函數(shù)信號發(fā)生器的設計1.

1、2007年6月第24卷第2期 三明學院學報 JOURNALOFSANMINGUNIVERSITY Jun.2007Vol.24N0.2 函數(shù)信號發(fā)生器的設計 袁放成 (泉州師范學院物理系，福建泉州 3 6 2 0 0 0 ) 摘要：設計的函數(shù)信號發(fā)生器由集成電路MAX 0 3 8芯片為核心器件，芯片 外圍電路設計簡單可靠，能輸出正弦波、矩形波及三角波。頻率準確度和頻率穩(wěn)定 度都達到10 4,正弦波失真度約為1%。 采用C8051F005單片機作為 控制芯片， 通過鍵盤操作可選擇MAX 0 3 8的輸出波形，利用LCD液晶顯示器 實時顯示輸出信號的頻率。 關(guān)鍵詞：MAX 0 3 8;波形；頻率穩(wěn)

2、定度；單片機中圖分類號：TP346 文獻標識碼：A 文章編號：16734343 (2007) 02 0146 06 DesignofFunctionWaveGenerator YUANFangcheng (DeprtmentofPhysics，QuanzhouNormal University，Quanzhou362000，China Abstract:Thecorepartofthefunctionw avegeneratorwasmadeupofICMAX038chipi nthispaper.Thedesignoftheexternalcir cuitwassimpleandtried.

3、Sinepulseandtr ianglewaveformscouldbeproducedbythef unctionwavegenerator.l04wasachieved inthefrequencystabilityandaccuracy.T hedistortionofsinewaveformwasabout l%.ByusingthecontrolchipmadeupoftheC 805lF005SingleChipMicyoco,thefunctio nwavegeneratorcouldoutputwaveformsse lectedwithkeyboard,andshowthe

4、frequen cyofoutputtingsignalonLCD. Keywords:functionwavegenerator;MAX 038;frequencystability;SingleChipMic yoco 引言 在現(xiàn)代電子的各個領(lǐng)域，常常需要用到頻率范圍廣、精度高、穩(wěn)定度高及輸出 波形種類豐富的信號源。隨著半導體芯片制造業(yè)的迅速發(fā)展和研制水平的飛速提 高，出現(xiàn)了很多功能強大且性能可靠的集成信號發(fā)生芯片，幾乎代替了以前用分立 元件搭成的信號發(fā)生電路模塊。例如ICL8038、 l函數(shù)信號發(fā)生器的指標要求 函數(shù)信號發(fā)生器的要求是：可以輸出正弦波、矩形波（包括方波）及三角波， 輸出信

5、號的頻率及幅度連續(xù)可調(diào)，輸出方波的占空比可調(diào)，液晶顯示輸出信號頻率 值。輸出信號的頻率穩(wěn)定度和準確度達 10-4，正弦波非線性失真度vl% MAX038及一系列DDS函數(shù)信號發(fā)生芯片。基于ICL8038芯片構(gòu) 成的信號發(fā)生器電路設計簡單，但 輸出信號頻率低，最高輸出頻率約為3 0 0 kHz1,2。 2 2.1 電路設計原理 系統(tǒng)的組成 本設計系統(tǒng)由函數(shù)信號產(chǎn)生模塊、幅度放大 DDS函數(shù)信號發(fā)生芯片雖然輸出信號頻率高，但 外圍電路復雜且輸出波形單一，只能輸出正弦波。本設計用精密函數(shù)發(fā)生芯片 MAX 0 3 8，在眾多的信號發(fā)生芯片中，MAX 0 3 8芯片的性能價格比較高 3,4。筆者闡述了電

6、路原理并進行了硬件電路的設計及制作，能輸出正弦 波、矩形波（包括方波）及三角波，并采用單片機控制技術(shù)，能通過鍵盤操作選擇 輸出波形，能利用LCD實時顯示輸出信號的頻率。 收稿日期：2006 05 1 7 作者簡介：袁放成（1 9 5 9 -，女，湖南湘潭人，教授。 模塊、分頻模塊、單片機處理系統(tǒng)、鍵盤處理和顯示模塊六部分組成，如圖1 所示。 2.2MAX 0 3 8的基本工作原理3 如圖2所示，MAX 0 3 8內(nèi)部主要由振蕩器，參考電壓源，恒流源發(fā)生電 路，多路選擇開關(guān)，比較器，相位監(jiān)測器，輸出緩沖器等電路組成。 MAX 0 3 8是單片精密函數(shù)信號產(chǎn)生器，它用 5V電源工作，基本的振蕩 器

7、是- -個交變地以恒定 電流向電容器充電和放電的馳張振蕩器，同時產(chǎn) 第2期袁放成：函數(shù)信號發(fā)生器的設計 ? ? 14 7 LCD液晶顯示屏 C 8 0 5 1 F005 單片機 CH451鍵盤處理芯片 鍵盤陣列 CD4024 分頻芯片 信號發(fā)生芯片 圖1 MAX038 幅度放大系統(tǒng)硬件組成信號輸出 圖2MAX 0 3 8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（虛線框內(nèi)） 生一個三角波和矩形波。通過改變COSC引腳的外接電容和流入IIN引腳 的充放電電流的大小來控制輸出信號頻率，頻率范圍為0. 1Hz20 MHz。 流入IIN引腳的電流由加到FADJ和DADJ引腳上的電壓來調(diào)制，通過這兩 個引腳可用外接電壓信號分別調(diào)整頻率

8、和占空比。MAX 0 3 8內(nèi)部有一個正弦波 形成電路把振蕩器的三角波轉(zhuǎn)變成一個具有等幅的低失真度正弦波。三角波、正弦 波和矩形波輸入一個多路器，兩根地址線A0和A1從這三個波形中選出一個，從 OUT引腳輸出2V（峰一峰值）的電壓信號。三角波又被送到產(chǎn)生高速矩形波 的比較器（由SYNC引腳輸出），它可以用于其它的振蕩器，SYNC電路 具有單獨的電源引線因而可被禁止。另外，PDI、PDO引腳分別是相位檢波器 的輸入和輸出端。MAX 0 3 8為雙列直插2 0引腳芯片，弓I腳功能列于表1。 由MAX 0 3 8內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參考文獻4，可得當引腳FAD J的電壓UF ADJ = 0時MAX 0 3 8

9、輸出信號頻率的計算由式（1）給出： f0 = IIIN f （1） （1）式中，IIIN的計算為 ? ? 14 8 表1 引腳 名稱 三明學院學報第24卷 MAX 0 3 8引腳功能 功能 12,6,9,11,18 34578101213141516171920REFGNDA0A1C OSCDADJFADJIINPDOPDISYNCDGNDDV+V+OUT V- 2.50V的門限參考電壓 地 波形選擇輸入端（TTL/CMOS兼容）波形選擇輸入端（TTL/CMO S兼容） 外接振蕩電容端占空比調(diào)節(jié)端頻率調(diào)節(jié)端 振蕩頻率控制器的電流輸入端相位比較器輸出端（如果不用，應接地）相位比 較器輸入端（如果

10、不用，應接地） 同步輸出端（TTL/CMOS兼容輸出，允許內(nèi)部和外部振蕩器同步。如果 不用，應懸空） 數(shù)字接地 數(shù)字電壓V+（+5V）電源端，如果沒有用到SYNC應懸空 + 5V電源輸入端 正弦波，三角波，方波輸出端 _5V電源輸入端 IIIN = UREFIN (2) 置占空比調(diào)節(jié)的原理。MAX 0 3 8對頻率的調(diào)節(jié)和占空比的調(diào)節(jié)互不影響， 這是MAX038個比較突出的優(yōu)點。 表2為MAX 0 3 8地址線A0和A1對波形選擇的取值表。 表2 (2)式中UREF為內(nèi)部輸出的2.5V恒定參考電壓，可見UFADJ = 0時，輸出信號的頻率完全由內(nèi)部結(jié)構(gòu)及充電電容Cf決定。IIIN電流大小在 2

11、7 5 0洛內(nèi)變化，電容大小若為pF量級，貝U輸出頻率的大小為MHz量 級；電容大小若為10-3 讓量級，貝U輸出頻率的大小為kHz量級；電容大小 若為yF量級，則輸出頻率的大小為Hz量級；其輸出頻率范圍為 MAX 0 3 8的波形選擇X1 0 0 矩形波 A0A1 波形 三角波 0.1Hz20 MHz。由此可通過改變電容Cf的大小達 到大幅度地改變輸出信號頻率，這即是設置頻率粗調(diào)的原理。 正弦波 2.3MAX038外圍電路設計與原理 本設計MAX038外圍電路圖如圖3所示。由 MAX 0 3 8工作時引腳FAD J的電壓UFAD J由參考 電壓UREF及可調(diào)電阻RF決定。 2.3. 1頻率控

12、制和占空比控制 圖3可知，頻率控制分為頻率量程改變（粗調(diào)）和頻率調(diào)節(jié)（細調(diào)）兩方面。 通過改變振蕩電容Cf來實現(xiàn)量程控制，本設計電路中電容Cf的取值分別為：C 1 = 100 uF,C2 = 10 uF,C3 = 1 uF,C4 = 0.1 FC5 = UFADJ=UREF 2 5 0 洛XRF（3） 由（3）式，調(diào)節(jié)可變電阻RF,可變化FAD J引腳的電壓，其變化范圍為 2.4V。而U FAD J的變化可引起電容充電電流的變化，輸出頻率則以式 （1）的頻率f0為中心頻率，產(chǎn)生 7 0%左右的變化。由此可通過調(diào)節(jié)可變電 阻RF的大小，達到小幅度改變輸出信號的頻率，這即是設置細調(diào)輸出信號頻率的

13、原理。 10nF，C6 = 1000pF，C7=100pF，C8 = 20pF。電容 的切 換是由手動撥盤開關(guān)來完成的，通過調(diào)節(jié)精密電位器R1來實現(xiàn)頻率細調(diào)，本 設計電路中電位器R1取值為5 k Q。占空比調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)精密電位器R13來 實現(xiàn)，R13取值為20k Qo MAX038工作時引腳DADJ電壓的變化可引 起電容Cf充電和放電的相對速率的變化，由此引起矩形波占空比發(fā)生變化， 當UDADJ = 0V時，矩形波占空比為50%，即輸出為方波。UDADJ的變 化范圍為 2.3V，則占空比的變化范圍為10%90%。圖2可知，調(diào)節(jié)可 變電阻RD,可使UDADJ變化，這即是設 2.3.2單片機控制

14、與頻率計 本系統(tǒng)采用C 8 0 5 1 F 0 0 5單片機來作為控制芯 片，一方面該單片機速度非?？?，另外一方面該單片機的片內(nèi)資源非常豐富， 對以后系統(tǒng)的擴展極其有利，從而可以提高整個系統(tǒng)的性價比。具體的 第2期袁放成：函數(shù)信號發(fā)生器的設計 ? ? 14 9 單片機I/U口 位 數(shù)碼撥盤 8 圖3MAX 0 3 8的外圍電路 電路設計方面沒有什么特別的要求，只需按照該芯片給出的數(shù)據(jù)手冊上的參考 電路進行設計。單片機進行頻率計的設計時，應該知道一個前提條件就是該單片機 的工作速度夠快，系統(tǒng)設計時是采用2 4MHz的外部晶體振蕩器，采用精確定時 Is設計頻率測量的閘門時間。實驗證明，僅利用 2V

15、。為了使信號的輸出幅值范圍更大，提高信噪 比，本設計以寬帶運放NE 5 5 3 2為核心采用兩級放大，第一級為同相比例 放大器，第二級為反相比例放大器，放大后輸出信號的幅度可達7V(p-p)0 2.4鍵盤處理及顯示模塊電路的設計 由于本系統(tǒng)中單片機的主要時間都在頻率的 C 8 0 5 1 F 0 0 5單片機內(nèi)部的計數(shù)器，就可以使得測 量的頻率達到5.6MHz左右的值，再利用分頻電路，只要4次頻，就可以 實現(xiàn)頻率在2 2.4M左右的測量，大大降低了測量誤差。測試結(jié)果也顯示本系統(tǒng) 所設計的頻率計測量精度是很高的。 測量與顯示上，所以如果直接由單片機的IO接口擴展出鍵盤矩陣的話，那么 很大一部分時

16、間還得花在按鍵有無的判斷上，這樣會造成單片機不能準確測量頻率 值，所以鍵盤處理采用中斷方法比較可靠。 本系統(tǒng)采用了專用的鍵盤顯示處理芯片 2.3.3分頻電路 MAX038芯片上有一個同步輸出引腳SYNC， 該引腳的輸出頻率與MAX 0 3 8的波形輸出引腳 CH 4 5 1 ( 2 4引腳)。CH451通過級聯(lián)的串行接口與 單片機等交換數(shù)據(jù)，并且提供上電復位和看門狗等監(jiān)控功能。若有按鍵被按 下，貝U會通過向單片機提出中斷，單片機響應后，CH4 5 1芯片再把該按鍵值送 給單片機，這樣單片機就有充裕的時間去處理計數(shù)器和定時器的中斷請求，系統(tǒng)擴 展出了16個按鍵，以便于以后電路的擴展要求。 顯示器

17、本文采用的是具有體積小、外型薄、重量輕、耗能小、無輻射、顯示信 息量大等優(yōu)點的液晶顯示器LCD代替了傳統(tǒng)的LED顯示，大大增強了操作者和 微處理器之間的對話能力。 OUT的頻率是相同的，即兩引腳是同步的，利用這 個引腳可以檢測輸出端的頻率值。由于采用的是 C 8 0 5 1 F 0 0 5單片機，它的計數(shù)器能工作的正常頻 率是系統(tǒng)頻率的四分之一，這樣當單片機采用的晶振是2 4MHz時，計數(shù)器 能工作的最大頻率也只能是6 MHz，所以在MAX 0 3 8的輸出頻率超過這個值 時，單片機的計數(shù)器是無法正常計數(shù)的。這樣就需要一個分頻芯片預先把MAX0 3 8的輸出頻率進行分頻，以便于單片機的計數(shù)器進

18、行正常的計數(shù)。在本設計中， 所采用的分頻芯片是CD4024。 2.3.4幅度放大電路 3 3.1 軟件設計 軟件總體功能概述 MAX038各種波形輸出的幅值的峰一峰均為 ? ? 15 0 三明學院學報第24卷 在本系統(tǒng)設計中，需要用到C 8 0 5 1 F 0 0 5單片機來進行鍵盤識別、輸出 頻率測量及顯示處理，系統(tǒng)軟件運行的大部分時間都是在不斷進行頻率值的測量并 且送到顯示屏上顯示。 3.2監(jiān)控主程序的設計 監(jiān)控主程序的任務主要是響應單片機的外部 中斷，在本系統(tǒng)中主要是進行對鍵盤處理芯片的響應及處理。在單片機進行對 鍵盤的響應與處理的時候，應該不能有其它的中斷打擾，否則就會造成處理出錯。

19、所以在這時候應該關(guān)閉中斷，等待鍵盤處理完畢后再打開中斷。 3.3頻率值的測量 該系統(tǒng)對頻率的測量主要是在t0時刻設定一 個測量頻率的閘門時間T,然后統(tǒng)計計數(shù)器的數(shù)值 C,這樣就可以計算出在t0時刻到to+T時刻的信號 頻率。具體是利用C 8 0 5 1 F 0 0 5單片機內(nèi)部的定時器2和定時器0,還 有可編程計數(shù)模塊PCA，以定時器2設定測量時限，比如1s的時間，而定時器 0與PCA作為計數(shù)器，當定時器0溢出時，PCA自動自加1,擴大計數(shù)范圍。 在響應鍵盤中斷后，頻率值的測量重新開始，以保證是準確的頻率。 圖5鍵盤中斷處理流程圖 由于系統(tǒng)的按鍵數(shù)目實際上只用到三個，分別是波形鍵、頻率實測鍵和

20、倍頻 鍵，所以如果還有其它的按鍵提出中斷請求，則系統(tǒng)不予執(zhí)行，中斷返回。對這三 個按鍵判斷完后，執(zhí)行相應的程序：當前是波形鍵，貝U判斷是要選擇哪個波形，實 際上一按這個按鍵，輸出波形是在三種類型切換的；頻率實測鍵是讓系統(tǒng)顯示出計 數(shù)器實際上測得的頻率值；而倍頻鍵是讓系統(tǒng)顯示的頻率值增倍，這個按鍵主要是 用來顯示MAX038經(jīng)過分頻器后的頻率值。 3.4軟件流程圖 系統(tǒng)主程序設計的流程圖如圖4所示。 4 4.1 測量及分析 頻率測量 依次撥動手動撥盤開關(guān)選擇電容，手動旋轉(zhuǎn) 電位器，使得液晶顯示器上的頻率達到最大值后停留一段時間，使顯示器頻率 穩(wěn)定下來。同樣，測量出最小的頻率。測量結(jié)果示于表4。

21、4.2頻率準確度以及失真度的測量 信號發(fā)生器上電工作穩(wěn)定一段時間后，把輸 出的信號接到頻率計，觀察頻率計的頻率值，與液 由圖5,在Is的定時還沒有到的時候，軟件幾乎不用處理任何工作，但單片 機內(nèi)部的計數(shù)器和定時器是在不停地工作。定時器中斷后判斷是否到達Is的閘門 時間，計數(shù)器不斷地對輸入的頻率進行計數(shù)，當閘門時間到的時候，將計數(shù)值送到 頻率值保存單元，然后再開始下一輪的計數(shù)，整個過程循環(huán)進行。 單片機對外部中斷即鍵盤中斷響應后，進行處理的流程圖如圖5所示。 晶顯示器的頻率值進行對比測量。把信號發(fā)生器輸出信號接到失真度儀對其輸 出信號波形的失真度進行測量。測量結(jié)果如表5所示。 4.3頻率穩(wěn)定度測

22、量 頻率穩(wěn)定度測量的是短期穩(wěn)定度。系統(tǒng)電路接上 電源，等系統(tǒng)穩(wěn)定后，把系統(tǒng)所輸出的頻率接到頻率計，分別觀察液晶顯示器 和頻率計的當前頻率值，過一小時后，再觀察液晶顯示器和頻率計的頻率值，對兩 個時間點的頻率值進行比較，測量結(jié)果如表6所示。 第2期袁放成：函數(shù)信號發(fā)生器的設計 表4頻率測量頻率范圍最大值最小 值15 1 電容 Cl = 100 yFC2 = 10 yFC3 = l yFC4 = 0.1 卩 FC5 = 10nF C6 = 1nF C7=100pF C8 = 20pF 表5 電容頻 率值頻率計讀數(shù) 液晶顯示值 7 Hz 7 7 Hz 110 0 Hz 9930 Hz 10 3.70

23、 kHz 9 5 7.4 0 kHz 7 MHz 25 MHz 頻率準確度及失真度 的測量準確度（1 04）0.1 Hz 7Hz 68Hz 580Hz 6.75 6kHz 6 8.4 4 0 kHz 0.6 0 3 MHz 2.15 MHz 正弦波失真度 無法測量 C1 = 100 yFC2 = 10 yFC3 = 1 yFC4 = 0.1 F C5 =10nF C6=1nF C7=100pF C8=20pF 4Hz 28.1 H z 2 9 5.6 Hz 2 5 3 8 Hz 2 9.5 4 5 kHz 2 9 6.7 kHz 2.551 MHz 8.616 MHz 4Hz 28Hz 2 9

24、 6 Hz 2 5 3 8 H z 2 9.5 4 8 kHz 2 9 6.8 kHz 2.551 MHz 8.617 MHz 表60.00 35.71 20.27 0.00 1.01 3.36 0.00 1.16頻率穩(wěn)定度的測量 1.14% 1.14% 1.10% 0.91%該頻 段超過失真度測量儀的頻率量程 頻率值 電容頻率計讀數(shù) 液晶顯示值 穩(wěn)定度 （1 0-4）備注 T1 C1 = 100 yFC2 = 10 yFC3 = 1 yFFC4 = 0.1 C5=10nF C6=1nF C7=100pF C8=20pF 3.0 7 4 Hz 2 9.0 5 Hz 2 9 5.4 Hz 2 5 3 8 Hz 2 9.5 4 0 kHz 296.90 kHz 2.551 MHz 8.616 MHz T2（1h 后） 3.074H