基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、摘要本文在介紹MAX038芯片特性的基礎(chǔ)上,討論了采用MAX038芯片設(shè)計(jì)數(shù)字函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理以及整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。我們描述了控制振蕩頻繁,幅度和數(shù)字顯示的細(xì)節(jié)。該函數(shù)發(fā)生器可以輸出三種波:正弦波、方波、三角波。本文重點(diǎn)論述了整機(jī)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路控制MAX038的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。D/A轉(zhuǎn)換電路采用8位4通道的MAX505來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用數(shù)字電位器AD5171來(lái)控制幅度。該芯片是IC總線方式控制。這個(gè)系統(tǒng)支持按鍵操作和上位機(jī)操作兩種模式。關(guān)鍵詞:函數(shù)信號(hào);D/A轉(zhuǎn)換;單片機(jī)微處理器控制;AbstractBased on the introduction of MAX038 , we discussed

2、 the principle and the whole frame of the digital function signal generator. We described the control of the oscillatory frequent , amplitude and the digital display in detail. Thegenerator can output three kinds of waves : sine wave , square wave , triangle wave. This text has exposition the mirco-

3、computer controls the D/A electric circuit of conversion realize the process. In D/A changing electric circuit adopt the 8 bit 4 channel come to realize. Porentiometer AD5171 is adopted in the control of length. This chip is that IC bus control way. This system supports key-control or computer-contr

4、ol modes.Key words : function signal ； D/A ； single - chip microprocessor control ； 目 錄緒 論1第1章 系統(tǒng)概述和設(shè)計(jì)方案3 1.1論文的組織3 1.2方案選擇3 1.3信號(hào)發(fā)生芯片選擇3 1.4方案框圖設(shè)計(jì)及基本控制原理4 1.5頻段控制調(diào)整參數(shù)計(jì)算5 1.6頻率控制細(xì)調(diào)參數(shù)計(jì)算7 1.7占空比的數(shù)字控制參數(shù)計(jì)算7 1.8幅度的數(shù)控參數(shù)實(shí)現(xiàn)8第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)10 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)10 2.2單片機(jī)介紹及外圍電路10 2.3 D/A轉(zhuǎn)換電路（頻率，占空比控制電路）12 2.3.1MAX505的引腳描述

5、12 2.3.2MAX505的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理13 2.3.3 D/A轉(zhuǎn)換電路的電路說(shuō)明15 2.4頻段選擇電路17 2.5 幅度控制電路18 2.6 鍵盤(pán)電路21 2.7電源電路22 2.8通訊電路23第3章 系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)24 3.1 主程序流程圖24 3.2頻段處理子程序25 3.3頻率處理子程序25 3.4幅度處理子程序26系統(tǒng)分析與總結(jié)27參考文獻(xiàn)28附錄30 緒 論基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，該課題的設(shè)計(jì)目的是充分運(yùn)用大學(xué)期間所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，考察現(xiàn)在正在使用的信號(hào)發(fā)生器的基本功能，完成一個(gè)基本的實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全過(guò)程。關(guān)鍵是這個(gè)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，在整個(gè)過(guò)程中我可以充分發(fā)揮自動(dòng)化的

6、專業(yè)知識(shí)。特別是這個(gè)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)中涉及到一個(gè)典型的控制過(guò)程。通過(guò)單片機(jī)控制一個(gè)有特殊功能的信號(hào)發(fā)生芯片，可以產(chǎn)生一系列有規(guī)律的幅度和頻率可調(diào)的波形。這樣一個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置在控制領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用范圍。 在現(xiàn)代社會(huì)中，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中。在超聲波測(cè)量技術(shù)中,超聲換能器(發(fā)射換能器和接收換能器) 是超聲波檢測(cè)技術(shù)的核心部件。高精度、寬頻率范圍、高穩(wěn)定性的激勵(lì)源對(duì)于發(fā)射換能器及超聲檢測(cè)系統(tǒng)性能的改善和提高起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器通常由晶體管、運(yùn)放IC 等分離元件制成。與此相比,基于集成芯片的波形發(fā)生器具有高頻信號(hào)輸出、波形穩(wěn)定、控制簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。其中，信號(hào)發(fā)生器是

7、自動(dòng)化領(lǐng)域中的一個(gè)典型應(yīng)用。因?yàn)楝F(xiàn)代的自動(dòng)化控制中基本都會(huì)利用信號(hào)來(lái)控制設(shè)備的工作。利用信號(hào)的產(chǎn)生進(jìn)行儀器的控制已經(jīng)是自動(dòng)控制中的一個(gè)重要的手段，那么一個(gè)幅度、頻率、占空比以及波形可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和完成更具有使用價(jià)值。只要將這個(gè)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的基本思路掌握，不但可以融會(huì)貫通所學(xué)的專業(yè)知識(shí)還可以在以后工作中利用到，作為用來(lái)控制其他設(shè)備或設(shè)計(jì)的一個(gè)參考。 信號(hào)發(fā)生器是電子實(shí)驗(yàn)室的基本設(shè)備之一，目前各類學(xué)校廣泛使用的是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，雖然功能齊全、性能指標(biāo)較高，但是價(jià)格較貴，且許多功能用不上。本文介紹一種由集成電路MAX038設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器，該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，雖然功能及性能指標(biāo)趕不上標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生

8、器，但滿足一般的實(shí)驗(yàn)要求。其成本低、體積小、便于攜帶等特點(diǎn)，亦可作為電子產(chǎn)品維修人員的重要隨身設(shè)備之一。 本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于AT89S51微處理器控制的MAX038信號(hào)發(fā)生芯片的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的原理、構(gòu)成及其設(shè)計(jì)方法，著重分析了以美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的高頻信號(hào)發(fā)生芯片MAX038為核心的精密多波形高頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)的軟硬件原理，并開(kāi)發(fā)了基于AT89S51微處理器的軟件程序。 本次設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)發(fā)生芯片進(jìn)行的控制。通過(guò)這個(gè)單片機(jī)對(duì)信號(hào)發(fā)生芯片進(jìn)行精密控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的選擇，頻率、占空比以及波形幅度的控制。這些控制

9、可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定。這就要求對(duì)選擇的信號(hào)發(fā)生芯片，選用的單片機(jī)有初步的了解，并且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個(gè)合理地分配。第1章 系統(tǒng)概述和設(shè)計(jì)方案1.1論文的組織 本文主要分五大部分：緒論、系統(tǒng)概述和設(shè)計(jì)方案、硬件部分、軟件部分，總結(jié)。緒論，首先對(duì)課題研究背景和所涉及的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了介紹；第一章對(duì)系統(tǒng)所要完成的功能和可擴(kuò)展的功能進(jìn)行描述，確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要參數(shù)計(jì)算，第二章對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各部分組成作了簡(jiǎn)要的介紹和講解；第三章是軟件部分，這部分重點(diǎn)介紹了主程序的流程框圖及各個(gè)子程序的流程框圖以及IC的驅(qū)動(dòng)程序。最后對(duì)整篇文章進(jìn)行了總結(jié)。1.2方案選擇 方案一：直接利用單片機(jī)編程產(chǎn)生三角波，方波，

10、鋸齒波。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化了用于產(chǎn)生波形的硬件和軟件,特別適用于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)的速度控制以及變頻電源的SPWM控制。 缺點(diǎn)：編程復(fù)雜，波形失真較大，并且不能達(dá)到要求輸出的高頻率信號(hào)。 方案二：利用單片機(jī)控制波形信號(hào)產(chǎn)生芯片,通過(guò)單片機(jī)，鍵盤(pán)，LCD顯示實(shí)現(xiàn)波形的數(shù)字控制。優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單,波形效果好,頻率帶寬。缺點(diǎn)：硬件電路復(fù)雜。 為了滿足設(shè)計(jì)要求，取得較好的效果。顯然方案二較為理想。1.3信號(hào)發(fā)生芯片選擇 目前，集成化的函數(shù)波形發(fā)生器大多采用ILC8038或5G8038，但它們只能產(chǎn)生300kHz以下的中、低頻的正弦波、矩形波（含方波）和三角波（含鋸齒波），而且頻率與占空比不能單獨(dú)調(diào)節(jié)

11、，兩者互相影響，這就給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了許多不便。此外，這些芯片的擴(kuò)展功能較少，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，且無(wú)法滿足高頻精密信號(hào)源的要求。 美國(guó)MAXIM（馬克希姆）公司應(yīng)市場(chǎng)的需求而研制的MAX038型單片集成高頻精密函數(shù)發(fā)生器具有較高的頻率特性、頻率范圍很寬、功能較全、單片集成化、外圍電路簡(jiǎn)單、使用方便靈活等特點(diǎn)。1.4方案框圖設(shè)計(jì)及基本控制原理 如圖1.1所示,利用單片機(jī)AT89C51對(duì)主信號(hào)發(fā)生芯片進(jìn)行數(shù)字控制。因?yàn)镸AX038原是模擬量控制型芯片，所以中間要通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，對(duì)MAX038產(chǎn)生的波形信號(hào)進(jìn)行頻率,占空比,幅度的在控制,以及產(chǎn)生波形的選擇控制。圖1.1 方案框圖 這MAX038的

12、輸出頻率主要受振蕩電容CF,IIN端電流和FADJ端電壓的控制,其中前二者與輸出頻率的關(guān)系如圖1.2所示。選擇一個(gè)CF值,對(duì)應(yīng)IIN端電流的變化,將產(chǎn)生一定范圍的輸出頻率。另外,改變FADJ端的電壓,可以在IIN控制的基礎(chǔ)上,對(duì)輸出頻率實(shí)現(xiàn)微調(diào)控制。為實(shí)現(xiàn)輸出頻率的數(shù)控調(diào)整,在IIN端和FADJ端分別連接一個(gè)電壓輸出的DAC。首先,通過(guò)DACB產(chǎn)生0V(00H)到2.5V(0FFH)的輸出電壓,經(jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)生0A到748A的電流,疊加上網(wǎng)絡(luò)本身產(chǎn)生的2A電流,最終對(duì)IIN端形成2A到750A的工作電流,使之產(chǎn)生相應(yīng)的輸出頻率范圍。DACB將此工作電流范圍分為256級(jí)步進(jìn)間隔,輸出頻

13、率范圍也被分為256級(jí)步進(jìn)間隔。所以,IIN端的電流對(duì)輸出頻率實(shí)現(xiàn)粗調(diào)。第二步,通過(guò)DACA在FADJ端產(chǎn)生一個(gè)從- 2.3V(00H)到+ 2.3V(0FFH)的電壓范圍,該范圍同樣包含256級(jí)步進(jìn)間隔,IIN端的步進(jìn)間隔再次細(xì)分為256級(jí)步進(jìn)間隔,從而在粗調(diào)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)微調(diào)。1.5頻段控制調(diào)整參數(shù)計(jì)算 MAX038的輸出頻率和CF電容與IIN端的電流間的關(guān)系如表1.1所示。固定一個(gè)CF值,當(dāng)IIN端的電流從2A到750A的變化時(shí),對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)頻段的頻率范圍。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)整,我們選擇了一系列的CF如表1.1所示,并確定了各CF所對(duì)應(yīng)的頻段和頻率范圍。由于系統(tǒng)通過(guò)DAC 控制IIN端電流和FADJ

14、端電壓,將各頻段的頻率范圍劃分為65536級(jí)間隔,因此各頻段的輸出誤差為 圖1.2輸出頻率與IIN電流及振蕩電容CF的關(guān)系 另外,由于相鄰頻段之間存在著頻率重疊現(xiàn)象。且考慮到各頻段對(duì)應(yīng)的誤差大小不同,因此設(shè)定各頻段的實(shí)際起止頻率為:f3 ,f4,以期獲得最小的誤差。表1.1 輸出波形頻率范圍與CF的關(guān)系表頻段號(hào)CFf1(2A)f2(750A)ff3f4110pF200kHz65MHz1kHz600kHz10MHz21nF2kHz650kHz10Hz6kHz600kHz3100nF20Hz6.5kHz0.1Hz60Hz6kHz410F0.2Hz65Hz0.001Hz0.2Hz60Hz 在5腳CO

15、CS和6腳GND接上電容以后，10腳IIN是頻率控制的電流輸入端，利用恒定電流向電容充電和放電，便可形成振蕩。是受8腳FADJ和7腳DADJ端電壓的控制，振蕩頻率由下式確定。 (1.1) 因?yàn)槲覀円蟮念l率范圍在0.2Hz10MHz,分四個(gè)頻段來(lái)滿足要求,在每個(gè)頻段上連續(xù)可調(diào),由芯片內(nèi)部參數(shù)可知道,當(dāng)時(shí),的容量范圍可以在時(shí),芯片有較好的性能。 因此,有(1.1)式可知 (1.2) 當(dāng)時(shí),;當(dāng)時(shí)，,為了使數(shù)字控制能夠使實(shí)現(xiàn)，我們?cè)贒/A轉(zhuǎn)換模塊使用圖5所示的電阻連接方法。當(dāng)數(shù)字量為00H時(shí)，輸出為。MAX038的10腳IIN有的電流輸入。當(dāng)數(shù)字量為FFH時(shí)，輸出為基準(zhǔn)電壓。MAX038的10腳I

16、IN有的電流輸入。用公式（1.1）（1.2）可以檢驗(yàn)，確定表1.1所列的電容值可滿足后面頻率產(chǎn)生要求。1.6頻率控制細(xì)調(diào)參數(shù)計(jì)算 電阻、電容值選擇和基頻值由表3所列。其中的頻率細(xì)分是指當(dāng)基頻確定后由MAX505輸出的電壓的細(xì)分值。MAX505接2.5V的基準(zhǔn)電源，其雙極性輸出接到MAX038 的FADJ 調(diào)整端，通過(guò)內(nèi)部的鎖相環(huán)，作為精細(xì)的頻率控制。這個(gè)電壓從-2.5V變到+2.5V，引起基頻（FADJ是0V時(shí)的輸出頻率值）的變化從1.70.3倍（即）。當(dāng)MAX505的接收數(shù)據(jù)為FFH時(shí)，其頻率輸出值為基頻的30%，當(dāng)數(shù)據(jù)為0時(shí)，頻率輸出值為基頻的170%。當(dāng)數(shù)據(jù)加（減）1 時(shí)其輸出頻率相應(yīng)地

17、加（減）一個(gè)細(xì)分量。FADJ上的所需的電壓引起輸出偏離為（以%表示），則， 以百分比（%）線性相關(guān)地偏離，向0的某一方變化時(shí)相應(yīng)地向加或減的方向偏離。FADJ上的電壓所對(duì)應(yīng)的頻率由下式給出： (1.3)相應(yīng)MAX505的輸入數(shù)據(jù)為 (1.4) 式中：為要求輸出的頻率；為當(dāng) 為0時(shí)的基頻。同樣，我們可以知道當(dāng)數(shù)據(jù)D在00H和FFH之間變化的時(shí)候，可以調(diào)節(jié)頻率在當(dāng)前頻帶內(nèi)細(xì)調(diào)。1.7占空比的數(shù)字控制參數(shù)計(jì)算 MAX038的占空比的調(diào)整有兩種方式，一種時(shí)利用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源調(diào)整，另一種是利用外加電源調(diào)整，為使電路簡(jiǎn)單，采用第一種調(diào)整方式。 在MAX038 的DADJ端應(yīng)用一個(gè)- 2.3V + 2.3V

18、 的電壓控制信號(hào), MAX038的DADJ引腳上的電壓可控制波形的占空比(定義為輸出波形為正時(shí)所占時(shí)間的百分?jǐn)?shù)），并且能夠改善正弦波的波形，可進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制和產(chǎn)生鋸齒波。當(dāng)接地（即）時(shí)，其占空比為50%，占空比的調(diào)整可采用MAX505的一片DAC，輸出2.3V范圍內(nèi)的電壓，占空比可在10%90%范圍內(nèi)改變，約每伏改變15%，當(dāng)電壓超過(guò)2.3V 將使頻率偏移或引起不穩(wěn)定。 為產(chǎn)生一定占空比而加在DADJ上的電壓為： (1.5)對(duì)雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電源為2.3V時(shí)，MAX505接受數(shù)據(jù)與占空比的關(guān)系式為： (1.6)其中：為DADJ 引腳上的電壓，為占空比。這樣可完成激勵(lì)信號(hào)的占空比

19、設(shè)置。 調(diào)整的充放電時(shí)間,在10%90%的范圍內(nèi)調(diào)整振蕩器輸出的三角波,最終產(chǎn)生失真的正弦波,鋸齒波和脈沖波。這三種波形同時(shí)送入混合器,由A0,A1選擇輸出。微處理機(jī)通過(guò),經(jīng)比較器3產(chǎn)-2.3V +2.3V的調(diào)節(jié)電壓,對(duì)占空比實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。 的每一級(jí)步進(jìn)對(duì)應(yīng)著 (1.7) 和 (1.8)若設(shè)定占空比為 ,則對(duì)應(yīng)的編碼為: (1.9)1.8幅度的數(shù)控參數(shù)實(shí)現(xiàn) MAX038的輸出幅度為2Vp-p。在輸出端口OUT(19) 連接一個(gè)放大器,放大輸出信號(hào)至5Vp-p ,再送入數(shù)字電位器AD5171中,將輸入信號(hào)分解成64個(gè)等級(jí)。微處理機(jī)通過(guò)控制數(shù)字電位器AD5171,進(jìn)而控制輸出的衰減量,得輸出幅度的

20、步進(jìn)量幅度= 5Vp - p / 64。圖1.3 MAX038與D/A模塊的連接第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 依據(jù)MAX038輸出頻率的數(shù)控調(diào)節(jié)原理,配合單片機(jī)控制,我們可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 整機(jī)由圖2.1所示的七大模塊組成，分別是電源產(chǎn)生電路，頻段選擇電路，按鍵電路，單片機(jī)外圍控制電路，D/A轉(zhuǎn)換電路（包括信號(hào)的占空比，頻率，幅度控制電路）。圖2.1 總設(shè)計(jì)原理布局圖 基于MAX038的單片機(jī)多波調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生器主要由單片機(jī)AT89C51、MAX038和8位D/A芯片MAX505構(gòu)成，如圖2.1所示。由AT89C51的P2.0和P2.1控制選定波形，MAX505相應(yīng)地接到

21、MAX038的FADJ端和DADJ端AT89C51通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制電壓并以近似線性的規(guī)律來(lái)調(diào)制頻率和占空比。除此之外，D/A 轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)還要控制MAX038的IIN引腳的電流輸入用來(lái)控制頻率的精密調(diào)節(jié)。從單片機(jī)的P0口出來(lái)的數(shù)據(jù)除了提供給D/A外還與LCD的數(shù)據(jù)口共用。2.2單片機(jī)介紹及外圍電路 AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用

22、8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元。 AT89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶休或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見(jiàn)圖2.2。 外接石英晶體(或陶瓷諾振器)及電容C1,C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容C1,C2雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，這里選擇使用石英晶休，我們的電容使用30pF。如使用陶瓷諧振器的話，應(yīng)選擇40pF士10pF的容值的電容。 也可以采用外部

23、時(shí)鐘。采用外部時(shí)鐘的電路的情況時(shí)，外部時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。 圖2.2 單片機(jī)外圍電路如圖中所示，在單片機(jī)的I/O口分配上利用率比較高，應(yīng)為I/O資源剛好可以滿足控制設(shè)計(jì)的需要，所以不需要另外擴(kuò)充I/O資源。根據(jù)P0口，P1口，P2口及P3口各自的特點(diǎn)，我們選用P0口作為數(shù)據(jù)口，通過(guò)分時(shí)復(fù)用的方法分別送數(shù)據(jù)給MAX505的A、B、C通道控制頻率和占空比；送數(shù)據(jù)給LCD1602傳送信息顯示數(shù)據(jù)。選用P1口的P1.0P1.5做按鍵輸入口。P1.6與P1.7做幅度控制的IC數(shù)據(jù)輸出口，單片機(jī)自身不具備IC功能，所以要通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)。另外，P2口與P3

24、口做MAX505,MAX038,4052(段選芯片)，的數(shù)據(jù)控制口及片選口。還有P3.0(RXD),P3.1(TXD)做上位機(jī)通信口分別接MAX232芯片的OUT輸出IN與輸入引腳。2.3 D/A轉(zhuǎn)換電路（頻率，占空比控制電路） MAX505是8位4通道的D/A轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部包含邏輯輸入雙緩沖寄存器，可以允許所有的4路模擬量同時(shí)更新，也可以通過(guò)控制信號(hào)進(jìn)行異步鎖存輸出。MAX505還含有四個(gè)獨(dú)立的基準(zhǔn)電壓輸入，允許分別對(duì)四路獨(dú)立的D/A進(jìn)行全程的獨(dú)立設(shè)置。所有的邏輯輸入可以是TTL或擇是+5V的COMS。2.3.1MAX505的引腳描述 圖2.3是MAX505的封裝圖，MAX505是8位4路D

25、/A轉(zhuǎn)換芯片。24引腳封裝，具體引腳功能詳見(jiàn)表2.1：MAX505引腳功能表。表2.1 MAX505引腳功能表引 腳名 稱功 能1VOUTBDAC B 電壓輸出2VOUTADAC A 電壓輸出3VSS負(fù)電壓輸入4VREFDAC B 基準(zhǔn)電壓輸入5VREFADAC A 基準(zhǔn)電壓輸入6AGND模擬地7DGND數(shù)字地8LADC選通DAC（低電平有效） 9D7數(shù)據(jù)位710D6數(shù)據(jù)位611D5數(shù)據(jù)位512D4數(shù)據(jù)位413D3數(shù)據(jù)位314D2數(shù)據(jù)位215D1數(shù)據(jù)位116D0數(shù)據(jù)位017WR寫(xiě)輸入（低電平有效）18A1DAC 地址選擇位（高位）19A0DAC 地址選擇位（低位）20VREFDDAC D基準(zhǔn)電

26、壓輸入21VREFCDAC C基準(zhǔn)電壓輸入22VDD電源23VOUTDDAC D 電壓輸出24VOUTCDAC C 電壓輸出2.3.2MAX505的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理 MAX505內(nèi)含4個(gè)獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換電路，每一路都有自己獨(dú)自的基準(zhǔn)電壓源輸入引腳，可以通過(guò)功能控制引腳WR,A0,A1,LADC分別對(duì)每一路進(jìn)行單獨(dú)操作,也可以4路同時(shí)更新輸出數(shù)據(jù)。 如圖2.4所示，MAX505內(nèi)部每一路D/A都有數(shù)字輸入的雙緩沖寄存器。他主要有8位輸入鎖存器、8位DAC鎖存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器和選通控制邏輯四部分組成。選通控制邏輯部分是通過(guò)地址線引腳A0,A1控制輸入鎖存器的選通，單獨(dú)選擇某一路信號(hào)輸出。圖2.3

27、 MAX505 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖8位輸入寄存器由8個(gè)D鎖存器組成，作為輸入數(shù)據(jù)的緩沖器。它的8位輸入數(shù)據(jù)由寫(xiě)控制輸入引腳WR控制其輸入與鎖存。當(dāng)WR1時(shí)輸入鎖存器的輸出隨著輸入變化，當(dāng)WR0時(shí)輸入數(shù)據(jù)被鎖存，通過(guò)地址線引腳A0,A1控制輸入鎖存器的選通，單獨(dú)選擇某一路信號(hào)輸出。功能控制引腳WR,A0,A1,LADC的具體控制狀態(tài)見(jiàn)表2.2所列出。表2.2 功能引腳狀態(tài)表LDACWRA1A0所存狀態(tài)HH輸入和DAC數(shù)據(jù)鎖存HLLLDAC A 數(shù)據(jù)鎖存LH4個(gè)DAC全部數(shù)據(jù)鎖存LLLLDAC A輸入數(shù)據(jù)寄存器 4個(gè)DAC被鎖HLLHDAC B 數(shù)據(jù)鎖存HLHLDAC C 數(shù)據(jù)鎖存HLHHDAC D

28、 數(shù)據(jù)鎖存 8位DAC鎖存器也是由8個(gè)D鎖存器組成的，它的控制端為L(zhǎng)DAC。當(dāng)LDAC=1時(shí)輸出數(shù)據(jù)隨輸入變化，當(dāng)LDAC=0時(shí)將第一級(jí)輸出的數(shù)據(jù)鎖存在DAC鎖存器中。 8位D/A轉(zhuǎn)換器采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，輸出的是與輸入數(shù)字成比例的電流，需要外接運(yùn)算放大器，才能得到模擬電壓輸出。2.3.3 D/A轉(zhuǎn)換電路的電路說(shuō)明 如圖2.5所示，我們用+2.5V做MAX505的基準(zhǔn)電源。我們選用了MAX505的3路D/A輸出分別控制MAX038的DADJ,FADJ和IIN引腳，在前面我們知道MAX038的DADJ和FADJ引腳要求輸入的電壓信號(hào)時(shí)在-2.3V+2.3V之間，IIN的輸入要求是0A

29、750A的電流。通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路將MAX505的輸出是02.5V的電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓電流。 在MAX038的DADJ端應(yīng)用一個(gè)-2.3V+2.3V的電壓控制信號(hào), MAX038的DADJ引腳上的電壓可控制波形的占空比(定義為輸出波形為正時(shí)所占時(shí)間的百分?jǐn)?shù)），并且能夠改善正弦波的波形，可進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制和產(chǎn)生鋸齒波。用DAC A通道做為DADJ的模擬輸入。輸出02.5V電壓 當(dāng)時(shí)， （2.1）當(dāng)時(shí)， （2.2） 在MAX038的FADJ端選擇DAC B通道，同樣的接法可以實(shí)現(xiàn)-2.3V+2.3V的電壓控制信號(hào)。 在MAX038的IIN端選擇DAC C通道，需要的模擬控制量是0A750A的電流

30、，用DAC C通道做為IIN的模擬輸入。輸出02.5V電壓 當(dāng)時(shí)， （2.3） 當(dāng)時(shí), 這樣就實(shí)現(xiàn)了所需要的模擬量的輸入，D/A轉(zhuǎn)換圖如圖2.5所示。 在前面式子中用到的2.74V電壓是利用的MAX038的內(nèi)部2.5V的基準(zhǔn)源產(chǎn)生的，示意接線圖如圖1.3所示,根據(jù)結(jié)點(diǎn)法原理得下式： （2.4）圖2.4 D/A轉(zhuǎn)換電路圖2.4頻段選擇電路 MAX038的輸出頻率和CF電容與IIN端的電流間的關(guān)系如圖1.2。固定一個(gè)CF值,當(dāng)IIN端的電流從到的變化時(shí),對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)頻段的頻率范圍。如表1.1所示的選用的電容值分別為, ,。 我們選用多路開(kāi)關(guān)CD4052做為切換不同電容所需要用的芯片器件。多路開(kāi)關(guān)C

31、D4052的選通控制如表2.3所示，每當(dāng)S1，S2出于不同的的組合狀態(tài)的時(shí)候，可以同時(shí)選通兩路開(kāi)關(guān)AxBx,因此采用如圖2.5所示的連接方式可以實(shí)現(xiàn)將電容連接到5腳COCS上。表2.3 CD4052功能狀態(tài)表輸入狀態(tài)選通渠道ENBALES1S2LLLA0B0LLHA1B1LHLA2B2LHHA3B3HXX都選不通 在5腳COCS和6腳GND接上電容以后，10腳IIN是頻率控制的電流輸入端，利用恒定電流向電容充電和放電，便可形成振蕩。例如：當(dāng)S1S2是H L時(shí)，A2B2通道被選通，電容C9被連接在MAX038的5腳COCS上。圖2.5 頻段選擇電路2.5 幅度控制電路 該部分電路主要有放大器電路

32、和數(shù)字電位器電路兩部分組成，其中放大器部分電路的作用是將MAX038產(chǎn)生的電壓波形2Vp-p放大5Vp-p，數(shù)字電位器電路的作用是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生的電壓波形在-5V+5V之間數(shù)字可調(diào)。 美國(guó)模擬器件公司推出一次性編程(OTP)數(shù)字電位計(jì)系列產(chǎn)品AD5171，具有接口，用來(lái)讀/寫(xiě)滑片位置，而OTP性能則能永久設(shè)定滑片的位置。工作溫度范圍為-40到+125之間，溫度系數(shù)為35ppm/，工作電壓在2.7至5.5V之間，工作電流不大于5A。AD5171是64滑點(diǎn)的數(shù)字電位計(jì)。 ICInter-Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍

33、設(shè)備。IC總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性?？偩€的構(gòu)成及信號(hào)類型是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?？偩€必須由主器件(通常為微控制器)控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘(SCL)控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。 當(dāng)SCL保留高電位同時(shí)SDL變低時(shí)傳送開(kāi)始。這個(gè)開(kāi)始狀態(tài)之后，時(shí)鐘信號(hào)變低來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。在每一個(gè)數(shù)據(jù)位，時(shí)鐘位在確保數(shù)據(jù)位正確時(shí)變高電平。在每一個(gè)8位數(shù)據(jù)的結(jié)尾發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，而不管它是地址還是數(shù)據(jù)。在確認(rèn)時(shí)，傳送端不會(huì)把SDL變?yōu)榈碗娖剑绻_接收到了數(shù)據(jù)允許接收端把電位變?yōu)?。確認(rèn)信號(hào)后，當(dāng)SCL處于高電平時(shí)SDL從低變?yōu)楦?，指示?shù)據(jù)傳送停止。 I

34、C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量?jī)刹糠?，地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對(duì)比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，因?yàn)榈刂反a的作用各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。IC總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程有三種類型信號(hào)， 它們分別是：開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。結(jié)束信號(hào)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)

35、據(jù)。應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。 接口的設(shè)計(jì)也大大提高了芯片的利用效率，我們利用AT89C51的P1.6,P1.7腳就可以控制數(shù)據(jù)對(duì)模擬量進(jìn)行數(shù)字控制。 在IC總線的應(yīng)用中應(yīng)注意的事項(xiàng)總結(jié)為以下幾點(diǎn) : 嚴(yán)格按照時(shí)序圖的要求進(jìn)行操作； 若與口線上帶內(nèi)部上拉電阻的單片機(jī)接口連接，可以不外加上拉電阻； 程序中為配合相應(yīng)的傳輸速率，在對(duì)口線操作的指令后可用軟件

36、延時(shí)程序加一定的延時(shí)； 為了減少意外的干擾信號(hào)將EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)改寫(xiě)可用外部寫(xiě)保護(hù)引腳（如果有），或者在EEPROM內(nèi)部沒(méi)有用的空間寫(xiě)入標(biāo)志字，每次上電時(shí)或復(fù)位時(shí)做一次檢測(cè)，判斷EEPROM是否被意外改寫(xiě)。圖2.6 幅度控制電路2.6 鍵盤(pán)電路 鍵盤(pán)用的是上拉電阻，選通接地的形式。 KEY0鍵功能：三角波，正弦波，矩形波的循環(huán)選擇。 KEY1鍵功能：頻段，頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇。 KEY2鍵功能：選定的控制對(duì)象步進(jìn)量增。 KEY3鍵功能：選定的控制對(duì)象步進(jìn)量減。 KEY4鍵功能：選擇確定。 KEY5鍵功能：選擇不確定（即返回）。例如產(chǎn)生一個(gè)正弦波的控制方式：在開(kāi)始界面用KEY0

37、鍵選擇正弦波，用KEY4鍵確定進(jìn)入頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇界面，首先用KEY1鍵來(lái)選擇頻率，KEY4鍵確定進(jìn)入，然后用KEY2和KEY3鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)的增值或減值，數(shù)值確定后KEY4鍵確定，然后KEY5鍵返回到頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇界面，用KEY2鍵來(lái)選擇占空比，KEY4鍵確定進(jìn)入，然后用KEY2和KEY3鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)占空比步進(jìn)的增值或減值，數(shù)值確定后KEY4鍵確定，然后KEY5鍵返回到頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇界面，用KEY2鍵來(lái)選擇幅度，KEY4鍵確定進(jìn)入，然后用KEY2和KEY3鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)幅度步進(jìn)的增值或減值，數(shù)值確定后KEY4鍵確定。圖2.7 鍵盤(pán)電路2.7電

38、源電路 根據(jù)整機(jī)要求，電源電路應(yīng)為信號(hào)產(chǎn)生電路提供5V電壓，其中5V電壓需要穩(wěn)壓輸出，為此選用了7815，7915兩種三端集成穩(wěn)壓器，這種三端固定電壓輸出式集成穩(wěn)壓器，使用簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，且由于內(nèi)部具有過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，使整機(jī)的電源電路穩(wěn)定，性能可靠。外接9V交流電輸入，經(jīng)絕對(duì)值電路，然后濾波通過(guò)7805，7905產(chǎn)生5V的直流電壓。電源部分電路圖如圖2.9所示。圖2.8 電源電路圖2.8通訊電路 單片機(jī)作為主控制器，控制MAX038芯片產(chǎn)生信號(hào)，除此之外，單片機(jī)還與上位PC機(jī)進(jìn)行通訊，把頻率值發(fā)送到PC機(jī)上。PC機(jī)串行接口采用的是RS232電平標(biāo)準(zhǔn)，而AT80C51單片機(jī)的管腳是TTL電平，因此

39、，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的通訊的話，必須要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換選擇美國(guó)美信公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232.其接口電路如圖2.10所示。圖2.9 MAX232接口電路第3章 系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計(jì)3.1 主程序流程圖圖3.0 主程序流程圖 根據(jù)以上流程圖可以利用六個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的所有參數(shù)的控制，當(dāng)然這里只是給出的一種可行的設(shè)計(jì)方案。3.2頻段處理子程序 該子程序通過(guò)控制譯碼電路選擇不同的容值的電容，并且通過(guò)參數(shù)計(jì)算將頻段號(hào)保存下來(lái)。通過(guò)控制CD4051的雙路開(kāi)關(guān)選擇電容圖3.1 頻段處理子程序流程圖3.3頻率處理子程序 該子程序通過(guò)控制MAX038的FADJ引腳和IIN引腳的電壓電流的變化來(lái)控

40、制基頻內(nèi)的頻率控制與調(diào)解。根據(jù)參數(shù)計(jì)算在選擇的基頻的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制FADJ引腳的電壓在2.3V之間變化可以改變頻率在基頻的3070之間浮動(dòng)。再通過(guò)控制IIN引腳的電流在2A750A之間變化可以精細(xì)控制頻率改變。在D/A轉(zhuǎn)換模塊使用圖5所示的電阻連接方法。當(dāng)數(shù)字量為00H時(shí)，輸出為。MAX038的10腳IIN有的電流輸入。當(dāng)數(shù)字量為FFH時(shí)，輸出為基準(zhǔn)電壓。MAX038的10腳IIN有的電流輸入。圖3.2頻率處理子程序流程圖3.4幅度處理子程序 該子程序通過(guò)IC總線法方式控制AD5171芯片，AD5171作為數(shù)字電位器可以對(duì)5V的電壓進(jìn)行分壓。可以將幅度在5V間的電壓信號(hào)進(jìn)行衰減得到幅度可控制

41、的波形。IC的控制子程序見(jiàn)附錄。圖3.3 幅度處理子程序流程圖系統(tǒng)分析與總結(jié) 采用MAX038芯片制作函數(shù)信號(hào)發(fā)生器隨設(shè)計(jì)思想不同,具有多種方法,本文只是一種可能實(shí)現(xiàn)的方法。此法的頻率控制和幅度控制分辨率高，且硬件集成度高,整機(jī)自動(dòng)化程度高,性能優(yōu)良,具有很高的實(shí)用價(jià)值。 同時(shí)該信號(hào)源設(shè)計(jì)尚存在的不足之處，主要有兩個(gè)方面，第一為缺乏頻率準(zhǔn)確顯示的手段，可以配備相應(yīng)的數(shù)字頻率計(jì)模塊，但如何將顯示的精度與信號(hào)源的頻段配合有待討論研究；第二為輸出級(jí)可配以顯示輸出幅度的儀表，并且放大電路有待進(jìn)一步改進(jìn)，使其具有更強(qiáng)的輸出能力。參考文獻(xiàn)1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)M.北京:高等教育出版社.1998,

42、20232張友德等.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)M.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社.1993，1011 3陳澤宗等.單片精密函數(shù)發(fā)生器應(yīng)用J.電子技術(shù)報(bào),1997,20(7):344常新等.高頻信號(hào)發(fā)生器原理,維修與鑒定M.北京:電子工業(yè)出版社,1996,12135謝嘉奎,宣月清.電子線路非線性部分M.北京:高等教育出版社,1988，1121136張肅文.高頻電子線路M.北京:高等教育出版社,1984,50517解月珍等.信號(hào)產(chǎn)生電路M.北京:電子工業(yè)出版社,1994,11138黃曉林.測(cè)控應(yīng)用中若干重要電路的設(shè)計(jì)M.北京:高等教育出版社,1991,589肖瑞珠等.小型HDTV碼流發(fā)生器設(shè)計(jì)M.北京:高等

43、教育出版社,2003,667810陳文峰.基于虛擬儀器檢測(cè)系統(tǒng)J.單片機(jī)應(yīng)用,2003,23(10):788011江太輝等.高頻波形發(fā)生器的特性J.信息技術(shù)報(bào),1999,19(7):1031致謝 本研究及學(xué)位論文是在我的老師劉馨的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，劉老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。兩年多來(lái)，老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無(wú)微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向劉老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。在此，我還要感謝在一起愉快的度過(guò)3年生活的各位同門，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們!附錄IC的單片機(jī)軟