一種程控寬頻帶多波形信號發生器的研制

胡仕兵, 趙敏智, 王 波

(1.成都信息工程學院電子工程學院,四川成都610225;2.深圳矽遞科技有限公司,廣東深圳518055)

0 引言

信號發生器亦稱信號源或振蕩器,在自動控制、電子工程、智能儀表、通信工程、遙測控制、生物醫學、農業和計算機等現代電子學研究及應用領域中具有十分廣泛的用途。目前的信號發生器基本上替代了早期由分立元件、運放、集成電路(Integrated Circuit,IC)等搭建的RC、LC和NE555等類型振蕩電路,普遍采用專門的函數信號發生器IC和直接數字合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)芯片[1-3]。函數信號發生器IC如Intersil和Harris公司的 ICL8038、Philips公司的 NE/SE566、Thaler公司的SWR200、仙童半導體公司的 RC2207、NTE公司的NTE864以及EXAR公司的XR-2206、XR-2209、XR-8038A等,最高輸出頻率小于1MHz,功能簡單、精度不高、各參數間相關、調節方式不靈活,無法滿足高頻精密信號源的要求[4-5]。采用DDS芯片(如ADI公司的AD985X、AD593X、AD995X等系列)可以產生任意、穩定的高頻波形,并且在改變時相位能保持連續,但生成的信號在高頻時分辨率會降低,頻率改變時的步距也不能做到很小[6-7];此外還存在外圍電路設計復雜、成本較高等問題。為此,設計研制出一種基于單片機STC89C52和高頻波形產生芯片MAX038[8-12]的寬頻帶(1Hz～20MHz)多波形(三角波、鋸齒波、正弦波、方波和PWM 信號)信號發生器,可以對波形類型、頻率、占空比和幅度等參數進行獨立設置和調整,并且具有輸出頻率測量及反饋調節的功能;輸出信號精度高、失真度小,有效地彌補了上述各種設計方案的弊端和不足。

1 系統總體方案

系統以單片機STC89C52為控制主體,通過對MAX038及其外部電路的控制實現不同頻率、占空比和幅度以及不同類型的信號輸出。整個信號發生器由鍵盤輸入和狀態顯示電路、頻率控制環節(頻段選擇、頻率粗調/微調電路)、占空比調節電路、波形選擇部分、頻率反饋測量電路以及輸出幅度程控放大和濾波電路等構成,系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 鍵盤和顯示電路

系統采用通用可編程序鍵盤/顯示接口器件Intel8279作為鍵盤和顯示接口電路,該芯片不僅能完成鍵盤輸入和LED顯示控制2種功能,而且能自動消除開關抖動,并具有N個鍵同時按下鎖定保護功能。鍵盤安排為:正弦波、鋸齒波、方波、三角波、PWM 波形輸出選擇的切換功能鍵,數字鍵0～9,輸出頻率Hz、KHz、MHz切換鍵,小數點鍵、占空比鍵、幅度值鍵和確定鍵。顯示器為由2片LN3461AS組成的八位共陰極七段LED顯示器,用來實時輪流顯示波形類型、頻率、占空比和波形的幅度峰峰值等狀態信息。

2.2 頻率調節和波形選擇電路

MAX038的輸出頻率Fx由COSC端的對地電容COSC、IN端的流入電流IIN和FADJ端的電壓VFADJ三者控制,三者間數學關系如下:

在COSC、IIN、VFADJ單位分別是pF、μ A、V 時,Fx的單位是MHz。

通過對MAX038的COSC引腳接地電容(取值在20pF～100μ F)程控切換完成輸出頻率范圍即頻段的自動切換。系統設計有4個頻段供選擇切換,當COSC分別為20μ F、0.1μ F、2nF和20pF時,對應輸出頻段分別是 1～30Hz、30Hz～5kHz、5kHz～300kHz和300kHz～20MHz。由于模擬多路開關如CD4051等開關導通時存在導通電阻,關斷時有漏電流[13-14],且電容間存在相互影響和干擾;為了將電容誤差減少到最小,通過單片機控制繼電器方法程控選擇不同段電容,頻段切換電路如圖2所示。由單片機的P1.0～P1.3口線采用上拉式接法控制4個NPN型三極管8050的導通驅動4個超小型電磁繼電器SHB-4098吸合或斷開,其中二極管D1～D4為續流二極管,用來保護繼電器不被感應電壓擊穿或燒壞。

圖2 電容頻段選擇電路圖

輸出頻率粗調、微調電路和輸出波形選擇電路如圖3所示。

MAX038的IN端流入電流可在2～750μ A變化,能調節輸出頻率變比約為350倍,故可作為頻率粗調時用。設計時采用具有I2C總線接口的8位雙電壓輸出型DAC芯片MAX519(器件地址字節為40H)的OUT0端串接3.3kΩ電阻實現,MAX519的參考電壓由MAX038帶隙基準電壓輸出端REF的2.50V提供。輸出電流理論值IIN與DAC0(命令字節為0x00)的輸入數字量D1間數學關系為

在頻率粗調確定D1時,應盡量使IIN在10～400μ A,因為此范圍時的電路工作性能最佳。

MAX038的FADJ引腳電壓VFADJ變化范圍在-2.4～2.4V,可以產生偏移中心頻率(F0=IIN/COSC)±70%左右的頻率變動,據此可對振蕩輸出起到頻率微調的作用。采用MAX519的另一路D/A轉換輸出OUT1端和低噪聲精密運算放大器MAX410組成雙極性電壓電路來實現,輸出電壓VFADJ與DAC1(命令字節為0x01)的輸入數據D2關系為

輸出的波形類別由單片機的P1.6、P1.7口線控制波形設定端A0、A1的狀態進行選擇:A1為1、A0任意,輸出波形為正弦波;A0、A1均為0時,輸出波形為方波(改變占空比值時可以產生PWM 信號);A1為0、A0為1時,輸出波形為三角波(改變占空比值時可產生鋸齒波)。

圖3 頻率粗調、微調電路和波形選擇電路圖

2.3 頻率反饋測量電路

由于電路中各種器件如電阻、電容等的參數精度限制,DAC芯片的有效字長量化效應,各種干擾(如電磁干擾、元器件間的相互干擾)以及溫度漂移等因素的存在,輸出波形頻率與理論公式計算值往往不相符。為了精確地產生寬范圍頻率波形,應用閉環控制方法,將當前輸出頻率反饋回單片機測頻和分析,然后根據(3)式逐步改變D2值調節電壓VFADJ的大小,直至輸出頻率和鍵入頻率間的誤差在給定的容限范圍內。MAX038的SYNC端輸出的是與OUT端輸出同頻率且符合TTL/CMOS電平標準的方波信號,頻率高達20MHz。為滿足單片機測量外部脈沖的頻率要求,采用七位二進制串行計數器CD4024BC將此信號進行2n(n=1,…,7)次分頻,然后通過8選1數據選擇器DM74151A將分頻后的信號(I0通道時不分頻)選通送至單片機的計數器T0進行計數和測頻。圖4為頻率反饋測量電路原理框圖。

圖4 頻率反饋測量電路圖

2.4 占空比數控調節電路

通過控制MAX038芯片DADJ腳的電壓值VDADJ可以調節輸出波形的占空比Dc,二者間數學關系如下:

其中:Dc是百分數;VDADJ的范圍在-2.3～2.3V,若超出此范圍會產生輸出頻漂和不穩,因此可獲得的占空比調節范圍在10%～90%。

占空比數控調節電路如圖5所示,由帶有I2C總線接口的8位單電壓輸出型DAC器件MAX517(器件地址字節是58H,命令字節為0x00)、運放MAX410和電阻R12、R13組成。輸出電壓VDADJ與單片機送給MAX517數字量D3的關系為

聯立(4)、(5)式 ,得

圖5 占空比調節電路圖

根據設置的占空比Dc值,可以計算出單片機送入MAX517的數字量D3,并得到相應占空比的波形。

2.5 信號放大及濾波電路

MAX038的OUT輸出端產生各種波形的峰峰值均為2V、相對地電位為-1～1V,最大輸出電流為20mA。為提高輸出信號的功率和信噪比,設計了功率放大電路和濾波電路對波形進行放大和濾波,如圖6所示。MAX442是雙通道140MHz帶寬的高速視頻放大器,A0端置為低電平只選擇模擬輸入通道IN0,通道IN1不用、接地。整個放大器工作在閉環同相放大狀態,增益由單片機P2.5～P2.7口線控制Intersil公司生產的阻值為50kΩ、滑動端有100個抽頭的數字電位器X9C503[15]實現。系統使用該電位器的0～79個抽頭,輸出信號的幅度峰峰值在2～10V,步進量為100mV。若要求輸出幅度峰峰值為Vx伏,則X9C503的選通電阻值為5Vx-10 kΩ,對應的抽頭序號為

另外,電阻R15、電容C5～C7和電感L1、L2構成一個50MHz、50Ω的低通濾波器,用來濾除輸出波形中的高頻噪聲和諧波。

圖6 放大和濾波電路圖

3 系統軟件設計

系統軟件總體設計流程如圖7所示。首先進行系統初始化設計,初始化模塊完成對系統硬件和系統變量的 設 置,包 括 對 Intel8279、MAX519、MAX517、DM74151A和 X9C503等芯片的設置,以及單片機STC89C52內部定時器狀態(定時器Timer0及外部計數器用作頻率計數,定時器Timer1用來產生1秒閘門時間)、設置中斷和系統變量等初始化設置。然后,開始掃描鍵盤、獲取鍵值,將鍵入的波形參數(波形類型、占空比、頻率和幅度)保存下來,并把參數轉換成對應的數字量依次送給 MAX038的 A0和 A1端、MAX517、X9C503和MAX519。接著,啟動頻率反饋測量網絡獲取系統的實際輸出頻率值并與設置值進行比較,通過逐步增大或減小D2值改變 MAX038的FADJ端電壓VFADJ值,使輸出頻率誤差在指定的范圍內為止。最后,將波形類型、占空比、實際輸出頻率和波形幅度等信息在LED上實時輪流顯示。

圖7 系統軟件流程圖

4 測試數據分析

在完成硬件電路設計和搭建、軟件程序編寫和調試以及系統聯調后,為檢驗系統的實際性能,使用Agilent54642D 500MHz數字示波器對輸出信號的頻率進行測試。測量條件為:輸出波形類型為PWM信號,占空比為70%,輸出電壓峰峰值為5V,溫度為常溫狀態下。對不同頻點輸出波形頻率的測量結果如表1所示。

表1 頻率數據測試結果

由測試結果可以看出,在各個不同的頻率測試點,該系統的鍵盤輸入頻率值和顯示頻率值一致、不存在誤差,這是因為系統中使用輸出頻率反饋和自動控制環節對頻率進行校正的緣故;鍵入頻率值和儀器實際測量值間最大相對誤差小于0.01%,優于同類設計產品[4,5,8]。這些表明:該儀器工作穩定正常,性能優良、可靠,完全滿足設計要求。

5 主要技術指標

儀器主要性能指標如下:(1)輸出波形:正弦波、三角波、鋸齒波、方波和PWM波;(2)輸出頻率范圍:1Hz-20MHz;(3)輸出頻率精度:＜0.01%;(4)占空比范圍:在10%～90%,變化率為0.34%;(5)輸出幅度:2～10V(VPP),步進量為100mV(VPP);(6)輸出阻抗:50Ω;(7)工作電源:DC±5V;(8)使用環境溫度:0℃～70℃;(9)使用環境濕度:≤90%RH。

6 結束語

以MAX038函數信號產生器芯片為核心,采用單片機STC89C52并輔以D/A轉換電路、頻段選擇電路、反饋測頻電路及數字電位器增益放大電路等對其進行智能化控制,完成一種寬頻率范圍的多波形信號產生器的設計和研制。該系統整機體積小、外圍電路簡單,具有成本低廉、功能多樣、操作簡單、響應速度快、輸出波形失真度低、頻率精度高等優點。該儀器適用于需要高精度且頻率可方便調節的信號源的機械、冶金、鑄造、化工、農業、軍事、生物醫學等現代電子學應用領域和場合,具有很高的應用價值和廣泛的應用前景。

致謝:感謝成都信息工程學院引進人才科研啟動項目基金(KYTZ201104)對本文的資助

[1] 王新浪.頻率合成技術發展與應用[J].現代導航,2012,(2):119-122.

[2] 楊合圣,王茂林,李清平.基于ICL8038芯片程控信號源的設計[J].科技廣場,2009,(1):216-218.

[3] 張福貴,姚振東.基于DDS的高性能信號發生器的實現[J].成都信息工程學院學報,2006,21(1):12-17.

[4] 戴建華,冒莉.基于ICL8038和X9C103的函數信號發生器的設計[J].無錫商業職業技術學院學報,2008,8(3):29-31.

[5] 高艷.采用MAX038的信號發生器的設計[J].蕪湖職業技術學院學報,2010,12(2):25-27.

[6] 畢紅軍.基于DDS技術的任意波形發生器的研究[D].西安:西安電子科技大學,2003.

[7] 劉林,田進軍,劉朝輝.基于DDS和直接頻率合成技術的超寬帶捷變頻源設計與實現[J].兵工學報,2010,31(12):1648-1652.

[8] 黃慶彩,祖靜,裴東興.基于MAX038的函數信號發生器的設計[J].儀器儀表學報,2004,25(4):321-322.

[9] 胡聰權,王蘭勛,柏強,等.波形發生器MAX038實現無相差鎖相應用及方法研究[J].河北大學學報(自然科學版),2005,25(5):535-540.

[10] 鮑祖尚.基于MAX038的信號發生器設計[J].中南林業科技大學學報,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] 馬明建.數據采集與處理技術(第3版)[M].西安:西安交通大學出版社,2012.

[14] 周振安,范良龍,王秀英,等.數據采集系統的設計與實踐[M].北京:地震出版社,2005.

[15] 普家.數字電位器及其應用電路[J].電氣時代,2001,(7):45-49.