數顯函數信號發生器

王吉予（湖北省漢江崔家營航電樞紐管理處，湖北 襄陽 441000）

數顯函數信號發生器

王吉予
（湖北省漢江崔家營航電樞紐管理處，湖北 襄陽 441000）

本設計介紹了一種數顯函數信號發生器。采用“美國Maxim公司”推出的一種高頻率、低輸出阻抗、高精度、驅動能力比較強的函數信號發生器專用芯片MAX038，是比較新一代的函數信號發生芯片。用單片機AT89C51測量其輸出波形的頻率，LED顯示測量的頻率值，鍵盤選擇輸出的波形。

數顯函數信號發生器；AT89C51；MAX038；LED顯示；頻率

伴隨著電子技能的迅速發展，單片機技能的呈現給現代工業測控范疇帶來了一次新的技能革命。當前，單片機以其比較高的可靠性、高性能、價格比，在工業控制體系，數據收集體系，智能儀器儀表等等許多的范疇得到比較廣泛的使用，并且已走入家庭，從洗衣機、微波爐到音響轎車，到處可見單片機的蹤跡。因而，單片機的開發和使用已成為工業發展水平的象征。

1 系統概述

在現代電子學中，函數發生器的實現方法有很多種，本設計以單片集成芯片MAX038為核心，利用單片機AT89C51檢測其輸出波形的頻率、利用數碼管LED顯示頻率值、鍵盤控制輸出波形方式來設計函數發生器。

2 設計要求及方案選擇

2.1 設計任務和要求。設計一個能產生正弦波、方波、三角波的函數信號發生器。主要性能指標：①輸出電壓范圍：0～10V；②輸出頻率范圍：20Hz～5MHz；③顯示位數：5位LED顯示。

2.2 方案論證

方案一：存儲器+數/模變換。利用數/模變換技術的多波形發生器。由EPROM（如，EPROM2716）存儲各種常用波形的二進制代碼（8位），每個波形代碼占用256個字節（1頁），一塊芯片可以存儲8種常用波形的代碼。有撥碼開關實現對EPROM的頁的尋址并確定輸出波形的種類。再有二進制計數器（如，74LS393）實現對EPROM的頁內尋址，計數器的計數速度決定了輸出波形的速率，調節電位器的阻值，由V/F轉換器（如，AD537）輸出脈沖頻率發生變化，改變了計數器的計數速度從而調節輸出波形的頻率。D/A轉換器將數字化的波形代碼轉換成模擬量，通過放大器輸出，用電位器調節D/A轉換器的Vref的電壓實現對輸出波形幅值的改變。

方案二：利用函數發生芯片ICL8038。利用微處理器函數發生器ICL8038，也能夠方便地發生頻率（0.001～300kHz）可變的正弦波、方波、三角涉及完成數控頻率調整。可是，其輸出頻率的安穩度低，頻率的步長操控難以達到抱負的成果，更難以實現三種波形的疊加。

方案三：利用單片機與數/模轉換結合，實現頻率可調、幅度穩定的函數發生器。利用單片機AT89C51與數/模轉換芯片DAC0832相結合組成信號發生器，頻率調節采用軟件延時，也可以利用硬件的方法實現；幅值的變化可采用電阻網絡或利用DAC0832內部的電阻網絡實現。

方案四：利用單片機與函數發生專用芯片實現數顯函數發生器。用單片機AT89C51與函數發生專用芯片MAX038組成。該信號發生器主振選用MAX038型高頻精細函數信號發生器專用集成塊，單片機AT89C51控制波形輸出類型、測量頻率并顯示輸出頻率。通過鍵盤改變輸出波形，單片機、遲滯對比器、前端計數器、數碼管LED顯現等構成精密頻率計，顯示輸出信號的頻率。

2.3 方案比較。從以上方案設計論證，方案一運用集成化的元器件，元件少，電路工作可靠性較高，精度也較高，能輸出的多種波形的頻率和幅值也易于調節，但工作頻率不高，不能滿足設計的要求；方案二函數信號發生芯片ICL8038輸出波形的頻率較低，它能作為低頻信號發生器的信號源；方案三與方案二有一個相同點就是工作頻率低，但方案三可以作為優越的低頻信號發生器，其幅度與精度也能滿足實際需要的低頻信號源；方案四是一種寬頻信號發生器設計方案，其頻率范圍在2～20MHz變化，在輸出波形、信號幅度上，均可滿足設計的要求，硬件、軟件上稍微有點復雜，但性能較好，精度較高。經過以上比較，方案四能精確的滿足我們設計的要求，為此本設計采取此方案。

2.4 總體方案確定。本系統設計方案選用方案四，函數發生器主振采用MAX038型高頻精密函數信號發生器專用集成塊，經驅動和幅度控制電路輸出，通過鍵盤改動輸出波形，計數器、遲滯對比器、單片機、LED顯現等構成精密頻率計，顯現信號源的輸出頻率。

3 硬件設計

3.1 波形產生電路。為了滿足設計的要求，我使用了專用的波形產生器件MAX038。

3.1.1 MAX038簡介。MAX038是Maxim公司出產的一種高速函數發生器，工作頻率規模為0.1Hz～20MHz，掃頻規模可達350倍。MAX038運用±5V的電源，輸出起伏為2V（p-p），輸出阻抗的典型值為0.1，可直接驅動100的負載。振蕩頻率由COSC引腳的電容量和IIN引腳的電流決定。輸出信號的頻率由流入引腳IIN的電流IIN、電容CF及引腳FADJ上的電壓VFADJ決定的。它能產生正弦波、方波和三角波，可利用地址線A0和A1的不同編碼選擇所要輸出的波形

3.1.2 應用電路。根據以上對MAX038性能分析，其輸出波形均滿足本設計的要求，為此，MAX038獨自承當了函數信號輸出的功能，經過外部的電阻和電容的調理，完結特定頻率和幅值的信號輸出。

3.2 輸出驅動電路。由于MAX038的輸出信號為穩定的2V（p-p），且輸出電流不高，所以必須在輸出級最少有一級的擴大電路來供給滿意的輸出電壓和電流，以滿意通常使用需求。輸出擴大電路是本信號發生器研制中首要的難點之一。由于輸出信號最大基頻為20MHz，其三角波和矩形波的高次諧波成分很高，所以要得到不失真的輸出波形，首要需求擴大器具有很高的頻寬。其次，高頻大信號擴大需求擴大器有滿意的輸出電壓變換速率，在正弦波的情況下，擴大器所需求的最大擺率Sr=2ωA=2лfA，其間ω為信號的角頻率、A為信號的幅值、f為頻率。別的要帶動低阻負載，擴大器的電流輸出才能也是個重要參數，要在100負載上輸出6V信號，則擴大器最少要有60mA的連續電流輸出才能。鑒于以上幾點，我們挑選AD公司的高速運放AD811作為輸出擴大器，它是一個寬帶高速電流反饋型運算擴大器，其各項參數非常適合上述需求：小信號帶寬（G=+2時）達120MHz，電壓擺率Sr為2500V/μs，全諧波失真THD為-74dB （10MHz），輸出電流達100mA，其短路輸出電流可達150mA。

[1]李全利.單片機原理及應用技術[M].北京：高等教育出版社，2004：176-177.

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