| 标题 | 简易信号发生器的故障分析与解决方法 |
| 范文 | 张慧敏 摘 要： 在此通过对简易信号发生器的设计和调试，发现其产生的正弦波、方波和三角波均存在不同程度的失真。为了改善频率较大时方波产生的失真情况，采用高速率运放或者减小正弦波的频率来解决。为了改善三角波的失真情况，采用增大积分电阻R或者积分电容C，也可以采用减小方波的幅值，即在过零比较器的输出端接双向稳压管，限制输出方波的幅度在一定范围内。经过分析和改进，完善了简易信号发生器的设计，改善了3种波形的失真情况。 关键词：信号发生器； 故障分析； 故障排除方法； 过零比较器 中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0108?02 0 引 言 诺贝尔物理学奖获得者丁肇中来我校考察的时候说“我希望同学们在做实验时，除了会动手之外，还要想一想，应怎样不断改进，这样知识和技能才能有创新”，这句话值得所有老师不断领悟和实践。高职教师应结合高职生的特点，选择学生既感到困难，又能通过努力来获得的实践活动内容，激发他们的兴趣性动机和职业性动机。而实践能力是一个连续性的生成过程，实践能力需要不断的实践、再实践。基于此，通过对简易信号发生器的故障分析与解决过程来锻炼学生的实践能力。 1 简易信号发生器的设计与改进 如图1所示为利用Multisim仿真软件设计的简易信号发生器的电路原理图[1]，但电路并不完善，需在调试的过程中不断改进才能使其产生的信号无明显失真。 图1 简易信号发生器电路原理图 2 正弦波的调试 开关S1、S2同时打到左边或右边，得到如图2（a）和图2（b）所示的波形。由图可见，正弦波的频率随着接通不同的电容而不同，可以根据要求选择不同的元器件参数，如R1（R1=R2）或C1（C1=C2）。不同组的元件参数不同，正弦波的频率亦不同[2]。 3 方波的调试 方波输出幅度[VPP=2Vom≈20 V]，不同组的正弦波频率不同时方波的波形如图3所示。这是由于过零比较器中运算放大器的转换速率低于振荡信号的频率所导致的失真现象。 方波的失真与正弦波频率有关，实际工作中受到集成运放参数限制[3]。信号的频率应小于过零比较器的转换速率，否则会出现过零比较器产生的方波失真现象。如运放LM324的[SR=0.5 V/μs]，如方波的摆幅为20 V，运放完成跳变所需的时间[t=200.5=40 μs]，所以信号的周期应远大于运放跳变所需要时间。解决方法是降低振荡器的振荡频率，即改用较小电阻或电容，或选择高速率运放，方波才不会出现明显失真，达到设计要求。 4 三角波的调试 图4（a）和（b）为积分电容C5分别为0.33 μF和4 μF时的三角波波形。由图可见，积分电容增大，失真改善，但三角波幅度减小（注：此时示波器置于AC档位）。 积分电路当输入信号为方波时，积分电容将以近似恒流方式进行充电，输出电压[C]与时间[t]成近似线性关系，如式（1）所示： [vo≈-VSRCt=-VSτt] （1） 式中积分时间常数[τ=RC]，当方波半周（正半周或负半周）的时间[t=τ]时，[-vo=VS][4]。当[t>τ]时，增大，直到[-vo=+Vom]，即运放输出电压的最大值受直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，[vo]保持不变，而停止积分。所以要改善三角波失真情况，可以增大积分电阻[R]或者积分电容[C]；也可以减小输入信号，即方波的幅值，解决方法是在过零比较器的输出端接双向稳压管，限制输出方波的幅度在一定范围内[5]。 5 提 高 以上讨论过程中示波器置于AC档位，当示波器置于DC档位时会发现三角波出现如图5所示的零点漂移失真。 图5 C=4 μF零点漂移失真（10 V/div） 由于集成运放输入失调电压、输入偏置电流和失调电流的影响，常常出现积分误差，即当[vS=0]时，[vo≠0]且做缓慢变化，出现输出误差电压。如下式所示： 由式（2）可以看出，积分时间常数越小或积分时间越长，[VIO]和[IIO]引起的输出误差电压越大，零点漂移引起的失真现象如图5所示。可在输入级加一调零电位器使输出为零，或选用低漂移的运放。 6 结 语 简易信号发生器的故障分析与改进，可在实验室作为典型案例进行教学和实践活动，培养学生实践和创新能力[6]。 参考文献 [1] 冯国强.Multisim波形产生电路的分析与仿真[J].湖北第二师范学院学报，2007（3）：15?17. [2] 张晓增，赵曰峰，董鸿红.低频信号发生器的设计[J].现代电子技术，2009，32（6）：1?3. [3] 吴青萍.电子技术与项目训练I[M].北京：中国人民大学出版社，2010. [4] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003. [5] 单新云.基于集成运放的信号发生器设计与仿真[J].电子测试，2010（6）：60?62. [6] 李莹.学生实验用信号发生器设计探讨[J].湖南农机，2011（7）：32?35. 摘 要： 在此通过对简易信号发生器的设计和调试，发现其产生的正弦波、方波和三角波均存在不同程度的失真。为了改善频率较大时方波产生的失真情况，采用高速率运放或者减小正弦波的频率来解决。为了改善三角波的失真情况，采用增大积分电阻R或者积分电容C，也可以采用减小方波的幅值，即在过零比较器的输出端接双向稳压管，限制输出方波的幅度在一定范围内。经过分析和改进，完善了简易信号发生器的设计，改善了3种波形的失真情况。 关键词：信号发生器； 故障分析； 故障排除方法； 过零比较器 中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0108?02 0 引 言 诺贝尔物理学奖获得者丁肇中来我校考察的时候说“我希望同学们在做实验时，除了会动手之外，还要想一想，应怎样不断改进，这样知识和技能才能有创新”，这句话值得所有老师不断领悟和实践。高职教师应结合高职生的特点，选择学生既感到困难，又能通过努力来获得的实践活动内容，激发他们的兴趣性动机和职业性动机。而实践能力是一个连续性的生成过程，实践能力需要不断的实践、再实践。基于此，通过对简易信号发生器的故障分析与解决过程来锻炼学生的实践能力。 1 简易信号发生器的设计与改进 如图1所示为利用Multisim仿真软件设计的简易信号发生器的电路原理图[1]，但电路并不完善，需在调试的过程中不断改进才能使其产生的信号无明显失真。 图1 简易信号发生器电路原理图 2 正弦波的调试 开关S1、S2同时打到左边或右边，得到如图2（a）和图2（b）所示的波形。由图可见，正弦波的频率随着接通不同的电容而不同，可以根据要求选择不同的元器件参数，如R1（R1=R2）或C1（C1=C2）。不同组的元件参数不同，正弦波的频率亦不同[2]。 3 方波的调试 方波输出幅度[VPP=2Vom≈20 V]，不同组的正弦波频率不同时方波的波形如图3所示。这是由于过零比较器中运算放大器的转换速率低于振荡信号的频率所导致的失真现象。 方波的失真与正弦波频率有关，实际工作中受到集成运放参数限制[3]。信号的频率应小于过零比较器的转换速率，否则会出现过零比较器产生的方波失真现象。如运放LM324的[SR=0.5 V/μs]，如方波的摆幅为20 V，运放完成跳变所需的时间[t=200.5=40 μs]，所以信号的周期应远大于运放跳变所需要时间。解决方法是降低振荡器的振荡频率，即改用较小电阻或电容，或选择高速率运放，方波才不会出现明显失真，达到设计要求。 4 三角波的调试 图4（a）和（b）为积分电容C5分别为0.33 μF和4 μF时的三角波波形。由图可见，积分电容增大，失真改善，但三角波幅度减小（注：此时示波器置于AC档位）。 积分电路当输入信号为方波时，积分电容将以近似恒流方式进行充电，输出电压[C]与时间[t]成近似线性关系，如式（1）所示： [vo≈-VSRCt=-VSτt] （1） 式中积分时间常数[τ=RC]，当方波半周（正半周或负半周）的时间[t=τ]时，[-vo=VS][4]。当[t>τ]时，增大，直到[-vo=+Vom]，即运放输出电压的最大值受直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，[vo]保持不变，而停止积分。所以要改善三角波失真情况，可以增大积分电阻[R]或者积分电容[C]；也可以减小输入信号，即方波的幅值，解决方法是在过零比较器的输出端接双向稳压管，限制输出方波的幅度在一定范围内[5]。 5 提 高 以上讨论过程中示波器置于AC档位，当示波器置于DC档位时会发现三角波出现如图5所示的零点漂移失真。 图5 C=4 μF零点漂移失真（10 V/div） 由于集成运放输入失调电压、输入偏置电流和失调电流的影响，常常出现积分误差，即当[vS=0]时，[vo≠0]且做缓慢变化，出现输出误差电压。如下式所示： 由式（2）可以看出，积分时间常数越小或积分时间越长，[VIO]和[IIO]引起的输出误差电压越大，零点漂移引起的失真现象如图5所示。可在输入级加一调零电位器使输出为零，或选用低漂移的运放。 6 结 语 简易信号发生器的故障分析与改进，可在实验室作为典型案例进行教学和实践活动，培养学生实践和创新能力[6]。 参考文献 [1] 冯国强.Multisim波形产生电路的分析与仿真[J].湖北第二师范学院学报，2007（3）：15?17. [2] 张晓增，赵曰峰，董鸿红.低频信号发生器的设计[J].现代电子技术，2009，32（6）：1?3. [3] 吴青萍.电子技术与项目训练I[M].北京：中国人民大学出版社，2010. [4] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003. [5] 单新云.基于集成运放的信号发生器设计与仿真[J].电子测试，2010（6）：60?62. [6] 李莹.学生实验用信号发生器设计探讨[J].湖南农机，2011（7）：32?35. 摘 要： 在此通过对简易信号发生器的设计和调试，发现其产生的正弦波、方波和三角波均存在不同程度的失真。为了改善频率较大时方波产生的失真情况，采用高速率运放或者减小正弦波的频率来解决。为了改善三角波的失真情况，采用增大积分电阻R或者积分电容C，也可以采用减小方波的幅值，即在过零比较器的输出端接双向稳压管，限制输出方波的幅度在一定范围内。经过分析和改进，完善了简易信号发生器的设计，改善了3种波形的失真情况。 关键词：信号发生器； 故障分析； 故障排除方法； 过零比较器 中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0108?02 0 引 言 诺贝尔物理学奖获得者丁肇中来我校考察的时候说“我希望同学们在做实验时，除了会动手之外，还要想一想，应怎样不断改进，这样知识和技能才能有创新”，这句话值得所有老师不断领悟和实践。高职教师应结合高职生的特点，选择学生既感到困难，又能通过努力来获得的实践活动内容，激发他们的兴趣性动机和职业性动机。而实践能力是一个连续性的生成过程，实践能力需要不断的实践、再实践。基于此，通过对简易信号发生器的故障分析与解决过程来锻炼学生的实践能力。 1 简易信号发生器的设计与改进 如图1所示为利用Multisim仿真软件设计的简易信号发生器的电路原理图[1]，但电路并不完善，需在调试的过程中不断改进才能使其产生的信号无明显失真。 图1 简易信号发生器电路原理图 2 正弦波的调试 开关S1、S2同时打到左边或右边，得到如图2（a）和图2（b）所示的波形。由图可见，正弦波的频率随着接通不同的电容而不同，可以根据要求选择不同的元器件参数，如R1（R1=R2）或C1（C1=C2）。不同组的元件参数不同，正弦波的频率亦不同[2]。 3 方波的调试 方波输出幅度[VPP=2Vom≈20 V]，不同组的正弦波频率不同时方波的波形如图3所示。这是由于过零比较器中运算放大器的转换速率低于振荡信号的频率所导致的失真现象。 方波的失真与正弦波频率有关，实际工作中受到集成运放参数限制[3]。信号的频率应小于过零比较器的转换速率，否则会出现过零比较器产生的方波失真现象。如运放LM324的[SR=0.5 V/μs]，如方波的摆幅为20 V，运放完成跳变所需的时间[t=200.5=40 μs]，所以信号的周期应远大于运放跳变所需要时间。解决方法是降低振荡器的振荡频率，即改用较小电阻或电容，或选择高速率运放，方波才不会出现明显失真，达到设计要求。 4 三角波的调试 图4（a）和（b）为积分电容C5分别为0.33 μF和4 μF时的三角波波形。由图可见，积分电容增大，失真改善，但三角波幅度减小（注：此时示波器置于AC档位）。 积分电路当输入信号为方波时，积分电容将以近似恒流方式进行充电，输出电压[C]与时间[t]成近似线性关系，如式（1）所示： [vo≈-VSRCt=-VSτt] （1） 式中积分时间常数[τ=RC]，当方波半周（正半周或负半周）的时间[t=τ]时，[-vo=VS][4]。当[t>τ]时，增大，直到[-vo=+Vom]，即运放输出电压的最大值受直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，[vo]保持不变，而停止积分。所以要改善三角波失真情况，可以增大积分电阻[R]或者积分电容[C]；也可以减小输入信号，即方波的幅值，解决方法是在过零比较器的输出端接双向稳压管，限制输出方波的幅度在一定范围内[5]。 5 提 高 以上讨论过程中示波器置于AC档位，当示波器置于DC档位时会发现三角波出现如图5所示的零点漂移失真。 图5 C=4 μF零点漂移失真（10 V/div） 由于集成运放输入失调电压、输入偏置电流和失调电流的影响，常常出现积分误差，即当[vS=0]时，[vo≠0]且做缓慢变化，出现输出误差电压。如下式所示： 由式（2）可以看出，积分时间常数越小或积分时间越长，[VIO]和[IIO]引起的输出误差电压越大，零点漂移引起的失真现象如图5所示。可在输入级加一调零电位器使输出为零，或选用低漂移的运放。 6 结 语 简易信号发生器的故障分析与改进，可在实验室作为典型案例进行教学和实践活动，培养学生实践和创新能力[6]。 参考文献 [1] 冯国强.Multisim波形产生电路的分析与仿真[J].湖北第二师范学院学报，2007（3）：15?17. [2] 张晓增，赵曰峰，董鸿红.低频信号发生器的设计[J].现代电子技术，2009，32（6）：1?3. [3] 吴青萍.电子技术与项目训练I[M].北京：中国人民大学出版社，2010. [4] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003. [5] 单新云.基于集成运放的信号发生器设计与仿真[J].电子测试，2010（6）：60?62. [6] 李莹.学生实验用信号发生器设计探讨[J].湖南农机，2011（7）：32?35. |
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