摘要： 以Cygnal 單片機C8051F130 和波形產生器MAX038 為核心， 輔以高性能D/ A 轉換器AD7533 和AD7303及數字電位器X9C103 等外圍電路設計了1 種信號源發生器。給出了詳細的硬件設計方案和軟件設計方案。經實際測試， 該信號源發生器能輸出頻率小于15 M Hz, 幅度200 mV~ 20 V（ VPP ） 連續可調， 占空比在15%~ 85% 變化的方波、正弦波、三角波， 輸出波形失真度小于0. 3%, 輸出頻率精度優于2 ×10- 4 , 具有外圍電路簡單、精度高、低失真度等優點， 得到了廣泛應用。

　　0 引言

　　在現代電子測量技術的研究及應用領域， 常常需要高精度且頻率可調的信號源， 信號源產生電路可以由RC 震蕩電路、LC 震蕩電路以及由555 定時器構成的震蕩電路制成， 更多的則是用專門的函數信號發生器IC 產生， 如ICL8038、BA205、XR2207/ 2209 等， 但它們的功能較少， 精度不高， 頻率上限只有300 kHz, 無法產生更高頻率的信號， 另外調節方式也不夠靈活， 頻率和占空比不能獨立調節， 二者互相影響。也有采用專門DDS 芯片的信號發生器， 但電路結構復雜， 成本較高 。而專門針對極低頻率的信號源其設計頻率范圍又較窄 , 應用范圍小。為此， 本文研究并設計出了一種基于單片機C8051F130 和MAX038 的信號源發生器， 能在15 MHz 內產生三角波、正弦波、方波， 精度高、失真度小、能有效彌補上述設計的不足， 滿足大部分測試對信號源的要求。

　　1  信號源發生器的總體設計

　　該信號源發生器主要以單片機C8051F130 為控制核心， 通過對Maxim 公司波形發生器芯片MAX038 及其外部電路控制實現其不同幅度和頻率， 不同類型信號的輸出， 其中C8051F130 是Silicon Laborat or ies 公司推出的一種具有8051 內核及指令集完全兼容的集成混合信號片上系統， 執行指令最快速度可達100 MIPS, 內部具有8448（ 8K+ 256） 字節片內RAM 和128 K 字節的flash 存儲器，擁有多達64 個輸入輸出口， 可以完全滿足本設計的控制需求， MAX038 是1 個只需要少量外部元件便能產生準確正弦波、三角波和方波的波形產生器， 輸出頻率和占空比可以通過外圍電路的電流、電壓和電阻進行調節。整個信號源發生器由頻率控制部分、波形選擇部分、占空比調節部分、鍵盤輸入控制部分、信號狀態顯示部分、電源部分等構成， 電路框圖如圖1 所示。

圖1  信號源發生器

　　2  信號源發生器各部分硬件電路設計

　　2. 1  波形選擇部分

　　直接使用C8051F130 上I/ O 口P0. 0、P0. 1 連接MAX038 上A0 和A1 管腳， 對輸入進行設置即能產生正弦波、方波和三角波， 管腳電平和波形之間的關系如表1所示。

表1  A0 和A1 管腳電平對應波形關系

　　波形切換可以在任意時候進行， 而不管輸出信號的相位， 切換時間小于0. 3 us。

　　2. 2  頻率控制部分

　　MAX038 輸出信號的頻率由注入引腳IIN 的電流IIN 、COSC 引腳端接的電容CF 以及引腳FADJ 上的電壓V FADJ 決定。當VFADJ = 0 V 時， 基本輸出頻率Fo 由下式給出：

　　式中： IIN 為流入IIN 引腳的電流（ 為獲得最佳性能取10 A到400 A ） , CF 為連接COSC 引腳和地的電容（ 在20 pF~ 100 F 中選取） , 如果VFADJ 是已知， 則任意輸出頻率Fx = Fo  [ 1- （0. 2915  VFADJ ） ] , 在本設計中通過10位D/A 轉換器A D7533 輸出不同電壓， 連接1 個30 k  的電阻控制流入MAX038 IIN 管腳的電流與C8051F130 控制CD4051 選擇不同的CF 共同決定信號的輸出頻率值， 整個輸出信號的頻率分為7 個頻段， 頻段劃分與CF 值和流入IIN 電流值對應關系如表2 所示。

表2 頻段劃分與CF 值和流入IIN 電流值對應關系

　　2. 3  占空比調節部分

　　DADJ 引腳端上的電壓控制輸出波形的占空比， 當VDADJ = 0 時占空比為50%, 當電壓從+ 2. 3 V 到- 2. 3 V將引起輸出占空比從15%~ 85%變化， 電壓變化1 V 可使占空比變化15%, 占空比調節部分選用串行輸入、雙電壓輸出的8 位D/ A 轉換器AD7303, 通過C8051F130 控制AD7303 輸出- 2. 3~ + 2. 3 V, 接入DADJ 引腳調節占空比。

 　　2. 4  幅度調節部分

　　在經過頻率控制和占空比調節之后， MAX038 輸出端能輸出幅度為2 V（ VPP ） 的有關波形， 對地對稱即相對對地電位而言是- 1~ + 1 V, 輸出阻抗小于0. 1 Ω , 可直接向50 pF的容性負載提供的驅動電流為±20 mA 。為滿足實際使用對信號源的要求， 還需要幅度調節電路調節輸出信號幅度和增加信號驅動能力， 幅度調節電路由寬帶高速電流反饋運放AD811 構成的反相比例運算電路構成， 其中反饋電阻大小由單片機C8051F130 控制X9C103 數字電位器實現， 輸出信號隨運放增益的不同， 幅度可以在200 mV~20 V（ VPP ） , 增減步進量為200 mV （ VPP ） 。圖2 給出了信號源發生器頻率控制部分、占空比調節部分和幅度調節部分的電原理圖。

　　2. 5  電源部分

　　電源電路部分主要向其他電路提供各芯片工作所需要的電壓， 需要+ 15 V、- 15 V、+ 5 V、- 5 V , 為了減小電源的干擾對各部分電路的影響特別是對D/A 轉換器轉換精度的影響， 采用了廣州周立功公司生產的寬壓輸入隔離穩壓正、負雙輸出隔離電源芯片ZY _WHAD- 3W 系列，其具有轉換效率高， 高低溫特性好， 電壓精度高等特點， 另外A D7533 工作還需要的+ 10 V 基準電壓由AD584 提供（ 見圖2） , 電源電路原理圖如圖3 所示。

　　2. 6  鍵盤輸入和信號狀態顯示

　　該部分電路使用液晶顯示模塊SG19264 和按鍵開關實現信號源發生器的頻率、幅度、占空比調節和信號狀態輸出顯示， 使用C8051F130 的I/ O 口連接4  4 鍵盤矩陣和SG19264 數據口和控制口， 根據按鍵情況在液晶模塊上顯示輸出信號類型、頻率、幅度、占空比等狀態信息。

　　3  軟件設計

　　信號發生器軟件設計采用模塊化編程結構， 分為初始化程序、鍵盤處理程序、波形選擇程序、頻率調節程序、占空比調節程序、幅度調節程序、信號狀態顯示程序， 信號發生器上電執行初始化程序產生頻率1 kHz, 幅度2 V（VPP）， 占空比為50% 的方波， 初始化后響應是何按鍵按下， 轉入相應的信號狀態調節程序最后通過信號狀態顯示程序在液晶上顯示， 程序流程圖如圖4 所示。

圖4 程序流程

　　4  結 論

　　為驗證所設計信號源發生器性能， 在按照上述硬件和軟件設計后， 對其輸出信號各項指標參數進行了實際測試， 其中使用Agilent 53132A 和National VP7720A 對其主要參數輸出頻率精度和總失真度系數的測試數據如表3 和表4 所示。

表3 輸出頻率

表4 正弦波失真系數

　　由表3 和表4 可見， 本設計的信號發生器能達到輸出波形失真度小于0. 3% , 輸出頻率精度優于2 ×10- 4 , 在同類設計中性能較優。

　　本設計以單片機C8051F130 為核心， 輔以D/A 轉換器AD7533 和AD7303 及數字電位器X9C103 等外圍電路對MAX038 進行控制產生所需信號。經實驗驗證， 所設計的信號發生器能輸出頻率小于15 MHz, 幅度200 mV~ 20 V（VPP ）連續可調， 占空比在15%~ 85%的方波、正弦波、三角波， 具有外圍電路簡單、體積小、精度高、輸出波形失真小等優點。該信號發生器已經廣泛應用在我院電學電子測試工作中。