摘要： 以Cygnal 单片机C8051F130 和波形产生器MAX038 为， 辅以高性能D/ A 转换器AD7533 和AD7303及数字电位器X9C103 等外围电路设计了1 种信号源发生器。给出了详细的硬件设计方案和软件设计方案。经实际测试， 该信号源发生器能输出频率小于15 M Hz, 幅度200 mV~ 20 V（ VPP ） 连续可调， 占空比在15%~ 85% 变化的方波、正弦波、三角波， 输出波形失真度小于0. 3%, 输出频率优于2 ×10- 4 , 具有外围电路简单、高、低失真度等优点， 得到了广泛应用。
0 引言
在现代电子测量技术的研究及应用领域， 常常需要高且频率可调的信号源， 信号源产生电路可以由RC 震荡电路、LC 震荡电路以及由555 定时器构成的震荡电路制成， 更多的则是用专门的函数信号发生器IC 产生， 如ICL8038、BA205、XR2207/ 2209 等， 但它们的功能较少， 不高， 频率上限只有300 kHz, 无法产生更高频率的信号， 另外调节方式也不够灵活， 频率和占空比不能独立调节， 二者互相影响。也有采用专门DDS 芯片的信号发生器， 但电路结构复杂， 成本较高 。而专门针对极低频率的信号源其设计频率范围又较窄 , 应用范围小。为此， 本文研究并设计出了一种基于单片机C8051F130 和MAX038 的信号源发生器， 能在15 MHz 内产生三角波、正弦波、方波， 高、失真度小、能有效弥补上述设计的不足， 满足大部分测试对信号源的要求。
1 信号源发生器的总体设计
该信号源发生器主要以单片机C8051F130 为控制， 通过对Maxim 公司波形发生器芯片MAX038 及其外部电路控制实现其不同幅度和频率， 不同类型信号的输出， 其中C8051F130 是Silicon Laborat or ies 公司推出的一种具有8051 内核及指令集完全兼容的集成混合信号片上系统， 执行指令快速度可达100 MIPS, 内部具有8448（ 8K+ 256） 字节片内RAM 和128 K 字节的flash 存储器，拥有多达64 个输入输出口， 可以完全满足本设计的控制需求， MAX038 是1 个只需要少量外部元件便能产生准确正弦波、三角波和方波的波形产生器， 输出频率和占空比可以通过外围电路的电流、电压和电阻进行调节。整个信号源发生器由频率控制部分、波形选择部分、占空比调节部分、键盘输入控制部分、信号状态显示部分、电源部分等构成， 电路框图如图1 所示。
图1 信号源发生器
2 信号源发生器各部分硬件电路设计
2. 1 波形选择部分
直接使用C8051F130 上I/ O 口P0. 0、P0. 1 连接MAX038 上A0 和A1 管脚， 对输入进行设置即能产生正弦波、方波和三角波， 管脚电平和波形之间的关系如表1所示。
表1 A0 和A1 管脚电平对应波形关系
波形切换可以在任意时候进行， 而不管输出信号的相位， 切换时间小于0. 3 us。
2. 2 频率控制部分
MAX038 输出信号的频率由注入引脚IIN 的电流IIN 、COSC 引脚端接的电容CF 以及引脚FADJ 上的电压V FADJ 决定。当VFADJ = 0 V 时， 基本输出频率Fo 由下式给出：
式中： IIN 为流入IIN 引脚的电流（ 为获得性能取10 A到400 A ） , CF 为连接COSC 引脚和地的电容（ 在20 pF~ 100 F 中选取） , 如果VFADJ 是已知， 则任意输出频率Fx = Fo [ 1- （0. 2915 VFADJ ） ] , 在本设计中通过10位D/A 转换器A D7533 输出不同电压， 连接1 个30 k 的电阻控制流入MAX038 IIN 管脚的电流与C8051F130 控制CD4051 选择不同的CF 共同决定信号的输出频率值， 整个输出信号的频率分为7 个频段， 频段划分与CF 值和流入IIN 电流值对应关系如表2 所示。
表2 频段划分与CF 值和流入IIN 电流值对应关系
2. 3 占空比调节部分
DADJ 引脚端上的电压控制输出波形的占空比， 当VDADJ = 0 时占空比为50%, 当电压从+ 2. 3 V 到- 2. 3 V将引起输出占空比从15%~ 85%变化， 电压变化1 V 可使占空比变化15%, 占空比调节部分选用串行输入、双电压输出的8 位D/ A 转换器AD7303, 通过C8051F130 控制AD7303 输出- 2. 3~ + 2. 3 V, 接入DADJ 引脚调节占空比。
2. 4 幅度调节部分
在经过频率控制和占空比调节之后， MAX038 输出端能输出幅度为2 V（ VPP ） 的有关波形， 对地对称即相对对地电位而言是- 1~ + 1 V, 输出阻抗小于0. 1 Ω , 可直接向50 pF的容性负载提供的驱动电流为±20 mA 。为满足实际使用对信号源的要求， 还需要幅度调节电路调节输出信号幅度和增加信号驱动能力， 幅度调节电路由宽带高速电流反馈运放AD811 构成的反相比例运算电路构成， 其中反馈电阻大小由单片机C8051F130 控制X9C103 数字电位器实现， 输出信号随运放增益的不同， 幅度可以在200 mV~20 V（ VPP ） , 增减步进量为200 mV （ VPP ） 。图2 给出了信号源发生器频率控制部分、占空比调节部分和幅度调节部分的电原理图。
2. 5 电源部分
电源电路部分主要向其他电路提供各芯片工作所需要的电压， 需要+ 15 V、- 15 V、+ 5 V、- 5 V , 为了减小电源的干扰对各部分电路的影响特别是对D/A 转换器转换的影响， 采用了广州周立功公司生产的宽压输入隔离稳压正、负双输出隔离电源芯片ZY _WHAD- 3W 系列，其具有转换效率高， 高低温特性好， 电压高等特点， 另外A D7533 工作还需要的+ 10 V 基准电压由AD584 提供（ 见图2） , 电源电路原理图如图3 所示。
2. 6 键盘输入和信号状态显示
该部分电路使用液晶显示模块SG19264 和按键开关实现信号源发生器的频率、幅度、占空比调节和信号状态输出显示， 使用C8051F130 的I/ O 口连接4 4 键盘矩阵和SG19264 数据口和控制口， 根据按键情况在液晶模块上显示输出信号类型、频率、幅度、占空比等状态信息。
3 软件设计
信号发生器软件设计采用模块化编程结构， 分为初始化程序、键盘处理程序、波形选择程序、频率调节程序、占空比调节程序、幅度调节程序、信号状态显示程序， 信号发生器上电执行初始化程序产生频率1 kHz, 幅度2 V（VPP）， 占空比为50% 的方波， 初始化后响应是何按键按下， 转入相应的信号状态调节程序通过信号状态显示程序在液晶上显示， 程序流程图如图4 所示。
图4 程序流程
4 结 论
为验证所设计信号源发生器性能， 在按照上述硬件和软件设计后， 对其输出信号各项指标参数进行了实际测试， 其中使用Agilent 53132A 和National VP7720A 对其主要参数输出频率和总失真度系数的测试数据如表3 和表4 所示。
表3 输出频率
表4 正弦波失真系数
由表3 和表4 可见， 本设计的信号发生器能达到输出波形失真度小于0. 3% , 输出频率优于2 ×10- 4 , 在同类设计中性能较优。
本设计以单片机C8051F130 为， 辅以D/A 转换器AD7533 和AD7303 及数字电位器X9C103 等外围电路对MAX038 进行控制产生所需信号。经实验验证， 所设计的信号发生器能输出频率小于15 MHz, 幅度200 mV~ 20 V（VPP ）连续可调， 占空比在15%~ 85%的方波、正弦波、三角波， 具有外围电路简单、体积小、高、输出波形失真小等优点。该信号发生器已经广泛应用在我院电学电子测试工作中。
[1]. C8051F130 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C8051F130+_209862.html.
[2]. MAX038 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX038+_470985.html.
[3]. AD7533 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD7533+_1055434.html.
[4]. AD7303 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD7303_249677.html.
[5]. X9C103 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/X9C103+_725426.html.
[6]. ICL8038 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ICL8038_225332.html.
[7]. Maxim datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Maxim+_1062568.html.
[8]. A1 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/A1+_2047438.html.
[9]. CD4051 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CD4051+_1865305.html.
[10]. AD811 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD811+_1055521.html.
[11]. AD584 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD584+_248571.html.
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