數(shù)顯函數(shù)信號(hào)發(fā)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(shù)顯函數(shù)信號(hào)發(fā)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(shè)計(jì)介紹了一種數(shù)顯函數(shù)信號(hào)發(fā)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(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器專用芯片MAX038，是比較新一代的函數(shù)信號(hào)發(fā)生芯片。用單片機(jī)AT89C51測(cè)量其輸出波形的頻率，LED顯示測(cè)量的頻率值，鍵盤選擇輸出的波形。

數(shù)顯函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；AT89C51；MAX038；LED顯示；頻率

伴隨著電子技能的迅速發(fā)展，單片機(jī)技能的呈現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控范疇?zhēng)砹艘淮涡碌募寄芨锩?。?dāng)前，單片機(jī)以其比較高的可靠性、高性能、價(jià)格比，在工業(yè)控制體系，數(shù)據(jù)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(jī)、微波爐到音響轎車，到處可見單片機(jī)的蹤跡。因而，單片機(jī)的開發(fā)和使用已成為工業(yè)發(fā)展水平的象征。

1 系統(tǒng)概述

在現(xiàn)代電子學(xué)中，函數(shù)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，本設(shè)計(jì)以單片集成芯片MAX038為核心，利用單片機(jī)AT89C51檢測(cè)其輸出波形的頻率、利用數(shù)碼管LED顯示頻率值、鍵盤控制輸出波形方式來設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器。

2 設(shè)計(jì)要求及方案選擇

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。主要性能指標(biāo)：①輸出電壓范圍：0～10V；②輸出頻率范圍：20Hz～5MHz；③顯示位數(shù)：5位LED顯示。

2.2 方案論證

方案一：存儲(chǔ)器+數(shù)/模變換。利用數(shù)/模變換技術(shù)的多波形發(fā)生器。由EPROM（如，EPROM2716）存儲(chǔ)各種常用波形的二進(jìn)制代碼（8位），每個(gè)波形代碼占用256個(gè)字節(jié)（1頁），一塊芯片可以存儲(chǔ)8種常用波形的代碼。有撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)EPROM的頁的尋址并確定輸出波形的種類。再有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（如，74LS393）實(shí)現(xiàn)對(duì)EPROM的頁內(nèi)尋址，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度決定了輸出波形的速率，調(diào)節(jié)電位器的阻值，由V/F轉(zhuǎn)換器（如，AD537）輸出脈沖頻率發(fā)生變化，改變了計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度從而調(diào)節(jié)輸出波形的頻率。D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字化的波形代碼轉(zhuǎn)換成模擬量，通過放大器輸出，用電位器調(diào)節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器的Vref的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形幅值的改變。

方案二：利用函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038。利用微處理器函數(shù)發(fā)生器ICL8038，也能夠方便地發(fā)生頻率（0.001～300kHz）可變的正弦波、方波、三角涉及完成數(shù)控頻率調(diào)整。可是，其輸出頻率的安穩(wěn)度低，頻率的步長操控難以達(dá)到抱負(fù)的成果，更難以實(shí)現(xiàn)三種波形的疊加。

方案三：利用單片機(jī)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換結(jié)合，實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)、幅度穩(wěn)定的函數(shù)發(fā)生器。利用單片機(jī)AT89C51與數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832相結(jié)合組成信號(hào)發(fā)生器，頻率調(diào)節(jié)采用軟件延時(shí)，也可以利用硬件的方法實(shí)現(xiàn)；幅值的變化可采用電阻網(wǎng)絡(luò)或利用DAC0832內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

方案四：利用單片機(jī)與函數(shù)發(fā)生專用芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)顯函數(shù)發(fā)生器。用單片機(jī)AT89C51與函數(shù)發(fā)生專用芯片MAX038組成。該信號(hào)發(fā)生器主振選用MAX038型高頻精細(xì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器專用集成塊，單片機(jī)AT89C51控制波形輸出類型、測(cè)量頻率并顯示輸出頻率。通過鍵盤改變輸出波形，單片機(jī)、遲滯對(duì)比器、前端計(jì)數(shù)器、數(shù)碼管LED顯現(xiàn)等構(gòu)成精密頻率計(jì)，顯示輸出信號(hào)的頻率。

2.3 方案比較。從以上方案設(shè)計(jì)論證，方案一運(yùn)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(diào)節(jié)，但工作頻率不高，不能滿足設(shè)計(jì)的要求；方案二函數(shù)信號(hào)發(fā)生芯片ICL8038輸出波形的頻率較低，它能作為低頻信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)源；方案三與方案二有一個(gè)相同點(diǎn)就是工作頻率低，但方案三可以作為優(yōu)越的低頻信號(hào)發(fā)生器，其幅度與精度也能滿足實(shí)際需要的低頻信號(hào)源；方案四是一種寬頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案，其頻率范圍在2～20MHz變化，在輸出波形、信號(hào)幅度上，均可滿足設(shè)計(jì)的要求，硬件、軟件上稍微有點(diǎn)復(fù)雜，但性能較好，精度較高。經(jīng)過以上比較，方案四能精確的滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的要求，為此本設(shè)計(jì)采取此方案。

2.4 總體方案確定。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選用方案四，函數(shù)發(fā)生器主振采用MAX038型高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生器專用集成塊，經(jīng)驅(qū)動(dòng)和幅度控制電路輸出，通過鍵盤改動(dòng)輸出波形，計(jì)數(shù)器、遲滯對(duì)比器、單片機(jī)、LED顯現(xiàn)等構(gòu)成精密頻率計(jì)，顯現(xiàn)信號(hào)源的輸出頻率。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 波形產(chǎn)生電路。為了滿足設(shè)計(jì)的要求，我使用了專用的波形產(chǎn)生器件MAX038。

3.1.1 MAX038簡(jiǎn)介。MAX038是Maxim公司出產(chǎn)的一種高速函數(shù)發(fā)生器，工作頻率規(guī)模為0.1Hz～20MHz，掃頻規(guī)?？蛇_(dá)350倍。MAX038運(yùn)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(qū)動(dòng)100的負(fù)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(hào)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(chǎn)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(yīng)用電路。根據(jù)以上對(duì)MAX038性能分析，其輸出波形均滿足本設(shè)計(jì)的要求，為此，MAX038獨(dú)自承當(dāng)了函數(shù)信號(hào)輸出的功能，經(jīng)過外部的電阻和電容的調(diào)理，完結(jié)特定頻率和幅值的信號(hào)輸出。

3.2 輸出驅(qū)動(dòng)電路。由于MAX038的輸出信號(hào)為穩(wěn)定的2V（p-p），且輸出電流不高，所以必須在輸出級(jí)最少有一級(jí)的擴(kuò)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(kuò)大電路是本信號(hào)發(fā)生器研制中首要的難點(diǎn)之一。由于輸出信號(hào)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(kuò)大器具有很高的頻寬。其次，高頻大信號(hào)擴(kuò)大需求擴(kuò)大器有滿意的輸出電壓變換速率，在正弦波的情況下，擴(kuò)大器所需求的最大擺率Sr=2ωA=2лfA，其間ω為信號(hào)的角頻率、A為信號(hào)的幅值、f為頻率。別的要帶動(dòng)低阻負(fù)載，擴(kuò)大器的電流輸出才能也是個(gè)重要參數(shù)，要在100負(fù)載上輸出6V信號(hào)，則擴(kuò)大器最少要有60mA的連續(xù)電流輸出才能。鑒于以上幾點(diǎn)，我們挑選AD公司的高速運(yùn)放AD811作為輸出擴(kuò)大器，它是一個(gè)寬帶高速電流反饋型運(yùn)算擴(kuò)大器，其各項(xiàng)參數(shù)非常適合上述需求：小信號(hào)帶寬（G=+2時(shí)）達(dá)120MHz，電壓擺率Sr為2500V/μs，全諧波失真THD為-74dB （10MHz），輸出電流達(dá)100mA，其短路輸出電流可達(dá)150mA。

[1]李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004：176-177.

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