基于MAX038的程控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

0 引言

在現(xiàn)代電子技術(shù)的研究及應(yīng)用領(lǐng)域。常常需要高精度且頻率可調(diào)的信號(hào)源。MAX038是MAXIM公司開(kāi)發(fā)的新一代專用函數(shù)信號(hào)發(fā)生芯片，它可以產(chǎn)生正弦波、方波和三角波等三種波形，而且頻率和占空比獨(dú)立可調(diào)。本文設(shè)計(jì)了一種由LPC2114、MAX038、D／A轉(zhuǎn)換器以及八選一模擬開(kāi)關(guān)CD4051等構(gòu)成的程控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。研究了LPC2114通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX038頻就緒和占空比的調(diào)控方法。給出了在0.1Hz～20MHz內(nèi)產(chǎn)生精確的正弦波、方波和三角波的方法。此外，本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器還具有可調(diào)范圍大、精度高、信號(hào)穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于各種電子測(cè)量和控制場(chǎng)合。

1 MAX038的主要特性

MAX038是MAXIM公司生產(chǎn)的一種具有高頻、高精度、低輸出電阻而且驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器芯片。它的內(nèi)部電路主要由振蕩器、振蕩頻率控制器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、正弦波形發(fā)生器、比較器、多路模擬開(kāi)關(guān)、相位比較器組成。MAX038主要性能特點(diǎn)如下：

◇能精密地產(chǎn)生正弦波、矩形波(含方波)、三角波信號(hào)。
◇頻率范圍從0.1 Hz～20 MHz，最高可達(dá)40MHz，各種波形的輸出幅度均為2 V(P-P)。
◇占空比調(diào)節(jié)范圍寬，占空比和頻率均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，二者互不影響，占空比最大調(diào)節(jié)范圍為10％～90％。
◇波形失真小，正弦波失真度小于0.75％，占空比調(diào)節(jié)時(shí)的非線性度低于2％。
◇采用±5 V雙電源供電，允許有5％變化范圍，電源電流為80 mA，典型功耗400 mW，工作溫度范圍為0～70℃。
◇內(nèi)設(shè)2.5 V電壓基準(zhǔn)，可利用該電壓設(shè)定FADJ、DADJ的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)和占空比調(diào)節(jié)。

2系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

2.1系統(tǒng)整體構(gòu)成

一系統(tǒng)主要是由主控制器LPC2114、函數(shù)發(fā)生器MAX038、D／A轉(zhuǎn)換器、LED顯示、鍵盤、波段切換，波形處理和峰值檢波等部分組成，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)中的LPC2114是一款基于ARM7TDMI的微控制器，其結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)(RISC)原理設(shè)計(jì)的，具有許多比以前8位微控制器更豐富和先進(jìn)的性能。由于LPC2114具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、4路10位ADC、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷，并且內(nèi)嵌一個(gè)128KB的高速FLASH存儲(chǔ)器，因此，特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和電子收款機(jī)(POS)。

作為本系統(tǒng)的主控制器，LPC2114可通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器和八選一模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX038的波形選擇以及頻率和占空比調(diào)節(jié)，同時(shí)具有LED顯示控制和鍵盤控制功能，此外，PLC2114還可以通過(guò)自帶的ADC對(duì)波形的峰值進(jìn)行測(cè)量。LED顯示可同時(shí)輸出頻率(6位LED)和幅度(4位LED)。系統(tǒng)中的波形處理主要是對(duì)MAX038輸出的波形進(jìn)行電壓放大和功率放大。并加入直流偏移。峰值檢波電路則以AD8021為核心組成電壓峰值保持電路，以便對(duì)波形的幅度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

2.2系統(tǒng)控制電路與工作原理

LPC2114主要通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器TLC5618、DAC0832和八選一模擬開(kāi)關(guān)CD4051對(duì)MAX038輸出的波形、頻率以及占空比進(jìn)行控制。其控制電路如圖2所示，其中端口OUT為MAX038的波形輸出端，其它端口連至LPC2114相應(yīng)引腳。

LPC2114通過(guò)對(duì)A1和A0端的不同設(shè)置來(lái)選擇不同的波形。當(dāng)A1為高電平、A0為任意時(shí)，輸出波形為正弦波；當(dāng)A1、A0同時(shí)為低電平時(shí)，輸出波形為方波；當(dāng)A1為低電平、A0為高電平時(shí)，輸出波形為三角波。MAX038輸出波形的頻率由輸入引腳IIN的電流IIN、引腳COSC接人的電容量Cf以及引腳FADJ的電壓VFADJ決定，其中輸出波形的基頻由電流IIN和Cf決定。若輸出波形的基頻為f0，那么，VFADJ時(shí)0V，f0的計(jì)算公式為：

通過(guò)VFADJ可以對(duì)輸出波形的頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)，當(dāng)VFADJ在±2.4 V之間變化時(shí)，調(diào)制頻偏為±70％。設(shè)實(shí)際輸出的頻率為，則它們的關(guān)系為：

其中，電流IIN由DAC0832經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓／電流轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)提供。當(dāng)DAC0832輸出電壓在0～5 V變化時(shí)，經(jīng)過(guò)6.7 kΩ的電阻即可獲得0～750μA的電流。通過(guò)控制八選一模擬開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)選擇Cf的電容量，從而確定頻率范圍(即頻段)。本系統(tǒng)共有8個(gè)頻段供切換，輸出頻率范圍與Cf的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。

在Cf和IIN確定之后，還可以算出基頻f0，根據(jù)系統(tǒng)要求適當(dāng)改變VFADJ，就可以實(shí)現(xiàn)頻率的微調(diào)。VFADJ的值可由12位雙通道D／A轉(zhuǎn)換器LTC5618提供，LPC2114通過(guò)3線串行總線對(duì)TLC5618實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，其輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍，其輸出電壓為：

本電路中，TLC5618的基準(zhǔn)電壓由MAX038的VREF端提供(為2.5 V)，所以，TLC5618的輸出電壓范圍為0～5 V。當(dāng)TLC5618的OUTA端輸出為1.3 V(428H)～3.7V(0BD7H)時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)高輸入電阻差分比例運(yùn)算電路后．就可以得到-2.4V～+2.4 V的電壓，從而實(shí)現(xiàn)頻率的微調(diào)。

改變VDADJ的電壓可以控制波形的占空比。若用DC表示占空比，那么，當(dāng)VDADJ為0 V時(shí)，Dc為50％；當(dāng)VDADJ不等于0 v時(shí)，VDSDJ=(50-Dc)×0.0575?？刂芓LC5618的OUTB端的輸出(1.35 V(451H)～3.65 V(OBAEH))，再經(jīng)過(guò)高輸入電阻差分比例運(yùn)算電路后，即可得到-2.3-+2.3 V的電壓。從而實(shí)現(xiàn)占空比在10％～90％范圍內(nèi)的變化。

2.3波形輸出與驅(qū)動(dòng)電路

MAX038輸出波形的幅值為2 V(P-P)，最大輸出電流為+20 mA，輸出阻抗的典型值為0.1 Ω?？芍苯域?qū)動(dòng)100 Ω的負(fù)載。為了得到更大的輸出幅度和驅(qū)動(dòng)能力，就需要對(duì)波形信號(hào)作進(jìn)一步處理，圖3給出了一個(gè)波形輸出與驅(qū)動(dòng)電路。為了濾除高頻干擾，波形信號(hào)從MAX038的OUT端輸出后，可使其通過(guò)一個(gè)50 MHz的LC低通濾波電路，并經(jīng)過(guò)AD8021進(jìn)行電壓放大。AD8021是解決增益與帶寬性能之間的匹配問(wèn)題的一種定制補(bǔ)償放大器。當(dāng)增益為-1時(shí)，帶寬200 MHz。增益為-10時(shí)帶寬190 MHz。本電路中，AD8021的閉環(huán)電壓增益G=(750+82.5)／82.5≈10，輸出電壓的幅度增至20 V(P-P)，有效值為7 V左右。直流分量由OP07高精度運(yùn)放構(gòu)成。偏移量在-5～+5 V之間。功率放大級(jí)由AD811來(lái)?yè)?dān)任，AD811是一個(gè)寬帶高速電流反饋型運(yùn)算放大器，其小信號(hào)帶寬(G=+2時(shí))達(dá)120 MHz，輸出電流達(dá)100 mA，短路輸出電流可達(dá)150 mA。在本電路中，AD811的電壓放大增益為1，主要起功率放大的作用。

圖3中，通過(guò)電位器RW1可以對(duì)波形的幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)LPC2114控制繼電器的開(kāi)通與關(guān)斷，可以對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行0 dB、20 dB、40 dB三個(gè)檔次的衰減。為了實(shí)時(shí)測(cè)量波形的峰峰值，可使信號(hào)經(jīng)過(guò)峰值檢波電路后，再經(jīng)過(guò)分壓，使其電壓保持在0～3.3 V之間，然后送人LPC2114自帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)量。峰值檢波電路可由一級(jí)精密二極管電路和一級(jí)電壓跟隨器組成。這里的電壓跟隨器仍選用AD8021，當(dāng)信號(hào)為正且大于二極管的閾值電壓時(shí)，可以對(duì)電容充電，以鎖存峰值，并可通過(guò)旁邊的電阻為其放電。因?yàn)榉烹娛且粋€(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，因此，當(dāng)信號(hào)頻率很高時(shí)，電容兩端的電壓就近似于正峰值，這樣，根據(jù)波形，就可以通過(guò)編程對(duì)其進(jìn)行處理，從而得到信號(hào)的峰峰值。

3軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的所有程序均用C語(yǔ)言編寫。軟件主要包括主程序、峰值檢波子程序和顯示子程序。主程序主要完成程序初始化，比如PLC2114的初始化，輸出波形、頻率占空比的初始化等(默認(rèn)為1 kHz的正弦波信號(hào))，然后不斷的檢查是否有有效鍵按下，并根據(jù)不同的情況對(duì)其進(jìn)行處理，其中頻率的調(diào)節(jié)相對(duì)比較復(fù)雜，首先要根據(jù)鍵入的鍵值來(lái)確定輸出波形的基頻，從而確定所對(duì)應(yīng)的IIN和Cf，再求出微調(diào)電壓VFADJ，最后把計(jì)算的值送到DAC和CD4051。峰值檢波子程序則通過(guò)定時(shí)中斷的方式來(lái)測(cè)量波形的峰值，并送LED顯示。其主程序流程圖如圖4所示。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)LPC2114對(duì)MAX038進(jìn)行實(shí)時(shí)程序控制可產(chǎn)生高頻高精度的輸出波形，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，輸出波形失真小、頻率范圍寬。通過(guò)本文所設(shè)計(jì)的程控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以輸出0.1 Hz～20MHz范圍內(nèi)的正弦波、方波和三角波，輸出幅度為0～20V(P-P)，電流可以達(dá)到100mA，因而是一個(gè)理想的精密信號(hào)源。