胡仕兵, 趙敏智, 王 波

(1.成都信息工程學院電子工程學院,四川成都610225;2.深圳矽遞科技有限公司,廣東深圳518055)

0 引言

信號發(fā)生器亦稱信號源或振蕩器,在自動控制、電子工程、智能儀表、通信工程、遙測控制、生物醫(yī)學、農(nóng)業(yè)和計算機等現(xiàn)代電子學研究及應用領域中具有十分廣泛的用途。目前的信號發(fā)生器基本上替代了早期由分立元件、運放、集成電路(Integrated Circuit,IC)等搭建的RC、LC和NE555等類型振蕩電路,普遍采用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC和直接數(shù)字合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)芯片[1-3]。函數(shù)信號發(fā)生器IC如Intersil和Harris公司的 ICL8038、Philips公司的 NE/SE566、Thaler公司的SWR200、仙童半導體公司的 RC2207、NTE公司的NTE864以及EXAR公司的XR-2206、XR-2209、XR-8038A等,最高輸出頻率小于1MHz,功能簡單、精度不高、各參數(shù)間相關(guān)、調(diào)節(jié)方式不靈活,無法滿足高頻精密信號源的要求[4-5]。采用DDS芯片(如ADI公司的AD985X、AD593X、AD995X等系列)可以產(chǎn)生任意、穩(wěn)定的高頻波形,并且在改變時相位能保持連續(xù),但生成的信號在高頻時分辨率會降低,頻率改變時的步距也不能做到很小[6-7];此外還存在外圍電路設計復雜、成本較高等問題。為此,設計研制出一種基于單片機STC89C52和高頻波形產(chǎn)生芯片MAX038[8-12]的寬頻帶(1Hz～20MHz)多波形(三角波、鋸齒波、正弦波、方波和PWM 信號)信號發(fā)生器,可以對波形類型、頻率、占空比和幅度等參數(shù)進行獨立設置和調(diào)整,并且具有輸出頻率測量及反饋調(diào)節(jié)的功能;輸出信號精度高、失真度小,有效地彌補了上述各種設計方案的弊端和不足。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)以單片機STC89C52為控制主體,通過對MAX038及其外部電路的控制實現(xiàn)不同頻率、占空比和幅度以及不同類型的信號輸出。整個信號發(fā)生器由鍵盤輸入和狀態(tài)顯示電路、頻率控制環(huán)節(jié)(頻段選擇、頻率粗調(diào)/微調(diào)電路)、占空比調(diào)節(jié)電路、波形選擇部分、頻率反饋測量電路以及輸出幅度程控放大和濾波電路等構(gòu)成,系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 鍵盤和顯示電路

系統(tǒng)采用通用可編程序鍵盤/顯示接口器件Intel8279作為鍵盤和顯示接口電路,該芯片不僅能完成鍵盤輸入和LED顯示控制2種功能,而且能自動消除開關(guān)抖動,并具有N個鍵同時按下鎖定保護功能。鍵盤安排為:正弦波、鋸齒波、方波、三角波、PWM 波形輸出選擇的切換功能鍵,數(shù)字鍵0～9,輸出頻率Hz、KHz、MHz切換鍵,小數(shù)點鍵、占空比鍵、幅度值鍵和確定鍵。顯示器為由2片LN3461AS組成的八位共陰極七段LED顯示器,用來實時輪流顯示波形類型、頻率、占空比和波形的幅度峰峰值等狀態(tài)信息。

2.2 頻率調(diào)節(jié)和波形選擇電路

MAX038的輸出頻率Fx由COSC端的對地電容COSC、IN端的流入電流IIN和FADJ端的電壓VFADJ三者控制,三者間數(shù)學關(guān)系如下:

在COSC、IIN、VFADJ單位分別是pF、μ A、V 時,Fx的單位是MHz。

通過對MAX038的COSC引腳接地電容(取值在20pF～100μ F)程控切換完成輸出頻率范圍即頻段的自動切換。系統(tǒng)設計有4個頻段供選擇切換,當COSC分別為20μ F、0.1μ F、2nF和20pF時,對應輸出頻段分別是 1～30Hz、30Hz～5kHz、5kHz～300kHz和300kHz～20MHz。由于模擬多路開關(guān)如CD4051等開關(guān)導通時存在導通電阻,關(guān)斷時有漏電流[13-14],且電容間存在相互影響和干擾;為了將電容誤差減少到最小,通過單片機控制繼電器方法程控選擇不同段電容,頻段切換電路如圖2所示。由單片機的P1.0～P1.3口線采用上拉式接法控制4個NPN型三極管8050的導通驅(qū)動4個超小型電磁繼電器SHB-4098吸合或斷開,其中二極管D1～D4為續(xù)流二極管,用來保護繼電器不被感應電壓擊穿或燒壞。

圖2 電容頻段選擇電路圖

輸出頻率粗調(diào)、微調(diào)電路和輸出波形選擇電路如圖3所示。

MAX038的IN端流入電流可在2～750μ A變化,能調(diào)節(jié)輸出頻率變比約為350倍,故可作為頻率粗調(diào)時用。設計時采用具有I2C總線接口的8位雙電壓輸出型DAC芯片MAX519(器件地址字節(jié)為40H)的OUT0端串接3.3kΩ電阻實現(xiàn),MAX519的參考電壓由MAX038帶隙基準電壓輸出端REF的2.50V提供。輸出電流理論值IIN與DAC0(命令字節(jié)為0x00)的輸入數(shù)字量D1間數(shù)學關(guān)系為

在頻率粗調(diào)確定D1時,應盡量使IIN在10～400μ A,因為此范圍時的電路工作性能最佳。

MAX038的FADJ引腳電壓VFADJ變化范圍在-2.4～2.4V,可以產(chǎn)生偏移中心頻率(F0=IIN/COSC)±70%左右的頻率變動,據(jù)此可對振蕩輸出起到頻率微調(diào)的作用。采用MAX519的另一路D/A轉(zhuǎn)換輸出OUT1端和低噪聲精密運算放大器MAX410組成雙極性電壓電路來實現(xiàn),輸出電壓VFADJ與DAC1(命令字節(jié)為0x01)的輸入數(shù)據(jù)D2關(guān)系為

輸出的波形類別由單片機的P1.6、P1.7口線控制波形設定端A0、A1的狀態(tài)進行選擇:A1為1、A0任意,輸出波形為正弦波;A0、A1均為0時,輸出波形為方波(改變占空比值時可以產(chǎn)生PWM 信號);A1為0、A0為1時,輸出波形為三角波(改變占空比值時可產(chǎn)生鋸齒波)。

圖3 頻率粗調(diào)、微調(diào)電路和波形選擇電路圖

2.3 頻率反饋測量電路

由于電路中各種器件如電阻、電容等的參數(shù)精度限制,DAC芯片的有效字長量化效應,各種干擾(如電磁干擾、元器件間的相互干擾)以及溫度漂移等因素的存在,輸出波形頻率與理論公式計算值往往不相符。為了精確地產(chǎn)生寬范圍頻率波形,應用閉環(huán)控制方法,將當前輸出頻率反饋回單片機測頻和分析,然后根據(jù)(3)式逐步改變D2值調(diào)節(jié)電壓VFADJ的大小,直至輸出頻率和鍵入頻率間的誤差在給定的容限范圍內(nèi)。MAX038的SYNC端輸出的是與OUT端輸出同頻率且符合TTL/CMOS電平標準的方波信號,頻率高達20MHz。為滿足單片機測量外部脈沖的頻率要求,采用七位二進制串行計數(shù)器CD4024BC將此信號進行2n(n=1,…,7)次分頻,然后通過8選1數(shù)據(jù)選擇器DM74151A將分頻后的信號(I0通道時不分頻)選通送至單片機的計數(shù)器T0進行計數(shù)和測頻。圖4為頻率反饋測量電路原理框圖。

圖4 頻率反饋測量電路圖

2.4 占空比數(shù)控調(diào)節(jié)電路

通過控制MAX038芯片DADJ腳的電壓值VDADJ可以調(diào)節(jié)輸出波形的占空比Dc,二者間數(shù)學關(guān)系如下:

其中:Dc是百分數(shù);VDADJ的范圍在-2.3～2.3V,若超出此范圍會產(chǎn)生輸出頻漂和不穩(wěn),因此可獲得的占空比調(diào)節(jié)范圍在10%～90%。

占空比數(shù)控調(diào)節(jié)電路如圖5所示,由帶有I2C總線接口的8位單電壓輸出型DAC器件MAX517(器件地址字節(jié)是58H,命令字節(jié)為0x00)、運放MAX410和電阻R12、R13組成。輸出電壓VDADJ與單片機送給MAX517數(shù)字量D3的關(guān)系為

聯(lián)立(4)、(5)式 ,得

圖5 占空比調(diào)節(jié)電路圖

根據(jù)設置的占空比Dc值,可以計算出單片機送入MAX517的數(shù)字量D3,并得到相應占空比的波形。

2.5 信號放大及濾波電路

MAX038的OUT輸出端產(chǎn)生各種波形的峰峰值均為2V、相對地電位為-1～1V,最大輸出電流為20mA。為提高輸出信號的功率和信噪比,設計了功率放大電路和濾波電路對波形進行放大和濾波,如圖6所示。MAX442是雙通道140MHz帶寬的高速視頻放大器,A0端置為低電平只選擇模擬輸入通道IN0,通道IN1不用、接地。整個放大器工作在閉環(huán)同相放大狀態(tài),增益由單片機P2.5～P2.7口線控制Intersil公司生產(chǎn)的阻值為50kΩ、滑動端有100個抽頭的數(shù)字電位器X9C503[15]實現(xiàn)。系統(tǒng)使用該電位器的0～79個抽頭,輸出信號的幅度峰峰值在2～10V,步進量為100mV。若要求輸出幅度峰峰值為Vx伏,則X9C503的選通電阻值為5Vx-10 kΩ,對應的抽頭序號為

另外,電阻R15、電容C5～C7和電感L1、L2構(gòu)成一個50MHz、50Ω的低通濾波器,用來濾除輸出波形中的高頻噪聲和諧波。

圖6 放大和濾波電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件總體設計流程如圖7所示。首先進行系統(tǒng)初始化設計,初始化模塊完成對系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)變量的 設 置,包 括 對 Intel8279、MAX519、MAX517、DM74151A和 X9C503等芯片的設置,以及單片機STC89C52內(nèi)部定時器狀態(tài)(定時器Timer0及外部計數(shù)器用作頻率計數(shù),定時器Timer1用來產(chǎn)生1秒閘門時間)、設置中斷和系統(tǒng)變量等初始化設置。然后,開始掃描鍵盤、獲取鍵值,將鍵入的波形參數(shù)(波形類型、占空比、頻率和幅度)保存下來,并把參數(shù)轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量依次送給 MAX038的 A0和 A1端、MAX517、X9C503和MAX519。接著,啟動頻率反饋測量網(wǎng)絡獲取系統(tǒng)的實際輸出頻率值并與設置值進行比較,通過逐步增大或減小D2值改變 MAX038的FADJ端電壓VFADJ值,使輸出頻率誤差在指定的范圍內(nèi)為止。最后,將波形類型、占空比、實際輸出頻率和波形幅度等信息在LED上實時輪流顯示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 測試數(shù)據(jù)分析

在完成硬件電路設計和搭建、軟件程序編寫和調(diào)試以及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后,為檢驗系統(tǒng)的實際性能,使用Agilent54642D 500MHz數(shù)字示波器對輸出信號的頻率進行測試。測量條件為:輸出波形類型為PWM信號,占空比為70%,輸出電壓峰峰值為5V,溫度為常溫狀態(tài)下。對不同頻點輸出波形頻率的測量結(jié)果如表1所示。

表1 頻率數(shù)據(jù)測試結(jié)果

由測試結(jié)果可以看出,在各個不同的頻率測試點,該系統(tǒng)的鍵盤輸入頻率值和顯示頻率值一致、不存在誤差,這是因為系統(tǒng)中使用輸出頻率反饋和自動控制環(huán)節(jié)對頻率進行校正的緣故;鍵入頻率值和儀器實際測量值間最大相對誤差小于0.01%,優(yōu)于同類設計產(chǎn)品[4,5,8]。這些表明:該儀器工作穩(wěn)定正常,性能優(yōu)良、可靠,完全滿足設計要求。

5 主要技術(shù)指標

儀器主要性能指標如下:(1)輸出波形:正弦波、三角波、鋸齒波、方波和PWM波;(2)輸出頻率范圍:1Hz-20MHz;(3)輸出頻率精度:＜0.01%;(4)占空比范圍:在10%～90%,變化率為0.34%;(5)輸出幅度:2～10V(VPP),步進量為100mV(VPP);(6)輸出阻抗:50Ω;(7)工作電源:DC±5V;(8)使用環(huán)境溫度:0℃～70℃;(9)使用環(huán)境濕度:≤90%RH。

6 結(jié)束語

以MAX038函數(shù)信號產(chǎn)生器芯片為核心,采用單片機STC89C52并輔以D/A轉(zhuǎn)換電路、頻段選擇電路、反饋測頻電路及數(shù)字電位器增益放大電路等對其進行智能化控制,完成一種寬頻率范圍的多波形信號產(chǎn)生器的設計和研制。該系統(tǒng)整機體積小、外圍電路簡單,具有成本低廉、功能多樣、操作簡單、響應速度快、輸出波形失真度低、頻率精度高等優(yōu)點。該儀器適用于需要高精度且頻率可方便調(diào)節(jié)的信號源的機械、冶金、鑄造、化工、農(nóng)業(yè)、軍事、生物醫(yī)學等現(xiàn)代電子學應用領域和場合,具有很高的應用價值和廣泛的應用前景。

致謝:感謝成都信息工程學院引進人才科研啟動項目基金(KYTZ201104)對本文的資助

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