基于C8051F130和MAX038的信號源發(fā)生器

　0 引言

　　在現代電子測量技術(shù)的研究及應用領(lǐng)域， 常常需要高精度且頻率可調的信號源， 信號源產(chǎn)生電路可以由RC 震蕩電路、LC 震蕩電路以及由555 定時(shí)器構成的震蕩電路制成， 更多的則是用專(zhuān)門(mén)的函數信號發(fā)生器IC 產(chǎn)生， 如ICL8038、BA205、XR2207/ 2209 等， 但它們的功能較少， 精度不高， 頻率上限只有300 kHz, 無(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號， 另外調節方式也不夠靈活， 頻率和占空比不能獨立調節， 二者互相影響。也有采用專(zhuān)門(mén)DDS 芯片的信號發(fā)生器， 但電路結構復雜， 成本較高 。而專(zhuān)門(mén)針對極低頻率的信號源其設計頻率范圍又較窄 , 應用范圍小。為此， 本文研究并設計出了一種基于單片機C8051F130 和MAX038 的信號源發(fā)生器， 能在15 MHz 內產(chǎn)生三角波、正弦波、方波， 精度高、失真度小、能有效彌補上述設計的不足， 滿(mǎn)足大部分測試對信號源的要求。

　　1 信號源發(fā)生器的總體設計

　　該信號源發(fā)生器主要以單片機C8051F130 為控制核心， 通過(guò)對Maxim 公司波形發(fā)生器芯片MAX038 及其外部電路控制實(shí)現其不同幅度和頻率， 不同類(lèi)型信號的輸出， 其中C8051F130 是Silicon Laborat or ies 公司推出的一種具有8051 內核及指令集完全兼容的集成混合信號片上系統， 執行指令最快速度可達100 MIPS, 內部具有8448（ 8K+ 256） 字節片內RAM 和128 K 字節的flash 存儲器，擁有多達64 個(gè)輸入輸出口， 可以完全滿(mǎn)足本設計的控制需求， MAX038 是1 個(gè)只需要少量外部元件便能產(chǎn)生準確正弦波、三角波和方波的波形產(chǎn)生器， 輸出頻率和占空比可以通過(guò)外圍電路的電流、電壓和電阻進(jìn)行調節。整個(gè)信號源發(fā)生器由頻率控制部分、波形選擇部分、占空比調節部分、鍵盤(pán)輸入控制部分、信號狀態(tài)顯示部分、電源部分等構成， 電路框圖如圖1 所示。

圖1 信號源發(fā)生器

　　2 信號源發(fā)生器各部分硬件電路設計

　　2. 1 波形選擇部分

　　直接使用C8051F130 上I/ O 口P0. 0、P0. 1 連接MAX038 上A0 和A1 管腳， 對輸入進(jìn)行設置即能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波， 管腳電平和波形之間的關(guān)系如表1所示。

表1 A0 和A1 管腳電平對應波形關(guān)系

　　波形切換可以在任意時(shí)候進(jìn)行， 而不管輸出信號的相位， 切換時(shí)間小于0. 3 us。

　　2. 2 頻率控制部分

　　MAX038 輸出信號的頻率由注入引腳IIN 的電流IIN 、COSC 引腳端接的電容CF 以及引腳FADJ 上的電壓V FADJ 決定。當VFADJ = 0 V 時(shí)， 基本輸出頻率Fo 由下式給出：

　　式中： IIN 為流入IIN 引腳的電流（ 為獲得最佳性能取10 A到400 A ） , CF 為連接COSC 引腳和地的電容（ 在20 pF~ 100 F 中選?。?, 如果VFADJ 是已知， 則任意輸出頻率Fx = Fo [ 1- （0. 2915 VFADJ ） ] , 在本設計中通過(guò)10位D/A 轉換器A D7533 輸出不同電壓， 連接1 個(gè)30 k 的電阻控制流入MAX038 IIN 管腳的電流與C8051F130 控制CD4051 選擇不同的CF 共同決定信號的輸出頻率值， 整個(gè)輸出信號的頻率分為7 個(gè)頻段， 頻段劃分與CF 值和流入IIN 電流值對應關(guān)系如表2 所示。

表2 頻段劃分與CF 值和流入IIN 電流值對應關(guān)系

　　2. 3 占空比調節部分

　　DADJ 引腳端上的電壓控制輸出波形的占空比， 當VDADJ = 0 時(shí)占空比為50%, 當電壓從+ 2. 3 V 到- 2. 3 V將引起輸出占空比從15%~ 85%變化， 電壓變化1 V 可使占空比變化15%, 占空比調節部分選用串行輸入、雙電壓輸出的8 位D/ A 轉換器AD7303, 通過(guò)C8051F130 控制AD7303 輸出- 2. 3~ + 2. 3 V, 接入DADJ 引腳調節占空比。

　　2. 4 幅度調節部分

　　在經(jīng)過(guò)頻率控制和占空比調節之后， MAX038 輸出端能輸出幅度為2 V（ VPP ） 的有關(guān)波形， 對地對稱(chēng)即相對對地電位而言是- 1~ + 1 V, 輸出阻抗小于0. 1 Ω , 可直接向50 pF的容性負載提供的驅動(dòng)電流為±20 mA 。為滿(mǎn)足實(shí)際使用對信號源的要求， 還需要幅度調節電路調節輸出信號幅度和增加信號驅動(dòng)能力， 幅度調節電路由寬帶高速電流反饋運放AD811 構成的反相比例運算電路構成， 其中反饋電阻大小由單片機C8051F130 控制X9C103 數字電位器實(shí)現， 輸出信號隨運放增益的不同， 幅度可以在200 mV~20 V（ VPP ） , 增減步進(jìn)量為200 mV （ VPP ） 。圖2 給出了信號源發(fā)生器頻率控制部分、占空比調節部分和幅度調節部分的電原理圖。

　　2. 5 電源部分

　　電源電路部分主要向其他電路提供各芯片工作所需要的電壓， 需要+ 15 V、- 15 V、+ 5 V、- 5 V , 為了減小電源的干擾對各部分電路的影響特別是對D/A 轉換器轉換精度的影響， 采用了廣州周立功公司生產(chǎn)的寬壓輸入隔離穩壓正、負雙輸出隔離電源芯片ZY _WHAD- 3W 系列，其具有轉換效率高， 高低溫特性好， 電壓精度高等特點(diǎn)， 另外A D7533 工作還需要的+ 10 V 基準電壓由AD584 提供（ 見(jiàn)圖2） , 電源電路原理圖如圖3 所示。

　　2. 6 鍵盤(pán)輸入和信號狀態(tài)顯示

　　該部分電路使用液晶顯示模塊SG19264 和按鍵開(kāi)關(guān)實(shí)現信號源發(fā)生器的頻率、幅度、占空比調節和信號狀態(tài)輸出顯示， 使用C8051F130 的I/ O 口連接4 4 鍵盤(pán)矩陣和SG19264 數據口和控制口， 根據按鍵情況在液晶模塊上顯示輸出信號類(lèi)型、頻率、幅度、占空比等狀態(tài)信息。

　　3 軟件設計

　　信號發(fā)生器軟件設計采用模塊化編程結構， 分為初始化程序、鍵盤(pán)處理程序、波形選擇程序、頻率調節程序、占空比調節程序、幅度調節程序、信號狀態(tài)顯示程序， 信號發(fā)生器上電執行初始化程序產(chǎn)生頻率1 kHz, 幅度2 V（VPP）， 占空比為50% 的方波， 初始化后響應是何按鍵按下， 轉入相應的信號狀態(tài)調節程序最后通過(guò)信號狀態(tài)顯示程序在液晶上顯示， 程序流程圖如圖4 所示。

圖4 程序流程

　　4 結 論

　　為驗證所設計信號源發(fā)生器性能， 在按照上述硬件和軟件設計后， 對其輸出信號各項指標參數進(jìn)行了實(shí)際測試， 其中使用Agilent 53132A 和National VP7720A 對其主要參數輸出頻率精度和總失真度系數的測試數據如表3 和表4 所示。

表3 輸出頻率

表4 正弦波失真系數

　　由表3 和表4 可見(jiàn)， 本設計的信號發(fā)生器能達到輸出波形失真度小于0. 3% , 輸出頻率精度優(yōu)于2 ×10- 4 , 在同類(lèi)設計中性能較優(yōu)。

　　本設計以單片機C8051F130 為核心， 輔以D/A 轉換器AD7533 和AD7303 及數字電位器X9C103 等外圍電路對MAX038 進(jìn)行控制產(chǎn)生所需信號。經(jīng)實(shí)驗驗證， 所設計的信號發(fā)生器能輸出頻率小于15 MHz, 幅度200 mV~ 20 V（VPP ）連續可調， 占空比在15%~ 85%的方波、正弦波、三角波， 具有外圍電路簡(jiǎn)單、體積小、精度高、輸出波形失真小等優(yōu)點(diǎn)。該信號發(fā)生器已經(jīng)廣泛應用在我院電學(xué)電子測試工作中。