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函数信号发生器的设计与制作
系别：电子工程系 专业：应用电子技术 届：07届 姓名：李贤春
摘 要
本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz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制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。
关键词 ICL8038，波形，原理图，常用接法
一、概述
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。
二、方案论证与比较
2.1·系统功能分析
本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案：
2.2·方案论证
方案一∶采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。
方案二∶采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。
方案三：采用8038单片压控函数发生器，8038可同时产生正弦波、方波和三角波。改变8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0.001Hz～300KHz。
三、系统工作原理与分析
3.1、ICL8038的应用
ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；改变外接电阻、电容值可改变，输出信号的频率范围可为0.001Hz～300KHz；正弦信号输出失真度为1%；三角波输出的线性度小于0.1%；占空比变化范围为2%～98%；外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比（不对称度）；频率的温度稳定度（典型值）为120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；对于电源，单电源（V+）：+10～+30V，双电源（+V）（V-）：±5V～±15V。图1-2是管脚排列图，图1-2是功能框图。8038采用DIP-14PIN封装，管脚功能如表1-1所示。
3.2、ICL8038内部框图介绍
函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示（图1-1），共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；两个电压比较器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为 和 ，它们的输入电压等于电容两端的电压uC，输出电压分别控制RS触发器的S端和 端；RS触发器的状态输出端Q和 用来控制开关S，实现对电容C的充、放电；充点电流Is1、Is2的大小由外接电阻决定。当Is1=Is2时，输出三角波，否则为矩尺波。两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。
3.3、内部框图工作原理
★当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0V，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而RS触发器的 ，输出Q=0， ；
★使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为
IS1=I
因充电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性上升。
★当上升为VCC/3时，电压比较器Ⅱ输出为高电平，此时RS触发器的 ，S=0时，Q和 保持原状态不变。
★一直到上升到2VCC/3时，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的 时，Q=1时， ，导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2-IS1=I因放电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性下降。
起初，uC的下降虽然使RS触发的S端从高电平跃变为低电平，但 ，其输出不变。
★一直到uC下降到VCC/3时，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，此时 ，Q=0， ，使得开关S断开，电容C又开始充电，重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。
由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为三角波，Q和 为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。
结论：改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。
3.4、方案电路工作原理（见图1-7）
当外接电容C可由两个恒流源充电和放电，电压比较器Ⅰ、Ⅱ的阀值分别为总电源电压（指+Vcc、-VEE）的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通过外接电阻调节，但必须I2＞I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给C充电，它的两端电压UC随时间线性上升，当达到电源电压的确2/3时，电压比较器I的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2＞I1（设 I2=2I1），I2将加到C上进行反充电，相当于C由一个净电流I放电，C两端的电压UC又转为直线下降。当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器Ⅱ输出电压便发生跳变，使触发器输出为方波，经反相缓冲器由引脚9输出方波信号。C上的电压UC，上升与下降时间相等（呈三角形），经电压跟随器从引脚3输出三角波信号。将三角波变为正弦波是经过一个非线性网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波的两端变为平滑的正弦波，从2脚输出。
其中K1为输出频段选择波段开关，K2为输出信号选择开关，电位器W1为输出频率细调电位器，电位器W2调节方波占空比，电位器W3、W4调节正弦波的非线性失真。
图1-1
3.5、两个电压比较器的电压传输特性如图1-4所示。
图1-4
3.6、常用接法
如图（1-2）所示为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚7与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压。
如图（1-5）所示为ICL8038最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图(b)所示电路中，通过改变电位器RW滑动的位置来调整RA和RB的数值。
图1-5
当RA=RB时，各输出端的波形如下图(a)所示，矩形波的占空比为50％，因而为方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波了，图(b)所示为矩形波占空比是15%时各输出端的波形图。根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为
故RA<2RB。
为了进一步减小正弦波的失真度，可采用如图（1-6）所示电路，电阻20K与电位器RW2用来确定8脚的直流电压V8，通常取V8≥2/3Vcc。V8越高，Ia、Ib越小，输出频率越低，反之亦然。RW2可调节的频率范围为20HZ20~KHZ。V8还可以由7脚提供固定电位，此时输出频率f0仅有Ra、Rb及10脚电容决定，Vcc采用双对电源供电时，输出波形的直流电平为零，采用单对电源供电时，输出波形的直流电平为Vcc/2。两个100kΩ的电位器和两个10kΩ电阻所组成的电路，调整它们可使正弦波失真度减小到0.5%。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100:1。在引脚8与引脚6之间直接加输入电压调节振荡频率，最高频率与最低频率之差可达1000:1。
3.7、实际线路分析
可在输出增加一块LF35双运放，作为波形放大与阻抗变换，根据所选择的电路元器件值，本电路的输出频率范围约10HZ～20KHZ；幅度调节范围：正弦波为0～12V，三角波为0～20V，方波为0～24V。若要得到更高的频率，还可改变三档电容的值。
图1-6
表 1-1 ISL8038管脚功能
管 脚 符 号 功 能
1，12 SINADJ1，SINADJ2 正弦波波形调整端。通常SINADJ1开路或接直流电压，
SINADJ2接电阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和减小失真。
2 SINOUT 正弦波输出
3 TRIOUT 三角波输出
4，5 DFADJ1，DFADJ2 输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。通常DFADJ1端接电阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改变阻值可调节频率和占空比。
6 V+ 正电源
7 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压
8 FMIN 调频电压输入端
9 SQOUT 方波输出
10 C 外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比
11 V- 负电源端或地
13，14 NC 空脚
四、制作印刷电路板
首先，按图制作印刷电路板，注意不能有断线和短接，然后，对照原理图和印刷电路板的元件而进行元件的焊接。可根据自己的习惯并遵循合理的原则，将面板上的元器件安排好，尽量使连接线长度减少，变压器远离输出端。再通电源进行调试，调整分立元件振荡电路放大元件的工作点，使之处于放大状态，并满足振幅起振条件。仔细检查反馈条件，使之满足正反馈条件，从而满足相位起振条件。
制作完成后，应对整机进行调试。先测量电源支流电压，确保无误后，插上集成快，装好连接线。可以用示波器观察波形发出的相应变化，幅度的大小和频率可以通过示波器读出 。
五、系统测试及误差分析
5.1、测试仪器
双踪示波器 YB4325(20MHz)、万用表。
5.2、测试数据
基本波形的频率测量结果
频率/KHz
正弦波 预置 0.01 0.02 2 20 50 100
实测 0.0095 0.0196 2.0003 20.0038 50.00096 100.193
方波 预置 0.01 0.02 2 20 50
实测 0.095 0.0197 1.0002 2.0004 20.0038
三角波 预置 0.01 0.02 1 2 20 100
实测 0.0095 0.0196 1.0002 2.0004 20.0038 100.0191
5.3、误差分析及改善措施
正弦波失真。调节R100K电位器RW4，可以将正弦波的失真减小到1%，若要求获得接近0.5%失真度的正弦波时，在6脚和11脚之间接两个100K电位器就可以了。
输出方波不对称，改变RW3阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，电位器RW3与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RW3可使波形对称。
没有振荡。是10脚与11脚短接了，断开就可以了
产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。也有可能是因为2030功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。
5.4、调试结果分析
输出正弦波不失真频率。由于后级运放上升速率的限制，高频正弦波（f>70KHz）产生失真。输出可实现0.2V步进，峰-峰值扩展至0～26V。
图1-2
图 1−7
六、结论
通过本篇论文的设计，使我们对ICL8038的工作原理有了本质的理解，掌握了ICL8038的引脚功能、工作波形等内部构造及其工作原理。利用ICL8038制作出来的函数发生器具有线路简单，调试方便，功能完备。可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。
七、参考文献
【1】谢自美《电子线路设计.实验.测试（第三版）》武汉：华中科技大学出版社。2000年7月
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【3】第二届全国大学生电子设计竞赛组委会。全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编。北京：北京理工大学出版社，1997.
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【5】潭博学、苗江静《集成电路原理及应用》北京：电子工业出版社。2003.9
【6】陈梓城《家用电子电路设计与调试》北京：中国电力出版社。2006
基本上是可行的，你可以看下你学长的导师是谁？然后参加答辩的是哪些老师。当然最保险的是你根据学长的论文自己修改一下，这是绝对没有问题的！
郭嗣琮：1951年10月生人，中国民主同盟盟员，教授，管理科学与工程学科博士生导师，辽宁工程技术大学教授，博士生导师， 国家政府特殊津贴获得者。先后担任管理科学与工程学科博士研究生导师，应用数学、控制理论与工程、计算机科学与技术专业的硕士研究生导师。已指导毕业博士4名，硕士21名，在读博士2名，在读硕士13名。在模糊数学理论研究中，独自提出模糊结构元方法，并在国家自然科学基金的资助下，从理论和技术上解决了模糊值函数分析学的解析表述问题，建立并完善了基于模糊结构元方法的模糊值函数分析学理论，该项工作为模糊分析学的理论研究和工程实践应用开创了一个新的途径。在《Fuzzy System and Sets》、《Advances in Systems Science and Applications》、《自然科学进展》、《模糊系统与数学》、《工程数学学报》、《煤炭学报》、等国内外学术刊物及学术会议上发表学术论文120余篇，出版《模糊预测》、《信息科学中的软计算方法》、《基于结构元理论的模糊分析数学原理》著作三部。主持完成两项国家自然科学基金项目及多项省、部科学基金的研究工作。96年，主持研制的《MWK型模糊温控仪》获国家星火计划实施十周年成果博览会优秀项目奖；98年，完成的《矿井通风安全与采场自然发火防治决策支持系统应用研究》获辽宁省政府科技进步二等奖，并有四项成果获市科技进步一等奖；1991年获阜新市首届“十大杰出青年”称号；1992年获阜新市政府“先进科技工作者”称号；1993年获国务院政府特殊津贴；2001年被中国民主同盟中央委员会授予“先进个人”光荣称号。 1968年只读了初中一年级的郭嗣琮作为知识青年上山下乡，一个初中一年级的学生，在一个十分贫穷的乡村被选中当了一年的民办教师，从此就与教书的行当结下了一生的缘分。1972年从农村上了大学，在阜新矿业学院读矿山机电专业。1975年毕业留校，终于实现了终身做一名教师的理想。1977年根据学校的需要到大连工学院进修数学，1979年分配在学校数学教研室担任数学教师。1986年国家正式恢复大学教师职称评定工作，他从助教破格晋为副教授，成为当时全省高级职称最年轻的教师之一。1992年再一次破格晋升教授。目前，郭嗣琮教授是我校数学学科的带头人，博士生导师，国家政府特殊津贴获得者。在学术上主要从事模糊值函数分析学、 模糊运筹学理论与应用等领域的研究。在模糊数学理论研究中，独自提出模糊结构元方法，并在国家自然科学基金的资助下，从理论和技术上解决了模糊值函数分析学的解析表述问题，建立并完善了基于模糊结构元方法的模糊值函数分析学理论，该项工作为模糊分析学的理论研究和工程实践应用开创了一个新的途径。在应用领域上提出了不规则介质空间模糊渗流理论，并在煤矿自然火灾预测技术方面做出了突出的成果。 在《Fuzzy System and Sets》、《Advances in Systems Science and Applications》、《自然科学进展》、《模糊系统与数学》、《工程数学学报》、《煤炭学报》、等国内外学术刊物及学术会议上发表学术论文140余篇，出版《模糊预测》、《信息科学中的软计算方法》、《基于结构元理论的模糊分析数学原理》著作三部。主持完成两项国家自然科学基金项目及多项省、部科学基金的研究工作。1991年获阜新市首届十大杰出青年称号；1992年获阜新市政府先进科技工作者称号；1993年获国务院政府特殊津贴；2001年被中国民主同盟中央委员会授予先进个人光荣称号；2006年获辽宁省教学名师奖；2007年获辽宁省优秀教师称号。曾任辽宁省六届青联委员，阜新市六、七届青联副主席，辽宁工程技术大学基础科学部主任。现为理学院数学与系统工程研究所所长；辽宁省政协委员，阜新市政协常委；中国民主同盟辽宁省委委员，民盟阜新市委副主委；国际一般系统学会中国分会模糊信息与模糊工程专业委员会副理事长；中国运筹学会模糊信息与模糊工程分会副理事长。把前辈对他的支持与关爱回报给青年人和学生在回顾自己成长的坎坷历程中，郭嗣琮教授始终不忘记前辈们对自己的扶持与关爱。1984年至85年他参加了由中国著名学者，模糊数学理论与应用研究的先驱汪培庄教授组织的模糊数学研讨班，汪先生尊重和大力扶持年轻学者的高尚品质深深地感动了他。他说，我在著名学者身上不仅仅学到了做学问的本领，更学到了做教师和做人的真谛。我深刻理解年轻人成长过程中最需要的是什么，我得到了前辈的扶持，我就更应该去扶持年轻人。30年来，郭嗣琮教授一直坚守这个信念，他是学生们公认的教学认真、教学水平和效果极好的教授。无论是当系主任，还是从事名目繁多的社会活动，在教授不为本科生上课较盛行的风气下，他是一直坚持在本科生教学一线的教授，他从未间断为本科生讲课。在我校校园论坛对学生进行调查问卷大学四年哪位老师给你留下的印象最深中，许多学生写下郭嗣琮三个字，其中，一位大四毕业生这样写道：郭嗣琮老师在给我们开的教授课堂是多么精彩呀！他已经成为我留恋大学的理由。郭嗣琮教授无论讲授哪门课程，几乎都有一些旁听生，他们多是各专业的教师、研究生和其他专业的学生，他们说，听郭老师的课不仅仅能学到新的知识，更能学到如何做学问，如何做一名好老师。30年里他形成了一个习惯，什么事情都可以耽误，唯独给本科生上课不能耽误，不容有一丝的马虎。他先后为工科和数学系本科生主讲过高等数学、线性代数、概率论与数理统计、球面三角、微分几何、复变函数、常微分方程、数学物理方法以及硕士和博士研究生的近代数学基础、多元统计分析、随机过程论、模糊数学、人工神经网络原理、遗传算法、分形几何与混沌理论、近代决策技术等二十多门课程。熟悉郭嗣琮教授的学生都愿意找他问数学问题，他们说，郭老师对学生态度特别好，总是笑眯眯的，从来没有表示不耐烦和训斥学生。不论他的工作多么忙，或者在休息时间，经常有学生找他请教学术问题，他都会放弃休息或放下自己的手头工作与学生会面，极其热心地给予帮助，而且，这些学生中绝大多数他都是不认识的。一次有两名外系的学生找他问数学题，问题很多，时间进行很长，由于还有其他活动，此间不断有电话催促，他还是耐心地给学生讲解，最后还是学生劝老师不再答疑。当学生离开一段时间后，突然又接到郭老师的电话，在电话中郭老师告诉他们其中一个问题的正确解法。不久，两个同学给郭老师发来一个短信郭老师，我们俩谢谢您，您的帮助让我们充满感激，特别是您刚才的举动更让我们感动得想哭…，我们会更加努力的。类似的事情很多，他的电子信箱经常有不相识的学生发来求教信件，他总是给与细心的回复，发给他们学习资料。他曾多次帮助过机械、地质、电气等外专业不相识的学生解决毕业设计问题，为他们讲解数学问题，给他们提供各种资料。尤其是我校各专业的研究生找他探讨学术问题的人相当多，以致于许多研究生发表论文都将他的名字列入，而他并不知道。有一次，一位外地不相识的人给他发来邮件，请教医学问题，并说在一个医学刊物上看到了他的论文，他才知道有人与他合作方式发表过医学文章，但是他一直不记得这位论文撰写者，更不记得在什么时候曾帮助过他。每到节日，他的手机短信爆满，许多人自称为他的学生向他祝贺节日，但是他说，绝大多数的人他都不记得。他在学术上热心扶持青年教师的成长，无论工作多么繁忙，对于年轻人，从来不会拒绝。甚至许多素不相识的外校或科研院所的年轻人来信、发Emal或登门拜访，寻求学术上的帮助、索取资料、索要学术著作等，他都会尽全力帮助，为他们邮寄资料，将自己的研究笔记提供给他们，无偿的邮寄书籍，不使他们失望。他出版的学术著作不要稿费，只要求出版社给他同等价值的书籍，然后他将这些书无偿地送给向他索要书籍的青年人。在与青年教师合作发表学术论文中经常将自己的名字排在后面，其中有很多论文是他亲笔起草的。他利用自己的科研经费数万元资助青年教师跑项目、购置图书资料和发表学术论文。有许多其他专业的硕士研究生和博士研究生在毕业论文撰写中得到他的帮助，有多名外专业的博士研究生的毕业论文是在他指导下完成的，但是，在毕业论文上没有署上自己的名字，成为他们的编外导师，但他从不计较。还有许多青年教师在首次申请科学研究基金过程中，得到郭嗣琮教授的帮助，有不少的申请书是由郭老师帮助起草的。郭嗣琮教授说，我最幸运的是在人生最需要信任的时候，得到了前辈的扶持，我要永远学习他们为人师范的高尚品质，要把前辈对我的支持与关爱回报给青年人和学生。从事教育教学改革，把学术研究的能力教给学生数学是从事自然科学和社会科学研究的一种语言和工具，随着科学技术的进步，新的科学技术领域促使新的数学分支和数学方法不断出现，进而要求高等院校培养的人才知识结构也要不断更新。郭嗣琮教授在深入的学术研究基础上，结合工程科研实践，关心和思考本科生的数学知识结构更新问题。通过自己的知识更新，不断为学生开出新的数学课程。为学校的人才培养做出了突出的贡献。2000年以来，郭嗣琮教授开始致力于在本科生和研究生中进行研究性学习的教学改革试验性工作，并在他主讲的信息科学中的软计算方法课程中进行实践。在2003级（07届毕业生）的两个班级和2004级（在校生），课程结束后，有20多名同学撰写了近30篇科技论文发表在中国科技论文在线上。近几年来，有近百名研究生在他的课程学习后发表了学术论文。他说，是前辈教我学会了科学研究的能力，我也要把这个能力教给学生，这是对培养我的老师最好的回报。忠诚教育事业，践行朴实无华、坚韧顽强、无私奉献太阳石精神辽宁工程技术大学的前身是阜新矿业学院，一直是具有较强的煤炭行业性质的高校。人们将煤炭誉称为太阳石。在国家组织的高校教学评估中，郭嗣琮教授负责撰写学校办学特色报告，他将朴实无华、坚韧顽强、无私奉献的太阳石精神凝练为我校的办学特色，得到了评估专家的高度肯定和认同。郭嗣琮教授在自己的30年教学生涯中也一直在践行着这种精神。阜新在我省是一个经济相对落后的地区，有许多中年教师在学业上取得一定成绩后就离开了阜新，调到经济发达地区的高校去工作。而郭嗣琮教授很早就具有竞争优势，但却一直坚持在学校工作，他认为能够坚持在艰苦地区工作是他们这一代人的美德。郭嗣琮教授在教育工作中的勤勉敬业、无私奉献、甘作人梯的精神深受广大教师和学生的敬佩。在任基础部主任的十年里，在严格要求自己方面一直是很严肃认真的。年度考核从来没有争过优秀；各单位评选3%涨工资，自己一次也未申报过。；学校评选各种先进、模范也从来没有申报过；学校评选关键岗位奖，基础部有8位教师获此殊荣，他亲自找到学校的负责人将自己的关键岗位奖让给了别的教师；他自己亲自跑课题，联系科研项目，每年几十万元，但为了工作的需要，从没有把自己的名字排在前面过；自己亲自联系出版社出版教材，自己从不挂名。他倡导和组织过许多教育、教学改革工作，组织过多项教学改革立项工作，但是，为了抚持青年教师的成长，他从来不挂名。虽然，他的教改工作获奖很少，但是，他表示看到年轻教师一步步成长起来，一批人已经成为跨世纪人才、成为各自专业领域的专家、成为学科和学术带头人，使他能尝受到作为一名教师的幸福和自豪感。郭嗣琮教授身上闪耀着太阳石精神的光芒，他刻苦敬业、无私奉献、淡泊名利、关爱学生和青年人的师德师风受到教师和学生们的尊重
