频率可调信号源的设计分析

　　产生电路可以由RC 震荡电路、LC 震荡电路以及由555 定时器构成的震荡电路制成， 更多的则是用专门的函数信号发生器IC 产生， 如ICL8038、BA205、XR2207/ 2209 等， 但它们的功能较少， 精度不高， 频率上限只有300 kHz, 无法产生更高频率的信号， 另外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。也有采用专门DDS 芯片的信号发生器， 但电路结构复杂， 成本较高 。而专门针对极低频率的其设计频率范围又较窄 , 应用范围小。为此， 本文研究并设计出了一种基于单片机C8051F130 和的信号源发生器， 能在15 MHz 内产生三角波、正弦波、方波， 精度高、失真度小、能有效弥补上述设计的不足， 满足大部分测试对信号源的要求。

　　该信号源发生器主要以单片机C8051F130 为控制核心， 通过对Maxim 公司波形发生器芯片MAX038及其外部电路控制实现其不同幅度和频率， 不同类型信号的输出， 其中C8051F130 是Silicon Laborat or ies 公司推出的一种具有8051 内核及指令集完全兼容的集成混合信号片上系统， 执行指令最快速度可达100 MIPS, 内部具有8448( 8K+ 256) 字节片内RAM 和128 K 字节的flash 存储器，拥有多达64 个输入输出口， 可以完全满足本设计的控制需求，MAX038是1 个只需要少量外部元件便能产生准确正弦波、三角波和方波的波形产生器， 输出频率和占空比可以通过外围电路的电流、电压和电阻进行调节。整个信号源发生器由频率控制部分、波形选择部分、占空比调节部分、键盘输入控制部分、信号状态显示部分、电源部分等构成， 电路框图如图1 所示。

　　直接使用C8051F130 上I/ O 口P0. 0、P0. 1 连接MAX038 上A0 和A1 管脚， 对输入进行设置即能产生正弦波、方波和三角波， 管脚电平和波形之间的关系如表1所示。

　　波形切换可以在任意时候进行， 而不管输出信号的相位， 切换时间小于0. 3 us。

　　在经过频率控制和占空比调节之后， MAX038 输出端能输出幅度为2 V( VPP ) 的有关波形， 对地对称即相对对地电位而言是- 1~ + 1 V, 输出阻抗小于0. 1 Ω , 可直接向50 pF的容性负载提供的驱动电流为±20 mA 。为满足实际使用对信号源的要求， 还需要幅度调节电路调节输出信号幅度和增加信号驱动能力， 幅度调节电路由宽带高速电流反馈运放AD811 构成的反相比例运算电路构成， 其中反馈电阻大小由单片机C8051F130 控制X9C103 数字电位器实现， 输出信号随运放增益的不同， 幅度可以在200 mV~20 V( VPP ) , 增减步进量为200 mV ( VPP ) 。图2 给出了信号源发生器频率控制部分、占空比调节部分和幅度调节部分的电原理图。

　　电源电路部分主要向其他电路提供各芯片工作所需要的电压， 需要+ 15 V、- 15 V、+ 5 V、- 5 V , 为了减小电源的干扰对各部分电路的影响特别是对D/A 转换器转换精度的影响， 采用了广州周立功公司生产的宽压输入隔离稳压正、负双输出隔离电源芯片ZY _WHAD- 3W 系列，其具有转换效率高， 高低温特性好， 电压精度高等特点， 另外A D7533 工作还需要的+ 10 V 基准电压由AD584 提供( 见图2) , 电源电路原理图如图3 所示。