学生实验用信号发生器设计探讨

李 莹

（山东工商学院 信息与电子工程学院，山东 烟台 264000）

信号发生器与示波器、万用表等仪器一样是实验室的基本设备之一，目前学校使用的信号发生器虽然功能齐全，但价格昂贵，而且有功能浪费的迹象，由于学生初学，经常使用不当，仪器损坏较严重。本设计的学生信号发生器结构简单，取材少，主要以ICL8038为核心器件，配合键盘、LED显示及放大电路等外围设备，即可产生所需波形。该仪器具有成本低廉、体积小、结构简单等特点，最主要的是可以根据学生实验要求自行设计，使得资源最优利用——功能完全匹配，而且学生可自行维修，既锻炼了学生的动手能力，提高学生的学习兴趣，又能督促学生爱护器材。

1 工作原理

本信号发生器采用集成电路ICL8038。这是一种性能优良的单片函数信号发生器专用集成电路。仅需外接少量阻容元件，就可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。通过外加直流电源可对振荡频率进行调节，虽频率稳定性差，但足以满足学生实验要求。信号发生器通电后，自动复位清零后等待工作。信号发生器工作原理：通过4×4键盘设置波形及其频率值，经CPU及ICL8038，通过八位LED同步显示。可通过软件按一定算法得到的任意波形的偏移码表存放在外部数据存储器（RAM），通过直接数字波形合成技术，再由D/A转换电路滤波、功率放大后，输出所需信号波形。调幅电路调整输出信号的幅值。信号发生器复位后，停止输出信号，复位清零，最后再次处于等待工作状态。

2 硬件设计

2.1 稳压电源模块

根据设计要求，系统需要±12V和+5V三种直流电源。设计原理为：220V交流电源通过变压器隔离、桥式全波整流、电容滤波，再通过三端稳压器7812，7912，7805稳压后输出±12V和+5V直流电源，为系统各个模块供电。

2.2 信号发生模块

ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需调整个别的外部元件就能产生从0.001～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端，所以还可以用来对低频信号进行频率调制。工作电源为±5V～±12V或+12V～+25V，该芯片由三角波振荡电路、比较器、触发器、三角波—正弦波变换电路、恒流源CS1、CS2等组成。

2.3 人机接口模块

4×4的键盘是由16个键排成的4行×4列的矩阵，接到微型机的接口上。端口由8255A构成，其中端口A做输出，端口B做输入。矩阵的四条行线接到输出端口A的PA3～PA0上，用程序能改变这四条线上的电平，四条列线接到输出端口B的PB3～PB0上，四条行线还同时接到输出端口B的PB3～PB0上。这样，用输入指令读取B口状态时，可同时读取键盘的行列号。

3 软件设计

数据采集法只需在计算机的控制下，利用数据采集卡采集外部信号，然后存储到波形数据存储器中，经D/A转换输出数据，形成信号波形。预制程序产生法是利用计算机屏幕上的软件界面选择具体的信号类型，然后调用此信号模型对应的数据产生程序，进行计算处理，生成数据点值后，由计算机控制，存储到波形数据存储器中，经D/A转换输出数据，形成信号波形。动态编辑法可以算是比较高级的软件输入法，其包括波形手绘法，输入公式计算法，以及键盘输入点值法。是利用计算机屏幕上的软件界，利用鼠标绘制出波形，形成数据点值，接着存储到波形数据存储器中，再经D/A转换输出数据，形成信号波形。本设计采用了预置程序法，由于信号发生器是想主要针对学生，因此，选用较简单又能满足其实验要求的即可，不需极其高端的方法。

系统的软件程序是信号发生器的核心部分。软件包括控制模块、波形数据生成模块、数据输出模块、显示模块、输入模块以及采集模块。控制模块主要是控制程序，控制其他所有器件间控制信息和数据信息的传递，控制和协调各器件和模块的动作。波形数据生成模块包括各种信号的数据产生程序，主要完成波形数据的计算。数据输出模块不仅包括数据输出程序还包括数据输入程序，完成数据存储、外送数据和控制信号的功能。显示模块涵盖显示程序，实现屏幕可视化。输入模块完成接受输入的各种数据和参数。采集模块又称读取模块，包括数据采集程序和磁盘读取程序，完成从第三方接收数据的功能。

4 系统检测设计

用已有正常示波器与此信号发生器相连接，根据输入分析输出波形，与示波器波形进行比对，若完全吻合，则成功完成，否则需从新检。