學習情境三 信號發(fā)生器的設(shè)計

1、情境3：信號發(fā)生器的設(shè)計課時任務(wù)內(nèi)容1認識正弦振蕩器 2非正弦信號產(chǎn)生電路 3制作調(diào)試測試正弦振蕩器 能力培養(yǎng)專業(yè)能力掌握:正弦波振蕩電路的振蕩條件;判斷各種類型的正弦波振蕩電路是否滿足相位平衡條件;由集成運放組件組成比較器的閥值電壓.熟悉:各種正弦波振蕩電路振蕩頻率的確定及RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與LC并聯(lián)回路的選頻特性;方波發(fā)生器、鋸齒波和三角波發(fā)生器的工作原理和輸出波形. 了解: RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路的幅度穩(wěn)定措施;石英晶體振蕩電路的工作原理和振蕩頻率的確定;集成MAX038芯片的應(yīng)用.能夠根據(jù)輸出波形異?，F(xiàn)象判斷信號發(fā)生器的的工作故障，并能利用合理的知識加以解決；鍛煉學生親自動手、觀察分析的

2、能力。社會能力培養(yǎng)學生的求知欲、合作能力、協(xié)調(diào)能力。方法能力讓學生掌握職業(yè)教育學習方法、課外觀察方法、引導學生提問，啟發(fā)學生提問及自學的能力。教學方法任務(wù)驅(qū)動法、分組討論法、引導文法教學媒體課件演示、事物、現(xiàn)場觀摩教學教學場所一體化教室教學過程教學方法教學內(nèi)容學生活動教學目的課前組織1、清點學生人數(shù)2、檢查數(shù)控設(shè)備的狀態(tài)是否良好。3、準備好多媒體設(shè)備、課件、展示的實物準備好。4、其他教學用品等。明確任務(wù)操作演示1、 提出學習任務(wù)：系統(tǒng)出現(xiàn)不能回參考點的故障，同時出現(xiàn)X軸跟隨誤差太大的報警信息。2、 任務(wù)要求：（1）認識正弦振蕩器 （2）非正弦信號產(chǎn)生電路 （3）制作調(diào)試測試正弦振蕩器 3、實習

3、要求： （1）遵守一體化教室規(guī)章制度（2）分組觀摩實踐觀察思考記錄1讓學生明確學習目的。2激發(fā)學生興趣。資訊相關(guān)知識：一、認識正弦振蕩器1、正弦波振蕩電路的工作原理及結(jié)構(gòu)(1）、自激振蕩的條件從結(jié)構(gòu)上來看，正弦波振蕩電路是一個沒有輸入信號帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。 (b) 自激振蕩原理(a)正反饋放大器 圖3-1 自激振蕩原理框圖1)幅度平衡條件 2)相位平衡條件(2）、正弦波振蕩電路的組成正弦振蕩電路的組成應(yīng)有4個部分：放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，如圖3-2所示。圖3-2 正弦波振蕩器原理框圖2、RC正弦波振蕩電路（1）電路原理圖圖3-3RC橋式振蕩原理圖如圖3-3所示是RC橋

4、式振蕩電路的原理圖，這個電路由兩部分組成，即放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)組成。（2）RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性其幅頻特性和相頻特性分別為（3）起振條件與振蕩頻率起振條件：RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路必須滿足，因諧振（）時，則必須滿足。根據(jù)集成運放同相輸入電壓增益，則應(yīng)有。振蕩頻率：。（4)、穩(wěn)幅措施正弦波振蕩電路起振、穩(wěn)幅過程：圖3-4 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性圖圖3-5 正弦波振蕩電路起振、穩(wěn)幅過程3.LC正弦波振蕩電路1) LC并聯(lián)諧振回路的頻率特性的幅頻特性和相頻特性分別為 其幅頻特性曲線及相頻特性曲線如圖3-6所示。圖3-6 頻率特性曲線2)變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路(1) 電路組成如圖3-7所示

5、為變壓器反饋式LC正弦波振蕩器的基本電路， 由放大電路、 LC選頻網(wǎng)絡(luò)和變壓器反饋電路三部分組成。圖3-7 變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路圖（2）振蕩條件相位條件: 為了滿足相位平衡條件, 變壓器初次級之間的同名端必須正確連接。 幅度條件: 為了滿足幅度條件, 對晶體管的值有一定要求。 一般只要值較大, 就能滿足振幅平衡條件。 反饋線圈匝數(shù)越多, 耦合越強, 電路越容易起振。 （3） 振蕩電路特點3). 電感三點式LC正弦振蕩電路（1) 電路組成電感三點式振蕩電路,也稱為哈特萊（Hartley）振蕩電路。其電路圖如圖3-8所示，（2) 振蕩條件 相位條件圖3-8電感三點式振蕩電路圖設(shè)基極瞬時極

6、性為正，由于放大器的倒相作用, 集電極電位為負，與基極相位相反, 則電感的端為負，端為公共端，端為正，各瞬時極性如圖3-8所示。反饋電壓由端引至三極管的基極，故為正反饋，滿足相位平衡條件。 幅度條件當滿足的條件時, 電路便可起振。（3）振蕩電路特點 4）電容三點式LC正弦振蕩電路（1）電路組成圖3-9 電容三點式LC正弦振蕩電路電容三點式LC正弦振蕩電路又稱為考畢茲（Colpitts）振蕩電路或電容反饋式LC正弦波振蕩電路。電路如圖3-9所示。（2）振蕩條件相位條件與電感三點式LC正弦振蕩電路分析方法相同，滿足相位平衡條件。至于振幅條件，只要將三極管的值選的大一些，并恰當選取比值，就有利于起振

7、。一般情況下取。（3）振蕩電路特點5）石英晶體振蕩電路（1）振蕩電路頻率穩(wěn)定問題影響LC振蕩電路振蕩頻率的主要因素是LC并聯(lián)諧振電路中的L、C和R。而LC振蕩回路的品質(zhì)因數(shù)對頻率的穩(wěn)定度影響較大。從前面所講的知識我們不難看出，值越大諧振曲線越尖銳，頻率的穩(wěn)定度越高。一般的LC諧振回路的值只可達到數(shù)百，而石英晶體的值可達到。因此，在要求頻率穩(wěn)定度較高的場合，常采用石英晶體諧振電路，頻率穩(wěn)定度一般在，甚至可以達到。因此石英晶體振蕩電路得到了廣泛的應(yīng)用。（2）石英晶體的基本特性和等效電路石英晶體的主要特性是它具有壓電效應(yīng), 即在晶體的兩個電極上加交流電壓時, 晶體就會產(chǎn)生機械振動, 而這種機械振動反

8、過來又會產(chǎn)生交變電場, 在電極上出現(xiàn)交變電壓。如果外加交變圖3-10石英晶體的基本特性和等效電路電壓的頻率與晶片本身的固有振動頻率(決定于晶片的外形、尺寸及切割方式等)相等, 則機械振動的振幅和它產(chǎn)生的交流電壓的幅值都會顯著增大, 這種現(xiàn)象稱為壓電諧振, 稱該晶體為石英晶體振蕩器, 或簡稱晶振。它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。其電路符號及等效電路如圖3-10所示。石英晶體電抗特性曲線如圖3-10所示。（3）石英晶體正弦振蕩電路石英晶體組成的正弦振蕩電路通常分為兩類，即并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩電路。電路分別如圖3-11所示.串聯(lián)型諧振電路如圖3-11所示。圖3-11 石英晶體振蕩正弦電路

9、二、非正弦信號產(chǎn)生電路1.方波信號發(fā)生電路方波產(chǎn)生電路是一種能夠直接產(chǎn)生方波或矩形波的非正弦信號發(fā)生電路。由于方波或矩形波包含極豐富的諧波，因此，這種電路又稱為多諧振蕩器。方波產(chǎn)生電路如圖3-12所示。如圖3-13所示畫出了在時的一個方波的典型周期內(nèi)輸出端及電容上的電壓波形。通常將矩形波為高電平的持續(xù)時間與振蕩周期的比稱為占空比。對稱方波的占空比為50%。如需產(chǎn)生占空比小于或大于50%的矩形波，只需適當改變電容的正、反向充電時間常數(shù)即可。實現(xiàn)此目標的一個方案如圖3-14所示。圖3-12方波產(chǎn)生電路圖3-13方波產(chǎn)生電壓波形圖3-14 產(chǎn)生小于或大于50%的矩形波的方案2.三角波和鋸齒波信號發(fā)生

10、電路三角波發(fā)生器的基本電路如圖3-15所示。集成運放構(gòu)成滯回電壓比較器，其反相端接地。集成運放同相端的電壓由和共同決定，。當時, ；當時，。圖3-15 三角波發(fā)生器的基本電路圖在電源剛接通時，假設(shè)電容器初始電壓為零，集成運放輸出電壓為正飽和電壓值, 積分器輸入為，電容開始充電，輸出電壓開始減小，值也隨之減小，減小到時，由正值變?yōu)榱悖瑴乇容^器翻轉(zhuǎn)，集成運放的輸出。當時，積分器輸入負電壓，輸出電壓開始增大，值也隨之增大，當增加到時，由負值變?yōu)榱悖瑴乇容^器翻轉(zhuǎn), 集成運放的輸出。其輸出波形如圖3-16所示。圖3-16 三角波輸出波形圖三角波發(fā)生器電路中, 輸出是等腰三角形波。如果人為地使三角形兩

11、邊不等,這樣輸出電壓波形就是鋸齒波了。簡單的鋸齒波發(fā)生器電路如圖3-17所示。其波形輸出如圖3-18所示。圖3-18 鋸齒波發(fā)生器輸出電壓波形圖3.集成信號發(fā)生器（1）集成函數(shù)發(fā)生器MAX0381） MAX038芯片介紹圖3-17 鋸齒波發(fā)生器基本電路圖MAX038其引腳結(jié)構(gòu)如圖3-19所示：圖3-19 MAX038其引腳結(jié)構(gòu)圖MAX038可以產(chǎn)生正弦波、方波或三角波。具體的輸出波形由地址A0和A1的輸入數(shù)據(jù)進行設(shè)置，如表1所示。波形切換可通過程序控制在任意時刻進行，而不必考慮輸出信號當時的相位。A1A0輸出波形1任意正弦波00矩形波01三角波（2） MAX038芯片的典型應(yīng)用電路正弦交流信號

12、是一種應(yīng)用極為廣泛的信號。他通常作為標準信號，用于電子電路的性能試驗或參數(shù)測量。另外，在許多測試儀器中也需要用標準的正弦信號檢測一些物理量。根據(jù)上述使用表一 地址A0和A1的輸入數(shù)據(jù)進行設(shè)置圖3-20 MAX038芯片的典型應(yīng)用電路原則，給出正弦波輸出的工作電路，如圖3-20所示。MAX038與其他集成芯片和阻容元件還可以構(gòu)成電壓控制振蕩器、頻率調(diào)制器、脈沖調(diào)制器、頻率合成器等。在生產(chǎn)和科研中得到廣泛的應(yīng)用。2） 555集成信號發(fā)生器555定時器電路是一種中規(guī)模集成定時器，目前應(yīng)用十分廣泛。通常只需外接幾個阻容元件,就可以構(gòu)成各種不同用途的脈沖電路,如多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及施密特觸發(fā)器等

13、。555定時電路有TTL集成定時電路和CMOS集成定時電路,它們的邏輯功能與外引線排列都完全相同。 雙極型產(chǎn)品型號最后數(shù)碼為555，CMOS型產(chǎn)品型號最后數(shù)碼為7555。學生認真學習，記錄相關(guān)內(nèi)容1引導學生建立分析問題的方法。2對學生進行知識儲備。計劃計劃：在教師的指導下，分組討論，根據(jù)故障現(xiàn)象及所學知識寫出針對故障的分析報告，列出可行的實施方案。決策決策：各小組根據(jù)分析結(jié)果進行實施方案的確定。實踐與操作操作與實踐：1、 觀察信號發(fā)生器的安裝。2、 通過模型了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3、 查閱手冊了解信號發(fā)生器故障時的報警方式。4、 針對報警分析故障原因。5、 分組討論完成實踐報告。讓學生掌握理解相關(guān)的知識檢查檢查：檢查學生的學習筆記及分析報告，鼓勵學生