簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的故障分析與解決方法

張慧敏

摘 要： 在此通過對(duì)簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和調(diào)試，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的正弦波、方波和三角波均存在不同程度的失真。為了改善頻率較大時(shí)方波產(chǎn)生的失真情況，采用高速率運(yùn)放或者減小正弦波的頻率來解決。為了改善三角波的失真情況，采用增大積分電阻R或者積分電容C，也可以采用減小方波的幅值，即在過零比較器的輸出端接雙向穩(wěn)壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過分析和改進(jìn)，完善了簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，改善了3種波形的失真情況。

關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器； 故障分析； 故障排除方法； 過零比較器

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0108?02

0 引 言

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中來我?？疾斓臅r(shí)候說“我希望同學(xué)們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)時(shí)，除了會(huì)動(dòng)手之外，還要想一想，應(yīng)怎樣不斷改進(jìn)，這樣知識(shí)和技能才能有創(chuàng)新”，這句話值得所有老師不斷領(lǐng)悟和實(shí)踐。高職教師應(yīng)結(jié)合高職生的特點(diǎn)，選擇學(xué)生既感到困難，又能通過努力來獲得的實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容，激發(fā)他們的興趣性動(dòng)機(jī)和職業(yè)性動(dòng)機(jī)。而實(shí)踐能力是一個(gè)連續(xù)性的生成過程，實(shí)踐能力需要不斷的實(shí)踐、再實(shí)踐?；诖耍ㄟ^對(duì)簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的故障分析與解決過程來鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

如圖1所示為利用Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的電路原理圖[1]，但電路并不完善，需在調(diào)試的過程中不斷改進(jìn)才能使其產(chǎn)生的信號(hào)無明顯失真。

圖1 簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器電路原理圖

2 正弦波的調(diào)試

開關(guān)S1、S2同時(shí)打到左邊或右邊，得到如圖2（a）和圖2（b）所示的波形。由圖可見，正弦波的頻率隨著接通不同的電容而不同，可以根據(jù)要求選擇不同的元器件參數(shù)，如R1（R1=R2）或C1（C1=C2）。不同組的元件參數(shù)不同，正弦波的頻率亦不同[2]。

3 方波的調(diào)試

方波輸出幅度[VPP=2Vom≈20 V]，不同組的正弦波頻率不同時(shí)方波的波形如圖3所示。這是由于過零比較器中運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率低于振蕩信號(hào)的頻率所導(dǎo)致的失真現(xiàn)象。

方波的失真與正弦波頻率有關(guān)，實(shí)際工作中受到集成運(yùn)放參數(shù)限制[3]。信號(hào)的頻率應(yīng)小于過零比較器的轉(zhuǎn)換速率，否則會(huì)出現(xiàn)過零比較器產(chǎn)生的方波失真現(xiàn)象。如運(yùn)放LM324的[SR=0.5 V/μs]，如方波的擺幅為20 V，運(yùn)放完成跳變所需的時(shí)間[t=200.5=40 μs]，所以信號(hào)的周期應(yīng)遠(yuǎn)大于運(yùn)放跳變所需要時(shí)間。解決方法是降低振蕩器的振蕩頻率，即改用較小電阻或電容，或選擇高速率運(yùn)放，方波才不會(huì)出現(xiàn)明顯失真，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 三角波的調(diào)試

圖4（a）和（b）為積分電容C5分別為0.33 μF和4 μF時(shí)的三角波波形。由圖可見，積分電容增大，失真改善，但三角波幅度減?。ㄗⅲ捍藭r(shí)示波器置于AC檔位）。

積分電路當(dāng)輸入信號(hào)為方波時(shí)，積分電容將以近似恒流方式進(jìn)行充電，輸出電壓[C]與時(shí)間[t]成近似線性關(guān)系，如式（1）所示：

[vo≈-VSRCt=-VSτt] （1）

式中積分時(shí)間常數(shù)[τ=RC]，當(dāng)方波半周（正半周或負(fù)半周）的時(shí)間[t=τ]時(shí)，[-vo=VS][4]。當(dāng)[t>τ]時(shí)，增大，直到[-vo=+Vom]，即運(yùn)放輸出電壓的最大值受直流電源電壓的限制，致使運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)，[vo]保持不變，而停止積分。所以要改善三角波失真情況，可以增大積分電阻[R]或者積分電容[C]；也可以減小輸入信號(hào)，即方波的幅值，解決方法是在過零比較器的輸出端接雙向穩(wěn)壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內(nèi)[5]。

5 提 高

以上討論過程中示波器置于AC檔位，當(dāng)示波器置于DC檔位時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)三角波出現(xiàn)如圖5所示的零點(diǎn)漂移失真。

圖5 C=4 μF零點(diǎn)漂移失真（10 V/div）

由于集成運(yùn)放輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流和失調(diào)電流的影響，常常出現(xiàn)積分誤差，即當(dāng)[vS=0]時(shí)，[vo≠0]且做緩慢變化，出現(xiàn)輸出誤差電壓。如下式所示：

由式（2）可以看出，積分時(shí)間常數(shù)越小或積分時(shí)間越長，[VIO]和[IIO]引起的輸出誤差電壓越大，零點(diǎn)漂移引起的失真現(xiàn)象如圖5所示?？稍谳斎爰?jí)加一調(diào)零電位器使輸出為零，或選用低漂移的運(yùn)放。

6 結(jié) 語

簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的故障分析與改進(jìn)，可在實(shí)驗(yàn)室作為典型案例進(jìn)行教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力[6]。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮國強(qiáng).Multisim波形產(chǎn)生電路的分析與仿真[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（3）：15?17.

[2] 張曉增，趙曰峰，董鴻紅.低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（6）：1?3.

[3] 吳青萍.電子技術(shù)與項(xiàng)目訓(xùn)練I[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2010.

[4] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 單新云.基于集成運(yùn)放的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真[J].電子測(cè)試，2010（6）：60?62.

[6] 李瑩.學(xué)生實(shí)驗(yàn)用信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)探討[J].湖南農(nóng)機(jī)，2011（7）：32?35.

摘 要： 在此通過對(duì)簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和調(diào)試，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的正弦波、方波和三角波均存在不同程度的失真。為了改善頻率較大時(shí)方波產(chǎn)生的失真情況，采用高速率運(yùn)放或者減小正弦波的頻率來解決。為了改善三角波的失真情況，采用增大積分電阻R或者積分電容C，也可以采用減小方波的幅值，即在過零比較器的輸出端接雙向穩(wěn)壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過分析和改進(jìn)，完善了簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，改善了3種波形的失真情況。

關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器； 故障分析； 故障排除方法； 過零比較器

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0108?02

0 引 言

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中來我校考察的時(shí)候說“我希望同學(xué)們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)時(shí)，除了會(huì)動(dòng)手之外，還要想一想，應(yīng)怎樣不斷改進(jìn)，這樣知識(shí)和技能才能有創(chuàng)新”，這句話值得所有老師不斷領(lǐng)悟和實(shí)踐。高職教師應(yīng)結(jié)合高職生的特點(diǎn)，選擇學(xué)生既感到困難，又能通過努力來獲得的實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容，激發(fā)他們的興趣性動(dòng)機(jī)和職業(yè)性動(dòng)機(jī)。而實(shí)踐能力是一個(gè)連續(xù)性的生成過程，實(shí)踐能力需要不斷的實(shí)踐、再實(shí)踐?；诖耍ㄟ^對(duì)簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的故障分析與解決過程來鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

如圖1所示為利用Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的電路原理圖[1]，但電路并不完善，需在調(diào)試的過程中不斷改進(jìn)才能使其產(chǎn)生的信號(hào)無明顯失真。

圖1 簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器電路原理圖

2 正弦波的調(diào)試

開關(guān)S1、S2同時(shí)打到左邊或右邊，得到如圖2（a）和圖2（b）所示的波形。由圖可見，正弦波的頻率隨著接通不同的電容而不同，可以根據(jù)要求選擇不同的元器件參數(shù)，如R1（R1=R2）或C1（C1=C2）。不同組的元件參數(shù)不同，正弦波的頻率亦不同[2]。

3 方波的調(diào)試

方波輸出幅度[VPP=2Vom≈20 V]，不同組的正弦波頻率不同時(shí)方波的波形如圖3所示。這是由于過零比較器中運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率低于振蕩信號(hào)的頻率所導(dǎo)致的失真現(xiàn)象。

方波的失真與正弦波頻率有關(guān)，實(shí)際工作中受到集成運(yùn)放參數(shù)限制[3]。信號(hào)的頻率應(yīng)小于過零比較器的轉(zhuǎn)換速率，否則會(huì)出現(xiàn)過零比較器產(chǎn)生的方波失真現(xiàn)象。如運(yùn)放LM324的[SR=0.5 V/μs]，如方波的擺幅為20 V，運(yùn)放完成跳變所需的時(shí)間[t=200.5=40 μs]，所以信號(hào)的周期應(yīng)遠(yuǎn)大于運(yùn)放跳變所需要時(shí)間。解決方法是降低振蕩器的振蕩頻率，即改用較小電阻或電容，或選擇高速率運(yùn)放，方波才不會(huì)出現(xiàn)明顯失真，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 三角波的調(diào)試

圖4（a）和（b）為積分電容C5分別為0.33 μF和4 μF時(shí)的三角波波形。由圖可見，積分電容增大，失真改善，但三角波幅度減?。ㄗⅲ捍藭r(shí)示波器置于AC檔位）。

積分電路當(dāng)輸入信號(hào)為方波時(shí)，積分電容將以近似恒流方式進(jìn)行充電，輸出電壓[C]與時(shí)間[t]成近似線性關(guān)系，如式（1）所示：

[vo≈-VSRCt=-VSτt] （1）

式中積分時(shí)間常數(shù)[τ=RC]，當(dāng)方波半周（正半周或負(fù)半周）的時(shí)間[t=τ]時(shí)，[-vo=VS][4]。當(dāng)[t>τ]時(shí)，增大，直到[-vo=+Vom]，即運(yùn)放輸出電壓的最大值受直流電源電壓的限制，致使運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)，[vo]保持不變，而停止積分。所以要改善三角波失真情況，可以增大積分電阻[R]或者積分電容[C]；也可以減小輸入信號(hào)，即方波的幅值，解決方法是在過零比較器的輸出端接雙向穩(wěn)壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內(nèi)[5]。

5 提 高

以上討論過程中示波器置于AC檔位，當(dāng)示波器置于DC檔位時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)三角波出現(xiàn)如圖5所示的零點(diǎn)漂移失真。

圖5 C=4 μF零點(diǎn)漂移失真（10 V/div）

由于集成運(yùn)放輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流和失調(diào)電流的影響，常常出現(xiàn)積分誤差，即當(dāng)[vS=0]時(shí)，[vo≠0]且做緩慢變化，出現(xiàn)輸出誤差電壓。如下式所示：

由式（2）可以看出，積分時(shí)間常數(shù)越小或積分時(shí)間越長，[VIO]和[IIO]引起的輸出誤差電壓越大，零點(diǎn)漂移引起的失真現(xiàn)象如圖5所示。可在輸入級(jí)加一調(diào)零電位器使輸出為零，或選用低漂移的運(yùn)放。

6 結(jié) 語

簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的故障分析與改進(jìn)，可在實(shí)驗(yàn)室作為典型案例進(jìn)行教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力[6]。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮國強(qiáng).Multisim波形產(chǎn)生電路的分析與仿真[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（3）：15?17.

[2] 張曉增，趙曰峰，董鴻紅.低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（6）：1?3.

[3] 吳青萍.電子技術(shù)與項(xiàng)目訓(xùn)練I[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2010.

[4] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 單新云.基于集成運(yùn)放的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真[J].電子測(cè)試，2010（6）：60?62.

[6] 李瑩.學(xué)生實(shí)驗(yàn)用信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)探討[J].湖南農(nóng)機(jī)，2011（7）：32?35.

摘 要： 在此通過對(duì)簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和調(diào)試，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的正弦波、方波和三角波均存在不同程度的失真。為了改善頻率較大時(shí)方波產(chǎn)生的失真情況，采用高速率運(yùn)放或者減小正弦波的頻率來解決。為了改善三角波的失真情況，采用增大積分電阻R或者積分電容C，也可以采用減小方波的幅值，即在過零比較器的輸出端接雙向穩(wěn)壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過分析和改進(jìn)，完善了簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，改善了3種波形的失真情況。

關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器； 故障分析； 故障排除方法； 過零比較器

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0108?02

0 引 言

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中來我?？疾斓臅r(shí)候說“我希望同學(xué)們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)時(shí)，除了會(huì)動(dòng)手之外，還要想一想，應(yīng)怎樣不斷改進(jìn)，這樣知識(shí)和技能才能有創(chuàng)新”，這句話值得所有老師不斷領(lǐng)悟和實(shí)踐。高職教師應(yīng)結(jié)合高職生的特點(diǎn)，選擇學(xué)生既感到困難，又能通過努力來獲得的實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容，激發(fā)他們的興趣性動(dòng)機(jī)和職業(yè)性動(dòng)機(jī)。而實(shí)踐能力是一個(gè)連續(xù)性的生成過程，實(shí)踐能力需要不斷的實(shí)踐、再實(shí)踐。基于此，通過對(duì)簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的故障分析與解決過程來鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

如圖1所示為利用Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的電路原理圖[1]，但電路并不完善，需在調(diào)試的過程中不斷改進(jìn)才能使其產(chǎn)生的信號(hào)無明顯失真。

圖1 簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器電路原理圖

2 正弦波的調(diào)試

開關(guān)S1、S2同時(shí)打到左邊或右邊，得到如圖2（a）和圖2（b）所示的波形。由圖可見，正弦波的頻率隨著接通不同的電容而不同，可以根據(jù)要求選擇不同的元器件參數(shù)，如R1（R1=R2）或C1（C1=C2）。不同組的元件參數(shù)不同，正弦波的頻率亦不同[2]。

3 方波的調(diào)試

方波輸出幅度[VPP=2Vom≈20 V]，不同組的正弦波頻率不同時(shí)方波的波形如圖3所示。這是由于過零比較器中運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率低于振蕩信號(hào)的頻率所導(dǎo)致的失真現(xiàn)象。

方波的失真與正弦波頻率有關(guān)，實(shí)際工作中受到集成運(yùn)放參數(shù)限制[3]。信號(hào)的頻率應(yīng)小于過零比較器的轉(zhuǎn)換速率，否則會(huì)出現(xiàn)過零比較器產(chǎn)生的方波失真現(xiàn)象。如運(yùn)放LM324的[SR=0.5 V/μs]，如方波的擺幅為20 V，運(yùn)放完成跳變所需的時(shí)間[t=200.5=40 μs]，所以信號(hào)的周期應(yīng)遠(yuǎn)大于運(yùn)放跳變所需要時(shí)間。解決方法是降低振蕩器的振蕩頻率，即改用較小電阻或電容，或選擇高速率運(yùn)放，方波才不會(huì)出現(xiàn)明顯失真，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 三角波的調(diào)試

圖4（a）和（b）為積分電容C5分別為0.33 μF和4 μF時(shí)的三角波波形。由圖可見，積分電容增大，失真改善，但三角波幅度減?。ㄗⅲ捍藭r(shí)示波器置于AC檔位）。

積分電路當(dāng)輸入信號(hào)為方波時(shí)，積分電容將以近似恒流方式進(jìn)行充電，輸出電壓[C]與時(shí)間[t]成近似線性關(guān)系，如式（1）所示：

[vo≈-VSRCt=-VSτt] （1）

式中積分時(shí)間常數(shù)[τ=RC]，當(dāng)方波半周（正半周或負(fù)半周）的時(shí)間[t=τ]時(shí)，[-vo=VS][4]。當(dāng)[t>τ]時(shí)，增大，直到[-vo=+Vom]，即運(yùn)放輸出電壓的最大值受直流電源電壓的限制，致使運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)，[vo]保持不變，而停止積分。所以要改善三角波失真情況，可以增大積分電阻[R]或者積分電容[C]；也可以減小輸入信號(hào)，即方波的幅值，解決方法是在過零比較器的輸出端接雙向穩(wěn)壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內(nèi)[5]。

5 提 高

以上討論過程中示波器置于AC檔位，當(dāng)示波器置于DC檔位時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)三角波出現(xiàn)如圖5所示的零點(diǎn)漂移失真。

圖5 C=4 μF零點(diǎn)漂移失真（10 V/div）

由于集成運(yùn)放輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流和失調(diào)電流的影響，常常出現(xiàn)積分誤差，即當(dāng)[vS=0]時(shí)，[vo≠0]且做緩慢變化，出現(xiàn)輸出誤差電壓。如下式所示：

由式（2）可以看出，積分時(shí)間常數(shù)越小或積分時(shí)間越長，[VIO]和[IIO]引起的輸出誤差電壓越大，零點(diǎn)漂移引起的失真現(xiàn)象如圖5所示?？稍谳斎爰?jí)加一調(diào)零電位器使輸出為零，或選用低漂移的運(yùn)放。

6 結(jié) 語

簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的故障分析與改進(jìn)，可在實(shí)驗(yàn)室作為典型案例進(jìn)行教學(xué)和實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力[6]。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮國強(qiáng).Multisim波形產(chǎn)生電路的分析與仿真[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（3）：15?17.

[2] 張曉增，趙曰峰，董鴻紅.低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（6）：1?3.

[3] 吳青萍.電子技術(shù)與項(xiàng)目訓(xùn)練I[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2010.

[4] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 單新云.基于集成運(yùn)放的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真[J].電子測(cè)試，2010（6）：60?62.

[6] 李瑩.學(xué)生實(shí)驗(yàn)用信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)探討[J].湖南農(nóng)機(jī)，2011（7）：32?35.