基于C8051F130和MAX038信號源發(fā)生器設(shè)計分析

摘要： 以Cygnal 單片機C8051F130 和波形產(chǎn)生器MAX038 為核心， 輔以高性能D/ A 轉(zhuǎn)換器AD7533 和AD7303及數(shù)字電位器X9C103 等外圍電路設(shè)計了1 種信號源發(fā)生器。給出了詳細的硬件設(shè)計方案和軟件設(shè)計方案。經(jīng)實際測試， 該信號源發(fā)生器能輸出頻率小于15 M Hz, 幅度200 mV~ 20 V( VPP ) 連續(xù)可調(diào)， 占空比在15%~ 85% 變化的方波、正弦波、三角波， 輸出波形失真度小于0. 3%, 輸出頻率精度優(yōu)于2 ×10- 4 , 具有外圍電路簡單、精度高、低失真度等優(yōu)點， 得到了廣泛應用。

0 引言

在現(xiàn)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(diào)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 定時器構(gòu)成的震蕩電路制成， 更多的則是用專門的函數(shù)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, 無法產(chǎn)生更高頻率的信號， 另外調(diào)節(jié)方式也不夠靈活， 頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)， 二者互相影響。也有采用專門DDS 芯片的信號發(fā)生器， 但電路結(jié)構(gòu)復雜， 成本較高 。而專門針對極低頻率的信號源其設(shè)計頻率范圍又較窄 , 應用范圍小。為此， 本文研究并設(shè)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(nèi)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(shè)計的不足， 滿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(shè)計

該信號源發(fā)生器主要以單片機C8051F130 為控制核心， 通過對Maxim 公司波形發(fā)生器芯片MAX038 及其外部電路控制實現(xiàn)其不同幅度和頻率， 不同類型信號的輸出， 其中C8051F130 是Silicon Laborat or ies 公司推出的一種具有8051 內(nèi)核及指令集完全兼容的集成混合信號片上系統(tǒng)， 執(zhí)行指令最快速度可達100 MIPS, 內(nèi)部具有8448( 8K+ 256) 字節(jié)片內(nèi)RAM 和128 K 字節(jié)的flash 存儲器，擁有多達64 個輸入輸出口， 可以完全滿足本設(shè)計的控制需求， MAX038 是1 個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外圍電路的電流、電壓和電阻進行調(diào)節(jié)。整個信號源發(fā)生器由頻率控制部分、波形選擇部分、占空比調(diào)節(jié)部分、鍵盤輸入控制部分、信號狀態(tài)顯示部分、電源部分等構(gòu)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(shè)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， 對輸入進行設(shè)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候進行， 而不管輸出信號的相位， 切換時間小于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， 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 中選取) , 如果VFADJ 是已知， 則任意輸出頻率Fx = Fo [ 1- (0. 2915 VFADJ ) ] , 在本設(shè)計中通過10位D/A 轉(zhuǎn)換器A D7533 輸出不同電壓， 連接1 個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， 整個輸出信號的頻率分為7 個頻段， 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(diào)節(jié)部分

DADJ 引腳端上的電壓控制輸出波形的占空比， 當VDADJ = 0 時占空比為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(diào)節(jié)部分選用串行輸入、雙電壓輸出的8 位D/ A 轉(zhuǎn)換器AD7303, 通過C8051F130 控制AD7303 輸出- 2. 3~ + 2. 3 V, 接入DADJ 引腳調(diào)節(jié)占空比。

2. 4 幅度調(diào)節(jié)部分

在經(jīng)過頻率控制和占空比調(diào)節(jié)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(qū)動電流為±20 mA 。為滿足實際使用對信號源的要求， 還需要幅度調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)輸出信號幅度和增加信號驅(qū)動能力， 幅度調(diào)節(jié)電路由寬帶高速電流反饋運放AD811 構(gòu)成的反相比例運算電路構(gòu)成， 其中反饋電阻大小由單片機C8051F130 控制X9C103 數(shù)字電位器實現(xiàn)， 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(diào)節(jié)部分和幅度調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(wěn)壓正、負雙輸出隔離電源芯片ZY _WHAD- 3W 系列，其具有轉(zhuǎn)換效率高， 高低溫特性好， 電壓精度高等特點， 另外A D7533 工作還需要的+ 10 V 基準電壓由AD584 提供( 見圖2) , 電源電路原理圖如圖3 所示。

2. 6 鍵盤輸入和信號狀態(tài)顯示

該部分電路使用液晶顯示模塊SG19264 和按鍵開關(guān)實現(xiàn)信號源發(fā)生器的頻率、幅度、占空比調(diào)節(jié)和信號狀態(tài)輸出顯示， 使用C8051F130 的I/ O 口連接4 4 鍵盤矩陣和SG19264 數(shù)據(jù)口和控制口， 根據(jù)按鍵情況在液晶模塊上顯示輸出信號類型、頻率、幅度、占空比等狀態(tài)信息。

3 軟件設(shè)計

信號發(fā)生器軟件設(shè)計采用模塊化編程結(jié)構(gòu)， 分為初始化程序、鍵盤處理程序、波形選擇程序、頻率調(diào)節(jié)程序、占空比調(diào)節(jié)程序、幅度調(diào)節(jié)程序、信號狀態(tài)顯示程序， 信號發(fā)生器上電執(zhí)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(zhuǎn)入相應的信號狀態(tài)調(diào)節(jié)程序最后通過信號狀態(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(jié) 論

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

表3 輸出頻率

表4 正弦波失真系數(shù)

由表3 和表4 可見， 本設(shè)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 , 在同類設(shè)計中性能較優(yōu)。

本設(shè)計以單片機C8051F130 為核心， 輔以D/A 轉(zhuǎn)換器AD7533 和AD7303 及數(shù)字電位器X9C103 等外圍電路對MAX038 進行控制產(chǎn)生所需信號。經(jīng)實驗驗證， 所設(shè)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(xù)可調(diào)， 占空比在15%~ 85%的方波、正弦波、三角波， 具有外圍電路簡單、體積小、精度高、輸出波形失真小等優(yōu)點。該信號發(fā)生器已經(jīng)廣泛應用在我院電學電子測試工作中。