頻率可調(diào)信號(hào)源的設(shè)計(jì)分析

0 引言

在現(xiàn)代電子測(cè)量技術(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， 信號(hào)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(shí)器構(gòu)成的震蕩電路制成， 更多的則是用專(zhuān)門(mén)的函數(shù)信號(hào)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(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)， 另外調(diào)節(jié)方式也不夠靈活， 頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)， 二者互相影響。也有采用專(zhuān)門(mén)DDS 芯片的信號(hào)發(fā)生器， 但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 成本較高 。而專(zhuān)門(mén)針對(duì)極低頻率的信號(hào)源其設(shè)計(jì)頻率范圍又較窄 , 應(yīng)用范圍小。為此， 本文研究并設(shè)計(jì)出了一種基于單片機(jī)C8051F130 和MAX038 的信號(hào)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(bǔ)上述設(shè)計(jì)的不足， 滿足大部分測(cè)試對(duì)信號(hào)源的要求。

1 信號(hào)源發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)

該信號(hào)源發(fā)生器主要以單片機(jī)C8051F130 為控制核心， 通過(guò)對(duì)Maxim 公司波形發(fā)生器芯片MAX038 及其外部電路控制實(shí)現(xiàn)其不同幅度和頻率， 不同類(lèi)型信號(hào)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(hào)片上系統(tǒng)， 執(zhí)行指令最快速度可達(dá)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(chǔ)器，擁有多達(dá)64 個(gè)輸入輸出口， 可以完全滿足本設(shè)計(jì)的控制需求， MAX038 是1 個(gè)只需要少量外部元件便能產(chǎn)生準(zhǔn)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(guò)外圍電路的電流、電壓和電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)信號(hào)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(pán)輸入控制部分、信號(hào)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(hào)源發(fā)生器

2 信號(hào)源發(fā)生器各部分硬件電路設(shè)計(jì)

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(duì)輸入進(jìn)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(duì)應(yīng)波形關(guān)系

波形切換可以在任意時(shí)候進(jìn)行， 而不管輸出信號(hào)的相位， 切換時(shí)間小于0. 3 us。

2. 2 頻率控制部分

MAX038 輸出信號(hào)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(dāng)VFADJ = 0 V 時(shí)， 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(jì)中通過(guò)10位D/A 轉(zhuǎn)換器A D7533 輸出不同電壓， 連接1 個(gè)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(hào)的輸出頻率值， 整個(gè)輸出信號(hào)的頻率分為7 個(gè)頻段， 頻段劃分與CF 值和流入IIN 電流值對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(dāng)VDADJ = 0 時(shí)占空比為50%, 當(dāng)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(guò)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(guò)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(duì)地對(duì)稱即相對(duì)對(duì)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(fù)載提供的驅(qū)動(dòng)電流為±20 mA 。為滿足實(shí)際使用對(duì)信號(hào)源的要求， 還需要幅度調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)輸出信號(hào)幅度和增加信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力， 幅度調(diào)節(jié)電路由寬帶高速電流反饋運(yùn)放AD811 構(gòu)成的反相比例運(yùn)算電路構(gòu)成， 其中反饋電阻大小由單片機(jī)C8051F130 控制X9C103 數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)， 輸出信號(hào)隨運(yùn)放增益的不同， 幅度可以在200 mV~20 V( VPP ) , 增減步進(jìn)量為200 mV ( VPP ) 。圖2 給出了信號(hào)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(duì)各部分電路的影響特別是對(duì)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(fù)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(diǎn)， 另外A D7533 工作還需要的+ 10 V 基準(zhǔn)電壓由AD584 提供( 見(jiàn)圖2) , 電源電路原理圖如圖3 所示。