一款教學信號發生器的設計與實現

董祺圣

（蘇州高等職業技術學校，江蘇 蘇州 215000）

1 系統框圖

圖1

穩壓電源采用7805，它給數字頻率計和數字直流電壓表供電，因為信號產生電路和AC-DC轉換運放都需要正負電源，所以還需使用7812和7912產生±12V電壓。

信號產生電路：

圖2

由TL084內部兩個運放與阻容器件構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SW2-1切換。

假設電路閉合瞬間，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，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"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線性狀態。

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

電路狀態翻轉后，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可以改變三角波正負的對稱度，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。現以負半周變換為例，三角波從4R9送入本電路，4R11-25分別決定5個二極管的導通先后順序，4V10最先導通，而4V6最后導通。調節4RP3到2KΩ位置，5個二極管陽極電位根據分壓公式計算可知：-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，無二極管導通，輸出波形近似于三角波。當輸入略低于-0.7 V時，4V10微導通使4R25、4R15介入分壓衰減輸入幅度，因二極管死區導通的非線性，輸出電壓也呈現非線性衰減。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，可適當調小4RP3。

數字頻率計：

限于篇幅，數字頻率計模塊簡單介紹其設計的思路。本單元核心為定時器電路，采用芯片CD4541及阻容元件組成。其產生周期2秒的方波，1秒高電平期間產生對信號產生電路的計數控制信號；1秒低電平為進行鎖存、顯示計數值控制信號。與非門構成的閘門電路配合定時信號，實現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計數，并在定時器低電平期間鎖存顯示于數碼管。在2秒計數顯示周期后，需要給CD4026一個復位信號，由芯片CD4528組成計數清零電路。它在定時器每個方波周期的上升沿產生一個清零脈沖，從而對各位4026的計數值清零，該芯片故障會造成計數脈沖不停計數的現象。

AC-DC轉換(圖4)：

圖4

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

電路采用LM358雙運放實現正弦波的精密直流變換，電路下方的電阻網絡從5R8-5R11是為改善運放的零點漂移。在零輸入時，調節電位器5RP2實現零輸出。

正常工作中，正弦信號經電容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導通，負反饋電阻5R2接入。此時電路成為反相比例放大器，根據公式可知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。可見通過該電路后，實現了全波整流功能，最后通過電容5C2、5C3進行濾波，從而得到平滑的直流電壓。

2 結論

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