簡易信號發(fā)生器的故障分析與解決方法

張慧敏

摘 要： 在此通過對簡易信號發(fā)生器的設計和調(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方波產(chǎn)生的失真情況，采用高速率運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，完善了簡易信號發(fā)生器的設計，改善了3種波形的失真情況。

關鍵詞：信號發(fā)生器； 故障分析； 故障排除方法； 過零比較器

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0108?02

0 引 言

諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中來我校考察的時候說“我希望同學們在做實驗時，除了會動手之外，還要想一想，應怎樣不斷改進，這樣知識和技能才能有創(chuàng)新”，這句話值得所有老師不斷領悟和實踐。高職教師應結(jié)合高職生的特點，選擇學生既感到困難，又能通過努力來獲得的實踐活動內(nèi)容，激發(fā)他們的興趣性動機和職業(yè)性動機。而實踐能力是一個連續(xù)性的生成過程，實踐能力需要不斷的實踐、再實踐。基于此，通過對簡易信號發(fā)生器的故障分析與解決過程來鍛煉學生的實踐能力。

1 簡易信號發(fā)生器的設計與改進

如圖1所示為利用Multisim仿真軟件設計的簡易信號發(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才能使其產(chǎn)生的信號無明顯失真。

圖1 簡易信號發(fā)生器電路原理圖

2 正弦波的調(diào)試

開關S1、S2同時打到左邊或右邊，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方波的波形如圖3所示。這是由于過零比較器中運算放大器的轉(zhuǎn)換速率低于振蕩信號的頻率所導致的失真現(xiàn)象。

方波的失真與正弦波頻率有關，實際工作中受到集成運放參數(shù)限制[3]。信號的頻率應小于過零比較器的轉(zhuǎn)換速率，否則會出現(xiàn)過零比較器產(chǎn)生的方波失真現(xiàn)象。如運放LM324的[SR=0.5 V/μs]，如方波的擺幅為20 V，運放完成跳變所需的時間[t=200.5=40 μs]，所以信號的周期應遠大于運放跳變所需要時間。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，或選擇高速率運放，方波才不會出現(xiàn)明顯失真，達到設計要求。

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，但三角波幅度減小（注：此時示波器置于AC檔位）。

積分電路當輸入信號為方波時，積分電容將以近似恒流方式進行充電，輸出電壓[C]與時間[t]成近似線性關系，如式（1）所示：

[vo≈-VSRCt=-VSτt] （1）

式中積分時間常數(shù)[τ=RC]，當方波半周（正半周或負半周）的時間[t=τ]時，[-vo=VS][4]。當[t>τ]時，增大，直到[-vo=+Vom]，即運放輸出電壓的最大值受直流電源電壓的限制，致使運放進入飽和狀態(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，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，當示波器置于DC檔位時會發(fā)現(xiàn)三角波出現(xiàn)如圖5所示的零點漂移失真。

圖5 C=4 μF零點漂移失真（10 V/div）

由于集成運放輸入失調(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[vS=0]時，[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，積分時間常數(shù)越小或積分時間越長，[VIO]和[IIO]引起的輸出誤差電壓越大，零點漂移引起的失真現(xiàn)象如圖5所示。可在輸入級加一調(diào)零電位器使輸出為零，或選用低漂移的運放。

6 結(jié) 語

簡易信號發(fā)生器的故障分析與改進，可在實驗室作為典型案例進行教學和實踐活動，培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力[6]。

參考文獻

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

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

[3] 吳青萍.電子技術(shù)與項目訓練I[M].北京：中國人民大學出版社，2010.

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

[5] 單新云.基于集成運放的信號發(fā)生器設計與仿真[J].電子測試，2010（6）：60?62.

[6] 李瑩.學生實驗用信號發(fā)生器設計探討[J].湖南農(nóng)機，2011（7）：32?35.

摘 要： 在此通過對簡易信號發(fā)生器的設計和調(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方波產(chǎn)生的失真情況，采用高速率運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，完善了簡易信號發(fā)生器的設計，改善了3種波形的失真情況。

關鍵詞：信號發(fā)生器； 故障分析； 故障排除方法； 過零比較器

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0108?02

0 引 言

諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中來我校考察的時候說“我希望同學們在做實驗時，除了會動手之外，還要想一想，應怎樣不斷改進，這樣知識和技能才能有創(chuàng)新”，這句話值得所有老師不斷領悟和實踐。高職教師應結(jié)合高職生的特點，選擇學生既感到困難，又能通過努力來獲得的實踐活動內(nèi)容，激發(fā)他們的興趣性動機和職業(yè)性動機。而實踐能力是一個連續(xù)性的生成過程，實踐能力需要不斷的實踐、再實踐。基于此，通過對簡易信號發(fā)生器的故障分析與解決過程來鍛煉學生的實踐能力。

1 簡易信號發(fā)生器的設計與改進

如圖1所示為利用Multisim仿真軟件設計的簡易信號發(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才能使其產(chǎn)生的信號無明顯失真。

圖1 簡易信號發(fā)生器電路原理圖

2 正弦波的調(diào)試

開關S1、S2同時打到左邊或右邊，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方波的波形如圖3所示。這是由于過零比較器中運算放大器的轉(zhuǎn)換速率低于振蕩信號的頻率所導致的失真現(xiàn)象。

方波的失真與正弦波頻率有關，實際工作中受到集成運放參數(shù)限制[3]。信號的頻率應小于過零比較器的轉(zhuǎn)換速率，否則會出現(xiàn)過零比較器產(chǎn)生的方波失真現(xiàn)象。如運放LM324的[SR=0.5 V/μs]，如方波的擺幅為20 V，運放完成跳變所需的時間[t=200.5=40 μs]，所以信號的周期應遠大于運放跳變所需要時間。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，或選擇高速率運放，方波才不會出現(xiàn)明顯失真，達到設計要求。

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，但三角波幅度減小（注：此時示波器置于AC檔位）。

積分電路當輸入信號為方波時，積分電容將以近似恒流方式進行充電，輸出電壓[C]與時間[t]成近似線性關系，如式（1）所示：

[vo≈-VSRCt=-VSτt] （1）

式中積分時間常數(shù)[τ=RC]，當方波半周（正半周或負半周）的時間[t=τ]時，[-vo=VS][4]。當[t>τ]時，增大，直到[-vo=+Vom]，即運放輸出電壓的最大值受直流電源電壓的限制，致使運放進入飽和狀態(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，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，當示波器置于DC檔位時會發(fā)現(xiàn)三角波出現(xiàn)如圖5所示的零點漂移失真。

圖5 C=4 μF零點漂移失真（10 V/div）

由于集成運放輸入失調(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[vS=0]時，[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，積分時間常數(shù)越小或積分時間越長，[VIO]和[IIO]引起的輸出誤差電壓越大，零點漂移引起的失真現(xiàn)象如圖5所示。可在輸入級加一調(diào)零電位器使輸出為零，或選用低漂移的運放。

6 結(jié) 語

簡易信號發(fā)生器的故障分析與改進，可在實驗室作為典型案例進行教學和實踐活動，培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力[6]。

參考文獻

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

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

[3] 吳青萍.電子技術(shù)與項目訓練I[M].北京：中國人民大學出版社，2010.

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

[5] 單新云.基于集成運放的信號發(fā)生器設計與仿真[J].電子測試，2010（6）：60?62.

[6] 李瑩.學生實驗用信號發(fā)生器設計探討[J].湖南農(nóng)機，2011（7）：32?35.

摘 要： 在此通過對簡易信號發(fā)生器的設計和調(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方波產(chǎn)生的失真情況，采用高速率運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，完善了簡易信號發(fā)生器的設計，改善了3種波形的失真情況。

關鍵詞：信號發(fā)生器； 故障分析； 故障排除方法； 過零比較器

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0108?02

0 引 言

諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中來我校考察的時候說“我希望同學們在做實驗時，除了會動手之外，還要想一想，應怎樣不斷改進，這樣知識和技能才能有創(chuàng)新”，這句話值得所有老師不斷領悟和實踐。高職教師應結(jié)合高職生的特點，選擇學生既感到困難，又能通過努力來獲得的實踐活動內(nèi)容，激發(fā)他們的興趣性動機和職業(yè)性動機。而實踐能力是一個連續(xù)性的生成過程，實踐能力需要不斷的實踐、再實踐。基于此，通過對簡易信號發(fā)生器的故障分析與解決過程來鍛煉學生的實踐能力。

1 簡易信號發(fā)生器的設計與改進

如圖1所示為利用Multisim仿真軟件設計的簡易信號發(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才能使其產(chǎn)生的信號無明顯失真。

圖1 簡易信號發(fā)生器電路原理圖

2 正弦波的調(diào)試

開關S1、S2同時打到左邊或右邊，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方波的波形如圖3所示。這是由于過零比較器中運算放大器的轉(zhuǎn)換速率低于振蕩信號的頻率所導致的失真現(xiàn)象。

方波的失真與正弦波頻率有關，實際工作中受到集成運放參數(shù)限制[3]。信號的頻率應小于過零比較器的轉(zhuǎn)換速率，否則會出現(xiàn)過零比較器產(chǎn)生的方波失真現(xiàn)象。如運放LM324的[SR=0.5 V/μs]，如方波的擺幅為20 V，運放完成跳變所需的時間[t=200.5=40 μs]，所以信號的周期應遠大于運放跳變所需要時間。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，或選擇高速率運放，方波才不會出現(xiàn)明顯失真，達到設計要求。

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，但三角波幅度減小（注：此時示波器置于AC檔位）。

積分電路當輸入信號為方波時，積分電容將以近似恒流方式進行充電，輸出電壓[C]與時間[t]成近似線性關系，如式（1）所示：

[vo≈-VSRCt=-VSτt] （1）

式中積分時間常數(shù)[τ=RC]，當方波半周（正半周或負半周）的時間[t=τ]時，[-vo=VS][4]。當[t>τ]時，增大，直到[-vo=+Vom]，即運放輸出電壓的最大值受直流電源電壓的限制，致使運放進入飽和狀態(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，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，當示波器置于DC檔位時會發(fā)現(xiàn)三角波出現(xiàn)如圖5所示的零點漂移失真。

圖5 C=4 μF零點漂移失真（10 V/div）

由于集成運放輸入失調(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[vS=0]時，[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，積分時間常數(shù)越小或積分時間越長，[VIO]和[IIO]引起的輸出誤差電壓越大，零點漂移引起的失真現(xiàn)象如圖5所示。可在輸入級加一調(diào)零電位器使輸出為零，或選用低漂移的運放。

6 結(jié) 語

簡易信號發(fā)生器的故障分析與改進，可在實驗室作為典型案例進行教學和實踐活動，培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力[6]。

參考文獻

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

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

[3] 吳青萍.電子技術(shù)與項目訓練I[M].北京：中國人民大學出版社，2010.

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

[5] 單新云.基于集成運放的信號發(fā)生器設計與仿真[J].電子測試，2010（6）：60?62.

[6] 李瑩.學生實驗用信號發(fā)生器設計探討[J].湖南農(nóng)機，2011（7）：32?35.