频率可调信号源的设计分析

2012-10-16 09:58:57来源: 21ic

0 引言

在现代电子测量技术的研究及应用领域, 常常需要高精度且频率可调的信号源, 信号源产生电路可以由RC 震荡电路、LC 震荡电路以及由555 定时器构成的震荡电路制成, 更多的则是用专门的函数信号发生器IC 产生, 如ICL8038、BA205、XR2207/ 2209 等, 但它们的功能较少, 精度不高, 频率上限只有300 kHz, 无法产生更高频率的信号, 另外调节方式也不够灵活, 频率和占空比不能独立调节, 二者互相影响。也有采用专门DDS 芯片的信号发生器, 但电路结构复杂, 成本较高 。而专门针对极低频率的信号源其设计频率范围又较窄 , 应用范围小。为此, 本文研究并设计出了一种基于单片机C8051F130 和MAX038 的信号源发生器, 能在15 MHz 内产生三角波、正弦波、方波, 精度高、失真度小、能有效弥补上述设计的不足, 满足大部分测试对信号源的要求。

1 信号源发生器的总体设计

该信号源发生器主要以单片机C8051F130 为控制核心, 通过对Maxim 公司波形发生器芯片MAX038 及其外部电路控制实现其不同幅度和频率, 不同类型信号的输出, 其中C8051F130 是Silicon Laborat or ies 公司推出的一种具有8051 内核及指令集完全兼容的集成混合信号片上系统, 执行指令最快速度可达100 MIPS, 内部具有8448( 8K+ 256) 字节片内RAM 和128 K 字节的flash 存储器,拥有多达64 个输入输出口, 可以完全满足本设计的控制需求, MAX038 是1 个只需要少量外部元件便能产生准确正弦波、三角波和方波的波形产生器, 输出频率和占空比可以通过外围电路的电流、电压和电阻进行调节。整个信号源发生器由频率控制部分、波形选择部分、占空比调节部分、键盘输入控制部分、信号状态显示部分、电源部分等构成, 电路框图如图1 所示。

11.jpg

图1 信号源发生器

2 信号源发生器各部分硬件电路设计

2. 1 波形选择部分

直接使用C8051F130 上I/ O 口P0. 0、P0. 1 连接MAX038 上A0 和A1 管脚, 对输入进行设置即能产生正弦波、方波和三角波, 管脚电平和波形之间的关系如表1所示。

表1 A0 和A1 管脚电平对应波形关系

 

表1 A0 和A1 管脚电平对应波形关系

 

波形切换可以在任意时候进行, 而不管输出信号的相位, 切换时间小于0. 3 us。

2. 2 频率控制部分

MAX038 输出信号的频率由注入引脚IIN 的电流IIN 、COSC 引脚端接的电容CF 以及引脚FADJ 上的电压V FADJ 决定。当VFADJ = 0 V 时, 基本输出频率Fo 由下式给出:

 

基本输出频率Fo

 

式中: IIN 为流入IIN 引脚的电流( 为获得最佳性能取10 A到400 A ) , CF 为连接COSC 引脚和地的电容( 在20 pF~ 100 F 中选取) , 如果VFADJ 是已知, 则任意输出频率Fx = Fo [ 1- (0. 2915 VFADJ ) ] , 在本设计中通过10位D/A 转换器A D7533 输出不同电压, 连接1 个30 k 的电阻控制流入MAX038 IIN 管脚的电流与C8051F130 控制CD4051 选择不同的CF 共同决定信号的输出频率值, 整个输出信号的频率分为7 个频段, 频段划分与CF 值和流入IIN 电流值对应关系如表2 所示。

表2 频段划分与CF 值和流入IIN 电流值对应关系

 

表2 频段划分与CF 值和流入IIN 电流值对应关系

 

2. 3 占空比调节部分

DADJ 引脚端上的电压控制输出波形的占空比, 当VDADJ = 0 时占空比为50%, 当电压从+ 2. 3 V 到- 2. 3 V将引起输出占空比从15%~ 85%变化, 电压变化1 V 可使占空比变化15%, 占空比调节部分选用串行输入、双电压输出的8 位D/ A 转换器AD7303, 通过C8051F130 控制AD7303 输出- 2. 3~ + 2. 3 V, 接入DADJ 引脚调节占空比。

2. 4 幅度调节部分

在经过频率控制和占空比调节之后, MAX038 输出端能输出幅度为2 V( VPP ) 的有关波形, 对地对称即相对对地电位而言是- 1~ + 1 V, 输出阻抗小于0. 1 Ω , 可直接向50 pF的容性负载提供的驱动电流为±20 mA 。为满足实际使用对信号源的要求, 还需要幅度调节电路调节输出信号幅度和增加信号驱动能力, 幅度调节电路由宽带高速电流反馈运放AD811 构成的反相比例运算电路构成, 其中反馈电阻大小由单片机C8051F130 控制X9C103 数字电位器实现, 输出信号随运放增益的不同, 幅度可以在200 mV~20 V( VPP ) , 增减步进量为200 mV ( VPP ) 。图2 给出了信号源发生器频率控制部分、占空比调节部分和幅度调节部分的电原理图。

2. 5 电源部分

电源电路部分主要向其他电路提供各芯片工作所需要的电压, 需要+ 15 V、- 15 V、+ 5 V、- 5 V , 为了减小电源的干扰对各部分电路的影响特别是对D/A 转换器转换精度的影响, 采用了广州周立功公司生产的宽压输入隔离稳压正、负双输出隔离电源芯片ZY _WHAD- 3W 系列,其具有转换效率高, 高低温特性好, 电压精度高等特点, 另外A D7533 工作还需要的+ 10 V 基准电压由AD584 提供( 见图2) , 电源电路原理图如图3 所示。

 

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关键字:频率可调  信号源  MAX038

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/1016/article_6094.html
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