多功能波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

陳紅++謝勤嵐

摘 要： 設(shè)計(jì)一種多功能波形發(fā)生器，以C8051F040單片機(jī)為控制器，控制波形發(fā)生器MAX038和功放實(shí)現(xiàn)輸出正弦波、方波、三角波。該多功能波形發(fā)生器使用鍵盤(pán)調(diào)整波形頻率，通過(guò)液晶顯示屏顯示頻率，使用鍵盤(pán)選擇不同的功能模式，實(shí)現(xiàn)外測(cè)電壓的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和波形再現(xiàn)；可以實(shí)現(xiàn)USB串口傳輸并將接收到的信號(hào)進(jìn)行波形再現(xiàn)。采集和由串口接收到的數(shù)據(jù)可通過(guò)I2C總線方式存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，也可以在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器中存入波形數(shù)據(jù)，再將其顯示。

關(guān)鍵詞： 波形發(fā)生器； MAX038； C8051F040單片機(jī)； I2C

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP937 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）12?0110?05

0 引 言

在現(xiàn)代電子技術(shù)的研究及應(yīng)用領(lǐng)域中，常常需要價(jià)格便宜、簡(jiǎn)單易用、高精度且頻率可調(diào)的信號(hào)源。而信號(hào)源的核心是波形發(fā)生器，因此設(shè)計(jì)實(shí)用的波形發(fā)生器是很有必要的[1]。

波形發(fā)生器可以由晶體管、運(yùn)算放大器等通用器件構(gòu)成，但更多的則是用專門(mén)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器集成電路實(shí)現(xiàn)。早期的波形發(fā)生器集成芯片，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少、精度不高，頻率上限只有300 kHz，無(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響[2]。目前市場(chǎng)上主要的波形發(fā)生芯片有美國(guó)Harris公司的ICL8038和美國(guó)MAXIM公司的MAX038。ICL8038只能產(chǎn)生300 kHz以下的頻段波形，而且頻率調(diào)節(jié)與占空比調(diào)節(jié)不能獨(dú)立進(jìn)行，無(wú)法滿足信號(hào)源頻率的高精度要求。相比而言MAX038芯片有著ICL8038芯片無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)使用高精度波形發(fā)生芯片MAX038，該芯片電路連接簡(jiǎn)單，只需很少的外部電路就可以產(chǎn)生頻率在0.1～40 MHz的高精度、高穩(wěn)定度的寬頻帶波形[3]。同時(shí)結(jié)合Silicon Labs公司的C8051F040單片機(jī)，使其可以滿足多任務(wù)、實(shí)時(shí)性要求。

1 波形發(fā)生器總體設(shè)計(jì)

采用 C8051F040單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)制作可以調(diào)節(jié)頻率的多功能波形信號(hào)發(fā)生器[4]。芯片MAX038產(chǎn)生信號(hào)的頻率可以通過(guò)調(diào)整電流和外接電容的大小來(lái)控制，因此本設(shè)計(jì)主要采用控制電流的方法來(lái)控制MAX038所產(chǎn)生的頻率。該信號(hào)發(fā)生器能同時(shí)產(chǎn)生3路輸出可調(diào)的正弦波、方波和三角波，并且占空比可以連續(xù)調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)可以檢測(cè)外部電路模擬信號(hào)，通過(guò)一個(gè)電壓跟隨器對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行緩沖和隔離后，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)C8051F040內(nèi)集成的A/D將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存入AT24C02中。當(dāng)需要輸出時(shí)再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，由D/A0端口輸出，經(jīng)MAX038芯片產(chǎn)生波形，并由液晶顯示器1602顯示其頻率。也可以通過(guò)USB串口接受從電腦中下載的數(shù)據(jù)，并存入AT24C02中，同樣可以再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，由D/A0端口輸出，經(jīng)MAX038產(chǎn)生波形，通過(guò)液晶顯示器顯示頻率[5]。系統(tǒng)可以通過(guò)4×4鍵盤(pán)輸入頻率值，從而達(dá)到直接控制MAX038產(chǎn)生波形的目的，并能夠用1602液晶顯示器顯示波形的頻率。系統(tǒng)還可以在單片機(jī)中存入波形信號(hào)，然后通過(guò)功率放大器，直接產(chǎn)生波形。波形發(fā)生器框圖如圖1所示。

2 波形發(fā)生器硬件設(shè)計(jì)

2.1 波形發(fā)生模塊

將C8051F040單片機(jī)的D/A0端口通過(guò)一個(gè)電阻直接與芯片MAX038的IN管腳相連，通過(guò)控制D/A0端口的電壓值的變化來(lái)控制IN管腳的電流產(chǎn)生變化，從而達(dá)到控制波形頻率的目的。本信號(hào)發(fā)生器通過(guò)3路MAX038芯片能同時(shí)產(chǎn)生3路輸出可調(diào)的正弦波、方波、三角波波形，輸出的波形穩(wěn)定性好、精度高，占空比可以連續(xù)調(diào)節(jié)。信號(hào)輸出部分再采用低損耗電流反饋型寬帶運(yùn)放MAX477作電壓放大，很好地解決了帶寬和帶負(fù)載能力的要求。

MAX038所產(chǎn)生的波形的頻率是由COSC引腳的電容量和IN引腳的電流所決定的。假設(shè)C8051F040單片機(jī)的D/A0端口的輸出電壓為VIN，D/A0端口與IN管腳相連的電阻大小為RIN，COSC引腳所接的電容的大小為CF，則MAX038所產(chǎn)生的波形的頻率（單位：MHz）為：

[fo=VINRINCF] （1）

當(dāng)在FADJ引腳施加一個(gè)±2.4 V范圍的電壓時(shí)，可使輸出頻率有±70%的變化，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率進(jìn)行精確的調(diào)整[4]。

MAX038所產(chǎn)生的波形的占空比是由DADJ引腳的電壓變化來(lái)控制的，當(dāng)DADJ引腳的電壓在±2.4 V范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出波形的占空比將在15%～85%之間變化。

MAX038產(chǎn)生的正弦波、方波或三角波，具體的輸出波形由地址A0和A1的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如表2所示（其中X表示無(wú)關(guān)）。波形發(fā)生器能同時(shí)3路輸出3種波形，所以將3路MAX038的輸出波形的選擇地址分別設(shè)置成為表1所示的3種固定狀態(tài)。

2.2 功放模塊

波形發(fā)生器對(duì)輸出波形具有一定的功率要求，因此要對(duì)MAX038的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大。MAX477是MAXIM公司開(kāi)發(fā)的一款低噪聲、低微分增益和階段誤差、高轉(zhuǎn)換速率、高精度、高輸出電流的高頻運(yùn)算放大器，其-3 dB 帶寬可達(dá)到300 MHz，最小輸出電流為100 mA。因此選用MAX477對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大。圖3為功放模塊的原理圖，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻值可以改變輸出電壓的放大倍數(shù)，其中電壓最大可放大10 倍左右，整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率可達(dá)到數(shù)瓦。

2.3 USB接口模塊

采用CH372芯片來(lái)接收由串口傳來(lái)的數(shù)據(jù)。CH372是一個(gè)USB總線的通用設(shè)備接口芯片，遵守USB1.1協(xié)議。在本地端，CH372具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)、DSP等控制器的系統(tǒng)總線上。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要用于存儲(chǔ)外測(cè)電壓的信號(hào)數(shù)據(jù)以及從USB串口接收到的數(shù)據(jù)，采用的存儲(chǔ)芯片為AT24C02。AT24C02的特點(diǎn)是支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，相應(yīng)的存儲(chǔ)器電路如圖4所示。采用由主器件控制傳送數(shù)據(jù)的模式，通過(guò)器件地址輸入端A0、A1和A2可以實(shí)現(xiàn)將最多8個(gè)AT24C02器件連接到總線上。

2.5 鍵盤(pán)模塊

為了減少I(mǎi)/O口的占用，波形發(fā)生器的鍵盤(pán)采用矩陣式鍵盤(pán)。圖5為鍵盤(pán)原理圖。

2.6 液晶顯示模塊

波形發(fā)生器采用1602液晶顯示屏。1602液晶顯示屏具有外接電路簡(jiǎn)單，操作方便等特點(diǎn)，能夠同時(shí)顯示16×2，即32個(gè)字符。1602液晶顯示器具體電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總設(shè)計(jì)與總流程圖

系統(tǒng)采用C8051F040單片機(jī)。C8051F040 單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有64 個(gè)數(shù)字I/O 引腳，片內(nèi)集成了一個(gè)CAN 2.0B 控制器，并集成有ADC和 DAC。其中ADC為真正12 位、100 KSPS的ADC，并帶有PGA 和 8 通道模擬多路開(kāi)關(guān)；DAC有兩組，為12 位DAC，且具有可編程數(shù)據(jù)更新方式[6]。程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，操作C8051F040對(duì)外圍器件進(jìn)行控制[7]，總流程圖如圖7所示。

3.2 波形發(fā)生程序

產(chǎn)生波形時(shí)對(duì)MAX038的控制只需控制其IN腳所輸入的電流。該電流應(yīng)由C8051F040提供，而電流是一個(gè)模擬量。因此，在這里需要用到C8051F040中的D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。

C8051F040中的D/A轉(zhuǎn)換器有兩組，每組D/A轉(zhuǎn)換器的輸出擺幅均為0 V到VREE?1LSB，對(duì)應(yīng)的輸入碼范圍是0x000～0xFFF。由于三路MAX038所輸出的信號(hào)為同一頻率，所以在此將只用到第一組D/A轉(zhuǎn)換器。

輸入給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)來(lái)源有3種：第一種是從鍵盤(pán)獲得的需要產(chǎn)生的波形的頻率；第二種是單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)；第三種是來(lái)自于外部信號(hào)存儲(chǔ)于AT24C02存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)。本程序均可將其完好的轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。