函数信号发生器的设计1.docx
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函数信号发生器的设计1
2007年6月第24卷第2期
三明学院学报
JOURNALOFSANMINGUNIVERSITY
Jun.2007Vol.24NO.2
函数信号发生器的设计
袁放成
(泉州师范学院物理系,福建泉州
362000)
摘要:
设计的函数信号发生器由集成电路MAX038芯片为核心器件,芯片外围电路设计简单可靠,能输出正弦波、矩形波及三角波。
频率准确度和频率稳定度都达到10-4,正弦波失真度约为1%。
采用C8051F005单片机作为控制芯片,通过键盘操作可选择MAX038的输出波形,利用LCD液晶显示器实时显示输出信号的频率。
关键词:
MAX038;波形;频率稳定度;单片机中图分类号:
TP346
文献标识码:
A
文章编号:
1673-4343(2007)02-0146-06
DesignofFunctionWaveGenerator
YUANFang-cheng
(DeprtmentofPhysics,QuanzhouNormalUniversity,Quanzhou362000,China)
Abstract:
ThecorepartofthefunctionwavegeneratorwasmadeupofICMAX038chipinthispaper.Thedesignoftheexternalcircuitwassimpleandtried.Sinepulseandtrianglewaveformscouldbeproducedbythefunctionwavegenerator.10-4wasachievedinthefrequencystabilityandaccuracy.Thedistortionofsinewaveformwasabout1%.ByusingthecontrolchipmadeupoftheC8051F005SingleChipMicyoco,thefunctionwavegeneratorcouldoutputwaveformsselectedwithkeyboard,andshowthefrequencyofoutputtingsignalonLCD.
Keywords:
functionwavegenerator;MAX038;frequencystability;SingleChipMicyoco
引言
在现代电子的各个领域,常常需要用到频率范围广、精度高、稳定度高及输出波形种类丰富的信号源。
随着半导体芯片制造业的迅速发展和研制水平的飞速提高,出现了很多功能强大且性能可靠的集成信号发生芯片,几乎代替了以前用分立元件搭成的信号发生电路模块。
例如ICL8038、
1函数信号发生器的指标要求
函数信号发生器的要求是:
可以输出正弦波、矩形波(包括方波)及三角波,输出信号的频率及幅度连续可调,输出方波的占空比可调,液晶显示输出信号频率值。
输出信号的频率稳定度和准确度达
10-4,正弦波非线性失真度<1%。
MAX038及一系列DDS函数信号发生芯片。
基于ICL8038芯片构成的信号发生器电路设计简单,但
输出信号频率低,最高输出频率约为300kHz[1,2]。
2
2.1
电路设计原理
系统的组成
本设计系统由函数信号产生模块、幅度放大
DDS函数信号发生芯片虽然输出信号频率高,但
外围电路复杂且输出波形单一,只能输出正弦波。
本设计用精密函数发生芯片MAX038,在众多的信号发生芯片中,MAX038芯片的性能价格比较高[3,4]。
笔者阐述了电路原理并进行了硬件电路的设计及制作,能输出正弦波、矩形波(包括方波)及三角波,并采用单片机控制技术,能通过键盘操作选择输出波形,能利用LCD实时显示输出信号的频率。
收稿日期:
2006-05-17
作者简介:
袁放成(1959–),女,湖南湘潭人,教授。
模块、分频模块、单片机处理系统、键盘处理和显示模块六部分组成,如图1所示。
2.2MAX038的基本工作原理[3]
如图2所示,MAX038内部主要由振荡器,参考电压源,恒流源发生电路,多路选择开关,比较器,相位监测器,输出缓冲器等电路组成。
MAX038是单片精密函数信号产生器,它用±5V电源工作,基本的振荡器是一个交变地以恒定
电流向电容器充电和放电的驰张振荡器,同时产
第2期袁放成:
函数信号发生器的设计
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LCD液晶显示屏
C8051
F005
单片机
CH451键盘处理芯片
键盘阵列
CD4024
分频芯片
信号发生芯片
图1
MAX038
幅度放大系统硬件组成
信号输出
图2MAX038的内部结构(虚线框内)
生一个三角波和矩形波。
通过改变COSC引脚的外接电容和流入IIN引脚的充放电电流的大小来控制输出信号频率,频率范围为0.1Hz~20MHz。
流入IIN引脚的电流由加到FADJ和DADJ引脚上的电压来调制,通过这两个引脚可用外接电压信号分别调整频率和占空比。
MAX038内部有一个正弦波形成电路把振荡器的三角波转变成一个具有等幅的低失真度正弦波。
三角波、正弦波和矩形波输入一个多路器,两根地址线A0和A1从这三个波形中选出一个,从OUT引脚输出2V(峰-峰值)的电压信号。
三角波又被送到产生高速矩形波
的比较器(由SYNC引脚输出),它可以用于其它的振荡器,SYNC电路具有单独的电源引线因而可被禁止。
另外,PDI、PDO引脚分别是相位检波器的输入和输出端。
MAX038为双列直插20引脚芯片,引脚功能列于表1。
由MAX038内部结构及参考文献[4],可得当引脚FADJ的电压UFADJ=0时MAX038输出信号频率的计算由式(1)给出:
f0=
IIIN
f
(1)
(1)式中,IIIN的计算为
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表1
引脚
名称
三明学院学报第24卷
MAX038引脚功能
功能
12,6,9,11,18
34578101213141516171920REFGNDA0A1COSCDADJFADJIINPDOPDISYNCDGNDDV+V+OUTV-
2.50V的门限参考电压
地
波形选择输入端(TTL/CMOS兼容)波形选择输入端(TTL/CMOS兼容)
外接振荡电容端占空比调节端频率调节端
振荡频率控制器的电流输入端相位比较器输出端(如果不用,应接地)相位比较器输入端(如果不用,应接地)
同步输出端(TTL/CMOS兼容输出,允许内部和外部振荡器同步。
如果不用,应悬空)
数字接地
数字电压V+(+5V)电源端,如果没有用到SYNC应悬空
+5V电源输入端
正弦波,三角波,方波输出端
-5V电源输入端
IIIN=
UREFIN
(2)
置占空比调节的原理。
MAX038对频率的调节和占空比的调节互不影响,这是MAX038一个比较突出的优点。
表2为MAX038地址线A0和A1对波形选择的取值表。
表2
(2)式中UREF为内部输出的2.5V恒定参考电压,可见UFADJ=0时,输出信号的频率完全由内部结构及充电电容Cf决定。
IIIN电流大小在2~750μA内变化,电容大小若为pF量级,则输出频率的大小为MHz量级;电容大小若为10-3μF量级,则输出频率的大小为kHz量级;电容大小若为μF量级,则输出频率的大小为Hz量级;其输出频率范围为
MAX038的波形选择X1
00
矩形波
A0A1
波形
10
三角波
0.1Hz~20MHz。
由此可通过改变电容Cf的大小达
到大幅度地改变输出信号频率,这即是设置频率粗调的原理。
正弦波
2.3MAX038外围电路设计与原理
本设计MAX038外围电路图如图3所示。
由
MAX038工作时引脚FADJ的电压UFADJ由参考
电压UREF及可调电阻RF决定。
2.3.1频率控制和占空比控制
图3可知,频率控制分为频率量程改变(粗调)和频率调节(细调)两方面。
通过改变振荡电容Cf来实现量程控制,本设计电路中电容Cf的取值分别为:
C1=100μF,C2=10μF,C3=1μF,C4=0.1μF,C5=
UFADJ=UREF-250μA×RF(3)
由(3)式,调节可变电阻RF,可变化FADJ引脚的电压,其变化范围为±2.4V。
而UFADJ的变化可引起电容充电电流的变化,输出频率则以式(1)的频率f0为中心频率,产生±70%左右的变化。
由此可通过调节可变电阻RF的大小,达到小幅度改变输出信号的频率,这即是设置细调输出信号频率的原理。
10nF,C6=1000pF,C7=100pF,C8=20pF。
电容的切
换是由手动拨盘开关来完成的,通过调节精密电位器R1来实现频率细调,本设计电路中电位器R1取值为5kΩ。
占空比调节是通过调节精密电位器R13来实现,R13取值为20kΩ。
MAX038工作时引脚DADJ电压的变化可引
起电容Cf充电和放电的相对速率的变化,由此引起矩形波占空比发生变化,当UDADJ=0V时,矩形波占空比为50%,即输出为方波。
UDADJ的变化范围为±2.3V,则占空比的变化范围为10%~90%。
图2可知,调节可变电阻RD,可使UDADJ变化,这即是设
2.3.2单片机控制与频率计
本系统采用C8051F005单片机来作为控制芯
片,一方面该单片机速度非常快,另外一方面该单片机的片内资源非常丰富,对以后系统的扩展极其有利,从而可以提高整个系统的性价比。
具体的
第2期袁放成:
函数信号发生器的设计
・・149
单片机I/U口
位
数码拨盘
8
图3MAX038的外围电路
电路设计方面没有什么特别的要求,只需按照该芯片给出的数据手册上的参考电路进行设计。
单片机进行频率计的设计时,应该知道一个前提条件就是该单片机的工作速度够快,系统设计时是采用24MHz的外部晶体振荡器,采用精确定时1s设计频率测量的闸门时间。
实验证明,仅利用
2V。
为了使信号的输出幅值范围更大,提高信噪
比,本设计以宽带运放NE5532为核心采用两级放大,第一级为同相比例放大器,第二级为反相比例放大器,放大后输出信号的幅度可达7V(p-p)。
2.4键盘处理及显示模块电路的设计
由于本系统中单片机的主要时间都在频率的
C8051F005单片机内部的计数器,就可以使得测
量的频率达到5.6MHz左右的值,再利用分频电路,只要4次频,就可以实现频率在22.4M左右的测量,大大降低了测量误差。
测试结果也显示本系统所设计的频率计测量精度是很高的。
测量与显示上,所以如果直接由单片机的IO接口扩展出键盘矩阵的话,那么很大一部分时间还得花在按键有无的判断上,这样会造成单片机不能准确测量频率值,所以键盘处理采用中断方法比较可靠。
本系统采用了专用的键盘显示处理芯片
2.3.3分频电路
MAX038芯片上有一个同步输出引脚SYNC,
该引脚的输出频率与MAX038的波形输出引脚
CH451(24引脚)。
CH451通过级联的串行接口与
单片机等交换数据,并且提供上电复位和看门狗等监控功能。
若有按键被按下,则会通过向单片机提出中断,单片机响应后,CH451芯片再把该按键值送给单片机,这样单片机就有充裕的时间去处理计数器和定时器的中断请求,系统扩展出了16个按键,以便于以后电路的扩展要求。
显示器本文采用的是具有体积小、外型薄、重量轻、耗能小、无辐射、显示信息量大等优点的液晶显示器LCD代替了传统的LED显示,大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。
OUT的频率是相同的,即两引脚是同步的,利用这
个引脚可以检测输出端的频率值。
由于采用的是
C8051F005单片机,它的计数器能工作的正常频
率是系统频率的四分之一,这样当单片机采用的晶振是24MHz时,计数器能工作的最大频率也只能是6MHz,所以在MAX038的输出频率超过这个值时,单片机的计数器是无法正常计数的。
这样就需要一个分频芯片预先把MAX038的输出频率进行分频,以便于单片机的计数器进行正常的计数。
在本设计中,所采用的分频芯片是CD4024。
2.3.4幅度放大电路
3
3.1
软件设计
软件总体功能概述
MAX038各种波形输出的幅值的峰-峰均为
・・150
三明学院学报第24
卷
在本系统设计中,需要用到C8051F005单片机来进行键盘识别、输出频率测量及显示处理,系统软件运行的大部分时间都是在不断进行频率值的测量并且送到显示屏上显示。
3.2监控主程序的设计
监控主程序的任务主要是响应单片机的外部
中断,在本系统中主要是进行对键盘处理芯片的响应及处理。
在单片机进行对键盘的响应与处理的时候,应该不能有其它的中断打扰,否则就会造成处理出错。
所以在这时候应该关闭中断,等待键盘处理完毕后再打开中断。
3.3频率值的测量
该系统对频率的测量主要是在t0时刻设定一
个测量频率的闸门时间T,然后统计计数器的数值
C,这样就可以计算出在t0时刻到to+T时刻的信号
频率。
具体是利用C8051F005单片机内部的定时器2和定时器0,还有可编程计数模块PCA,以定时器2设定测量时限,比如1s的时间,而定时器0与PCA作为计数器,当定时器0溢出时,PCA自动自加1,扩大计数范围。
在响应键盘中断后,频率值的测量重新开始,以保证是准确的频率。
图5键盘中断处理流程图
由于系统的按键数目实际上只用到三个,分别是波形键、频率实测键和倍频键,所以如果还有其它的按键提出中断请求,则系统不予执行,中断返回。
对这三个按键判断完后,执行相应的程序:
当前是波形键,则判断是要选择哪个波形,实际上一按这个按键,输出波形是在三种类型切换的;频率实测键是让系统显示出计数器实际上测得的频率值;而倍频键是让系统显示的频率值增倍,这个按键主要是用来显示MAX038经过分频器后的频率值。
3.4软件流程图
系统主程序设计的流程图如图4所示。
4
4.1
测量及分析
频率测量
依次拨动手动拨盘开关选择电容,手动旋转
电位器,使得液晶显示器上的频率达到最大值后停留一段时间,使显示器频率稳定下来。
同样,测量出最小的频率。
测量结果示于表4。
4.2频率准确度以及失真度的测量
信号发生器上电工作稳定一段时间后,把输
出的信号接到频率计,观察频率计的频率值,与液
由图5,在1s的定时还没有到的时候,软件几乎不用处理任何工作,但单片机内部的计数器和定时器是在不停地工作。
定时器中断后判断是否到达1s的闸门时间,计数器不断地对输入的频率进行计数,当闸门时间到的时候,将计数值送到频率值保存单元,然后再开始下一轮的计数,整个过程循环进行。
单片机对外部中断即键盘中断响应后,进行处理的流程图如图5所示。
晶显示器的频率值进行对比测量。
把信号发生器输出信号接到失真度仪对其输出信号波形的失真度进行测量。
测量结果如表5所示。
4.3频率稳定度测量
频率稳定度测量的是短期稳定度。
系统电路接上
电源,等系统稳定后,把系统所输出的频率接到频率计,分别观察液晶显示器和频率计的当前频率值,过一小时后,再观察液晶显示器和频率计的频率值,对两个时间点的频率值进行比较,测量结果如表6所示。
第2期袁放成:
函数信号发生器的设计表4频率测量频率范围最大值最小值··151电容C1=100μFC2=10μFC3=1μFC4=0.1μFC5=10nFC6=1nFC7=100pFC8=20pF表5电容频率值频率计读数液晶显示值7Hz77Hz1100Hz9930Hz103.70kHz957.40kHz7MHz25MHz频率准确度及失真度的测量准确度(10-4)0.1Hz7Hz68Hz580Hz6.756kHz68.440kHz0.603MHz2.15MHz正弦波失真度无法测量C1=100μFC2=10μFC3=1μFC4=0.1μFC5=10nFC6=1nFC7=100pFC8=20pF4Hz28.1Hz295.6Hz2538Hz29.545kHz296.7kHz2.551MHz8.616MHz4Hz28Hz296Hz2538Hz29.548kHz296.8kHz2.551MHz8.617MHz表60.0035.7120.270.001.013.360.001.16频率稳定度的测量1.14%1.14%1.10%0.91%该频段超过失真度测量仪的频率量程频率值电容频率计读数液晶显示值稳定度(10-4)备注T1C1=100μFC2=10μFC3=1μFFC4=0.1μC5=10nFC6=1nFC7=100pFC8=20pF3.074Hz29.05Hz295.4Hz2538Hz29.540kHz296.90kHz2.551MHz8.616MHzT2(1h后)3.074Hz29.10Hz295.5Hz2539Hz29.548kHz296.72kHz2.551MHz8.619MHzT12Hz30Hz296Hz2538Hz29.540kHz296.876kHz2.551MHz8.617MHzT2(1h后)2Hz30Hz296Hz2540Hz29.544kHz296.84kHz2.551MHz8.620MHz0.000.000.007.881.351.210.003.48频率值显示时,小数点后面的位数不稳定,忽略不计。
稳定度是针对液晶显示值计算。
5结论本文设计和制作的函数信号发生器,以参考文献:
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M],北京:
高等教育出版社,2001:
434-438.MAX038为核心器件,输出信号的的频率准确度和稳定度较高,非线性失真度小,输出频率最高达到了25MHz。
本函数信号发生器可以满足一般电子实验的要求,频率和幅度都可以根据需要进行调节,LCD液晶显示输出频率的大小,其稳定度同输出信号频率的稳定度一样高,输出信号的波形可通过按键由单片机控制选择。
[2]马凤鸣,杨文敏,窦丽民,等.集成函数发生器8038的实验研究[J].实验室科学,2005,12(6):
56-58.[3]蒋金弟,朱永辉,毛培法.MAX038高频精密函数发生器原理及应用[J].山西电子技术,2001(2):
39-43.[4]胡聪权,王兰勋,柏强,等.波形发生器MAX038实现无相差锁相应用及方法研究[J],河北大学学报:
自然科学版,2005,9(25):
535-541.(责任编辑:
叶普)
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