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多功能波形发生器设计-电气论文 多功能波形发生器设计 陈红，谢勤岚 （中南民族大学实验中心，湖北武汉430074） 摘要：设计一种多功能波形发生器，以C8051F040单片机为控制器，控制波形发生器MAX038和功放实现输出正弦波、方波、三角波。该多功能波形发生器使用键盘调整波形频率，通过液晶显示屏显示频率，使用键盘选择不同的功能模式，实现外测电压的信号采集、数据存储和波形再现；可以实现USB串口传输并将接收到的信号进行波形再现。采集和由串口接收到的数据可通过I2C总线方式存入数据存储器中，也可以在单片机内部存储器中存入波形数据，再将其显示。 关键词 ：波形发生器；MAX038；C8051F040单片机；I2C 中图分类号：TN911-34；TP937 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0110-05 收稿日期：2014-12-15 基金项目：国家自然科学基金 0 引言 在现代电子技术的研究及应用领域中，常常需要价格便宜、简单易用、高精度且频率可调的信号源。而信号源的核心是波形发生器，因此设计实用的波形发生器是很有必要的[1]。 波形发生器可以由晶体管、运算放大器等通用器件构成，但更多的则是用专门的函数信号发生器集成电路实现。早期的波形发生器集成芯片，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少、精度不高，频率上限只有300 kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响[2]。目前市场上主要的波形发生芯片有美国Harris公司的ICL8038和美国MAXIM公司的MAX038。ICL8038只能产生300 kHz以下的频段波形，而且频率调节与占空比调节不能独立进行，无法满足信号源频率的高精度要求。相比而言MAX038 芯片有着ICL8038 芯片无法实现的优点。因此本设计使用高精度波形发生芯片MAX038，该芯片电路连接简单，只需很少的外部电路就可以产生频率在0.1~40 MHz的高精度、高稳定度的宽频带波形[3]。同时结合Silicon Labs公司的C8051F040单片机，使其可以满足多任务、实时性要求。 1 波形发生器总体设计 采用C8051F040单片机为核心，设计制作可以调节频率的多功能波形信号发生器[4]。芯片MAX038产生信号的频率可以通过调整电流和外接电容的大小来控制，因此本设计主要采用控制电流的方法来控制MAX038所产生的频率。该信号发生器能同时产生3路输出可调的正弦波、方波和三角波，并且占空比可以连续调节。 系统可以检测外部电路模拟信号，通过一个电压跟随器对检测的信号进行缓冲和隔离后，再经过单片机C8051F040 内集成的A/D 将信号转换为数字信号并存入AT24C02中。当需要输出时再通过D/A转换，转换成模拟信号，由D/A0 端口输出，经MAX038 芯片产生波形，并由液晶显示器1602 显示其频率。也可以通过USB 串口接受从电脑中下载的数据，并存入AT24C02中，同样可以再通过D/A 转换，转换成模拟信号，由D/A0端口输出，经MAX038产生波形，通过液晶显示器显示频率[5]。系统可以通过4×4键盘输入频率值，从而达到直接控制MAX038产生波形的目的，并能够用1602液晶显示器显示波形的频率。系统还可以在单片机中存入波形信号，然后通过功率放大器，直接产生波形。波形发生器框图如图1所示。 2 波形发生器硬件设计 2.1 波形发生模块 将C8051F040单片机的D/A0端口通过一个电阻直接与芯片MAX038的IN 管脚相连，通过控制D/A0端口的电压值的变化来控制IN 管脚的电流产生变化，从而达到控制波形频率的目的。本信号发生器通过3 路MAX038芯片能同时产生3路输出可调的正弦波、方波、三角波波形，输出的波形稳定性好、精度高，占空比可以连续调节。信号输出部分再采用低损耗电流反馈型宽带运放MAX477作电压放大，很好地解决了带宽和带负载能力的要求。 MAX038所产生的波形的频率是由COSC引脚的电容量和IN引脚的电流所决定的。假设C8051F040单片机的D/A0端口的输出电压为VIN，D/A0端口与IN管脚相连的电阻大小为RIN，COSC 引脚所接的电容的大小为CF，则MAX038所产生的波形的频率（单位：MHz）为： 当在FADJ引脚施加一个±2.4 V 范围的电压时，可使输出频率有±70%的变化，此时可以实现对频率进行精确的调整[4]。