基于MAX038和單片機的函數信號發生器設計

摘要:提出了一種采用MAX038的函數信號發生器的設計，可生成頻率可調的正弦波、方波以及三角波。系統由單片機控制模塊、鍵盤、LCD液晶顯示，MAX038波形產生器、DAC輸出電路和末級放大電路構成，調制信號既可由外部的頻率檔粗調，也可以通過單片機實現微調。單片機小系統負責用戶的交互和系統控制，鍵盤用于頻率的輸入與波形的選擇，LCD顯示當前所選信號的頻率調整情況，具有界面提示功能，而末級放大電路則對生成的信號進行適當的放大，以提高信號的振幅和強度。

關鍵詞:MAX038;單片機;頻率調節;界面提示

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)03-681-02

Design of Signal Generator Based on MAX038 and Single-Chip MCU

MEI Ling-liang

(Guangdong Zhengye Technology CO. LTD， Dongguan 523270， China)

Abstract: A Signal Generator is designed based on MAX038， to create a sine wave， a triangle wave or a square wave， its frequency can be adjusted. The system is made up of single-chip microcontroller module， keyboard， LCD Liquid-crystal display， MAX038 signal generator， DAC output circuit and last stage enlargement circuit. Its frequency not only can be roughly adjusted by external frequency range， but also can be carefully modulated by single-chip microcontroller circuit. The single-chip micro controller circuit takes charge of user interactive and frequency modulation， the Keyboard is used to input frequency value and choose wave profile， LCD displays the value of selected wave with interface prompt function， the last stage enlargement circuit rightly amplifies the signal generated by MAX038 and enhances the amplitude and intensity of signal.

Key words: MAX038; single-chip micro controller; frequency modulation; interface prompt

1 概述

信號發生器又稱信號源或振蕩器，是最重要的測量儀器之一，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。尤其是在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術領域，經常需要用到各種各樣的信號波形發生器，而各種波形曲線均可以用三角函數方程式來表示，能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波(含方波)、正弦波的電路被稱為函數信號發生器。它能滿足測試系統的多種要求，成為了系統綜合測試中不可缺少的組成部分。

早期的函數信號發生器集成電路，如L8038，BA205，XR2207/2209，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有3000KHz，無法產生更高頻率的信號，套接方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調節，二者相互影響。而目前廣泛使用的是一些標準產品，雖然功能齊全，性能制表較高，但是價格較貴，而且許多功能卻用不上[1]。

本文提出一種采用專用信號發生器芯片MAX038設計的簡易信號發生器。MAX038是Maxim公司生產的精密高頻單片信號發生器集成電路，內部電路完善。使用該芯片，設計簡單，可以生成同一頻率信號的各種波形信號，能以最少的外部元件構成多波形高頻函數信號發生器，也可以應用于壓控振蕩器(PLL)、脈寬調制器、鎖相器環、頻率調制器、頻率合成器及FSK信號發生器，是目前較為理想的信號產生集成芯片。因此，相比之下，該儀器具有結構簡單，成本低，體積小，便于攜帶等特點，足以滿足一般的實驗要求。

2 系統總體設計

系統由單片機控制模塊，MAX038信號產生模塊，LCD顯示模塊，占空比調節模塊，DAC模塊，電壓放大模塊組成，圖1為系統框圖。

單片機小系統由鍵盤，LCD顯示屏，和單片機AT89C52構成。負責用戶的交互和整個系統的控制，鍵盤用于對波形輸出的選擇和頻率輸出的調節，LCD則顯示當前輸出的波形及頻率的調節值。

信號發生器的主振采用MAX038型高頻精密函數信號發生器專用集成塊，能夠產生準確的高頻三角波、方波和正弦波，輸出頻率可以由內部的2.5V帶隙電壓基準及一個外部的電阻和電容器控制，頻率范圍0.1Hz～20MHz。占空比變化范圍為15%～85%，頻率掃描范圍為1～350，正弦波失真低于0.75%。

信號放大電路采用AD公司的高速運放AD811，使輸出信號的幅度能達到發揮部分的要求(在5V～7V之間)。因為這次放大出來的信號幾乎沒有失真，所以只在AD811放大的同時加了電源濾波還有阻抗匹配。

高速DAC對模擬數字地之間的串擾十分敏感。模擬數字地之間的串擾對DAC輸出信號的波形影響很大。故本系統采用一個線性電源對模擬電路供電，采用一個開關電源對數字電路供電，模擬地和數字地之間通過一個磁珠相連。這種設計實現了模擬數字電路盡可能大的隔離。實踐證明，數字部分和模擬部分獨立供電對信號質量有很大的改善作用[2]。

3 MAX038信號產生模塊設計

MAX038信號產生電路如圖2所示。通過對MAX038 5(COSC)引腳的接地電容切換來完成自動波段切換。頻率值的輸入采用按鍵直接增減來調節。本系統直接通過具有五檔開關選擇的波段開關，以實現頻率波段的切換。輸出波形的頻率由引腳10(Iin)的電流、引腳5(COSC)的電容量以及引腳8Fadj的電壓決定。當引腳8(Fadj)接地時，輸出波形的頻率由以下公式給定[3]:

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Iin與外接的DAC輸出電壓關系為:Iin=Vin/Rin。

Vin為DAC的輸出電壓，Rin為Iin引腳的輸入電阻。當Rin為25kΩ并且Vin在0.5～5V變化時，電流Iin的變化范圍為20～200μA，即提供每一波段所需的10倍掃頻范圍。電容COSC容量的選擇一般以Iin=100μA為基準。由于采用8位的DAC，則各波段的步進率可選為各波段低端頻率的0.25%，由波段開關S21選擇不同的CF值，將整個輸出信號分為5個頻段。各波段分配的頻率范圍、電容COSC的容量選擇以及步進率如表1所示。

表1 MAX038波段分配、電容值選擇和步進率

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4 電路調試與分析

本設計的波形屬高頻部分，有很多區別于低頻電路的地方。當頻率波段選擇在8.000MHz～13.00M Hz之間時，電容對地間的導線長短對輸出波形影響很大。經過很多次調試，得把電容一端直接接地效果最好，其余低頻部分電容對地電阻大小影響不是很大，可以通過導線接入地。調節頻率波段的時候最好與中心頻率一起調節選擇最佳頻率段。調試過程中即使一個電容對地導線的電阻對高頻部分影響都是非常大的，還有就是運放選擇、電源濾波、電阻匹配、對地短接都是需要考慮的問題[4]。

輸出波形電壓放大部分設計選擇了AD公司的高速單運放AD811完成電壓放大。AD811為電流反饋型寬帶運放，其帶寬增益積為140MHz增益為+10的情況下，-3dB帶寬達100MHz，非常適合本系統的寬帶放大要求，有±12V的輸出擺幅，且輸出電流最大可達100mA，完全可滿足峰峰值要求，外圍電路也很簡單。

本系統是通過DAC0832輸出雙極性電壓來調節頻率控制引腳上的電壓，從而實現輸出波形的微調。DAC0832的輸出通過兩級放大就可實現雙極性輸出。通過調試確認單片機晶振頻率與程序時所選擇的外部晶振的頻率是否一直，可以實現從-2.5V～+2.5V的雙極性電壓輸出[5]。

占空比調試對正弦波不起什么作用，對方波的影響最大。當輸出正弦波時調節占空比旋鈕可以發現正弦波的波形失真度會隨著發生變化，調節占空比旋鈕使輸出正弦波失真最小。

5 小結

本設計采用專用信號發生器芯片MAX038實現了函數信號發生器的功能，它可以通過單片機對MAX038的Fadj控制管腳進行細調，利用更換MAX038的COSC引腳所接電容大小對輸出信號頻率段功進行粗調，并可同時通過LCD對輸出信號的波形和頻率調整情況進行顯示，系統結構緊湊，電路簡單，功能強大，可擴展性強，具有成本低，體積小，便于攜帶的特點，測試結果表明本設計可以滿足常用實驗的要求。

參考文獻:

[1] 黃慶彩，祖靜，裴東興.基于MAX038的函數信號發生器的設計[J].儀器儀表學報，2004，S1.

[2] 陳一新.單片高頻函數發生器MAX038及其應用[J].中國儀器儀表，2002，04.

[3] 趙立民.電子技術實驗教程[M].北京:機械工業出版社，2004.