CN202887564U - 一种函数信号发生功能模块组合实验仪 - Google Patents

一种函数信号发生功能模块组合实验仪 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种函数信号发生功能模块组合实验仪，包括函数信号发生模块和/或乘法器模块及基准信号源模块；函数信号发生模块单独或同乘法器模块及基准信号源模块组合而构成；函数信号发生模块用于独立完成生成方波、三角波或正弦波的输出。本实用新型就是实现一种从函数信号的产生到函数信号波型观察及参数测量这样完整过程的实验仪器，学生根据对函数信号产生的电路的理解，通过在该仪器上连线参数调试，输出正确的方波，三角波及正弦波，掌握函数信号产生的物理电学过程。

Description

一种函数信号发生功能模块组合实验仪
技术领域
本发明涉及物理电学实验仪器技术领域，特别涉及一种函数信号发生功能模块组合实验仪。
背景技术
当前的物理电学实验当中，无论是在中学还是大学 ，学生在做函数信号发生的实验时，均以观察函数信号波形和测量函数信号的频率及其电学参数为主。这样，学生只能了解函数信号的产生后的电学特性，而对于如何产生函数信号的物理电学过程无法从实验中实践和感受。如此，导致学生“知其然，而不知其所以然”，无法真正掌握函数信号的物理电学过程和特性，无法践行物理学“探索事物本质”的治学态度。
为解决这一问题，就需要有能够实现从函数信号的产生过程到函数信号波型观察及参数测量这样完整过程的实验仪器。
然而，当前的函数信号发生器装置，无论是模拟函数信号发生器还是数字函数信号发生器，均为直接输出函数信号的设计，无法满足这样的需求。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有函数信号发生器装置的技术不足，提供一种函数信号发生功能模块组合实验仪。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种函数信号发生功能模块组合实验仪，包括函数信号发生模块和/或乘法器模块及基准信号源模块；函数信号发生模块单独或同乘法器模块及基准信号源模块组合而构成；函数信号发生模块用于独立完成生成方波、三角波或正弦波的输出。
优选地，函数信号发生模块包括浮置电流源模块、电流阱电流源模块、上限电压比较器模块、下限电压比较器模块、充放电电容模块、电子开关及控制模块、缓冲器模块与非线性转换电路模块；浮置电流源模块与电流阱电流源模块均为压控电流源，用于将输出电流在电阻上产生的压降作为负反馈信号；浮置电流源模块与电流阱电流源模块通过旋钮调节由内部电压控制或者由外部电压控制；上限电压比较器模块为+1V的上限电压比较器；下限电压比较器模块为-1V的下限电压比较器；充放电电容模块由一个标准电容和一个可调电容构成；电子开关及控制模块由一个单片机模拟的RS触发器和一个多路复用器做成的电子开关构成；缓冲器模块用于隔离波形发生电路和负载,使波形信号输出端的输出电阻足够低,以增强带负载能力；非线性转换电路模块用于将三角波转换为正弦波。
优选地，浮置电流源模块的输入端与正电源接通，浮置电流源模块的输出端与充放电电容模块的正极连接，充放电电容模块的负极与电流阱电流源模块的负极及负电源连接，电流阱电流源模块的正极与充放电电容模块的正极之间跨接有开关K；缓冲器模块包括第一缓冲电路，充放电电容模块的正极还与第一缓冲电路的输入端连接, 第一缓冲电路的输出端输出三角波。
优选地，浮置电流源模块的输入端与正电源接通，浮置电流源模块的输出端与充放电电容模块的正极连接；充放电电容模块的负极与电流阱电流源模块的负极及负电源连接，电流阱电流源模块的正极与充放电电容模块的正极之间跨接有开关K；充放电电容模块的正极还与上限电压比较器模块及下限电压比较器模块的输入端连接，上限电压比较器模块的输出端与电子开关及控制模块的R＇输入端连接，下限电压比较器模块的输出端与电子开关及控制模块的S输入端连接，电子开关及控制模块的Q输出端控制开关K；缓冲器模块包括第二缓冲电路，电子开关及控制模块的 Q＇端与第二缓冲电路的输入端连接, 第二缓冲电路的输出端输出方波。
优选地，浮置电流源模块的输入端与正电源接通，浮置电流源模块的输出端与充放电电容模块的正极连接，充放电电容模块的负极与电流阱电流源模块的负极及负电源连接，电流阱电流源模块的正极与充放电电容模块的正极之间跨接有开关K；缓冲器模块包括第一缓冲电路，充放电电容模块的正极还与第一缓冲电路的输入端连接, 第一缓冲电路的输出端与非线性转换电路模块的输入端连接, 非线性转换电路模块的输出端输出正弦波。
优选地，乘法器模块采用乘法器专用芯片实现。
优选地，基准信号源模块采用数字合成技术。
优选地，基准信号源模块是基于单片机的数字波形发生器，利用AVR单片机模拟DDS专用芯片，从而在满足需求的情况下降低成本；基准信号源模块的输入是波形选择旋钮开关和频率选择旋钮开关，输出数字信号经过一个R-2R电阻网络作为模-数转换，经过放大滤波电路到达输出端；基准信号源模块通过波形选择旋钮选择方波、三角波或正弦波；基准信号源模块通过频率选择旋钮选择频率100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz或5000Hz。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：本发明是根据函数信号产生的物理电学过程，将函数信号发生器模块功能化的思想升华，设计出的一种函数信号发生功能模块组合实验仪。本发明就是实现一种从函数信号的产生到函数信号波型观察及参数测量这样完整过程的实验仪器，学生根据对函数信号产生的电路的理解，通过在该仪器上连线参数调试，输出正确的方波，三角波及正弦波，掌握函数信号产生的物理电学过程。本发明由以上3大部分总共10个模块组成。这10个模块并非机械地放在一起，而是一种有机地组合。通过不同地模块组合连接，实现不同的功能，完成不同的实验，实现从函数信号的产生到函数信号波型观察及参数测量这样完整过程的组合实验。学生在做实验时不但要懂得各模块的连接关系，还要会调整电流电容参数才能完成实验，就这促使学生掌握函数信号发生的物理电学原理，其带来的有益效果是显而易见的。
附图说明
图1是本发明的组成框图；
图2是函数信号发生器模块的设计原理图；
图3是本发明的仪器面板图；
图4是输出三角波、矩形波的面板连线图；
图5是输出正弦波的面板连线图；
图6是信号相乘输出面板连线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例1
如图1所示，本发明分为三个大部分，即函数信号发生模块，乘法器模块和基准信号源模块。其中：
（一）函数信号发生模块：该模块是受ICL8038这种经典的函数发生器专用芯片的内部原理的启发而设计。如图3所示，函数信号发生模块包括如下8个模块：
（1）浮置电流源模块:其输出电流在一定范围可调，并且可以从外部输入。
（2）电流阱电流源模块：其输出电流在一定范围可调，并且可以从外部输入。其电流灌入的低电位端为电子开关及控制模块的Ｉ2输入电流。
（3）上限电压比较器模块: +1V的上限电压比较器。
（4）下限电压比较器模块：-1V的下限电压比较器。
（5）充放电电容模块: 由一个标准电容和一个可调电容组成。
（6）电子开关及控制模块:由一个单片机模拟的RS触发器和一个多路复用器做成的电子开关构成。
（7）缓冲器模块: 用于隔离波形发生电路和负载,使波形信号输出端的输出电阻足够低,以增强带负载能力。
（8）非线性转换电路模块: 用于将三角波转换为正弦波。
浮置电流源模块与电流阱电流源模块均为压控电流源，把输出电流在电阻上产生的压降作为负反馈信号，可选择由内部电压控制（通过旋钮调节）或者由外部电压控制。
电子开关及控制模块是基于单片机控制的信号控制模拟开关，以上限输入与下限输入作为触发信号，控制输出端接通I1输入或I2输入。电子开关触发控制部分用C51单片机模拟。根据上限输入与下限输入的触发信号，单片机会输出相应的控制信号，实现两个电流源输入的切换。
缓冲器模块的电路为一应用运算放大器OP07实现的电压跟随器，增强信号的带负载能力。
非线性转换电路模块，根据输入电压的阈值选择适当的放大系数，从而实现三角波到正弦波的转换。由于直接转换的输出波形失真较大，故在非线性转换电路输出前先对信号进行低通滤波。低通滤波电路采用MAX293，这是一种8阶椭圆开关低通电容滤波器，其滚降速度非常，从通频带到阻带可以做得很窄，尽可能减少输出的附带高次谐波，使输出的正弦波失真非常小。
上限比较器模块及下限比较器模块应用LM393作为比较器。对于上限比较器模块，上限电压设为+1V，当输入信号电位大于+1V时，上限比较器模块输出变为低电平。同理对于下限比较器模块，当输入信号电位小于-1V时，下限比较器输出变为低电平。上限比较器模块及下限比较器模块的输出信号一般作为电子开关模块的触发信号。
其原理如下：给装置连好线通电后，充放电电容模块的电容C的电压为0V。根据上限电压比较器模块及下限电压比较器模块的电压传输特性，上限电压比较器模块和下限电压比较器模块的输出电压均为低电平；因而RS触发器的输出Q为低电平，Q’为高电平；使开关S断开，浮置电流源模块的恒流源I1对电容充电，充电电流为：
                    Ｉ1=ＩS1
因为充电电流是恒流，所以充放电电容模块的电容C上的电压UC随时间的增长而线性上升。当UC上升到1V时，上限电压比较器模块的输出电压跃变为高电平，电子开关机控制器模块即图3中的RS触发器被置位，Q端变为高电平，导致开关S闭合，电容开始放电，放电电流为：Ｉ2－Ｉ1=ＩS2。
因为放电电流是恒流，所以充放电电容模块的电容C上的电压UC随时间的增长而线性下降。当UC下降到-1V时，下限电压比较器模块的输出电压跃变为低电平， RS触发器被复位，Q端变为低电平，使得开关S断开，电容C又开始充电，重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。当充电电流与放电电流相等时，充放电电容模块的电容C上的电压为三角波，Q（或Q’）为方波，经缓冲器模块输出三角波和方波。三角波通过感触波变正弦波电路输出正弦波电压。通过以上分析可知，改变电容充放电电流，可以输出空比可调的矩形波和锯齿波。
由电容电流电压关系：U=（1/C）∫Idt。
且I为恒流，可得充放电时间：T=UC/I；而U=+1V，C为已知值。这样就可以根据I的值计算出充放电时间T1，T2。于是我们可以得到输出信号的频率f以及方波的占空比W。
（二）乘法器模块：与函数信号发生模块和基准信号源组合，进行模拟乘法实验和信号调制实验。本发明中应用乘法器专用芯片实现 ，性能稳定，外围电路简单。乘法器模块应用AD835模拟乘法器芯片实现，设输入信号分别为X、Y，输出信号为W，则W、X、Y满足关系，W=XY。
（三）基准信号源模块：该模块作为函数信号发生模块的参考和基准，需要较高的频率精度和波形精度，故本模块应用数字合成技术。
基准信号源模块是基于单片机的数字波形发生器，利用AVR单片机模拟DDS专用芯片，从而在满足需求的情况下降低成本；基准信号源模块的输入是波形选择旋钮开关和频率选择旋钮开关，输出数字信号经过一个R-2R电阻网络作为模-数转换，经过放大滤波电路到达输出端；基准信号源模块通过波形选择旋钮选择方波、三角波或正弦波；基准信号源模块通过频率选择旋钮选择频率100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz或5000Hz。
本实施例中，如图2和4所示，浮置电流源模块的输出端与电子开关及控制模块的I1输入端连接，电流阱电流源模块的电流灌入端正极接电子开关及控制模块的I2输入端，浮置电流源模块与电流阱电流源模块均选择手动档。I输出接标准电容，再接到第一缓冲器电路的输入端，该输出还接到上、下限比较器模块的输入端。上、下限比较器模块的输出端分别与电子开关及控制模块的上限输入端、下限输入端连接。电子开关及控制模块电子开关根据当前电容C的端电压，把输出切换到相应的电流输入端，根据电容的电流与电压等式：                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
可知恒流源对电容C充电，电容C两端电压与时间成线性关系，由此可知通过浮置电流源模块与电流阱电流源模块对电容C轮流充、放电可在电容C两端产生三角波。
实施例2
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：如图2和4所示，浮置电流源模块的输入端与正电源接通，浮置电流源模块的输出端与充放电电容模块的正极连接；充放电电容模块的负极与电流阱电流源模块的负极及负电源连接，电流阱电流源模块的正极与充放电电容模块的正极之间跨接有开关K；充放电电容模块的正极还与上限电压比较器模块及下限电压比较器模块的输入端连接，上限电压比较器模块的输出端与电子开关及控制模块的R＇输入端连接，下限电压比较器模块的输出端与电子开关及控制模块的S输入端连接，电子开关及控制模块的Q输出端控制开关K；缓冲器模块包括第二缓冲电路，电子开关及控制模块的 Q＇端与第二缓冲电路的输入端连接, 第二缓冲电路的输出端输出方波。
实施例3
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：如图2和5所示，就是在输出三角波的基础上，第一缓冲电路的输出端就（即三角波的输出端）与非线性转换电路模块的输入端连接, 非线性转换电路模块的输出端输出正弦波。
实施例4
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：如图2和6所示，非线性转换电路模块输出的正弦波与基准信号源模块的输出信号相乘，相乘的结果输出到乘法器模块的输出端。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种函数信号发生功能模块组合实验仪，其特征在于：包括函数信号发生模块和/或乘法器模块及基准信号源模块；函数信号发生模块单独或同乘法器模块及基准信号源模块组合而构成；函数信号发生模块用于独立完成生成方波、三角波或正弦波的输出。
2.根据权利要求1所述的函数信号发生功能模块组合实验仪，其特征在于：函数信号发生模块包括浮置电流源模块、电流阱电流源模块、上限电压比较器模块、下限电压比较器模块、充放电电容模块、电子开关及控制模块、缓冲器模块与非线性转换电路模块；浮置电流源模块与电流阱电流源模块均为压控电流源，用于将输出电流在电阻上产生的压降作为负反馈信号；浮置电流源模块与电流阱电流源模块通过旋钮调节由内部电压控制或者由外部电压控制电流大小；上限电压比较器模块为比较电压为+1V的上限电压比较器；下限电压比较器模块为比较电压为-1V的下限电压比较器；充放电电容模块由一个标准电容和一个可调电容构成；电子开关及控制模块由一个单片机模拟的RS触发器和一个多路复用器做成的电子开关构成；缓冲器模块用于隔离波形发生电路和负载,使波形信号输出端的输出电阻足够低,以增强带负载能力；非线性转换电路模块用于将三角波转换为正弦波。
3.根据权利要求2所述的函数信号发生功能模块组合实验仪，其特征在于：浮置电流源模块的输入端与正电源接通，浮置电流源模块的输出端与充放电电容模块的正极连接，充放电电容模块的负极与电流阱电流源模块的负极及负电源连接，电流阱电流源模块的正极与充放电电容模块的正极之间跨接有开关K；充放电电容模块的正极还与上限电压比较器模块及下限电压比较器模块的输入端连接，上限电压比较器模块的输出端与电子开关及控制模块的R＇输入端连接，下限电压比较器模块的输出端与电子开关及控制模块的S输入端连接，电子开关及控制模块的Q输出端控制开关K；缓冲器模块包括第一缓冲电路，充放电电容模块的正极还与第一缓冲电路的输入端连接, 第一缓冲电路的输出端输出三角波。
4.根据权利要求2所述的函数信号发生功能模块组合实验仪，其特征在于：浮置电流源模块的输入端与正电源接通，浮置电流源模块的输出端与充放电电容模块的正极连接；充放电电容模块的负极与电流阱电流源模块的负极及负电源连接，电流阱电流源模块的正极与充放电电容模块的正极之间跨接有开关K；充放电电容模块的正极还与上限电压比较器模块及下限电压比较器模块的输入端连接，上限电压比较器模块的输出端与电子开关及控制模块的R＇输入端连接，下限电压比较器模块的输出端与电子开关及控制模块的S输入端连接，电子开关及控制模块的Q输出端控制开关K；缓冲器模块包括第二缓冲电路，电子开关及控制模块的 Q＇端与第二缓冲电路的输入端连接, 第二缓冲电路的输出端输出方波。
5.根据权利要求2所述的函数信号发生功能模块组合实验仪，其特征在于：浮置电流源模块的输入端与正电源接通，浮置电流源模块的输出端与充放电电容模块的正极连接，充放电电容模块的负极与电流阱电流源模块的负极及负电源连接，电流阱电流源模块的正极与充放电电容模块的正极之间跨接有开关K；缓冲器模块包括第一缓冲电路，充放电电容模块的正极还与第一缓冲电路的输入端连接, 第一缓冲电路的输出端与非线性转换电路模块的输入端连接, 非线性转换电路模块的输出端输出正弦波。
6.根据权利要求1所述的函数信号发生功能模块组合实验仪，其特征在于：乘法器模块采用乘法器专用芯片实现。
7.根据权利要求1-6任一项所述的函数信号发生功能模块组合实验仪，其特征在于：基准信号源模块采用数字合成技术。
8.根据权利要求7所述的函数信号发生功能模块组合实验仪，其特征在于：基准信号源模块是基于单片机的数字波形发生器，利用AVR单片机模拟DDS专用芯片；基准信号源模块的输入是波形选择旋钮开关和频率选择旋钮开关；基准信号源模块通过波形选择旋钮选择方波、三角波或正弦波；基准信号源模块通过频率选择旋钮选择频率100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz或5000Hz。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103150999A (zh) * 2013-03-29 2013-06-12 深圳市华星光电技术有限公司 一种led背光驱动电路和液晶显示装置
CN103744472A (zh) * 2013-12-17 2014-04-23 中国船舶工业集团公司第七〇八研究所 一种通用数字型信号发生系统
US9018859B2 (en) 2013-03-29 2015-04-28 Shenzhen China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd. LED backlight driving circuit and LCD device
CN113381733A (zh) * 2021-06-30 2021-09-10 杭州电子科技大学 一种双极性压控正交脉冲等多功能信号发生电路

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CN103150999A (zh) * 2013-03-29 2013-06-12 深圳市华星光电技术有限公司 一种led背光驱动电路和液晶显示装置
US9018859B2 (en) 2013-03-29 2015-04-28 Shenzhen China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd. LED backlight driving circuit and LCD device
CN103744472A (zh) * 2013-12-17 2014-04-23 中国船舶工业集团公司第七〇八研究所 一种通用数字型信号发生系统
CN113381733A (zh) * 2021-06-30 2021-09-10 杭州电子科技大学 一种双极性压控正交脉冲等多功能信号发生电路
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