多功能便攜式信號發(fā)生器設(shè)計

原 玢，李燕杰 ，祖 靜，杜紅棉

（1.中北大學 電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途，目前廣泛使用的是一些標準產(chǎn)品，雖然功能齊全、性能指標較高，但是價格較貴，而且許多功能用不上。本文設(shè)計了一種基于MSP430的簡易信號發(fā)生器，可輸出電壓、電荷兩種信號，便于攜帶，尤其適用于空間狹窄惡劣環(huán)境下進行簡單電荷放大器研制及測試電路調(diào)試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體可以輸出6種波形，包括半正弦、正弦、三角波、鋸齒波、方波、脈沖信號，并且可調(diào)幅值和基線，儀器電壓輸出范圍為-10～＋10 V，電荷信號范圍-106～＋106PC。為實現(xiàn)儀器要求，設(shè)計中采用DDS原理，將波形數(shù)據(jù)存儲在單片機內(nèi)部集成的閃存中，MSP430作為控制器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號輸出，避免了專用DDS芯片控制方式固定的缺點[1]。系統(tǒng)主要由波形生成控制電路、電源管理、信號處理電路、LCD液晶顯示和按鍵輸入5部分組成，如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計

2.1 電池及電源管理模塊

儀器由電壓范圍為12～21 V容量2000 mAh的鋰電池組供電，最大輸出電流1 A，經(jīng)過LM7815，LM7915穩(wěn)壓塊為AD669提供＋15 V，-15 V的穩(wěn)定電壓，再通過LP2985和LP2987穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生5 V，3.3 V電壓，為內(nèi)部其他器件提供所需電壓值，同時在電源的接口端加入了可恢復(fù)性保險絲，避免系統(tǒng)在工作時誤接、短路等因素導(dǎo)致電路的損壞。同時儀器內(nèi)部還設(shè)有電源電壓監(jiān)視電路，提醒使用者及時充電[2]。

2.2 控制電路

波形由MSP430FG4618單片機AD669產(chǎn)生，AD669采用完全16位并行輸入數(shù)據(jù)，內(nèi)部集成有經(jīng)過激光調(diào)節(jié)的基準，且可使用外部基準，其輸出電壓范圍為單極性0～10 V（雙極性-10～＋10 V），輸出端可直接與負載連接。AD669芯片內(nèi)采用二級鎖存，CS，L1控制一級鎖存器，LDAC控制第二級鎖存，消除了在多位DAC系統(tǒng)中由于DAC同時上升所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)時滯誤差。本儀器中AD669采用雙極性配置，AD669的引腳CS，L1連接后對應(yīng)單片機P9.3，AD669的LDAC引腳對應(yīng)P4.6，使用芯片4050實現(xiàn)電平匹配，電路圖如圖2所示。在電路調(diào)試時，可通過調(diào)節(jié)電位器RP2和RP8進行偏移和增益的調(diào)節(jié)。

由于內(nèi)部Flash存儲的數(shù)據(jù)是固定的，為保證幅值可調(diào)，AD669的基準必須是可變的，由單片機內(nèi)部集成的2個12位DAC產(chǎn)生可變幅值和可變基準，然后通過運放實現(xiàn)幅值和基線的疊加。AD669在基準電源小于1.3 V時，線性誤差明顯增大，電路采用了分壓模塊進行分壓以保證精度[3]。

2.3 信號處理及電荷轉(zhuǎn)換電路

不同波形信號的頻率帶寬不一樣，選擇3個濾波器完成對相應(yīng)頻譜特性周期信號的濾波。半正弦、正弦信號截止頻率1 kHz；三角波、鋸齒波信號截止頻率3 kHz，方波、脈沖信號截止頻率10 kHz[2]。按鍵設(shè)置波形完畢后，由單片機控制繼電器選通相應(yīng)的濾波器。

2.4 人機交互電路

儀器通過按鍵（電壓/電荷、選單、增加、減小、方向、輸出）輸入控制信號，按鍵分別對應(yīng)單片機的6個I/O口，按鍵動作時，端口產(chǎn)生一個上升沿，系統(tǒng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行相應(yīng)的操作，為防止按鍵抖動，分別加入了0.1 μF的電容來進行消抖。

儀器使用亞斌電子的YB0802A實時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以顯示8×2個字符，帶LED背光。該液晶顯示屏電路簡單，價格便宜，并且易于操作[3]。YB0802A液晶的DB0DB7與單片機的P3.0～P3.7端口連接，P2.4端口與使能端相連，P4.0，P4.1端口分別與RS，R/W端口連接。VDD端口接＋5 V電源，VSS端口接地，V0接1 kΩ的滑動變阻器，可調(diào)節(jié)對比度[4]。

2.5 軟件流程圖及說明

儀器啟動后，首先進行內(nèi)部程序以及端口的初始化狀態(tài)，然后進入等待狀態(tài)，檢測到相應(yīng)的按鍵中斷后執(zhí)行相應(yīng)的操作，或輸出默認的波形，或改變相應(yīng)波形參數(shù)后輸出，流程圖如圖3所示。通過設(shè)置相關(guān)寄存器以及跳躍波形點數(shù)的值改變波形的頻率及幅值[5]。

3 儀器性能測試

多功能便攜式信號發(fā)生器實物圖如圖4所示，儀器前面板包含液晶顯示屏、中斷按鍵，后面板包含電源開關(guān)、電池充電口、單片機程序燒寫口、信號輸出引線。

系統(tǒng)用Aglient廠54624A型100 MHz示波器來對信號的波形進行測試，測得信號發(fā)生器波形如圖5所示（由于篇幅限制，表中只列出少數(shù)特殊幾個點）。使用SAM?PO廠CN3165高精度頻率計對波形頻率進行檢測，該頻率計測量范圍為0.1 Hz～100 MHz，最高分辨力0.001 Hz，以正弦波為例，數(shù)據(jù)見表1，單位Hz。使用吉時利的KEITHLEY 2000型6位半數(shù)字萬能表來對儀器幅值和基線進行性能測試，其精確度在2 V，20 V時都為“±（0.8%＋15）”（表示相對誤差為±0.8%，末位數(shù)字偏移量為±15）。以正弦波為例，幅值和基線數(shù)據(jù)分別見表2～3，單位mV。測試結(jié)果表明，波形質(zhì)量及幅值基線各項指標良好，在理論誤差范圍之內(nèi)，誤差符合設(shè)計要求。只是幅值中位于10，100，1000 mV處誤差偏大，由于AD669的基準電源小于1.3 V時芯片性能下降所致。

表1 頻率性能測試圖

表2 幅值性能測試圖

表3 基線性能測試圖

4 總結(jié)

本文用單片機和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)了信號的產(chǎn)生，方便地實現(xiàn)了調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，控制方式較專用DDS芯片更加簡單，并且能夠輸出符合設(shè)計指標的信號，具有良好的應(yīng)用價值。

[1]周文委，王涌.一種DDS信號發(fā)生方法與頻譜研究[J].電子器件，2009，32（3）：620-622.

[2]黃慶彩，祖靜，裴東興.基于MAX038的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計[J].儀器儀表學報，2004，25（S1）：321-322.

[3]WANG Zhengming，DUAN Xiaojun.Frequency domain method for separating signal and noise[J].Science in China，2000，43：9-16.

[4]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1988.

[5]鄭宏軍，黎昕，楊恒新.新型高性能的高頻信號發(fā)生器[J].電視技術(shù)，2001，25（5）：90-92.