電子高級工技能考核函數信號發生器研發的可行性分析

蘇建良 王海紅

摘要：本文主要是針對電子專業學生無線電調試高級工考核項目做的理論與實踐研究，無線電調試高級工的技能考核鑒定是電子專業學生技能考核要求的重要依據，但由于采用的信號發生器型號較老，采購、維護非常困難，對考工的通過率產生了負面的影響，因而設計制作了無線電調試高級工維修項目中的信號發生器，并對設計方案做了進一步分析和總結，為高級工設備開發積累經驗。

關鍵詞：電子高級工信號發生器研發

目前，蘇州已成為電子信息類制造業基地，在蘇州電子企業已經超過7000多家，企業需要大量的電子類高技術應用型人才，但符合企業要求的熟練高級技術工人非常缺少，針對這一現狀，學校電子專業積極組織實施了無線電調試高級工的培訓考核工作，在校就培養學生的實踐能力、分析能力和工程能力。同時，學校是江蘇省聯合職業技術學院蘇州分院，按照聯院要求必須把高級電子類職業技能的培訓和考核納入到學校的教育課程體系中去，要求學生在校期間完成通過無線電調試高級工的考核。

1 無線電調試高級工信號發生器項目現狀分析

信號發生器又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各種波形曲線均可以用三角函數方程式來表示。能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數信號發生器。函數信號發生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統中，都需要射頻（高頻）發射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產生高頻的振蕩器。在工業、農業、生物醫學等領域內，如高頻感應加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。

而信號發生器是無線電調試高級工國家職業資格三級工種中的一個重要組成部分。蘇州市無線電調試高級工考核內容包括儀器設備的排故、單片機考核和PLC的考核。而函數信號發生器的排故考核是該工種考核的一個項目。無線電技術領域，經常需要使用到多種不同波形的信號對電路進行調測，產生這種多波形的信號發生器叫函數信號發生器，本次準備設計的信號發生器主要用于教學和考核。通過對本校和其他兄弟學校的調查，發現各個學校的無線電高級工采用的是不同的信號發生器，型號各不相同。而且很多機器是以前天津產的XD-22C等老型號，經過幾屆學生的使用，電路板上已經是滿目瘡痍，市場上已經很難采購到，這就給考核帶來了一定的難度。自己自主開發培訓設備，可以提高學校的科研水平，實現教學和科研相互促進，解決長期以來高等職業教育中專業項目在課程設置上難以從根本上突破學科系統化的模式。

現代的函數信號發生器是現有的測試儀器中最具有多樣性功能的幾種儀器之一，與許多輔助電路組合在一起，在任何條件下產生很高質量的波形。單片機和專用集成電路的使用廣泛，利用處理器、D/A轉換器和A/D轉換器，硬件和軟件相結合，使得信號發生器的功能更加廣泛。同時，高集成度和軟件的大量運用，使得電路結構更加簡單。

伴隨著現代高性能信號發生器技術的迅速發展，其缺點也大量存在，在教學中顯現的尤為突出。首先，高性能帶來的最大的弊端就是高價格，對于對儀器有著大量需求的中高職學校來說，高端的設備只能是一種奢求。其次，高級工的主要考核的是學生排除故障的能力，對于高集成度、高軟件使用率的儀器，故障設置點少，設置難度也就大幅提高了。第三，學生在學習的過程中，由于誤操作等原因，設備損壞率高。而現代專用集成電路的使用和大量知識產權的保護，使得儀器的后續維護難度變大。

2 無線電調試高級工信號發生器設計思路

信號發生器按其頻率的高低，可分為：超低頻信號發生器，低頻信號發生器，高頻信號發生器，超高頻信號發生器，微波信號發生器；按產生波形的不同，可分為：正弦波信號發生器，脈沖波函數波信號發生器，任意波信號發生器；按調制方式的不同，可分為：調頻信號發生器（FM）、調幅信號發生器（AM），調相信號發生器（PM），脈沖調制信號發生器；此外，還可以產生兩種或多種波形信號發生器，本次設計選用的是低頻信號發生器電路。為了滿足教學的需要，必須選用一些比較成熟、通用的線路，盡量與教科書的單元電路接近。其次，選用的線路需要元件比較容易采購，減少專用元件的使用率。第三，布線在滿足性能指標和美觀的基礎上，充分考慮故障設置和排除方便，盡量減少線路板的拆卸率。

經過長時間準備，決定按照以下的方案設計，整機電路原理框圖如下：

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3 無線電調試高級工信號發生器各單元電路組成、功能及作用

電源：由電源變壓器，橋式整流電路，濾波電路，穩壓電路組成。將市電電網提供的220V/50Hz正弦交流電變換成所需的穩定的直流電壓，提供給各個電路板。

信號產生電路：由三個部分組成：首先，利用運放組成振蕩電路產生頻率為350Hz-7kHz的方波和三角波。其次，再利用二極管的非線性特性，合理設計，將三角波轉換成正弦波。第三，通過運放組成電壓跟隨器，將阻抗變換和級間隔離，增加其帶載能力。并利用一些選擇開關，功率放大電路和電位器，完成三角波、方波、正弦波的切換，選擇和輸出信號大小的調節等功能。

AC-DC轉換器：采用集成運算放大器LM386 組成小信號全波整流電路，將信號發生器輸出的正弦波電壓轉換成與該電壓的有效值相等的直流電壓，用于直流電壓表指示。

數字直流電壓表：數字直流電壓表電路，實質上是一只量程為20V的直流電壓表。主要由大規模集成電路ICL7107內的A/D轉換器和集成電路4069組成的負電壓產生電路、基準點壓電路、LED顯示電路等組成。將輸入的直流電壓采樣處理變換為數字信號，通過數碼管顯示。

數字頻率計：就是用一個計數器記錄輸入波形的個數，并將計數時間限定一秒整，這樣當計數停止時，該計數器所記錄的輸入波形的個數就是該輸入波形的頻率，并將結果鎖存在數碼管上顯示。該電路主要由整形電路和內置振蕩器、閘門、程控定時器、置零電路、4位十進制計數、計數顯示器等組成。

按照以上方案設計，我們試制了幾臺樣機，經過安裝調試后整機性能指標如下：

①輸出頻率：低端 80-1000Hz。

高端 800-10KHz。

②輸出波形：三角波、方波、正弦波。

③輸出幅度：VP-P≥10V。

④波形失真：≤5%。

4 自行設計信號發生器的優勢

自行設計的信號發生器在一些性能指標上比專業儀器低，但是對于教學使用，還是能完全滿足的，并且帶來非常大的優勢：

4.1 元器件選購時采用了標準電阻，電容以及常用的晶體管和集成電路。減少了專用元件的使用率，為元件采購帶來了較大的便利性。同時，常規元器件價格比較便宜，使得學校能夠大批量的使用，使學生能夠有更多地操作機會。儀器拆裝使用特別容易損壞，配件的準備也能非常完備，不會因為某個元器件的脫銷而導致儀器難以修復，從而影響教學。

4.2 通過自主開發設計，電路的布局和布線在滿足性能指標和美觀的基礎上，充分考慮故障設置和排除方便，減少了線路板的拆卸率，儀器的損壞率也進一步降低了。

4.3 此次設計的線路均參考了學生無線電調試中級工的相關項目：信號產生電路參考了“脈寬調制控制器”的部分電路；信號放大電路參考了“功率放大器”項目；信號電壓顯示電路與“交直流轉換器”和“三位半A/D轉換器”電路幾乎相同，只是量程區別；頻率顯示電路同“數字頻率計”電路也基本相同，只是增加了高、低端頻率的切換和指示電路。學生對儀器電路的熟悉、掌握也有了一定的基礎，對于故障的判斷也有了較大的提高。

5 結論

綜上所述，在學校進行本函數信號發生器的研發是有極大的可行性的。本人擬申請學校給予支持，先行研發。再申報勞動局技能鑒定中心，以獲得批準在本校試點考核鑒定中的使用。試用一段時間之后，爭取能在蘇州兄弟學校中得以推廣使用。

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