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
[中图分类号] TP216[文献标识码] A[文章编号] 1674-893X(2012)04−0079−03
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，应用新技术开发的仪器，明显改善了实验教学条件，提升了实验教学水平[3]。实验室原有的信号发生器体积大、功能简单，不具备程控接口，只能满足简单实验教学的需求。自主开发的仪器，教学针对性更强，具有很强的灵活性、先进性、低成本，能很好地与专业实验教学有机融合，满足专业实验教学要求。自主开发的仪器既可以单独作为信号发生器供实验室使用，也可以利用通讯接口把信号发生器与计算机结合起来，开展自动测控实验教学。明显改善了实验教学条件，提升了实验教学水平。
其次，自主研制实验教学仪器有利于大学生综合素质的培养[4]。大学生的综合素质包括基础素质、专业素质、创新素质等多个方面。学生通过参与实验教学仪器的自主研发活动，可以显著地提高他们的综合素养，具体表现如下：1）培养学生团队合作精神和严谨的科学作风，有利于学生基础素质的培养与提高。仪器的改造过程中，教师将系统划分为结构、电路、软件等多个模块，并对每个模块提出了详细的设计要求，然后交给两个研发小组，由各小组组织研究与设计实现。设计过程中，两个小组需要相互配合，随时沟通研发进度。通过这样一个过程，既培养了学生实事求是、严肃认真的科学态度，同时也培养了学生勇于承担责任、团结协作的团队精神。而这些都是学生日后就业所必须的基本素质。2）提高学生分析问题和解决问题的能力，有利于学生专业素质的培养。科学研究不同于以往的学习，一个科研项目往往是多种学科知识集中的体现。信号发生器数字化改造过程中涉及到了多方面的学科知识，如AT89C51单片机软硬件设计技术、电子电路技术、EDA设计技术和KeilC51软件设计技术等。学生通过研究与学习，扩宽了知识面，掌握了更多的新知识与新技能。3）培养了学生的动手能力和创新精神，有利于学生创新素质的提高。科学研究的过程中，会遇到许多新问题、新困难，这些问题的解决，往往很难在课本上直接找到答案。这就需要学生善于总结、探索，富有创新精神。学生在实验仪器自主研发的实践过程中，通过自己动手焊接、调试、分析和解决问题，培养了其自身的动手能力和创新精神，为学生今后走向工作岗位，尽快地适应工作环境提供了必备条件。
最后，自主研制实验教学仪器有利于激发学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习。实验仪器陈旧，功能简单，故障率高等，都在很大程度上影响着学生的学习兴趣与积极性。运用新技术、新概念改造和完善现有仪器设备，给学生以耳目一新的感觉，从而培养和提高了学生的实验学习兴趣和动力。另一方面，学生通过参与实验教学仪器的开发活动，可以接触和了解许多新知识和新技能，而这些知识与技能又直接与学生的就业与工作息息相关，因而可以极大地增强学生的学习兴趣与热情，从而获得最佳的学习效果。例如传统的电子电路教学，理论与实践结合得不紧密，学生很难理解电路的功能和应用技巧。而在信号发生器的改造过程中，学生直接接触到各种典型的信号处理、分析电路，直观地感受各种电路的逻辑功能和设计方法，这样就极大地增强了学生的学习主动性和热情。
四、结语
本文设计并实现的全数字化信号发生器，克服了实验室现有仪器的不足，具有精度高、控制灵活、成本低廉、性能稳定可靠等特点。该装置可以满足实验教学的需要，既可以单独作为信号发生器供实验室使用，也可以利用通讯接口把信号发生器与计算机结合起来，开展自动测控实验教学。通过自主研制教学仪器设备，既提升了实验教学水平，同时也开阔了学生的思维，增强了学生的学习兴趣，使学生综合素质得到了提高，为学生日后的工作打下了坚实的基础。
参考文献：
[1] 李青鹏.基于单片机和DDS的高精度频率信号实现[J]. 电子技术应用，2002，28(9)：50-53.
[2] 张咏梅.对一种函数信号发生器实验教学方法的探讨[J]. 实验室研究与探索，2005(24)：82-84.
[3] 曾垂省.自主研制实验教学仪器设备的作用与意义[J]. 实验科学与技术，2010，8(4)：179-180.
[4] 张文涛.参加科研活动对大学生综合素质培养的意义[J]. 北京工业技术学院学报，2007，6(3)：97-99.
[编辑：苏慧]