函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

周一恒 吳新忠 馮小龍 趙峻

摘 要：對(duì)傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究探索，結(jié)合工程背景分層次提出了任務(wù)要求和多種設(shè)計(jì)方案，各任務(wù)相互獨(dú)立又緊密關(guān)聯(lián)，形成遞進(jìn)關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注重啟發(fā)式教學(xué)和可持續(xù)研究。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)且能與CPLD等后續(xù)課程結(jié)合，可為電子信息專(zhuān)業(yè)本科分層次自主探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：研究性實(shí)驗(yàn);信號(hào)發(fā)生器;分層次教學(xué);啟發(fā)引導(dǎo)

函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)涵蓋了波形產(chǎn)生、波形轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大等知識(shí)點(diǎn)，是模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程經(jīng)典案例[1-3]。但傳統(tǒng)模電實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系單一，與后續(xù)課程脫節(jié)，且目前單片機(jī)控制波形產(chǎn)生電路、DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)已成波形產(chǎn)生的主流技術(shù)[4-6]，一味深挖模擬環(huán)境下指標(biāo)參數(shù)的深難，無(wú)異于南轅北轍，與工程實(shí)際漸行漸遠(yuǎn)。本著“優(yōu)化基礎(chǔ)、提升能力、激發(fā)創(chuàng)新”的教學(xué)理念，課程組在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加入了數(shù)控元素，并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求、方案設(shè)計(jì)和教學(xué)方法等方面做了優(yōu)化改革，完成了從基礎(chǔ)型到研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)要求

按照“寬基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)要求，為從思維方式和工程實(shí)踐兩方面培養(yǎng)學(xué)生的研究和創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)層、提高設(shè)計(jì)層、研究創(chuàng)新層“三層面”課內(nèi)外一體的開(kāi)放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[7]。具體實(shí)驗(yàn)任務(wù)如下：

1.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)層，培養(yǎng)學(xué)生基本工程素質(zhì)和基本實(shí)驗(yàn)技能

（1）采用三種方案設(shè)計(jì)電路，輸出周期性正弦波、方波及三角波，頻率156Hz、信號(hào)幅度≥1V;

（2）改進(jìn)電路實(shí)現(xiàn)波形連續(xù)可調(diào)，頻率100Hz～10kHz，矩形波占空比20%～70%，正弦波峰峰值0～5V（負(fù)載1KΩ）;

（3）完善電路，保證正弦波非線(xiàn)性失真度<3%、方波上升時(shí)間<2μs;

（4）選擇一種方案加寬頻帶范圍，使波形100Hz～1MHz內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

1.2 提高設(shè)計(jì)層，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)更新、自主學(xué)習(xí)和綜合應(yīng)用能力

（1）在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入數(shù)控環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各波形步進(jìn)可調(diào)，頻率步進(jìn)1kHz，矩形波占空比步進(jìn)2%，正弦波峰峰值步進(jìn)0.1V;

（2）降低正弦波非線(xiàn)性失真度;

（3）輸出顯示波形的類(lèi)型、頻率和幅度。

1.3 研究創(chuàng)新層，充分發(fā)揮學(xué)生個(gè)性，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力

設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生任意自擬周期性波形，波形種類(lèi)及指標(biāo)不限（方波、正弦波和三角波這三種波形除外）。

2 實(shí)驗(yàn)原理及方案

2.1 實(shí)驗(yàn)原理及總體方案

首先，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)層要求用傳統(tǒng)模擬電路搭建電路產(chǎn)生波形輸出;其次，提高設(shè)計(jì)層要求對(duì)模擬電路加入MCU處理器進(jìn)行數(shù)字控制調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高波形質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式調(diào)節(jié);最后，研究創(chuàng)新層中采用可編程控制器件提高數(shù)據(jù)處理速度、產(chǎn)生自擬任意波形。

信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)包括波形產(chǎn)生、波形放大、波形調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)顯示四個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)都有多種實(shí)現(xiàn)方法，比如波形產(chǎn)生環(huán)節(jié)就可分別采用分立器件、集成運(yùn)放和信號(hào)發(fā)生單片三種方法實(shí)現(xiàn)。要根據(jù)對(duì)波形質(zhì)量以及調(diào)節(jié)方式的要求合理選擇設(shè)計(jì)方案和器件。圖1為信號(hào)發(fā)生器的方案設(shè)計(jì)框圖。

2.2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)層：波形的產(chǎn)生和處理

模擬方法利用波形產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換原理制作信號(hào)發(fā)生器，應(yīng)先根據(jù)正反饋原理產(chǎn)生一種振蕩波形，繼而轉(zhuǎn)換成其他工作波形。因波形產(chǎn)生順序和不同波形間轉(zhuǎn)換方式均有不同，設(shè)計(jì)方案具有多樣性。本文以其中一種先產(chǎn)生方波三角波然后再轉(zhuǎn)換正弦波的設(shè)計(jì)思路為例介紹設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.2.1 方波三角波產(chǎn)生

使用運(yùn)放芯片LM324構(gòu)成RC振蕩滯回比較電路和積分電路產(chǎn)生方波和三角波，改變電容C2和電位器RV2、RV3的數(shù)值改變正、反向充放電時(shí)間常數(shù)從而調(diào)節(jié)波形占空比。LM324采用正負(fù)12V雙電源供電，方波輸出幅度為Usom=±Uom，其中Uom為比較器的輸出幅度。三角波幅度為Utom=R2R3+RV1Uom，改變電位器RV1改變其輸出幅值。波形周期T=4R2R4+RVC2R3+RV1，則其頻率是T的倒數(shù)，改變參數(shù)調(diào)節(jié)頻率大小。其中RV表示積分器上的電位器RV2和RV3，改變其數(shù)值改變波形的占空比。

2.2.2 利用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波正弦波的轉(zhuǎn)換

利用差分放大電路的傳輸特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)性將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波，且傳輸特性曲線(xiàn)越對(duì)稱(chēng)，線(xiàn)性區(qū)越窄越好。三角波的幅度應(yīng)正好使三極管接近飽和區(qū)或者截止區(qū)。RV4調(diào)節(jié)三角波幅度，RV5調(diào)節(jié)差分放大電路的對(duì)稱(chēng)性，為進(jìn)一步提高電路對(duì)稱(chēng)性Q1和Q4使用三極管對(duì)管。R10和RV5并聯(lián)用來(lái)減小差分放大電路的線(xiàn)性區(qū)。電容C1、C3為隔直電容，因輸出頻率不高，因此電容容量要取比較大。差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)通過(guò)觀(guān)測(cè)傳輸特性曲線(xiàn)、調(diào)整電阻R13和R11確定。三極管Q2、Q3構(gòu)成恒流源電路，為確保電流穩(wěn)精度也應(yīng)使用對(duì)管。設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

2.3 提高設(shè)計(jì)層：實(shí)現(xiàn)波形的數(shù)字控制，提高波形質(zhì)量

模擬電路加入單片機(jī)控制模塊構(gòu)造數(shù)字化函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，提高波形質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)節(jié)。電路由單片機(jī)AT89C52、電源、鍵盤(pán)模塊，LCD1602顯示模塊構(gòu)成。單片機(jī)采用8位機(jī)AT89C52，D/A轉(zhuǎn)換器選擇低輸出阻抗的電壓輸出型器件DAC0832、MAX517等8位串行芯片，采樣時(shí)考慮波形選擇開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度要求使用8選1的模擬開(kāi)關(guān)CD4051，數(shù)據(jù)顯示可使用液晶模塊LCD12864。

已知脈沖信號(hào)的頻率和占空比，通過(guò)定時(shí)器設(shè)定定時(shí)時(shí)長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)IO端口輸出高低電平，產(chǎn)生所需的脈沖信號(hào)F=1T，其中F為脈沖信號(hào)頻率，T為定時(shí)器定時(shí)時(shí)長(zhǎng)。

D=T0（T-T0）其中D為信號(hào)占空比，T0為脈沖信號(hào)高電平定時(shí)時(shí)長(zhǎng)。單片機(jī)輸出利用DAC0832采用直通方式進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后信號(hào)幅值較小需使用運(yùn)放LM324實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大。

2.4 研究創(chuàng)新層：任意周期性波形發(fā)生器

因自擬波形具有不確定性，且當(dāng)波形頻率超過(guò)1MHz時(shí)，受模擬器件限制很難產(chǎn)生精確的可調(diào)波形。這時(shí)就必須使用數(shù)字器件構(gòu)造數(shù)字波形發(fā)生器。

利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)采用查表合成波形的方法，將波形在采樣點(diǎn)的數(shù)字值依次通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，即以數(shù)控方式產(chǎn)生頻率與相位均可控的模擬波形。通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)波形生成和控制，數(shù)據(jù)經(jīng)D/A變換、功率放大即可輸出符合要求的模擬波形?？删幊唐骷褂肊PM7218，數(shù)模轉(zhuǎn)換使用DAC08，幅度控制由DAC0832內(nèi)部的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，濾波使用二階巴特沃茲低通濾波器，使用運(yùn)放LM324和三極管9012、9013進(jìn)行雙向擴(kuò)流，增強(qiáng)帶負(fù)載能力，產(chǎn)生自擬周期性波形輸出。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與引導(dǎo)

（1）學(xué)習(xí)波形發(fā)生和轉(zhuǎn)換的工作原理，學(xué)習(xí)波形指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)量計(jì)算方法，如頻率范圍、頻率穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度、波形失真度、方波上升時(shí)間等;

（2）三角波轉(zhuǎn)換正弦波時(shí)，注意比較各方法（如折線(xiàn)法、濾波電路法、差分電路法等）工作點(diǎn)的穩(wěn)定、輸入阻抗、抗干擾能力、零點(diǎn)漂移的抑制、正弦波形的失真度等方面差異;

（3）學(xué)習(xí)改變頻率、矩形波占空比的方法，考慮改變占空比的同時(shí)對(duì)正弦波形的影響，思考矩形波占空比獨(dú)立調(diào)節(jié)的方法;

（4）學(xué)會(huì)用運(yùn)放設(shè)計(jì)輸出端放大電路，注意電路的放大倍數(shù)、帶負(fù)載能力和輸出功率，輸出阻抗過(guò)大時(shí)需考慮負(fù)載匹配;

（5）頻率較高時(shí)要考慮電源去耦?？稍陔娫匆_與地之間加入去耦電容以消除電源引線(xiàn)產(chǎn)生的電路諧振和尖峰干擾。

4 實(shí)驗(yàn)特色與創(chuàng)新

（1）分層次提出實(shí)驗(yàn)任務(wù)與要求，設(shè)計(jì)方案多樣化，增加學(xué)生自主選擇空間激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情，實(shí)現(xiàn)人才梯度培養(yǎng)。

（2）三個(gè)實(shí)驗(yàn)層次相互獨(dú)立又呈遞進(jìn)關(guān)系，和后續(xù)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)、CPLD等課程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可持續(xù)性發(fā)展。

（3）教學(xué)內(nèi)容上模擬波形產(chǎn)生與數(shù)字波形控制相結(jié)合，低頻和高頻波形產(chǎn)生電路相結(jié)合。教學(xué)模式上基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和PCB/SMT制版專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)踐平臺(tái)相結(jié)合。

（4）依托工程背景細(xì)化指標(biāo)參數(shù)，對(duì)頻帶寬度、失真度、方波上升時(shí)間、設(shè)計(jì)成本等都提出具體要求，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐意識(shí)和電子經(jīng)濟(jì)意識(shí)的培養(yǎng)。

5 教學(xué)實(shí)踐效果總結(jié)

課程組依托國(guó)家級(jí)電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)放性實(shí)踐平臺(tái)，自2015年起連續(xù)四年對(duì)電子信息專(zhuān)業(yè)學(xué)生共20個(gè)班級(jí)開(kāi)設(shè)了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，教學(xué)實(shí)踐表明：這種針對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由淺入深、由簡(jiǎn)到難、由電路到系統(tǒng)逐層遞進(jìn)的教學(xué)模式，更能循序漸進(jìn)地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、拓展知識(shí)結(jié)構(gòu)、提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。例如有學(xué)生在做研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)就自學(xué)CPLD語(yǔ)言，采用FPGA配合高速DAC來(lái)構(gòu)建DDS內(nèi)核，由FPGA來(lái)控制函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的現(xiàn)實(shí)和鍵盤(pán)輸入采集控制，最終輸出穩(wěn)定振幅的對(duì)數(shù)指數(shù)函數(shù)曲線(xiàn)，在探究設(shè)計(jì)的同時(shí)也收獲了巔峰體驗(yàn)，為后續(xù)課程的可持續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。筆者也因該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改革獲得第二屆電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)競(jìng)賽三等獎(jiǎng)。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)“十三五”品牌專(zhuān)業(yè)建設(shè)自主項(xiàng)目（電子信息工程）;2019年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：周一恒（1981—），女，漢族，江蘇豐縣人，碩士，講師，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置，長(zhǎng)期從事模擬電子技術(shù)相關(guān)課程的理論與實(shí)踐教學(xué)。