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２００７年６月第２４卷第２期三明学院学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＡＮＭＩＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＪｕｎ．２００７Ｖｏｌ．２４ＮＯ．２函数信号发生器的设计袁放成（泉州师范学院物理系，福建泉州３６２０００）摘要：设计的函数信号发生器由集成电路ＭＡＸ０３８芯片为核心器件，芯片外围电路设计简单可靠，能输出正弦波、矩形波及三角波。频率准确度和频率稳定度都达到１０－４，正弦波失真度约为１％。采用Ｃ８０５１Ｆ００５单片机作为控制芯片，通过键盘操作可选择ＭＡＸ０３８的输出波形，利用ＬＣＤ液晶显示器实时显示输出信号的频率。关键词：ＭＡＸ０３８；波形；频率稳定度；单片机中图分类号：ＴＰ３４６文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－４３４３（２００７）０２－０１４６－０６ＤｅｓｉｇｎｏｆＦｕｎｃｔｉｏｎＷａｖｅＧｅｎｅｒａｔｏｒＹＵＡＮＦａｎｇ－ｃｈｅｎｇ（ＤｅｐｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＱｕａｎｚｈｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｕａｎｚｈｏｕ３６２０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｃｏｒｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｗａｓｍａｄｅｕｐｏｆＩＣＭＡＸ０３８ｃｈｉｐｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｓｉｍｐｌｅａｎｄｔｒｉｅｄ．Ｓｉｎｅｐｕｌｓｅａｎｄｔｒｉａｎｇｌｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｃｏｕｌｄｂｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ．１０－４ｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｉｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｏｆｓｉｎｅｗａｖｅｆｏｒｍｗａｓａｂｏｕｔ１％．ＢｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｐｍａｄｅｕｐｏｆｔｈｅＣ８０５１Ｆ００５ＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐＭｉｃｙｏｃｏ，ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｃｏｕｌｄｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｓｅｌｅｃｔｅｄｗｉｔｈｋｅｙｂｏａｒｄ，ａｎｄｓｈｏｗｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｏｕｔｐｕｔｔｉｎｇｓｉｇｎａｌｏｎＬＣＤ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｎｃｔｉｏｎｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ＭＡＸ０３８；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐＭｉｃｙｏｃｏ引言在现代电子的各个领域，常常需要用到频率范围广、精度高、稳定度高及输出波形种类丰富的信号源。随着半导体芯片制造业的迅速发展和研制水平的飞速提高，出现了很多功能强大且性能可靠的集成信号发生芯片，几乎代替了以前用分立元件搭成的信号发生电路模块。例如ＩＣＬ８０３８、１函数信号发生器的指标要求函数信号发生器的要求是：可以输出正弦波、矩形波（包括方波）及三角波，输出信号的频率及幅度连续可调，输出方波的占空比可调，液晶显示输出信号频率值。输出信号的频率稳定度和准确度达１０－４，正弦波非线性失真度＜１％。ＭＡＸ０３８及一系列ＤＤＳ函数信号发生芯片。基于ＩＣＬ８０３８芯片构成的信号发生器电路设计简单，但输出信号频率低，最高输出频率约为３００ｋＨｚ［１，２］。２２．１电路设计原理系统的组成本设计系统由函数信号产生模块、幅度放大ＤＤＳ函数信号发生芯片虽然输出信号频率高，但外围电路复杂且输出波形单一，只能输出正弦波。本设计用精密函数发生芯片ＭＡＸ０３８，在众多的信号发生芯片中，ＭＡＸ０３８芯片的性能价格比较高［３，４］。笔者阐述了电路原理并进行了硬件电路的设计及制作，能输出正弦波、矩形波（包括方波）及三角波，并采用单片机控制技术，能通过键盘操作选择输出波形，能利用ＬＣＤ实时显示输出信号的频率。收稿日期：２００６－０５－１７作者简介：袁放成（１９５９–），女，湖南湘潭人，教授。模块、分频模块、单片机处理系统、键盘处理和显示模块六部分组成，如图１所示。２．２ＭＡＸ０３８的基本工作原理［３］如图２所示，ＭＡＸ０３８内部主要由振荡器，参考电压源，恒流源发生电路，多路选择开关，比较器，相位监测器，输出缓冲器等电路组成。ＭＡＸ０３８是单片精密函数信号产生器，它用±５Ｖ电源工作，基本的振荡器是一个交变地以恒定电流向电容器充电和放电的驰张振荡器，同时产第２期袁放成：函数信号发生器的设计・・１４７ＬＣＤ液晶显示屏Ｃ８０５１Ｆ００５单片机ＣＨ４５１键盘处理芯片键盘阵列ＣＤ４０２４分频芯片信号发生芯片图１ＭＡＸ０３８幅度放大系统硬件组成信号输出图２ＭＡＸ０３８的内部结构（虚线框内）生一个三角波和矩形波。通过改变ＣＯＳＣ引脚的外接电容和流入ＩＩＮ引脚的充放电电流的大小来控制输出信号频率，频率范围为０．１Ｈｚ～２０ＭＨｚ。流入ＩＩＮ引脚的电流由加到ＦＡＤＪ和ＤＡＤＪ引脚上的电压来调制，通过这两个引脚可用外接电压信号分别调整频率和占空比。ＭＡＸ０３８内部有一个正弦波形成电路把振荡器的三角波转变成一个具有等幅的低失真度正弦波。三角波、正弦波和矩形波输入一个多路器，两根地址线Ａ０和Ａ１从这三个波形中选出一个，从ＯＵＴ引脚输出２Ｖ（峰－峰值）的电压信号。三角波又被送到产生高速矩形波的比较器（由ＳＹＮＣ引脚输出），它可以用于其它的振荡器，ＳＹＮＣ电路具有单独的电源引线因而可被禁止。另外，ＰＤＩ、ＰＤＯ引脚分别是相位检波器的输入和输出端。ＭＡＸ０３８为双列直插２０引脚芯片，引脚功能列于表１。由ＭＡＸ０３８内部结构及参考文献［４］，可得当引脚ＦＡＤＪ的电压ＵＦＡＤＪ＝０时ＭＡＸ０３８输出信号频率的计算由式（１）给出：ｆ０＝ＩＩＩＮｆ（１）（１）式中，ＩＩＩＮ的计算为・・１４８表１引脚名称三明学院学报第２４卷ＭＡＸ０３８引脚功能功能１２，６，９，１１，１８３４５７８１０１２１３１４１５１６１７１９２０ＲＥＦＧＮＤＡ０Ａ１ＣＯＳＣＤＡＤＪＦＡＤＪＩＩＮＰＤＯＰＤＩＳＹＮＣＤＧＮＤＤＶ＋Ｖ＋ＯＵＴＶ－２．５０Ｖ的门限参考电压地波形选择输入端（ＴＴＬ／ＣＭＯＳ兼容）波形选择输入端（ＴＴＬ／ＣＭＯＳ兼容）外接振荡电容端占空比调节端频率调节端振荡频率控制器的电流输入端相位比较器输出端（如果不用，应接地）相位比较器输入端（如果不用，应接地）同步输出端（ＴＴＬ／ＣＭＯＳ兼容输出，允许内部和外部振荡器同步。如果不用，应悬空）数字接地数字电压Ｖ＋（＋５Ｖ）电源端，如果没有用到ＳＹＮＣ应悬空＋５Ｖ电源输入端正弦波，三角波，方波输出端－５Ｖ电源输入端ＩＩＩＮ＝ＵＲＥＦＩＮ（２）置占空比调节的原理。ＭＡＸ０３８对频率的调节和占空比的调节互不影响，这是ＭＡＸ０３８一个比较突出的优点。表２为ＭＡＸ０３８地址线Ａ０和Ａ１对波形选择的取值表。表２（２）式中ＵＲＥＦ为内部输出的２．５Ｖ恒定参考电压，可见ＵＦＡＤＪ＝０时，输出信号的频率完全由内部结构及充电电容Ｃｆ决定。ＩＩＩＮ电流大小在２～７５０μＡ内变化，电容大小若为ｐＦ量级，则输出频率的大小为ＭＨｚ量级；电容大小若为１０－３μＦ量级，则输出频率的大小为ｋＨｚ量级；电容大小若为μＦ量级，则输出频率的大小为Ｈｚ量级；其输出频率范围为ＭＡＸ０３８的波形选择Ｘ１００矩形波Ａ０Ａ１波形１０三角波０．１Ｈｚ～２０ＭＨｚ。由此可通过改变电容Ｃｆ的大小达到大幅度地改变输出信号频率，这即是设置频率粗调的原理。正弦波２．３ＭＡＸ０３８外围电路设计与原理本设计ＭＡＸ０３８外围电路图如图３所示。由ＭＡＸ０３８工作时引脚ＦＡＤＪ的电压ＵＦＡＤＪ由参考电压ＵＲＥＦ及可调电阻ＲＦ决定。２．３．１频率控制和占空比控制图３可知，频率控制分为频率量程改变（粗调）和频率调节（细调）两方面。通过改变振荡电容Ｃｆ来实现量程控制，本设计电路中电容Ｃｆ的取值分别为：Ｃ１＝１００μＦ，Ｃ２＝１０μＦ，Ｃ３＝１μＦ，Ｃ４＝０．１μＦ，Ｃ５＝ＵＦＡＤＪ＝ＵＲＥＦ－２５０μＡ×ＲＦ（３）由（３）式，调节可变电阻ＲＦ，可变化ＦＡＤＪ引脚的电压，其变化范围为±２．４Ｖ。而ＵＦＡＤＪ的变化可引起电容充电电流的变化，输出频率则以式（１）的频率ｆ０为中心频率，产生±７０％左右的变化。由此可通过调节可变电阻ＲＦ的大小，达到小幅度改变输出信号的频率，这即是设置细调输出信号频率的原理。１０ｎＦ，Ｃ６＝１０００ｐＦ，Ｃ７＝１００ｐＦ，Ｃ８＝２０ｐＦ。电容的切换是由手动拨盘开关来完成的，通过调节精密电位器Ｒ１来实现频率细调，本设计电路中电位器Ｒ１取值为５ｋΩ。占空比调节是通过调节精密电位器Ｒ１３来实现，Ｒ１３取值为２０ｋΩ。ＭＡＸ０３８工作时引脚ＤＡＤＪ电压的变化可引起电容Ｃｆ充电和放电的相对速率的变化，由此引起矩形波占空比发生变化，当ＵＤＡＤＪ＝０Ｖ时，矩形波占空比为５０％，即输出为方波。ＵＤＡＤＪ的变化范围为±２．３Ｖ，则占空比的变化范围为１０％～９０％。图２可知，调节可变电阻ＲＤ，可使ＵＤＡＤＪ变化，这即是设２．３．２单片机控制与频率计本系统采用Ｃ８０５１Ｆ００５单片机来作为控制芯片，一方面该单片机速度非常快，另外一方面该单片机的片内资源非常丰富，对以后系统的扩展极其有利，从而可以提高整个系统的性价比。具体的第２期袁放成：函数信号发生器的设计・・１４９单片机Ｉ／Ｕ口位数码拨盘８图３ＭＡＸ０３８的外围电路电路设计方面没有什么特别的要求，只需按照该芯片给出的数据手册上的参考电路进行设计。单片机进行频率计的设计时，应该知道一个前提条件就是该单片机的工作速度够快，系统设计时是采用２４ＭＨｚ的外部晶体振荡器，采用精确定时１ｓ设计频率测量的闸门时间。实验证明，仅利用２Ｖ。为了使信号的输出幅值范围更大，提高信噪比，本设计以宽带运放ＮＥ５５３２为核心采用两级放大，第一级为同相比例放大器，第二级为反相比例放大器，放大后输出信号的幅度可达７Ｖ（ｐ－ｐ）。２．４键盘处理及显示模块电路的设计由于本系统中单片机的主要时间都在频率的Ｃ８０５１Ｆ００５单片机内部的计数器，就可以使得测量的频率达到５．６ＭＨｚ左右的值，再利用分频电路，只要４次频，就可以实现频率在２２．４Ｍ左右的测量，大大降低了测量误差。测试结果也显示本系统所设计的频率计测量精度是很高的。测量与显示上，所以如果直接由单片机的ＩＯ接口扩展出键盘矩阵的话，那么很大一部分时间还得花在按键有无的判断上，这样会造成单片机不能准确测量频率值，所以键盘处理采用中断方法比较可靠。本系统采用了专用的键盘显示处理芯片２．３．３分频电路ＭＡＸ０３８芯片上有一个同步输出引脚ＳＹＮＣ，该引脚的输出频率与ＭＡＸ０３８的波形输出引脚ＣＨ４５１（２４引脚）。ＣＨ４５１通过级联的串行接口与单片机等交换数据，并且提供上电复位和看门狗等监控功能。若有按键被按下，则会通过向单片机提出中断，单片机响应后，ＣＨ４５１芯片再把该按键值送给单片机，这样单片机就有充裕的时间去处理计数器和定时器的中断请求，系统扩展出了１６个按键，以便于以后电路的扩展要求。显示器本文采用的是具有体积小、外型薄、重量轻、耗能小、无辐射、显示信息量大等优点的液晶显示器ＬＣＤ代替了传统的ＬＥＤ显示，大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。ＯＵＴ的频率是相同的，即两引脚是同步的，利用这个引脚可以检测输出端的频率值。由于采用的是Ｃ８０５１Ｆ００５单片机，它的计数器能工作的正常频率是系统频率的四分之一，这样当单片机采用的晶振是２４ＭＨｚ时，计数器能工作的最大频率也只能是６ＭＨｚ，所以在ＭＡＸ０３８的输出频率超过这个值时，单片机的计数器是无法正常计数的。这样就需要一个分频芯片预先把ＭＡＸ０３８的输出频率进行分频，以便于单片机的计数器进行正常的计数。在本设计中，所采用的分频芯片是ＣＤ４０２４。２．３．４幅度放大电路３３．１软件设计软件总体功能概述ＭＡＸ０３８各种波形输出的幅值的峰－峰均为・・１５０三明学院学报第２４卷在本系统设计中，需要用到Ｃ８０５１Ｆ００５单片机来进行键盘识别、输出频率测量及显示处理，系统软件运行的大部分时间都是在不断进行频率值的测量并且送到显示屏上显示。３．２监控主程序的设计监控主程序的任务主要是响应单片机的外部中断，在本系统中主要是进行对键盘处理芯片的响应及处理。在单片机进行对键盘的响应与处理的时候，应该不能有其它的中断打扰，否则就会造成处理出错。所以在这时候