)控環(huán)節(jié)，實現(xiàn)各波形步進可調(diào)，頻率步進1kHz，矩形波占空比步進2%，正弦波峰峰值步進0.1V;

（2）降低正弦波非線性失真度;

（3）輸出顯示波形的類型、頻率和幅度。

1.3 研究創(chuàng)新層，充分發(fā)揮學生個性，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力

設計信號發(fā)生器，產(chǎn)生任意自擬周期性波形，波形種類及指標不限（方波、正弦波和三角波這三種波形除外）。

2 實驗原理及方案

2.1 實驗原理及總體方案

首先，基礎實驗層要求用傳統(tǒng)模擬電路搭建電路產(chǎn)生波形輸出;其次，提高設計層要求對模擬電路加入MCU處理器進行數(shù)字控制調(diào)節(jié)，進一步提高波形質(zhì)量、實現(xiàn)步進式調(diào)節(jié);最后，研究創(chuàng)新層中采用可編程控制器件提高數(shù)據(jù)處理速度、產(chǎn)生自擬任意波形。

信號發(fā)生器的設計包括波形產(chǎn)生、波形放大、波形調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)顯示四個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)都有多種實現(xiàn)方法，比如波形產(chǎn)生環(huán)節(jié)就可分別采用分立器件、集成運放和信號發(fā)生單片三種方法實現(xiàn)。要根據(jù)對波形質(zhì)量以及調(diào)節(jié)方式的要求合理選擇設計方案和器件。圖1為信號發(fā)生器的方案設計框圖。

2.2 基礎實驗層：波形的產(chǎn)生和處理

模擬方法利用波形產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換原理制作信號發(fā)生器，應先根據(jù)正反饋原理產(chǎn)生一種振蕩波形，繼而轉(zhuǎn)換成其他工作波形。因波形產(chǎn)生順序和不同波形間轉(zhuǎn)換方式均有不同，設計方案具有多樣性。本文以其中一種先產(chǎn)生方波三角波然后再轉(zhuǎn)換正弦波的設計思路為例介紹設計過程。

2.2.1 方波三角波產(chǎn)生

使用運放芯片LM324構成RC振蕩滯回比較電路和積分電路產(chǎn)生方波和三角波，改變電容C2和電位器RV2、RV3的數(shù)值改變正、反向充放電時間常數(shù)從而調(diào)節(jié)波形占空比。LM324采用正負12V雙電源供電，方波輸出幅度為Usom=±Uom，其中Uom為比較器的輸出幅度。三角波幅度為Utom=R2R3+RV1Uom，改變電位器RV1改變其輸出幅值。波形周期T=4R2R4+RVC2R3+RV1，則其頻率是T的倒數(shù)，改變參數(shù)調(diào)節(jié)頻率大小。其中RV表示積分器上的電位器RV2和RV3，改變其數(shù)值改變波形的占空比。

2.2.2 利用差分放大電路實現(xiàn)三角波正弦波的轉(zhuǎn)換

利用差分放大電路的傳輸特性曲線的非線性將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波，且傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好。三角波的幅度應正好使三極管接近飽和區(qū)或者截止區(qū)。RV4調(diào)節(jié)三角波幅度，RV5調(diào)節(jié)差分放大電路的對稱性，為進一步提高電路對稱性Q1和Q4使用三極管對管。R10和RV5并聯(lián)用來減小差分放大電路的線性區(qū)。電容C1、C3為隔直電容，因輸出頻率不高，因此電容容量要取比較大。差分放大電路的靜態(tài)工作點通過觀測傳輸特性曲線、調(diào)整電阻R13和R11確定。三極管Q2、Q3構成恒流源電路，為確保電流穩(wěn)精度也應使用對管。設計電路圖如圖2所示。

2.3 提高設計層：實現(xiàn)波形的數(shù)字控制，提高波形質(zhì)量

模擬電路加入單片機控制模塊構造數(shù)字化函數(shù)信號發(fā)生器，提高波形質(zhì)量、實現(xiàn)步進調(diào)節(jié)。電路由單片機AT89C52、電源、鍵盤模塊，LCD1602顯示模塊構成。單片機采用8位機AT89C52，D/A轉(zhuǎn)換器選擇低輸出阻抗的電壓輸出型器件DAC0832、MAX517等8位串行芯片，采樣時考慮波形選擇開關響應速度要求使用8選1的模擬開關CD4051，數(shù)據(jù)顯示可使用液晶模塊LCD12864。

已知脈沖信號的頻率和占空比，通過定時器設定定時時長，驅(qū)動IO端口輸出高低電平，產(chǎn)生所需的脈沖信號F=1T，其中F為脈沖信號頻率，T為定時器定時時長。

D=T0（T-T0）其中D為信號占空比，T0為脈沖信號高電平定時時長。單片機輸出利用DAC0832采用直通方式進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后信號幅值較小需使用運放LM324實現(xiàn)兩級放大。

2.4 研究創(chuàng)新層：任意周期性波形發(fā)生器

因自擬波形具有不確定性，且當波形頻率超過1MHz時，受模擬器件限制很難產(chǎn)生精確的可調(diào)波形。這時就必須使用數(shù)字器件構造數(shù)字波形發(fā)生器。

利用直接數(shù)字頻率合成技術采用查表合成波形的方法，將波形在采樣點的數(shù)字值依次通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，即以數(shù)控方式產(chǎn)生頻率與相位均可控的模擬波形。通過FPGA實現(xiàn)波形生成和控制，數(shù)據(jù)經(jīng)D/A變換、功率放大即可輸出符合要求的模擬波形?？删幊唐骷褂肊PM7218，數(shù)模轉(zhuǎn)換使用DAC08，幅度控制由DAC0832內(nèi)部的電阻分壓網(wǎng)絡實現(xiàn)，濾波使用二階巴特沃茲低通濾波器，使用運放LM324和三極管9012、9013進行雙向擴流，增強帶負載能力，產(chǎn)生自擬周期性波形輸出。

3 實驗教學與引導

（1）學習波形發(fā)生和轉(zhuǎn)換的工作原理，學習波形指標評價標準以及測量計算方法，如頻率范圍、頻率穩(wěn)定度、頻率準確度、波形失真度、方波上升時間等;

（2）三角波轉(zhuǎn)換正弦波時，注意比較各方法（如折線法、濾波電路法、差分電路法等）工作點的穩(wěn)定、輸入阻抗、抗干擾能力、零點漂移的抑制、正弦波形的失真度等方面差異;

（3）學習改變頻率、矩形波占空比的方法，考慮改變占空比的同時對正弦波形的影響，思考矩形波占空比獨立調(diào)節(jié)的方法;

（4）學會用運放設計輸出端放大電路，注意電路的放大倍數(shù)、帶負載能力和輸出功率，輸出阻抗過大時需考慮負載匹配;

（5）頻率較高時要考慮電源去耦?？稍陔娫匆_與地之間加入去耦電容以消除電源引線產(chǎn)生的電路諧振和尖峰干擾。

4 實驗特色與創(chuàng)新

（1）分層次提出實驗任務與要求，設計方案多樣化，增加學生自主選擇空間激發(fā)學生創(chuàng)新熱情，實現(xiàn)人才梯度培養(yǎng)。

（2）三個實驗層次相互獨立又呈遞進關系，和后續(xù)數(shù)字系統(tǒng)設計、CPLD等課程相結(jié)合，實現(xiàn)實驗內(nèi)容的可持續(xù)性發(fā)展。

（3）教學內(nèi)容上模擬波形產(chǎn)生與數(shù)字波形控制相結(jié)合，低頻和高頻波形產(chǎn)生電路相結(jié)合。教學模式上基礎實驗平臺和PCB/SMT制版專業(yè)綜合實踐平臺相結(jié)合。

（4）依托工程背景細化指標參數(shù)，對頻帶寬度、失真度、方波上升時間、設計成本等都提出具體要求，加強對學生工程實踐意識和電子經(jīng)濟意識的培養(yǎng)。

5 教學實踐效果總結(jié)

課程組依托國家級電工電子教學實驗中心開放性實踐平臺，自2015年起連續(xù)四年對電子信息專業(yè)學生共20個班級開設了函數(shù)信號發(fā)生器創(chuàng)新實驗，教學實踐表明：這種針對一個實驗項目由淺入深、由簡到難、由電路到系統(tǒng)逐層遞進的教學模式，更能循序漸進地激發(fā)學生的學習熱情、拓展知識結(jié)構、提高實踐能力和創(chuàng)新意識。例如有學生在做研究創(chuàng)新實驗時就自學CPLD語言，采用FPGA配合高速DAC來構建DDS內(nèi)核，由FPGA來控制函數(shù)信號發(fā)生器的現(xiàn)實和鍵盤輸入采集控制，最終輸出穩(wěn)定振幅的對數(shù)指數(shù)函數(shù)曲線，在探究設計的同時也收獲了巔峰體驗，為后續(xù)課程的可持續(xù)研究奠定了基礎。筆者也因該實驗項目改革獲得第二屆電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽三等獎。

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[7]王香婷.電工技術與電子技術實驗[M].北京：高等教育出版社，2009.

基金項目：中國礦業(yè)大學“十三五”品牌專業(yè)建設自主項目（電子信息工程）;2019年教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目

作者簡介：周一恒（1981—），女，漢族，江蘇豐縣人，碩士，講師，研究方向：檢測技術與自動化裝置，長期從事模擬電子技術相關課程的理論與實踐教學。