信号发生仪教具设计

张阿梅

（西安外事学院，陕西 西安 710077）

【摘　要】信号发生仪教具将主要用于高校的电工电子类实践教学。信号发生器主要由RC桥式震荡器，滞回比较器，积分器三大主要电路模块构成。其原理简单，使用方便。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 教具；RC桥式震荡；滞回比较器；积分器

0　引言

现有的信号发生仪只是作为一种信号源来使用，而对于高校具体实践教学来说并不能真正达到教与学的目的。其缺点有三个：1）外观封装比较严实，对于初学者来说人为的增加了认识难度；2）现有的信号发生仪侧重输出结果，内部电路大多采用昂贵的集成块来代替分立元件，这对于初学发生器电路者理解电路原理增加了很大的难度；3）现有的信号发生仪只能通过外部的按键来改变输出信号的频率或者幅值，对于初学者来说并不能直观的观察到那些参数的改变可以调整输出波形的频率和幅值。为了克服上述现有技术不足，本文的主要目的是提供一种信号发生仪教具，具有结构简单、操作简单，使用方便，经济实惠的特点。

1　设计思路

此信号发生仪教具针对以上的问题，做了如下几个方面的设计改进：1）外观采用有机玻璃或者透明硬塑料制成，可以帮助初学者直观的认识信号发生仪的产生电路、工作原理及输出结果；2）信号发生仪的主电路采用最便宜，最常见的分立元件来制作，采用这些元器件既减少了信号发生仪的生产成本，又让初学者了解到每个元器件在电路中所起不同作用，达到实践教学的真正目的；3）此信号发生仪的部分重要元件用可调部件代替，这样初学者可以在相同环境下改变电路参数，观察对输出信号的影响，达到举一反三的目的。

2　设计原理

信号发生仪教具，包括有壳体，壳体底部设有PCB元件板，PCB元件板上设有控制电路，控制电路通过电源电路与壳体的背部的开关相连；壳体的前部设有正弦按钮、方波按钮和三角波按钮，分别与控制电路相连；壳体前部还设有频率和幅值参数调整旋钮。

2.1　系统设计

采用RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。文氏桥振荡器产生正弦波输出，其特点是采用RC串并联网络作为选频和反馈网络，其振荡频率f=1/2πRC.改变RC的值，可得到不同的频率正弦波信号输出。用集成运放构成电压比较器，将正弦波变换成方波输出。用运放构成积分电路，将方波信号变换成三角波。

2.2　单元电路设计

2.2.1　正弦波产生电路

正弦波由RC桥式振荡电路，即文氏桥振荡电路产生。文氏桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点而大量应用于低频振荡电路。正弦波振荡电路由一个放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。其振荡平衡的条件是AF＝1以及ψa+ψf=2nπ。其中A为放大电路的放大倍数，F为反馈系数。振荡开始时，信号非常弱，为了使振荡建立起来，应该使AF略大于1。

放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅决定于选频网络，因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路。正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电路放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件有Av=1+Rf/R1≧3, 且振荡产生正弦波频率f0=1/2ΠRc。D1、D2的作用是，当Vo1幅值很小时，二极管D1、D2接近开路，近似有Rf＝9.1K＋2.7K＝11.8K，，Av=1+Rf/R1=3.3>=3,有利于起振；反之当Vo的幅值较大时，D1或D2导通，Rf减小，Av随之下降，Vo1幅值趋于稳定。

利用RC桥式震荡电路产生正弦波，其中的RC串并联支路构成正反馈支路，同时兼并选频网络，电阻R2，R5，以及热敏电阻构成负反馈支路并且稳幅。调节电位器R2，可以改变负反馈深度，以便于满足震荡的振幅条件和改变波形。

2.2.2　方波产生电路

正弦信号输入，经过迟滞比较器后输出方波。电路工作原理：运放同相端接基准电压，即U+=0,反相端输入电压Uo1，负向输入端电阻为平衡电阻。输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，单限比较器虽然灵敏，但是抗干扰能力比较弱，滞回比较器具有滞回特性，既具有惯性，因而具有一定的抗干扰能力，所以我们在此选择滞回比较器产生方波。当输入为正弦波时，产生的是方波，其中稳压管的作用是限幅。

2.2.3　三角波产生电路

利用积分产生三角波,从矩形波产生电路中的电容器上的输出电压，可得到一个近似的三角波信号。由于它不是恒流充电，随时间t的增加uc上升，而充电电流i随时间而下降，因此uc输出的三角波线性较差。此电路通过保证电容器恒流充放电，用集成运放组成的积分电路代替RC积分电路提高了三角波的线性。

3　设计实现

第一部分控制电路的组成：正弦波、方波和三角波发生器电路组成信号发生仪的核心控制器件。第一级正弦波输出采用RC桥式正弦波振荡器电路来完成，接线是PCB元件板上的正弦信号输出端与壳体的正弦波接线旋钮相连；第二级方波输出采用滞回比较器电路来完成，接线是PCB元件板上的方波信号输出端与壳体的方波接线旋钮相连；第三级三角波输出采用积分电路来完成，接线是PCB元件板上的三角波信号输出端）与壳体的三角波接线旋钮相连。

第二部分控制电路的组成：RW2负责调整波形的幅值和整个电路的起振，PCB元件板上的RW2调整端与壳体的幅值调整旋钮相连，RW2负责调整波形的频率，PCB元件板上的RW2调整端与壳体的频率调整旋钮相连。

第三部分电源电路包括变压器电路、桥式整流电路、电容滤波电路、三端稳压电路。变压器电路主要是由~220V-~9V降压来完成。具体接线端是变压器的~220V输入接线端通过开关与电源的接线端相连；桥式整流电路采用采用RS508来实现，输入端与变压器的输出端相连；滤波电路采用电解电容和瓷片电容结合来实现，输入端与RS508输出端相连；稳压电路主要采用有固定输出的三端稳压器LM7805和LM7905来实现。最终电源的+5V输出端分别于PCB板的两个集成电路LM358的8号管脚相连，电源的-5V输出端分别于PCB板的两个集成电路LM358的4号管脚相连。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献

［１］童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2006.5

［２］谢礼莹.模拟电路实验技术[M].重庆大学出版社,2012.2

［责任编辑：邓丽丽］