信号发生器数字化改造及其在教育教学中的作用.doc

信号发生器数字化改造及其在教育教学中的作用 [摘要] 信号发生器是教学实验必备的常用仪器。目前，实验室的信号发生器大多结构复杂、价格昂贵、利用率低、波形单一。鉴于此，文章提出了一种以at89c51单片机和可编程dds集成芯片ad9833为核心的数字化信号发生器系统，重点介绍了该系统的原理、实现方案及功能特点。此外，还阐述了实验仪器自主改造对教育教学的作用及意义。 [关键词] 信号发生器；数字化改造；教育教学 信号发生器是基础的实验仪器之一，其在教育教学中发挥着重要作用。目前，实验室的信号发生器大多结构复杂、价格昂贵、利用率低、波形单一。因此，对现有仪器进行改造，设计出结构简单、成本低廉、性能稳定、功能丰富的数字化信号发生器具有重要的现实意义。它有利于改善实验教学条件，有利于促进实验教学水平的提高，有利于培养学生分析问题和解决问题的能力，有利于高校高素质创新人才的培养。 随着数字技术的快速发展，使得信号发生器的数字化成为可能。本文提出的多功能、可编程信号发生器，是基于at89c51单片机和可编程dds集成芯片ad9833而设计，系统具有全数字化、信号精度高、范围广、体积小、成本低、灵活方便等优点。该信号发生器完全可以满足实验教学的要求，利用程控接口可以方便地与计算机相连，实现信号的自动设置与控制。 一、信号发生器数字化改造方案 针对实验室现有信号发生器存在的不足，通过调查与研究，我们提出了一套信号发生器数字化改造方案。经改造后的信号发生器功能更加丰富、性能更加稳定、控制更加灵活方便。系统基于at89c51单片机和可编程dds集成芯片ad9833设计，信号发生器由供电系统、单片机系统、dds波形发生模块、幅度调节模块、显示模块、按键模块和通讯模块等构成。系统结构框图如图1所示。 单片机控制器选用at89c51设计，实现键盘读入、lcd显示、ad9833编程、信号幅度调整、与上位机通讯等功能。at89c51是一款高效微控制器，具有技术成熟可靠、灵活方便、价格低廉等优点，其软硬件资源可以满足设计要求[1]。dds器件选用adi公司的ad9833，该芯片能够输出正弦波、三角波、方波。ad9833无需外接元件，输出频率和相位可通过软件编程设置，易于调节。其频率寄存器为28位，主频时钟为25 mhz时，其精度为0.1 hz。直流电压源采用max873配合外围电路设计，实现-10v～10v可调电压输出。 系统除了具有按键、lcd显示屏等常规操作终端外，还设计具有rs232接口，用户可编程设置dds的信号类型、输出频率、初始相位、峰峰值等。这些配置信息通过rs232接口上传至mcu，mcu根据输出频率、初始相位设置dds。 该系统设计实现：1)正弦波、三角波、方波等波形信号输出功能。输出波形频率范围10 khz～300 khz，调节精度为0.1 hz，输出幅值范围-10v～+10v，调节精度为0.1 v。2）直流电压输出功能。输出电压范围-10v～+10v，调节精度为0.1 v。3)信号源设计功率3w，内阻100欧姆，最大输出电流200ma。 二、系统实现及其在教学中的应用 1. 系统实现 根据技术方案，我们组织学生成立两个研发小组，分别负责硬件设计与软件设计。硬件小组负责硬件电路原理的设计、pcb板的绘制、元器件的采购、电路板焊接调试等；软件小组负责底层单片机程序设计，包括主程序模块、按键输入模块、液晶显示模块、dds芯片控制模块、调幅模块和rs232通讯模块等。信号发生器的软件采用keil c51设计。 信号发生模块由核心芯片ad9833及其放大调整电路组成，原理如图2所示。主频时钟为16 mhz，当切换频率和波形时，可直接用单片机对ad9833编程来实现。ad9833输出幅值固定的交流信号，最小值为38 mv，最大值为0.65 v。利用集成电路ad746，将其调整成为幅值2.5 v，正负半周对称的标准交流信号。 信号幅度调整电路如图3所示，波形调幅功能通过ad7545实现。根据设定的幅度，使d/a转换器输出相应的直流信号，与幅度固定的正弦信号进行乘法运算，达到调节幅度的目的。 2. 系统教学应用 利用该信号发生器可以组成“示波器原理和使用”实验系统[2]，图4为实验系统框图。计算机通过rs232通讯，控制信号发生器产生频率和幅度均可以调节的正弦、三角波、方波等信号；调整示波器采集波形信号，测量值可以通过usb通讯送回计算机，实现闭环测试实验。通过实验，既可以使学生了解和掌握示波器的相关知识，同时也可以加深学生对rs232通讯、usb通讯、程控等概念的理解。实践证明，采用新型的信号发生器后，学生的学习热情得到了极大的提高。 三、信号发生器数字化对教学的作用 信号发生器数字化改造对教育教学产生了多方面的促进作用，主要表现如下： 首先，应用