學生實驗用信號發生器設計探討

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，經常使用不當，儀器損壞較嚴重。本設計的學生信號發生器結構簡單，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學生實驗要求自行設計，使得資源最優利用——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

本信號發生器采用集成電路ICL8038。這是一種性能優良的單片函數信號發生器專用集成電路。僅需外接少量阻容元件，就可以產生正弦波、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節，雖頻率穩定性差，但足以滿足學生實驗要求。信號發生器通電后，自動復位清零后等待工作。信號發生器工作原理：通過4×4鍵盤設置波形及其頻率值，經CPU及ICL8038，通過八位LED同步顯示。可通過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據存儲器（RAM），通過直接數字波形合成技術，再由D/A轉換電路濾波、功率放大后，輸出所需信號波形。調幅電路調整輸出信號的幅值。信號發生器復位后，停止輸出信號，復位清零，最后再次處于等待工作狀態。

2 硬件設計

2.1 穩壓電源模塊

根據設計要求，系統需要±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，再通過三端穩壓器7812，7912，7805穩壓后輸出±12V和+5V直流電源，為系統各個模塊供電。

2.2 信號發生模塊

ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需調整個別的外部元件就能產生從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頻信號輸入端，所以還可以用來對低頻信號進行頻率調制。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口狀態時，可同時讀取鍵盤的行列號。

3 軟件設計

數據采集法只需在計算機的控制下，利用數據采集卡采集外部信號，然后存儲到波形數據存儲器中，經D/A轉換輸出數據，形成信號波形。預制程序產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，然后調用此信號模型對應的數據產生程序，進行計算處理，生成數據點值后，由計算機控制，存儲到波形數據存儲器中，經D/A轉換輸出數據，形成信號波形。動態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，形成數據點值，接著存儲到波形數據存儲器中，再經D/A轉換輸出數據，形成信號波形。本設計采用了預置程序法，由于信號發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。

系統的軟件程序是信號發生器的核心部分。軟件包括控制模塊、波形數據生成模塊、數據輸出模塊、顯示模塊、輸入模塊以及采集模塊。控制模塊主要是控制程序，控制其他所有器件間控制信息和數據信息的傳遞，控制和協調各器件和模塊的動作。波形數據生成模塊包括各種信號的數據產生程序，主要完成波形數據的計算。數據輸出模塊不僅包括數據輸出程序還包括數據輸入程序，完成數據存儲、外送數據和控制信號的功能。顯示模塊涵蓋顯示程序，實現屏幕可視化。輸入模塊完成接受輸入的各種數據和參數。采集模塊又稱讀取模塊，包括數據采集程序和磁盤讀取程序，完成從第三方接收數據的功能。

4 系統檢測設計

用已有正常示波器與此信號發生器相連接，根據輸入分析輸出波形，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。