信号波形发生器的制作与设计

波形变换器的制作与设计

本信号发生器利用积分电路和电压比较器构成信号的发生电路，把积分器的输出信号作为电压比较器的输入，而电压比较器的输出信号作为积分器的输入，这样就同时产生了同频率的三角波和方波，而且三角波的幅度不会随方波频率的变化而变化。本设计中选用了双运放集成电路LM353为核心电路，实现了方波和三角波的频率连续可调输出。技能目标①会识别低频信号发生器中各种常用元器件，掌握其检测方法②学会识读低频信号发生器的原理图、装配图等③掌握组装工艺要求④掌握低频信号发生器的测量方法与调试方法,熟练掌握万用表、双踪示波器的使用方法技能目标知识目标知识目标①掌握低频信号发生器电路结构图和各组成部分的作用②掌握集成运算放大电路的主要参数③掌握集成运算放大电路的常见应用电路制作设计制作与设计要求①掌握波形变换器的设计方法和测试技术②了解波形变换器设计思路③掌握印制导线设计的要求，掌握印制电路板焊盘的设计要求④掌握印制电路板的热转印法⑤了解IC集成电路的工作原理和应用⑥学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统任务一电子元器件的识别、作用和检测

制作本信号发生器元器件用到的主要元器件如表4-1所示。操作1判别晶体管的好坏(1)电阻器的检测电阻器的检查主要包括外观检查和阻值检查。外观检查主要检查电阻体表面是否有破裂、变色发黑现象，引脚是否有折损、裂痕现象。电阻阻值的检查主要是依据万用表来实现的，具体方法如下。

1）根据电阻器的标志方法读取电阻器的标称阻值，目前电阻器主要用的是色标法，在本机中为了提高输出信号频率的准确性，电阻器多采用了五色环标识的金属膜电阻器，例如51kΩ的电阻器的标识为“绿棕黑红棕”五条色环，允许偏差为±1%。

2）根据电阻器的标称阻值选择量程，一般要求测量时指针指于表盘的2/3右侧。以51k的电阻器为例，就可以选择×10k电阻挡为合适。

3）对碰两支表笔，调节调零电位器，使指针指于电阻挡的零刻度线上。操作2使用万用表检测元器件4）用两支表笔碰接电阻器的两引脚（注意：两只手不要同时碰触到电阻器的两支引脚），测量电阻器的阻值。测量值应在标称值的允许偏差之内，电阻器可以认为是合格的。具体方法参考图4-1所示。操作2使用万用表检测元器件(2)电容器的检测电容器的检查主要包括外观检查和容值检查。外观检查主要检查电容器体表面是否有破裂，引脚处是否有电解液流出现象，引脚是否有折损、裂痕现象。电阻的容值的检查主要是依据万用表对电容充电，观察是否有充电过程来实现的，当然也可以用电容表来检测，具体方法如下。

1）根据电容器的标志方法读取电容器的标称容值，目前电容器中大容量的电容器主要用的是直标法，例如电解电容器，读数简单直观，而小容量的电容器主要采用的是数码法，比如小的瓷介电容器，103表示的是10×103pF＝0.01μF。

2）根据电容器的标称容值选择万用表的量程，一般大容量的电容器采用小倍率量程，小容量的电容器采用大倍率的量程，例如0.01μF的电容器就要用到最大的10k挡了。操作2使用万用表检测元器件3）用一支表笔碰接电容器的两引脚，进行放电，防止电容器中保存的高电压损坏万用表。再用两支表笔碰接电容的两脚，观察指针的摆动情况。指针应该先向右侧零处摆动，然后再向左侧∞处回摆，小容量的电容器指针应能回∞处，否则就已经漏电了，不能使用。大容量的电解电容器可能回不到∞处，但也应尽量靠近。另外电解电容器正反向测量时的电阻值不完全一样。

4）部分容量的电容器可以利用数字万用表上的电容挡直接测量容值，检测电容器的好坏。电容器的用机械47型万用表R×100Ω挡测量100μF电容，具体测量方法参考表4-2所示。操作2使用万用表检测元器件(3)电位器的检测电位器的检测也分为外观检测与电气检测。外观上用手扭动电位器手柄，应该平滑自如，不能感到涩滞。再用万用表检测两个固定电阻端的阻值应该与标称值一致，一个表笔放在固定端，一个放在变阻端，慢慢转动手柄，万用表指针应当平稳地从零到标称值间平滑转动，不能有跳变。具体测量方法如图4-2所示。操作2使用万用表检测元器件（4）变压器的检测变压器的外观检测，主要是通过观察变压器的外貌来检查其是否有明显异常现象。如线圈引线是否断裂、脱焊，绝缘材料是否有烧焦痕迹，铁心紧固螺杆是否有松动，硅钢片有无锈蚀，绕组线圈是否有外露等。用万用表电阻挡检测每个绕组的两个端子间电阻，不能是∞，用万用表R×10kΩ挡分别测量铁心与一次侧端、一次侧端与各二次侧端、铁心与各二次侧端、静电屏蔽层与二次侧端、二次侧端各绕组间的电阻值。万用表指针均应指在无穷大位置不动，否则，说明变压器绝缘性能不良。测量方法如图4-3所示。操作2使用万用表检测元器件（5）二极管的检测用万用表电阻挡检测二极管的单向导电性。万用表拨于R×1kΩ，用两支表笔分别碰触两支引脚，测量二者间电阻值，再将表笔对调，再测一次。两次电阻值应该有明显的变化，一次阻值很大（几百千欧以上），一次阻值很小（几千欧），说明二极管具备单向导电性，性能是好的。测量电阻值小的一次黑色表笔接触的是二极管的阳极，红表笔接触的是阴极。具体测量方法如图4-4所示。操作2使用万用表检测元器件（6）八位数码管的检测八位数码管检测可以用万用表R×10kΩ电阻挡，红色表笔接公共阴极，黑色表笔分别检测每一发光段的电极，同时该发光段应该能亮。（7）多层转换开关用万用表电阻挡分别检测每一层开关，当转动手柄时，相应触点与公共触点间电阻是零。同时所有层的相应触点也必须同时导通，如图4-5所示。操作2使用万用表检测元器件（8）熔断器座与熔断器的测量熔断器座从外观上检查，管座与管帽应当安装紧密，螺纹无滑丝现象，无破损，管座内的弹簧弹性好。熔断器的熔丝完好。（9）船形开关的检测用手拨动开关时应当清脆自如，拨动开关时用万用表电阻挡检测接线柱应当接触良好。（10）三端稳压器的检测外观检测三端稳压器应当完好，无破裂现象，引脚无裂痕。用万用表测量各引脚之间的电阻值，若测得某两脚之间的正、反向电阻值均很小或接近0Ω则可判断该集成稳压器内部已击穿损坏。操作2使用万用表检测元器件（11）印制电路板的检测印制电路板的检测主要是外观检测，整个电路板不能有机械损伤，不破不裂。敷铜不能有断裂的现象，焊盘无开胶现象，用万用表测量过孔，保证内部无断条现象。（12）电源线的检测检测电源线首先要观察电源线的绝缘层不能有损伤，插头不能有松动现象。用万用表电阻挡分别检测插头与引线端子间的电阻应该都是零，测量时适当地摇晃导线，保证导线内部也没有折断的现象。（13）螺钉的检测螺钉与螺母要求螺纹平整无毛刺，无滑丝现象。操作2使用万用表检测元器件任务二印制电路板的热转印法制作

印制电路板（PCB）用热转印法制作。转移印刷是转移特种印刷技术之一。热转移印刷是一种通过施热施压的方式，实现中间载体上的图文信息转移于承印物表面或表层的工艺形式，简称为热转印。

1）实现热转印的必备条件如表4-3所示。2)具体操作步骤如表4-4所示。任务三波形变换器的安装工艺

线路板的安装工艺，如图4-6和图4-7所示。

1）贴板安装的元件：电阻、二极管、电容的整形、安插、焊接。电阻体贴紧电路板（1mm以内），剪脚后留头约1～2mm。2）立式安装的元器件：三端稳压器、大容量电容整形、安插、焊接。电容器注意极性，底部尽量贴近线路板，剪脚留头1～２mm，大容量电容应尽量固定，三端稳压器需要加装散热片。

3）集成电路的安装：安装集成电路LM353时，注意安装方向，不可装反。焊接时间要短，一般在3s左右，如果超过3s没有焊好，应先焊其他引脚，回来再焊此脚。焊接时，应拔下烙铁用余热焊接，防止静电损坏集成电路，也可以焊接集成管座。

4）连接线加工、焊接：注意不要损伤绝缘，外露的线头不可过长，以防短路。

5）八段数码管安插、焊接：小数点在右下角，直立焊接。

6）装配转换开关：①与线路板1连接线焊接；②与线路板2连接线焊接；③转换开关间连接短线加工、焊接；④固定于前面板上，锁紧螺母，固定牢固。

7)电位器：固定于前面板上，锁紧螺母，固定牢固。8)信号输出端子：固定于前面板上，锁紧螺母，固定牢固。

9)全部组装完的实物图，如图4-8所示。任务四波形变换器的调试与常见故障检修

用排线连接两块电路板，组装成信号发生器整机。检查电路板上的焊接是否有错焊、漏焊、连焊、虚焊的现象，如果有，要先进行修理。图4-9所示就是敷铜断裂现象修理，需要将敷铜断裂处附近铜片上的阻焊漆清理干净，再用烙铁将二者连焊起来，如果断裂处过大，还需要“飞线”处理。操作1调试前准备

通电后，首先测量电路板交流输入电压，确定变压器工作正常，如图4-10所示。操作2调试电源部分

分别测试各路直流电压，确定电源电路是否工作正常，如图4-11所示。操作2调试电源部分

测量集成运算放大器LM358的电源脚8脚和4脚的供电电压，是否正常，如图4-12所示。操作2调试电源部分

调整输出信号频率，用示波器检测其幅度与频率，看与标称输出频率之间的误差，再调整频率选择回路的元件参数。测量方法如图4-13所示。操作3输出波形调试任务五波形变换器设计思路（1）波形变换器指标和性能的确定

1）该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波。

2）波形变换器以集成运放和晶体管为核心进行设计。

3）指标：输出波形：正弦波、三角波、方波；频率范围：1～10Hz，10～100Hz；输出电压：方波UP-P≤12V，三角波UP-P=8V。操作1波形变换器设计思路（2）波形变换器的电路设计思路依据以上实训操作的过程，可以总结出波形变换器电路的设计思路。由波形变换器的指标和性能，就可以进行电路的设计工作。由于要求同时产生同频率的三角波和方波，而且三角波的幅度不会随方波频率的变化而变化，实现方波和三角波的频率连续可调输出。所以应以集成运算放大器和晶体管为核心进行设计。结合专业课的知识选择以集成运算放大器和晶体管为核心进行设计能满足性能的要求。接下来的问题就是进行简单的计算、画出草图，选择元器件参数（满足带负载的能力），搭建电路进行试验。综上所述，波形变换器电路的设计思路框图同调光灯电路（见图3-4）。操作1波形变换器设计思路（1）低频信号发生器的框图低频信号发生器的整机电路分为电源、显示电路和信号发生电路三大模块，如图4-14所示。操作2波形变换器电路框图与原理图（2）低频信号发生器的原理图

1）电源电源电路采用变压器降压，将220V交流电降压为双28V和5V交流电，再经桥式整流、电容滤波后，然后经集成稳压块稳压，得到±12V直流电压，给集成运算放大电路供电。5V交流电压经桥式整流、电容滤波后，再经集成稳压块稳压，给显示电路供电，如图4-15所示。2）波形发生电路。波形发生器部分电路如图4-16所示，A1为积分器，A2为回差电压比较器。积分器A1的输出信号送到回差电压比较器A2的输入端，再将A2输出的方波回送于积分电路的输入端。此电路的工作过程是，当电压比较器输出低电平-UO2时，积分器的输出电压UO1又低于上限比较电平UTH1=（R3/R4）UO2

时，由于电压比较器同相端电压为负，U＋<0，则电压比较器输出维持低电平-UO2。此时积分器A1在输入电压-UO2的作用下，输出电压UO1按恒定斜率正向积分，当积分器输出电压UO1上升到上限比较电平UTH1时，电压比较器输出电压为高电平＋UO2。操作2波形变换器电路框图与原理图3）显示电路。显示电路采用了三支共阴极的八段数码管，利用两个五层十位的转换开关进行编码控制显示频率，如图4-17所示。操作2波形变换器电路框图与原理图（3）低频信号发生器的元器件布置图低频信号发生器的元器件布置图如图4-18所示。操作2波形变换器电路框图与原理图任务六印制电路板图的设计

主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度、走线短、交叉少、电源、地线的路径及去耦等方面考虑。各部件位置定出后，就是各部件的连线，按照电路图连接有关引脚。有关印制电路板总体和具体布线原则，如表4-5所示。操作1印制电路板布线的设计原则有关印制导线设计的要求，如表4-6所示。操作2印制导线设计的要求

焊盘是焊电子元件时，元件引脚与电路连接的部分。通常其形状为圆形、也有长圆形，如图4-19所示。其要求如表4-7所示。操作3印制电路板焊盘的设计要求任务七常用数字式测量仪器的正确使用

数字万用表是三位半液晶显示小型数字万用表。它可以测量交、直流电压和交、直流电流，电阻、电容、晶体管β值、二极管导通电压和电路短接等，由一个旋转波段开关改变测量的功能和量程，共有30挡。本万用表最大显示值为±1999，可自动显示“0”和极性，过载时显示“1”或“-1”，电池电压过低时，显示“←”标志，短路检查用蜂鸣器。操作1数字万用表（AT9205B型数字万用表）1）交/直流电压（交流频率为45～500Hz）：量程分别为200mV、2V、20V和1000五挡，直流精度为±（读数的0.8％＋2个字）以下，交流精度为±（读数的1％＋5个字）；输入阻抗，直流挡为10MΩ，交流挡为10MΩ、100pF。

2）交/直流电流：量程分别为200μA、2mA、200mA和10A五挡，直流精度为±（读数的1.2％＋2个字），交流精度为±（读数的2.0％＋5个字），最大电压负荷为250mV（交流有效值）。

3）电阻：量程分别为200Ω、2kΩ、200kΩ、20MΩ和200MΩ六挡。精度为±（读数的2.0％＋3个字）。

4）二极管导通电压：量程为0～1.5V，测试电流为（1±0.5）mA。

5）晶体管β值检测：测试条件为UCE＝2.8V，IB＝10μA。

6）短路检测：测试电路电阻小于（20±10）Ω。操作1数字万用表（AT9205B型数字万用表）（2）使用前的检查与注意事项

1）将电源开关置于“ON”状态，显示器应有数字或符号显示。若显示器出现低电压符号，应立即更换内置的9V电池。

2）表笔插孔旁的符号，表示测量时输入电流、电压不得超过量程规定值，否则将损坏内部测量线路。

3）测量前旋转开关应置于所需量程。测量交/直流电压或交/直流电流时，若不知被测数值的高低，可将转换开关置于最大量程挡，根据测量值再调整到合适量程重新测量。

4）显示器只显示“1”，表示量程选择偏小，转换开关应置于更高量程。

5）在高压线路上测量电流、电压时，应注意人身安全。操作1数字万用表（AT9205B型数字万用表）（3）万用表的操作方法如表4-8所示为万用表的操作方法。操作1数字万用表（AT9205B型数字万用表）

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。(1)面板简介实物图与面板图如图4-20所示。操作2数字频率计（2）功能键功能键共设置以下3个挡位。挡位1:50MHz～2.4GHz量程,B通道，测量单位显示“MHz/ms”(窗口后部显示)。挡位2:2～50MHz量程,A通道，测量单位显示“MHz/ms”(窗口后部显示)。挡位3:0.01Hz～2MHz量程,A通道，测量单位显示“kHz/s”(窗口后部显示)。以上三挡为测量频率挡位,“频率”指示灯亮(在窗口前端)。操作2数字频率计（3）其他键周期键：当按下此按键时，本仪器进入周期测量状态。确定键：当按下此按键时，本仪器将按设定状态开始工作。

AC/DC键：此按键为交/直流耦合转换开关，此按键按下时为直流测量，弹起时为交流测量。复位键：当仪器出现异常状态时,按一下,则仪器可恢复到正常初始状态并继续工作。

ATT键：此键为A通道衰减按键，即将通道A的输入信号幅度进行适当的衰减处理，然后再送往后级处理。输入信号过大时使用此键以防止大信号伤害本机，当信号小于Vp-p时可不用此键。此按键弹起时本机进入不衰减测量状态，此按键按下时本机进入衰减“20dB”测量状态。操作2数字频率计（4）后面板说明电源开关、AC220V/110V电源转换开关、AC220V/110V电源电缆插座、熔丝盒（内装200mA的熔断器）。（5）操作步骤使用要求:电源要求:AC220V/110V±10%，50/60Hz,最大消耗功率为5W。预热要求:测量前应预热20分钟以保证晶体振荡器的