王吉予(湖北省漢江崔家營航電樞紐管理處,湖北 襄陽 441000)
數(shù)顯函數(shù)信號(hào)發(fā)生器
王吉予
(湖北省漢江崔家營航電樞紐管理處,湖北 襄陽 441000)
本設(shè)計(jì)介紹了一種數(shù)顯函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。采用“美國Maxim公司”推出的一種高頻率、低輸出阻抗、高精度、驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器專用芯片MAX038,是比較新一代的函數(shù)信號(hào)發(fā)生芯片。用單片機(jī)AT89C51測(cè)量其輸出波形的頻率,LED顯示測(cè)量的頻率值,鍵盤選擇輸出的波形。
數(shù)顯函數(shù)信號(hào)發(fā)生器;AT89C51;MAX038;LED顯示;頻率
伴隨著電子技能的迅速發(fā)展,單片機(jī)技能的呈現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控范疇?zhēng)砹艘淮涡碌募寄芨锩?。?dāng)前,單片機(jī)以其比較高的可靠性、高性能、價(jià)格比,在工業(yè)控制體系,數(shù)據(jù)收集體系,智能儀器儀表等等許多的范疇得到比較廣泛的使用,并且已走入家庭,從洗衣機(jī)、微波爐到音響轎車,到處可見單片機(jī)的蹤跡。因而,單片機(jī)的開發(fā)和使用已成為工業(yè)發(fā)展水平的象征。
在現(xiàn)代電子學(xué)中,函數(shù)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法有很多種,本設(shè)計(jì)以單片集成芯片MAX038為核心,利用單片機(jī)AT89C51檢測(cè)其輸出波形的頻率、利用數(shù)碼管LED顯示頻率值、鍵盤控制輸出波形方式來設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器。
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。主要性能指標(biāo):①輸出電壓范圍:0~10V;②輸出頻率范圍:20Hz~5MHz;③顯示位數(shù):5位LED顯示。
2.2 方案論證
方案一:存儲(chǔ)器+數(shù)/模變換。利用數(shù)/模變換技術(shù)的多波形發(fā)生器。由EPROM(如,EPROM2716)存儲(chǔ)各種常用波形的二進(jìn)制代碼(8位),每個(gè)波形代碼占用256個(gè)字節(jié)(1頁),一塊芯片可以存儲(chǔ)8種常用波形的代碼。有撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)EPROM的頁的尋址并確定輸出波形的種類。再有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(如,74LS393)實(shí)現(xiàn)對(duì)EPROM的頁內(nèi)尋址,計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度決定了輸出波形的速率,調(diào)節(jié)電位器的阻值,由V/F轉(zhuǎn)換器(如,AD537)輸出脈沖頻率發(fā)生變化,改變了計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度從而調(diào)節(jié)輸出波形的頻率。D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字化的波形代碼轉(zhuǎn)換成模擬量,通過放大器輸出,用電位器調(diào)節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器的Vref的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形幅值的改變。
方案二:利用函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038。利用微處理器函數(shù)發(fā)生器ICL8038,也能夠方便地發(fā)生頻率(0.001~300kHz)可變的正弦波、方波、三角涉及完成數(shù)控頻率調(diào)整。可是,其輸出頻率的安穩(wěn)度低,頻率的步長操控難以達(dá)到抱負(fù)的成果,更難以實(shí)現(xiàn)三種波形的疊加。
方案三:利用單片機(jī)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換結(jié)合,實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)、幅度穩(wěn)定的函數(shù)發(fā)生器。利用單片機(jī)AT89C51與數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832相結(jié)合組成信號(hào)發(fā)生器,頻率調(diào)節(jié)采用軟件延時(shí),也可以利用硬件的方法實(shí)現(xiàn);幅值的變化可采用電阻網(wǎng)絡(luò)或利用DAC0832內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。
方案四:利用單片機(jī)與函數(shù)發(fā)生專用芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)顯函數(shù)發(fā)生器。用單片機(jī)AT89C51與函數(shù)發(fā)生專用芯片MAX038組成。該信號(hào)發(fā)生器主振選用MAX038型高頻精細(xì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器專用集成塊,單片機(jī)AT89C51控制波形輸出類型、測(cè)量頻率并顯示輸出頻率。通過鍵盤改變輸出波形,單片機(jī)、遲滯對(duì)比器、前端計(jì)數(shù)器、數(shù)碼管LED顯現(xiàn)等構(gòu)成精密頻率計(jì),顯示輸出信號(hào)的頻率。
2.3 方案比較。從以上方案設(shè)計(jì)論證,方案一運(yùn)用集成化的元器件,元件少,電路工作可靠性較高,精度也較高,能輸出的多種波形的頻率和幅值也易于調(diào)節(jié),但工作頻率不高,不能滿足設(shè)計(jì)的要求;方案二函數(shù)信號(hào)發(fā)生芯片ICL8038輸出波形的頻率較低,它能作為低頻信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)源;方案三與方案二有一個(gè)相同點(diǎn)就是工作頻率低,但方案三可以作為優(yōu)越的低頻信號(hào)發(fā)生器,其幅度與精度也能滿足實(shí)際需要的低頻信號(hào)源;方案四是一種寬頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案,其頻率范圍在2~20MHz變化,在輸出波形、信號(hào)幅度上,均可滿足設(shè)計(jì)的要求,硬件、軟件上稍微有點(diǎn)復(fù)雜,但性能較好,精度較高。經(jīng)過以上比較,方案四能精確的滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的要求,為此本設(shè)計(jì)采取此方案。
2.4 總體方案確定。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選用方案四,函數(shù)發(fā)生器主振采用MAX038型高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生器專用集成塊,經(jīng)驅(qū)動(dòng)和幅度控制電路輸出,通過鍵盤改動(dòng)輸出波形,計(jì)數(shù)器、遲滯對(duì)比器、單片機(jī)、LED顯現(xiàn)等構(gòu)成精密頻率計(jì),顯現(xiàn)信號(hào)源的輸出頻率。
3.1 波形產(chǎn)生電路。為了滿足設(shè)計(jì)的要求,我使用了專用的波形產(chǎn)生器件MAX038。
3.1.1 MAX038簡(jiǎn)介。MAX038是Maxim公司出產(chǎn)的一種高速函數(shù)發(fā)生器,工作頻率規(guī)模為0.1Hz~20MHz,掃頻規(guī)??蛇_(dá)350倍。MAX038運(yùn)用±5V的電源,輸出起伏為2V(p-p),輸出阻抗的典型值為0.1,可直接驅(qū)動(dòng)100的負(fù)載。振蕩頻率由COSC引腳的電容量和IIN引腳的電流決定。輸出信號(hào)的頻率由流入引腳IIN的電流IIN、電容CF及引腳FADJ上的電壓VFADJ決定的。它能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波,可利用地址線A0和A1的不同編碼選擇所要輸出的波形
3.1.2 應(yīng)用電路。根據(jù)以上對(duì)MAX038性能分析,其輸出波形均滿足本設(shè)計(jì)的要求,為此,MAX038獨(dú)自承當(dāng)了函數(shù)信號(hào)輸出的功能,經(jīng)過外部的電阻和電容的調(diào)理,完結(jié)特定頻率和幅值的信號(hào)輸出。
3.2 輸出驅(qū)動(dòng)電路。由于MAX038的輸出信號(hào)為穩(wěn)定的2V(p-p),且輸出電流不高,所以必須在輸出級(jí)最少有一級(jí)的擴(kuò)大電路來供給滿意的輸出電壓和電流,以滿意通常使用需求。輸出擴(kuò)大電路是本信號(hào)發(fā)生器研制中首要的難點(diǎn)之一。由于輸出信號(hào)最大基頻為20MHz,其三角波和矩形波的高次諧波成分很高,所以要得到不失真的輸出波形,首要需求擴(kuò)大器具有很高的頻寬。其次,高頻大信號(hào)擴(kuò)大需求擴(kuò)大器有滿意的輸出電壓變換速率,在正弦波的情況下,擴(kuò)大器所需求的最大擺率Sr=2ωA=2лfA,其間ω為信號(hào)的角頻率、A為信號(hào)的幅值、f為頻率。別的要帶動(dòng)低阻負(fù)載,擴(kuò)大器的電流輸出才能也是個(gè)重要參數(shù),要在100負(fù)載上輸出6V信號(hào),則擴(kuò)大器最少要有60mA的連續(xù)電流輸出才能。鑒于以上幾點(diǎn),我們挑選AD公司的高速運(yùn)放AD811作為輸出擴(kuò)大器,它是一個(gè)寬帶高速電流反饋型運(yùn)算擴(kuò)大器,其各項(xiàng)參數(shù)非常適合上述需求:小信號(hào)帶寬(G=+2時(shí))達(dá)120MHz,電壓擺率Sr為2500V/μs,全諧波失真THD為-74dB (10MHz),輸出電流達(dá)100mA,其短路輸出電流可達(dá)150mA。
[1]李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004:176-177.
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