基于C8051F130的信号源发生器设计

摘要： 以Cygnal 单片机C8051F130 和波形产生器MAX038 为核心， 辅以高性能D/ A 转换器AD7533 和AD7303及数字电位器X9C103 等外围电路设计了1 种信号源发生器。给出了详细的硬件设计方案和软件设计方案。经实际测试， 该信号源发生器能输出频率小于15 M Hz, 幅度200 mV~ 20 V( VPP ) 连续可调， 占空比在15%~ 85% 变化的方波、正弦波、三角波， 输出波形失真度小于0. 3%, 输出频率精度优于2 ×10- 4 , 具有外围电路简单、精度高、低失真度等优点， 得到了广泛应用。

引言

信号源产生电路可以由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，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信号源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MAX038 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。

1 信号源发生器的总体设计

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。

图1 信号源发生器

2 信号源发生器各部分硬件电路设计

2. 1 波形选择部分

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。

表1 A0 和A1 管脚电平对应波形关系

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。

2. 2 频率控制部分

MAX038 输出信号的频率由注入引脚IIN 的电流IIN 、COSC 引脚端接的电容CF 以及引脚FADJ 上的电压V FADJ 决定。当VFADJ = 0 V 时， 基本输出频率Fo 由下式给出：

式中： IIN 为流入IIN 引脚的电流( 为获得最佳性能取10 A到400 A ) , CF 为连接COSC 引脚和地的电容( 在20 pF~ 100 F 中选取) , 如果VFADJ 是已知， 则任意输出频率Fx = Fo [ 1- (0. 2915 VFADJ ) ] , 在本设计中通过10位D/A 转换器A D7533 输出不同电压， 连接1 个30 k 的电阻控制流入MAX038 IIN 管脚的电流与C8051F130 控制CD4051 选择不同的CF 共同决定信号的输出频率值， 整个输出信号的频率分为7 个频段， 频段划分与CF 值和流入IIN 电流值对应关系如表2 所示。

表2 频段划分与CF 值和流入IIN 电流值对应关系

2. 3 占空比调节部分

DADJ 引脚端上的电压控制输出波形的占空比， 当VDADJ = 0 时占空比为50%, 当电压从+ 2. 3 V 到- 2. 3 V将引起输出占空比从15%~ 85%变化， 电压变化1 V 可使占空比变化15%, 占空比调节部分选用串行输入、双电压输出的8 位D/ A 转换器AD7303, 通过C8051F130 控制AD7303 输出- 2. 3~ + 2. 3 V, 接入DADJ 引脚调节占空比。

2. 4 幅度调节部分

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