函数信号发生器实验教学设计与实践

周一恒 吴新忠 冯小龙 赵峻

摘 要：对传统模拟电子技术实验项目——函数信号发生器设计进行了研究探索，结合工程背景分层次提出了任务要求和多种设计方案，各任务相互独立又紧密关联，形成递进关系。在实验教学中注重启发式教学和可持续研究。该实验内容涉及电子技术和单片机技术且能与CPLD等后续课程结合，可为电子信息专业本科分层次自主探究实验教学提供参考。

关键词：研究性实验;信号发生器;分层次教学;启发引导

函数发生器实验涵盖了波形产生、波形转换、信号放大等知识点，是模拟电子技术实验课程经典案例[1-3]。但传统模电实验知识体系单一，与后续课程脱节，且目前单片机控制波形产生电路、DDS直接数字频率合成技术已成波形产生的主流技术[4-6]，一味深挖模拟环境下指标参数的深难，无异于南辕北辙，与工程实际渐行渐远。本着“优化基础、提升能力、激发创新”的教学理念，课程组在实验教学中加入了数控元素，并对实验内容要求、方案设计和教学方法等方面做了优化改革，完成了从基础型到研究创新型实验的转变。

1 实验内容与任务要求

按照“宽基础、强能力、高素质”的人才培养要求，为从思维方式和工程实践两方面培养学生的研究和创新能力，设计了基础实验层、提高设计层、研究创新层“三层面”课内外一体的开放创新实验[7]。具体实验任务如下：

1.1 基础实验层，培养学生基本工程素质和基本实验技能

（1）采用三种方案设计电路，输出周期性正弦波、方波及三角波，频率156Hz、信号幅度≥1V;

（2）改进电路实现波形连续可调，频率100Hz～10kHz，矩形波占空比20%～70%，正弦波峰峰值0～5V（负载1KΩ）;

（3）完善电路，保证正弦波非线性失真度<3%、方波上升时间<2μs;

（4）选择一种方案加宽频带范围，使波形100Hz～1MHz内连续可调。

1.2 提高设计层，培养学生知识更新、自主学习和综合应用能力

（1）在完成基础实验的基础上，加入数控环节，实现各波形步进可调，频率步进1kHz，矩形波占空比步进2%，正弦波峰峰值步进0.1V;

（2）降低正弦波非线性失真度;

（3）输出显示波形的类型、频率和幅度。

1.3 研究创新层，充分发挥学生个性，培养创新思维和实践能力

设计信号发生器，产生任意自拟周期性波形，波形种类及指标不限（方波、正弦波和三角波这三种波形除外）。

2 实验原理及方案

2.1 实验原理及总体方案

首先，基础实验层要求用传统模拟电路搭建电路产生波形输出;其次，提高设计层要求对模拟电路加入MCU处理器进行数字控制调节，进一步提高波形质量、实现步进式调节;最后，研究创新层中采用可编程控制器件提高数据处理速度、产生自拟任意波形。

信号发生器的设计包括波形产生、波形放大、波形调节和数据显示四个环节。每个环节都有多种实现方法，比如波形产生环节就可分别采用分立器件、集成运放和信号发生单片三种方法实现。要根据对波形质量以及调节方式的要求合理选择设计方案和器件。图1为信号发生器的方案设计框图。

2.2 基础实验层：波形的产生和处理

模拟方法利用波形产生与转换原理制作信号发生器，应先根据正反馈原理产生一种振荡波形，继而转换成其他工作波形。因波形产生顺序和不同波形间转换方式均有不同，设计方案具有多样性。本文以其中一种先产生方波三角波然后再转换正弦波的设计思路为例介绍设计过程。

2.2.1 方波三角波产生

使用运放芯片LM324构成RC振荡滞回比较电路和积分电路产生方波和三角波，改变电容C2和电位器RV2、RV3的数值改变正、反向充放电时间常数从而调节波形占空比。LM324采用正负12V双电源供电，方波输出幅度为Usom=±Uom，其中Uom为比较器的输出幅度。三角波幅度为Utom=R2R3+RV1Uom，改变电位器RV1改变其输出幅值。波形周期T=4R2R4+RVC2R3+RV1，则其频率是T的倒数，改变参数调节频率大小。其中RV表示积分器上的电位器RV2和RV3，改变其数值改变波形的占空比。

2.2.2 利用差分放大电路实现三角波正弦波的转换

利用差分放大电路的传输特性曲线的非线性将三角波转换成正弦波，且传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。三角波的幅度应正好使三极管接近饱和区或者截止区。RV4调节三角波幅度，RV5调节差分放大电路的对称性，为进一步提高电路对称性Q1和Q4使用三極管对管。R10和RV5并联用来减小差分放大电路的线性区。电容C1、C3为隔直电容，因输出频率不高，因此电容容量要取比较大。差分放大电路的静态工作点通过观测传输特性曲线、调整电阻R13和R11确定。三极管Q2、Q3构成恒流源电路，为确保电流稳精度也应使用对管。设计电路图如图2所示。

2.3 提高设计层：实现波形的数字控制，提高波形质量

模拟电路加入单片机控制模块构造数字化函数信号发生器，提高波形质量、实现步进调节。电路由单片机AT89C52、电源、键盘模块，LCD1602显示模块构成。单片机采用8位机AT89C52，D/A转换器选择低输出阻抗的电压输出型器件DAC0832、MAX517等8位串行芯片，采样时考虑波形选择开关响应速度要求使用8选1的模拟开关CD4051，数据显示可使用液晶模块LCD12864。

已知脉冲信号的频率和占空比，通过定时器设定定时时长，驱动IO端口输出高低电平，产生所需的脉冲信号F=1T，其中F为脉冲信号频率，T为定时器定时时长。

D=T0（T-T0）其中D为信号占空比，T0为脉冲信号高电平定时时长。单片机输出利用DAC0832采用直通方式进行模数转换，转换后信号幅值较小需使用运放LM324实现两级放大。

2.4 研究创新层：任意周期性波形发生器

因自拟波形具有不确定性，且当波形频率超过1MHz时，受模拟器件限制很难产生精确的可调波形。这时就必须使用数字器件构造数字波形发生器。

利用直接数字频率合成技术采用查表合成波形的方法，将波形在采样点的数字值依次通过D/A转换器转换为模拟量输出，即以数控方式产生频率与相位均可控的模拟波形。通过FPGA实现波形生成和控制，数据经D/A变换、功率放大即可输出符合要求的模拟波形。可编程器件使用EPM7218，数模转换使用DAC08，幅度控制由DAC0832内部的电阻分压网络实现，滤波使用二阶巴特沃兹低通滤波器，使用运放LM324和三极管9012、9013进行双向扩流，增强带负载能力，产生自拟周期性波形输出。

3 实验教学与引导

（1）学习波形发生和转换的工作原理，学习波形指标评价标准以及测量计算方法，如频率范围、频率稳定度、频率准确度、波形失真度、方波上升时间等;

（2）三角波转换正弦波时，注意比较各方法（如折线法、滤波电路法、差分电路法等）工作点的稳定、输入阻抗、抗干扰能力、零点漂移的抑制、正弦波形的失真度等方面差异;

（3）学习改变频率、矩形波占空比的方法，考虑改变占空比的同时对正弦波形的影响，思考矩形波占空比独立调节的方法;

（4）学会用运放设计输出端放大电路，注意电路的放大倍数、带负载能力和输出功率，输出阻抗过大时需考虑负载匹配;

（5）频率较高时要考虑电源去耦。可在电源引脚与地之间加入去耦电容以消除电源引线产生的电路谐振和尖峰干扰。

4 实验特色与创新

（1）分层次提出实验任务与要求，设计方案多样化，增加学生自主选择空间激发学生创新热情，实现人才梯度培养。

（2）三个实验层次相互独立又呈递进关系，和后续数字系统设计、CPLD等课程相结合，实现实验内容的可持续性发展。

（3）教学内容上模拟波形产生与数字波形控制相结合，低频和高频波形产生电路相结合。教学模式上基础实验平台和PCB/SMT制版专业综合实践平台相结合。

（4）依托工程背景细化指标参数，对频带宽度、失真度、方波上升时间、设计成本等都提出具体要求，加强对学生工程实践意识和电子经济意识的培养。

5 教学实践效果总结

课程组依托国家级电工电子教学实验中心开放性实践平台，自2015年起连续四年对电子信息专业学生共20个班级开设了函数信号发生器创新实验，教学实践表明：这种针对一个实验项目由浅入深、由简到难、由电路到系统逐层递进的教学模式，更能循序渐进地激发学生的学习热情、拓展知识结构、提高实践能力和创新意识。例如有学生在做研究创新实验时就自学CPLD语言，采用FPGA配合高速DAC来构建DDS内核，由FPGA来控制函数信号发生器的现实和键盘输入采集控制，最终输出稳定振幅的对数指数函数曲线，在探究设计的同时也收获了巅峰体验，为后续课程的可持续研究奠定了基础。笔者也因该实验项目改革获得第二届电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛三等奖。

参考文献：

[1]康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2014.

[2]华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]薛雪.波形发生器开放实验实践[J].实验技术与管理，2015，32（12）：36-40.

[4]梁狀.基于DDS的高频函数信号发生器设计与实现.哈尔滨理工大学，2018.

[5]张承畅.序列信号发生器自启动特性验证的软硬件设计[J].实验室研究与探索，2018，37（10）：94-97.

[6]李建国.国产ZP-89铁路移频率信号发生器实验仪设计与应用[J].实验技术与管理，2018，35（11）：82-84.

[7]王香婷.电工技术与电子技术实验[M].北京：高等教育出版社，2009.

基金项目：中国矿业大学“十三五”品牌专业建设自主项目（电子信息工程）;2019年教育部产学合作协同育人项目

作者简介：周一恒（1981—），女，汉族，江苏丰县人，硕士，讲师，研究方向：检测技术与自动化装置，长期从事模拟电子技术相关课程的理论与实践教学。