一款教學(xué)信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)

董祺圣

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215000）

1 系統(tǒng)框圖

圖1

穩(wěn)壓電源采用7805，它給數(shù)字頻率計和數(shù)字直流電壓表供電，因為信號產(chǎn)生電路和AC-DC轉(zhuǎn)換運放都需要正負電源，所以還需使用7812和7912產(chǎn)生±12V電壓。

信號產(chǎn)生電路：

圖2

由TL084內(nèi)部兩個運放與阻容器件構(gòu)成三角波和方波的振蕩電路。運放A主要起到比較器的作用,運放B起到積分電路作用，電容4C1和4C2分別為Hz和KHz段的充放電容,通過檔位開關(guān)SW2-1切換。

假設(shè)電路閉合瞬間，運放A輸出高電平，4RP1在中間位置，因電容C1無儲能，此高電平通過電阻4R3反饋至運放A的同相輸入端，維持其輸出高電平狀態(tài)，約等于Vcc=12V。由于運放的特性，可以視作此高電平為恒壓源。根據(jù)"虛短虛斷"可知，運放B的U-=U+≈0V，此時電阻RP1和4R6兩端電壓為Vcc，流過的電流實現(xiàn)恒流特性IC=Vcc/(RP1+4R6),電容的充放電電流恒定，能使電容的電壓變化呈現(xiàn)線性狀態(tài)。

該電位一直下降到Ux，4R5和4R3中間所取得的電位略低于0V，整個振蕩電路狀態(tài)開始翻轉(zhuǎn)，Ux=-4R3*Vcc/4R5≈-8.5 V。因翻轉(zhuǎn)的電位不變，所以0.01 u產(chǎn)生的振蕩頻率是0.1 u的10倍。

電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)后，運放A輸出為-Vcc，電容因放電運放B的輸出開始線性上升，上升至Ux=4R3*Vcc/4R5≈8.5 V，形成三角波形，運放A的輸出波形為方波。改變電位器4RP1可以改變?nèi)遣ㄕ摰膶ΨQ度，電位器RP1改變電容的充放電流，從而改變信號頻率。

正弦波為通過三角波通過二極管整形電路得到。（圖3）

圖3

二極管4V1-5和4V6-10分別將三角波正半周和負半周變換為正弦波?，F(xiàn)以負半周變換為例，三角波從4R9送入本電路，4R11-25分別決定5個二極管的導(dǎo)通先后順序，4V10最先導(dǎo)通，而4V6最后導(dǎo)通。調(diào)節(jié)4RP3到2KΩ位置，5個二極管陽極電位根據(jù)分壓公式計算可知：-0.7 V、-1.4 V、-1.87 V、-2.33 V、-2.80V。這五個電壓降三角波分成五段進行整形，在三角波電壓高于-0.7 V時候，無二極管導(dǎo)通，輸出波形近似于三角波。當輸入略低于-0.7 V時，4V10微導(dǎo)通使4R25、4R15介入分壓衰減輸入幅度，因二極管死區(qū)導(dǎo)通的非線性，輸出電壓也呈現(xiàn)非線性衰減。當輸入至-1.4 V時，第一段衰減程度至最大，第二級4V9開始介入。在這五段內(nèi)正弦波的曲率不同，則需使4R11-15阻值不同，由于三角波峰值電壓有8V左右，這個位置顯然是不合適的，可適當調(diào)小4RP3。

數(shù)字頻率計：

限于篇幅，數(shù)字頻率計模塊簡單介紹其設(shè)計的思路。本單元核心為定時器電路，采用芯片CD4541及阻容元件組成。其產(chǎn)生周期2秒的方波，1秒高電平期間產(chǎn)生對信號產(chǎn)生電路的計數(shù)控制信號；1秒低電平為進行鎖存、顯示計數(shù)值控制信號。與非門構(gòu)成的閘門電路配合定時信號，實現(xiàn)對被測信號的通斷控制。CD4026將閘門電路送入的信號進行級聯(lián)計數(shù)，并在定時器低電平期間鎖存顯示于數(shù)碼管。在2秒計數(shù)顯示周期后，需要給CD4026一個復(fù)位信號，由芯片CD4528組成計數(shù)清零電路。它在定時器每個方波周期的上升沿產(chǎn)生一個清零脈沖，從而對各位4026的計數(shù)值清零，該芯片故障會造成計數(shù)脈沖不停計數(shù)的現(xiàn)象。

AC-DC轉(zhuǎn)換(圖4)：

圖4

AC-DC轉(zhuǎn)換的作用是將信號產(chǎn)生的正弦波變換為與其有效值匹配的直流信號，送入數(shù)字直流電壓顯示電路。

電路采用LM358雙運放實現(xiàn)正弦波的精密直流變換，電路下方的電阻網(wǎng)絡(luò)從5R8-5R11是為改善運放的零點漂移。在零輸入時，調(diào)節(jié)電位器5RP2實現(xiàn)零輸出。

正常工作中，正弦信號經(jīng)電容5C1隔直流耦合，5IC1A組成半波整流電路。在輸入信號正半周時，由于運放A輸出負電位造成二極管5V1截止，5V2導(dǎo)通，負反饋電阻5R2接入。此時電路成為反相比例放大器，根據(jù)公式可知uo1=-ui。當輸入為負半周時，運放A輸出為正電位，使得5V1導(dǎo)通，5V2截止。信號不能從運放A送到后級。

運放B組成的是加法器和濾波電路，先不考慮5C2、5C3的濾波效果。在輸入信號正半周時，運放B加法器的輸入電壓從上到下分別為：ui、-ui,根據(jù)反相加法器公式可知uo=-5R6*ui/5R7+5R4*ui/5R7=ui。在輸入信號負半周時，運放B只有一路輸入，uo=-5R6*ui/5R7+5R4*ui/5R7=-ui?？梢娡ㄟ^該電路后，實現(xiàn)了全波整流功能，最后通過電容5C2、5C3進行濾波，從而得到平滑的直流電壓。

2 結(jié)論

隨著集成電路的迅猛發(fā)展，數(shù)字信號發(fā)生器的性能和普及度已超過模擬信號發(fā)生器，但模擬信號發(fā)生器在教學(xué)領(lǐng)域仍有其獨特的優(yōu)勢。首先，作為電子基礎(chǔ)性儀器設(shè)備在高職院校、甚至在普通高校中都有著廣泛的應(yīng)用。其次，隨著高職校教學(xué)改革的行進，學(xué)校也越發(fā)注重對課程之間的整合和滲透，選擇合適的電子產(chǎn)品作為教學(xué)項目，配以任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方式能有效的提高教學(xué)的質(zhì)量，提高學(xué)生理論和實踐能力。信號發(fā)生器作為教學(xué)項目實施尤為合適。因其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)豐富，覆蓋專業(yè)課程面積大，同時它是一款成熟的產(chǎn)品，學(xué)生能夠按照產(chǎn)品設(shè)計流程進行裝配、調(diào)試、原理分析、整機組裝測試、PCB繪制、故障查找等訓(xùn)練。此信號發(fā)生器已批量生產(chǎn)，在蘇州高職院校進行試用，教學(xué)效果良好。最后，本產(chǎn)品設(shè)計時充分考慮到無線電調(diào)試三級和二級中排故項目的需求，排故要求學(xué)生對已設(shè)置故障的設(shè)備進行故障檢修和恢復(fù)。若將通用信號發(fā)生器作考核載體，因其內(nèi)部集成度高，不利于設(shè)置故障，也不利于學(xué)生檢修。本設(shè)計將各個模塊相互獨立，最終設(shè)置的故障現(xiàn)象明顯，降低了學(xué)生對故障范圍判斷的難度。