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【摘 要】程控多功能信号发生器可以实现三角波方波以及正弦波的产生,并且频率、幅值、占空比以及周期个数可以调节.本设计采用AT89S52单片机为主控芯片、MAX038为信号发生芯片.AT89S52控制MAX038分别产生三角波、正弦波以及方波.MAX038输出信号的频率是通过振荡频率参考电流输入端的电流、振荡频率参考电流输入端的电压和外接振荡电容器端的外接电容控制的,占空比是通过脉冲占空比调节输入端电压控制,幅值是通过一个模拟乘法器控制,周期数的控制通过软件定时的方法实现.
【关 键 词】MAX038,PC机控制,程控信号发生器
一、引言
在科学研究、工程教育及生产实践中,如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域,常常需要用到低频信号发生器[1],而日常生活中,以及一些科学研究中,方波、正弦波和三角波信号时常用基本测试信号.信号发生器作为一种通用的电子仪器,在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用[2].但是市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已经不能满足许多方面的实际应用的需求.加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产,都使我们研究一种低功耗、宽频带、价格低廉、能产生多种波形并具有程控的低频信号发生器成为可能.
二、设计思想
系统总体设计如图1所示.系统采用AT89S52单片机为主控芯片,采用MAX038作为信号发生芯片,MAX038可以输出正弦波、方波和三角波这三种波形,三种波形的选择是通过MAX038的A0和A1管脚的不同值来控制MAX038输出不同波形,A0和A1的高低电平可以通过单片机的端口直接控制[3],从而选择输出不同的波形.频率的控制前面已经介绍,主要是单片机控制D/A的输出从而控制MAX038的FADJ端的输入电压和IIN端的输入电流,单片机控制模拟开关,选择不同的外接电容,这两部分共同决定MAX038的输出信号频率,幅值的控制是通过单片机控制D/A的输出电压,并且MAX038的输出信号与D/A的输出信号分别接到乘法器的两个输入端,这样乘法器的输出便是最终输出的幅值,这样就实现了幅值的控制[4],波形周期数的控制主要是通过两个继电器来控制,当第一个继电器闭合时,单片机进行软件延时,当输出了想要的周期数时,再令最后输出端的继电器打开,信号不会再继续通过,这样就可以实现周期数的控制.
图1系统总体设计流程图
三、硬件电路设计
硬件设计主要是实现对MAX038信号发生芯片的控制,在硬件设计包括频率控制电路、占空比控制电路、幅值控制电路和上升沿起始控制电路的设计.
频率控制电路设计,MAX038的输出频率主要受振荡主要受振荡电容Cf,IIN端电流和FADJ端电压的控制.选择一个Cf值,对应的IIN端电流的变化,将产生一定范围的输出频率.另外,改变FADJ端电压,可以在IIN控制的基础上,对输出频率实现微调控制.在设计中震荡电容通过CD4052多路模拟开关选择,IIN端的电流通过数模转换器TLC5615输出电压接一个电阻控制,FADJ端电压通过TLC5615数模转换器控制[5],电路图如图2所示.
图2频率控制电路图
占空比控制电路设计,MAX038的DADJ端是占空比的控制端,改变DADJ的电压可以控制波形的占空比[6].若用DC表示占空比,那么当VDADJ等于0V时,DC为50%,当VDADJ不等于0V时控制TLC5615的输出,同频率控制模块中的差分比例运算电路一样,在经过高输入电阻差分比例运算电路后,即可得到-2.4V～+2.4V的电压,从而实现占空比在10%～90%范围内的变化,图3是TLC5615输出的转换电路.
图3TLC5615输出电压的转换电路
幅值控制电路的设计,MAX038输出信号的幅值都为2V,所以必须在外部对信号的幅值进行调控,采用乘法器来实现,具体的原理就是通过一片DAC控制乘法器的一个输入端,另一个输入端由MAX038的输出接入,这样MAX038最终的输出就会随着DAC输出不同的值而变化,从而实现幅值的实现控制[7].电路图如图4所示.
图4幅值控制电路
上升沿起始控制电路设计,MAX038输出的信号时连续的信号,起始点不一定从哪个幅值开始,为了确保输出信号的起始电压在0V附近,此电路需加上上升沿起始控制电路,加上这个电路既可以实现上输出信号在0V附近输出,也可以保证后面的周期数控制更加精确.MAX038的输出端接到MAX907,当信号幅值与0.05V（也就是2和6管脚的电压值）比较,当大于0.05V时,MAX907将产生一个上升沿,当上升沿送到HC74时,可以控制HC74芯片触发使输出端Q输出高电平,Q端接继电器闭合,这样才能使信号通过继电器控制输出,这样就实现了输出信号从0V附近开始输出[8],电路图如图5所示.
图5上升沿起始控制电路
图6主程序流程图
图7程控多功能信号发生器实物图
图8多功能程控信号发生器产生的正弦波
四、系统软件设计
主程序流程图如图6所示本设计中信号发生器的控制终端是PC机,设计中通讯模块选择的是串口通信,所以在程序设计中首先应该是串口的通信模块的编程,串口模块的初始化,等待PC机发送数据,数据传输过来以后,将数据分别送到相应的处理函数中,幅值、频率和占空比是通过分别控制TLC5618的输出电压,进而控制输出信号的幅值、频率和占空比[9].周期数的控制通过检测上升沿起始控制电路中继电器的控制引脚,当控制引脚为高电平时,开始软件定时,当达到一定的时间时,在控制输出端的控制引脚,使其变成低电平,信号就不会输出,达到周期数的控制,所以在周期数控制模块主要是一个定时的程序[10].当所有的,命令和数据传输完后,就可以输出波形,并且等待下一次的信号发生.图9多功能程控信号发生器产生的方波
五、实验验证
如图7所示为程控多功能信号发生器的实物图,经过实际中的调试,多功能信号发生器的工作正常,产生的信号精度高,图8、图9和图10分别是多功能程控信号发生器产生的正弦波、方波和三角波.
图10多功能程控信号发生器产生的三角波
六、结束语
本文基于MAX038芯片设计了一款多功能程控信号发生器,经过实验验证本信号发生器具有精度高,价格低廉,体积小的优点,适合于科研工作的需要,具有良好的可移植性,同样适用于其他的很多领域.