基于MSP430的函数信号发生器设计方案

摘 要： 信号产生部分采用信号发生芯片MAX038，以MSP430单片机为微控制器，进行各种功能操作，完成输出信号的波形、频率、幅度的调节。MAX038输出的频率经过一级跟随器送给OPA300和74HC00构成的波形整形电路对波形进行转换和整形变换成方波信号，再将次信号进行分频，分频后的信号送入msp430进行测量。用LCD显示器，实时显示输出信号参数。控制部分及信号测量部分由msp430单片机实现。

关键词： 函数信号发生器 发生芯片MAX038 单片机

引言

函数信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波三种信号，输出频率频率范围为1KHZ-1MHZ。分为三个档位：1KHZ-10KHZ、10KHZ-100KHZ、100KHZ-1MHZ。输出频率可以用频率电位器（多圈精密电位器）调节，输出信号幅度（Vpp）从50mv到9V可调。波形切换通过一个按键实现，并且可以从液晶显示上可以显示当前输出的波形，频率值和信号幅度值。信号产生部分电路图采用精密函数信号发生器MAX038。信号处理部分采用TI公司的OPA300，TL082等运放构成。

1.方案设计

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，但是以往产品中的信号发生器，往往体积较大，还要外部供电，给户外需要用到信号发生器的地方带来不便。如果能把整机功耗降下来，体积做小，并且采用电池供电，这样就可以做出便携式函数信号发生器。整体电路共分为一下几部分：信号产生模块，后级放大模块，信号整形分频模块，信号频率测量模块，信号幅度测量模块，又可分为硬件设计和软件设计[1]。

2.信号产生电路设计

图1中电位器RP1是频率调节电位器，满足精度要求，所以选择高精度的多圈电位器。电位器一段连接max038的1脚REF端，REF输出标准电压2.5V。另一端连接max038的10脚IN输入端，通过调节电位器RP1可以改变10脚IIN的值，从而改变输出频率值。J1、J2、J3是小型多档位继电器，作为档位切换开关，当J1跳变时，选择C1为振荡电容。在前期设计中从采用过模拟开关实现档位的切换，但是模拟开关存在导通电阻，在选择振荡电容后，因为存在电阻所产生的频率不稳定，所以存在较大的误差。

3.波形选择

MAX038可以产生正弦波、方波或三角波。具体的输出波形由地址A0和A1的输入数据进行设置，如表1所示。波形切换可通过程序控制在任意时刻进行，而不必考虑输出信号当时的相位。那么A0，A1的状态值可有单片机控制。有msp430F149的P2.4，P2.5的状态控制。

4.信号处理模块

MAX038产生的正弦波、三角波、方波是不可以直接送给msp430单片机进行测量的，那么就要一部分电路实现对信号的转换整形及分频。这部分电路运用TI公司的高速低噪声单电源CMOS运放OPA300及一写数字逻辑芯片构成。OPA300的增益带宽GBW为150MHZ，准换速率Slew Rate为80V/us。完全可以转换1MHZ，峰峰值为2v的信号。电路图如图2所示，图中前级两个OPA300构成比较器，参考电压为0伏，当UINz正向过零时，U01为低电平，U02为高电平，当UIN反向过零时，U01为高电平，U02为低电平，从而将正弦波转换为方波。因为OPA为单电源供电，所以输入电压负值要小于0.3VCC，要对输入信号电压进行分压，UIN/3=1/3=0.33，负峰值为-0.33，-0.33>-0.3*VCC，符合要求。取R9=3K，R10=1K。

5.信号幅度放大

后级信号放大由运放LM318构成电路，LM318的增益带宽为20MHz，速率为50V/us完全可以满足要求。从max038出来的信号幅度只有Vpp=2V，经过下面电路放大，可以达到Vpp=5V，调节RP3可以改变输出信号幅度。见图3

6.LCD显示模块

显示部分采用液晶显示，相对于数码管LED而言耗低了很多。这样整机功耗又减少了许多，而且显示界面更加清晰，人机交互界面更友好。

7.PCB电路图的设计

整体电路主要分为模拟电路和数字电路两部分。除了遵守常规电路布线规则外，在模拟电路部分最难处理。其中MAX038的几个振荡电容连接到osc引脚的线尽量短，而且在它周围要用地线形成包络网络。还有对信号线的处理要谨慎，信号线尽量短。对于模拟地和数字地不要直接连接，之间可用0欧姆的电阻加以隔离。模拟器件与数字器件要单独供电，一些器件供电端应该加退耦电容，做好退耦措施。模拟电路和数字电路的敷铜要分开敷铜，信号输出引线采用屏蔽线。

结语

函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。现在社会正置于能源紧缺阶段，很多电子产品都往功耗方向发展。便携式函数信号发生器的实现，适应户外需要使用函数信号发生器的场合，但是想把它做好也不是那么容易的，制作过程中遇到很多问题，在解决问题的同时也学到了很多。

参考文献：

[1]吴青萍.电子技术与项目训练I[M].中国人民大学出版社：2011：170-240.

[2]程全.基于AT89C52实现的多种波形发生器的设计[J].周口师范学院学报，2005.22（5）：57-58.

[3]童诗白.模拟电路技术基础[M].北京[M].高等教育出版社：2000.171-202.

[4]康华光.电子技术基础[M].第四版.北京.高等教育出版社：1999：426-428.