學生實驗用信號發(fā)生器設計探討

李 瑩

（山東工商學院 信息與電子工程學院，山東 煙臺 264000）

信號發(fā)生器與示波器、萬用表等儀器一樣是實驗室的基本設備之一，目前學校使用的信號發(fā)生器雖然功能齊全，但價格昂貴，而且有功能浪費的跡象，由于學生初學，經(jīng)常使用不當，儀器損壞較嚴重。本設計的學生信號發(fā)生器結構簡單，取材少，主要以ICL8038為核心器件，配合鍵盤、LED顯示及放大電路等外圍設備，即可產(chǎn)生所需波形。該儀器具有成本低廉、體積小、結構簡單等特點，最主要的是可以根據(jù)學生實驗要求自行設計，使得資源最優(yōu)利用——功能完全匹配，而且學生可自行維修，既鍛煉了學生的動手能力，提高學生的學習興趣，又能督促學生愛護器材。

1 工作原理

本信號發(fā)生器采用集成電路ICL8038。這是一種性能優(yōu)良的單片函數(shù)信號發(fā)生器專用集成電路。僅需外接少量阻容元件，就可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波。通過外加直流電源可對振蕩頻率進行調(diào)節(jié)，雖頻率穩(wěn)定性差，但足以滿足學生實驗要求。信號發(fā)生器通電后，自動復位清零后等待工作。信號發(fā)生器工作原理：通過4×4鍵盤設置波形及其頻率值，經(jīng)CPU及ICL8038，通過八位LED同步顯示?？赏ㄟ^軟件按一定算法得到的任意波形的偏移碼表存放在外部數(shù)據(jù)存儲器（RAM），通過直接數(shù)字波形合成技術，再由D/A轉(zhuǎn)換電路濾波、功率放大后，輸出所需信號波形。調(diào)幅電路調(diào)整輸出信號的幅值。信號發(fā)生器復位后，停止輸出信號，復位清零，最后再次處于等待工作狀態(tài)。

2 硬件設計

2.1 穩(wěn)壓電源模塊

根據(jù)設計要求，系統(tǒng)需要±12V和+5V三種直流電源。設計原理為：220V交流電源通過變壓器隔離、橋式全波整流、電容濾波，再通過三端穩(wěn)壓器7812，7912，7805穩(wěn)壓后輸出±12V和+5V直流電源，為系統(tǒng)各個模塊供電。

2.2 信號發(fā)生模塊

ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需調(diào)整個別的外部元件就能產(chǎn)生從0.001～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)頻信號輸入端，所以還可以用來對低頻信號進行頻率調(diào)制。工作電源為±5V～±12V或+12V～+25V，該芯片由三角波振蕩電路、比較器、觸發(fā)器、三角波—正弦波變換電路、恒流源CS1、CS2等組成。

2.3 人機接口模塊

4×4的鍵盤是由16個鍵排成的4行×4列的矩陣，接到微型機的接口上。端口由8255A構成，其中端口A做輸出，端口B做輸入。矩陣的四條行線接到輸出端口A的PA3～PA0上，用程序能改變這四條線上的電平，四條列線接到輸出端口B的PB3～PB0上，四條行線還同時接到輸出端口B的PB3～PB0上。這樣，用輸入指令讀取B口狀態(tài)時，可同時讀取鍵盤的行列號。

3 軟件設計

數(shù)據(jù)采集法只需在計算機的控制下，利用數(shù)據(jù)采集卡采集外部信號，然后存儲到波形數(shù)據(jù)存儲器中，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)，形成信號波形。預制程序產(chǎn)生法是利用計算機屏幕上的軟件界面選擇具體的信號類型，然后調(diào)用此信號模型對應的數(shù)據(jù)產(chǎn)生程序，進行計算處理，生成數(shù)據(jù)點值后，由計算機控制，存儲到波形數(shù)據(jù)存儲器中，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)，形成信號波形。動態(tài)編輯法可以算是比較高級的軟件輸入法，其包括波形手繪法，輸入公式計算法，以及鍵盤輸入點值法。是利用計算機屏幕上的軟件界，利用鼠標繪制出波形，形成數(shù)據(jù)點值，接著存儲到波形數(shù)據(jù)存儲器中，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)，形成信號波形。本設計采用了預置程序法，由于信號發(fā)生器是想主要針對學生，因此，選用較簡單又能滿足其實驗要求的即可，不需極其高端的方法。

系統(tǒng)的軟件程序是信號發(fā)生器的核心部分。軟件包括控制模塊、波形數(shù)據(jù)生成模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、顯示模塊、輸入模塊以及采集模塊?？刂颇K主要是控制程序，控制其他所有器件間控制信息和數(shù)據(jù)信息的傳遞，控制和協(xié)調(diào)各器件和模塊的動作。波形數(shù)據(jù)生成模塊包括各種信號的數(shù)據(jù)產(chǎn)生程序，主要完成波形數(shù)據(jù)的計算。數(shù)據(jù)輸出模塊不僅包括數(shù)據(jù)輸出程序還包括數(shù)據(jù)輸入程序，完成數(shù)據(jù)存儲、外送數(shù)據(jù)和控制信號的功能。顯示模塊涵蓋顯示程序，實現(xiàn)屏幕可視化。輸入模塊完成接受輸入的各種數(shù)據(jù)和參數(shù)。采集模塊又稱讀取模塊，包括數(shù)據(jù)采集程序和磁盤讀取程序，完成從第三方接收數(shù)據(jù)的功能。

4 系統(tǒng)檢測設計

用已有正常示波器與此信號發(fā)生器相連接，根據(jù)輸入分析輸出波形，與示波器波形進行比對，若完全吻合，則成功完成，否則需從新檢。