一种程控宽频带多波形信号发生器的研制

胡仕兵, 赵敏智, 王 波

(1.成都信息工程学院电子工程学院,四川成都610225;2.深圳矽递科技有限公司,广东深圳518055)

0 引言

信号发生器亦称信号源或振荡器,在自动控制、电子工程、智能仪表、通信工程、遥测控制、生物医学、农业和计算机等现代电子学研究及应用领域中具有十分广泛的用途。目前的信号发生器基本上替代了早期由分立元件、运放、集成电路(Integrated Circuit,IC)等搭建的RC、LC和NE555等类型振荡电路,普遍采用专门的函数信号发生器IC和直接数字合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)芯片[1-3]。函数信号发生器IC如Intersil和Harris公司的 ICL8038、Philips公司的 NE/SE566、Thaler公司的SWR200、仙童半导体公司的 RC2207、NTE公司的NTE864以及EXAR公司的XR-2206、XR-2209、XR-8038A等,最高输出频率小于1MHz,功能简单、精度不高、各参数间相关、调节方式不灵活,无法满足高频精密信号源的要求[4-5]。采用DDS芯片(如ADI公司的AD985X、AD593X、AD995X等系列)可以产生任意、稳定的高频波形,并且在改变时相位能保持连续,但生成的信号在高频时分辨率会降低,频率改变时的步距也不能做到很小[6-7];此外还存在外围电路设计复杂、成本较高等问题。为此,设计研制出一种基于单片机STC89C52和高频波形产生芯片MAX038[8-12]的宽频带(1Hz～20MHz)多波形(三角波、锯齿波、正弦波、方波和PWM 信号)信号发生器,可以对波形类型、频率、占空比和幅度等参数进行独立设置和调整,并且具有输出频率测量及反馈调节的功能;输出信号精度高、失真度小,有效地弥补了上述各种设计方案的弊端和不足。

1 系统总体方案

系统以单片机STC89C52为控制主体,通过对MAX038及其外部电路的控制实现不同频率、占空比和幅度以及不同类型的信号输出。整个信号发生器由键盘输入和状态显示电路、频率控制环节(频段选择、频率粗调/微调电路)、占空比调节电路、波形选择部分、频率反馈测量电路以及输出幅度程控放大和滤波电路等构成,系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

2 系统硬件电路设计

2.1 键盘和显示电路

系统采用通用可编程序键盘/显示接口器件Intel8279作为键盘和显示接口电路,该芯片不仅能完成键盘输入和LED显示控制2种功能,而且能自动消除开关抖动,并具有N个键同时按下锁定保护功能。键盘安排为:正弦波、锯齿波、方波、三角波、PWM 波形输出选择的切换功能键,数字键0～9,输出频率Hz、KHz、MHz切换键,小数点键、占空比键、幅度值键和确定键。显示器为由2片LN3461AS组成的八位共阴极七段LED显示器,用来实时轮流显示波形类型、频率、占空比和波形的幅度峰峰值等状态信息。

2.2 频率调节和波形选择电路

MAX038的输出频率Fx由COSC端的对地电容COSC、IN端的流入电流IIN和FADJ端的电压VFADJ三者控制,三者间数学关系如下:

在COSC、IIN、VFADJ单位分别是pF、μ A、V 时,Fx的单位是MHz。

通过对MAX038的COSC引脚接地电容(取值在20pF～100μ F)程控切换完成输出频率范围即频段的自动切换。系统设计有4个频段供选择切换,当COSC分别为20μ F、0.1μ F、2nF和20pF时,对应输出频段分别是 1～30Hz、30Hz～5kHz、5kHz～300kHz和300kHz～20MHz。由于模拟多路开关如CD4051等开关导通时存在导通电阻,关断时有漏电流[13-14],且电容间存在相互影响和干扰;为了将电容误差减少到最小,通过单片机控制继电器方法程控选择不同段电容,频段切换电路如图2所示。由单片机的P1.0～P1.3口线采用上拉式接法控制4个NPN型三极管8050的导通驱动4个超小型电磁继电器SHB-4098吸合或断开,其中二极管D1～D4为续流二极管,用来保护继电器不被感应电压击穿或烧坏。

图2 电容频段选择电路图

输出频率粗调、微调电路和输出波形选择电路如图3所示。

MAX038的IN端流入电流可在2～750μ A变化,能调节输出频率变比约为350倍,故可作为频率粗调时用。设计时采用具有I2C总线接口的8位双电压输出型DAC芯片MAX519(器件地址字节为40H)的OUT0端串接3.3kΩ电阻实现,MAX519的参考电压由MAX038带隙基准电压输出端REF的2.50V提供。输出电流理论值IIN与DAC0(命令字节为0x00)的输入数字量D1间数学关系为

在频率粗调确定D1时,应尽量使IIN在10～400μ A,因为此范围时的电路工作性能最佳。

MAX038的FADJ引脚电压VFADJ变化范围在-2.4～2.4V,可以产生偏移中心频率(F0=IIN/COSC)±70%左右的频率变动,据此可对振荡输出起到频率微调的作用。采用MAX519的另一路D/A转换输出OUT1端和低噪声精密运算放大器MAX410组成双极性电压电路来实现,输出电压VFADJ与DAC1(命令字节为0x01)的输入数据D2关系为

输出的波形类别由单片机的P1.6、P1.7口线控制波形设定端A0、A1的状态进行选择:A1为1、A0任意,输出波形为正弦波;A0、A1均为0时,输出波形为方波(改变占空比值时可以产生PWM 信号);A1为0、A0为1时,输出波形为三角波(改变占空比值时可产生锯齿波)。

图3 频率粗调、微调电路和波形选择电路图

2.3 频率反馈测量电路

由于电路中各种器件如电阻、电容等的参数精度限制,DAC芯片的有效字长量化效应,各种干扰(如电磁干扰、元器件间的相互干扰)以及温度漂移等因素的存在,输出波形频率与理论公式计算值往往不相符。为了精确地产生宽范围频率波形,应用闭环控制方法,将当前输出频率反馈回单片机测频和分析,然后根据(3)式逐步改变D2值调节电压VFADJ的大小,直至输出频率和键入频率间的误差在给定的容限范围内。MAX038的SYNC端输出的是与OUT端输出同频率且符合TTL/CMOS电平标准的方波信号,频率高达20MHz。为满足单片机测量外部脉冲的频率要求,采用七位二进制串行计数器CD4024BC将此信号进行2n(n=1,…,7)次分频,然后通过8选1数据选择器DM74151A将分频后的信号(I0通道时不分频)选通送至单片机的计数器T0进行计数和测频。图4为频率反馈测量电路原理框图。

图4 频率反馈测量电路图

2.4 占空比数控调节电路

通过控制MAX038芯片DADJ脚的电压值VDADJ可以调节输出波形的占空比Dc,二者间数学关系如下:

其中:Dc是百分数;VDADJ的范围在-2.3～2.3V,若超出此范围会产生输出频漂和不稳,因此可获得的占空比调节范围在10%～90%。

占空比数控调节电路如图5所示,由带有I2C总线接口的8位单电压输出型DAC器件MAX517(器件地址字节是58H,命令字节为0x00)、运放MAX410和电阻R12、R13组成。输出电压VDADJ与单片机送给MAX517数字量D3的关系为

联立(4)、(5)式 ,得

图5 占空比调节电路图

根据设置的占空比Dc值,可以计算出单片机送入MAX517的数字量D3,并得到相应占空比的波形。

2.5 信号放大及滤波电路

MAX038的OUT输出端产生各种波形的峰峰值均为2V、相对地电位为-1～1V,最大输出电流为20mA。为提高输出信号的功率和信噪比,设计了功率放大电路和滤波电路对波形进行放大和滤波,如图6所示。MAX442是双通道140MHz带宽的高速视频放大器,A0端置为低电平只选择模拟输入通道IN0,通道IN1不用、接地。整个放大器工作在闭环同相放大状态,增益由单片机P2.5～P2.7口线控制Intersil公司生产的阻值为50kΩ、滑动端有100个抽头的数字电位器X9C503[15]实现。系统使用该电位器的0～79个抽头,输出信号的幅度峰峰值在2～10V,步进量为100mV。若要求输出幅度峰峰值为Vx伏,则X9C503的选通电阻值为5Vx-10 kΩ,对应的抽头序号为

另外,电阻R15、电容C5～C7和电感L1、L2构成一个50MHz、50Ω的低通滤波器,用来滤除输出波形中的高频噪声和谐波。

图6 放大和滤波电路图

3 系统软件设计

系统软件总体设计流程如图7所示。首先进行系统初始化设计,初始化模块完成对系统硬件和系统变量的 设 置,包 括 对 Intel8279、MAX519、MAX517、DM74151A和 X9C503等芯片的设置,以及单片机STC89C52内部定时器状态(定时器Timer0及外部计数器用作频率计数,定时器Timer1用来产生1秒闸门时间)、设置中断和系统变量等初始化设置。然后,开始扫描键盘、获取键值,将键入的波形参数(波形类型、占空比、频率和幅度)保存下来,并把参数转换成对应的数字量依次送给 MAX038的 A0和 A1端、MAX517、X9C503和MAX519。接着,启动频率反馈测量网络获取系统的实际输出频率值并与设置值进行比较,通过逐步增大或减小D2值改变 MAX038的FADJ端电压VFADJ值,使输出频率误差在指定的范围内为止。最后,将波形类型、占空比、实际输出频率和波形幅度等信息在LED上实时轮流显示。

图7 系统软件流程图

4 测试数据分析

在完成硬件电路设计和搭建、软件程序编写和调试以及系统联调后,为检验系统的实际性能,使用Agilent54642D 500MHz数字示波器对输出信号的频率进行测试。测量条件为:输出波形类型为PWM信号,占空比为70%,输出电压峰峰值为5V,温度为常温状态下。对不同频点输出波形频率的测量结果如表1所示。

表1 频率数据测试结果

由测试结果可以看出,在各个不同的频率测试点,该系统的键盘输入频率值和显示频率值一致、不存在误差,这是因为系统中使用输出频率反馈和自动控制环节对频率进行校正的缘故;键入频率值和仪器实际测量值间最大相对误差小于0.01%,优于同类设计产品[4,5,8]。这些表明:该仪器工作稳定正常,性能优良、可靠,完全满足设计要求。

5 主要技术指标

仪器主要性能指标如下:(1)输出波形:正弦波、三角波、锯齿波、方波和PWM波;(2)输出频率范围:1Hz-20MHz;(3)输出频率精度:＜0.01%;(4)占空比范围:在10%～90%,变化率为0.34%;(5)输出幅度:2～10V(VPP),步进量为100mV(VPP);(6)输出阻抗:50Ω;(7)工作电源:DC±5V;(8)使用环境温度:0℃～70℃;(9)使用环境湿度:≤90%RH。

6 结束语

以MAX038函数信号产生器芯片为核心,采用单片机STC89C52并辅以D/A转换电路、频段选择电路、反馈测频电路及数字电位器增益放大电路等对其进行智能化控制,完成一种宽频率范围的多波形信号产生器的设计和研制。该系统整机体积小、外围电路简单,具有成本低廉、功能多样、操作简单、响应速度快、输出波形失真度低、频率精度高等优点。该仪器适用于需要高精度且频率可方便调节的信号源的机械、冶金、铸造、化工、农业、军事、生物医学等现代电子学应用领域和场合,具有很高的应用价值和广泛的应用前景。

致谢:感谢成都信息工程学院引进人才科研启动项目基金(KYTZ201104)对本文的资助

[1] 王新浪.频率合成技术发展与应用[J].现代导航,2012,(2):119-122.

[2] 杨合圣,王茂林,李清平.基于ICL8038芯片程控信号源的设计[J].科技广场,2009,(1):216-218.

[3] 张福贵,姚振东.基于DDS的高性能信号发生器的实现[J].成都信息工程学院学报,2006,21(1):12-17.

[4] 戴建华,冒莉.基于ICL8038和X9C103的函数信号发生器的设计[J].无锡商业职业技术学院学报,2008,8(3):29-31.

[5] 高艳.采用MAX038的信号发生器的设计[J].芜湖职业技术学院学报,2010,12(2):25-27.

[6] 毕红军.基于DDS技术的任意波形发生器的研究[D].西安:西安电子科技大学,2003.

[7] 刘林,田进军,刘朝辉.基于DDS和直接频率合成技术的超宽带捷变频源设计与实现[J].兵工学报,2010,31(12):1648-1652.

[8] 黄庆彩,祖静,裴东兴.基于MAX038的函数信号发生器的设计[J].仪器仪表学报,2004,25(4):321-322.

[9] 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),2005,25(5):535-540.

[10] 鲍祖尚.基于MAX038的信号发生器设计[J].中南林业科技大学学报,2010,30(7):181-184.

[11] Maxim Integrated Products,Inc.MAX038 High-Frequency Waveform Generator Rev 7[EB/OL].http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX038.pdf,2007.

[12] Maxim Integrated Products.MAX038 Evaluation Kit[EB/OL].http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX038EVKIT.pdf,1996.

[13] 马明建.数据采集与处理技术(第3版)[M].西安:西安交通大学出版社,2012.

[14] 周振安,范良龙,王秀英,等.数据采集系统的设计与实践[M].北京:地震出版社,2005.

[15] 普家.数字电位器及其应用电路[J].电气时代,2001,(7):45-49.