簡易信號發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生器的設計和調試，發現其產生的正弦波、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壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內。經過分析和改進，完善了簡易信號發生器的設計，改善了3種波形的失真情況。

關鍵詞：信號發生器； 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新”，這句話值得所有老師不斷領悟和實踐。高職教師應結合高職生的特點，選擇學生既感到困難，又能通過努力來獲得的實踐活動內容，激發他們的興趣性動機和職業性動機。而實踐能力是一個連續性的生成過程，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生器的電路原理圖[1]，但電路并不完善，需在調試的過程中不斷改進才能使其產生的信號無明顯失真。

圖1 簡易信號發生器電路原理圖

2 正弦波的調試

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，可以根據要求選擇不同的元器件參數，如R1（R1=R2）或C1（C1=C2）。不同組的元件參數不同，正弦波的頻率亦不同[2]。

3 方波的調試

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換速率低于振蕩信號的頻率所導致的失真現象。

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限制[3]。信號的頻率應小于過零比較器的轉換速率，否則會出現過零比較器產生的方波失真現象。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，方波才不會出現明顯失真，達到設計要求。

4 三角波的調試

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[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，[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壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內[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檔位時會發現三角波出現如圖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電壓、輸入偏置電流和失調電流的影響，常常出現積分誤差，即當[vS=0]時，[vo≠0]且做緩慢變化，出現輸出誤差電壓。如下式所示：

由式（2）可以看出，積分時間常數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象如圖5所示。可在輸入級加一調零電位器使輸出為零，或選用低漂移的運放。

6 結 語

簡易信號發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，培養學生實踐和創新能力[6]。

參考文獻

[1] 馮國強.Multisim波形產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.低頻信號發生器的設計[J].現代電子技術，2009，32（6）：1?3.

[3] 吳青萍.電子技術與項目訓練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.學生實驗用信號發生器設計探討[J].湖南農機，2011（7）：32?35.

摘 要： 在此通過對簡易信號發生器的設計和調試，發現其產生的正弦波、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壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內。經過分析和改進，完善了簡易信號發生器的設計，改善了3種波形的失真情況。

關鍵詞：信號發生器； 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新”，這句話值得所有老師不斷領悟和實踐。高職教師應結合高職生的特點，選擇學生既感到困難，又能通過努力來獲得的實踐活動內容，激發他們的興趣性動機和職業性動機。而實踐能力是一個連續性的生成過程，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生器的電路原理圖[1]，但電路并不完善，需在調試的過程中不斷改進才能使其產生的信號無明顯失真。

圖1 簡易信號發生器電路原理圖

2 正弦波的調試

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，可以根據要求選擇不同的元器件參數，如R1（R1=R2）或C1（C1=C2）。不同組的元件參數不同，正弦波的頻率亦不同[2]。

3 方波的調試

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換速率低于振蕩信號的頻率所導致的失真現象。

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限制[3]。信號的頻率應小于過零比較器的轉換速率，否則會出現過零比較器產生的方波失真現象。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，方波才不會出現明顯失真，達到設計要求。

4 三角波的調試

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[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，[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壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內[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檔位時會發現三角波出現如圖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電壓、輸入偏置電流和失調電流的影響，常常出現積分誤差，即當[vS=0]時，[vo≠0]且做緩慢變化，出現輸出誤差電壓。如下式所示：

由式（2）可以看出，積分時間常數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象如圖5所示。可在輸入級加一調零電位器使輸出為零，或選用低漂移的運放。

6 結 語

簡易信號發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，培養學生實踐和創新能力[6]。

參考文獻

[1] 馮國強.Multisim波形產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.低頻信號發生器的設計[J].現代電子技術，2009，32（6）：1?3.

[3] 吳青萍.電子技術與項目訓練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.學生實驗用信號發生器設計探討[J].湖南農機，2011（7）：32?35.

摘 要： 在此通過對簡易信號發生器的設計和調試，發現其產生的正弦波、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壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內。經過分析和改進，完善了簡易信號發生器的設計，改善了3種波形的失真情況。

關鍵詞：信號發生器； 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新”，這句話值得所有老師不斷領悟和實踐。高職教師應結合高職生的特點，選擇學生既感到困難，又能通過努力來獲得的實踐活動內容，激發他們的興趣性動機和職業性動機。而實踐能力是一個連續性的生成過程，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生器的電路原理圖[1]，但電路并不完善，需在調試的過程中不斷改進才能使其產生的信號無明顯失真。

圖1 簡易信號發生器電路原理圖

2 正弦波的調試

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，可以根據要求選擇不同的元器件參數，如R1（R1=R2）或C1（C1=C2）。不同組的元件參數不同，正弦波的頻率亦不同[2]。

3 方波的調試

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換速率低于振蕩信號的頻率所導致的失真現象。

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限制[3]。信號的頻率應小于過零比較器的轉換速率，否則會出現過零比較器產生的方波失真現象。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，方波才不會出現明顯失真，達到設計要求。

4 三角波的調試

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[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，[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壓管，限制輸出方波的幅度在一定范圍內[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檔位時會發現三角波出現如圖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電壓、輸入偏置電流和失調電流的影響，常常出現積分誤差，即當[vS=0]時，[vo≠0]且做緩慢變化，出現輸出誤差電壓。如下式所示：

由式（2）可以看出，積分時間常數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象如圖5所示。可在輸入級加一調零電位器使輸出為零，或選用低漂移的運放。

6 結 語

簡易信號發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，培養學生實踐和創新能力[6]。

參考文獻

[1] 馮國強.Multisim波形產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.低頻信號發生器的設計[J].現代電子技術，2009，32（6）：1?3.

[3] 吳青萍.電子技術與項目訓練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.學生實驗用信號發生器設計探討[J].湖南農機，2011（7）：32?35.