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(shè)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(shè)計的學生信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)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(shè)備,即可產(chǎn)生所需波形。該儀器具有成本低廉、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點,最主要的是可以根據(jù)學生實驗要求自行設(shè)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。
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(shè)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(shù),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)。
2.1 穩(wěn)壓電源模塊
根據(jù)設(shè)計要求,系統(tǒng)需要±12V和+5V三種直流電源。設(shè)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(gòu)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。
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(yīng)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(shè)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。
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。