基于单片机的信号发生器设计.docx
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基于单片机的信号发生器设计
基于单片机的信号发生器设计
基于单片机的信号发生器设计
摘要
在介绍MAX038芯片特性的基础上,论述了采用MAX038芯片设计数字函数信号发生器的原理以及整机的结构设计。
对其振荡频率控制、信号输出幅度控制以及频率和幅度数显的实现作了较详细的论述。
该函数信号发生器可输出三角波,方波和正弦波。
本文重点论述了整机通过D/A转换电路控制MAX038的实现过程，D/A转换电路采用了8位4通道的MAX505来实现。
在幅度的控制上采用数字电位器AD5171，该芯片是I²C总线方式控制，文中给出了I²C总线的读写控制程序。
系统支持按键操作和上位机操作两种模式。
关键词:
函数信号；D/A；单片机控制
绪论
基于单片机的信号发生器设计，该课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本的实际系统的设计全过程。
关键是这个实际系统设计的过程，在整个过程中我可以充分发挥自动化的专业知识。
特别是这个信号发生器的设计中涉及到一个典型的控制过程。
通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片，可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形。
这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围。
在现代社会中，自动化技术已经渗透到社会生活的各个领域中。
在超声波测量技术中,超声换能器（发射换能器和接收换能器）是超声波检测技术的核心部件。
高精度、宽频率范围、高稳定性的激励源对于发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。
传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC等分离元件制成。
与此相比,基于集成芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。
其中，信号发生器是自动化领域中的一个典型应用。
因为现代的自动化控制中基本都会利用信号来控制设备的工作。
利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度、频率、占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。
只要将这个信号发生器设计的基本思路掌握，不但可以融会贯通所学的专业知识还可以在以后工作中利用到，作为用来控制其他设备或设计的一个参考。
信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。
本文介绍一种由集成电路MAX038设计的简易信号发生器，该仪器结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但满足一般的实验要求。
其成本低、体积小、便于携带等特点，亦可作为电子产品维修人员的重要随身设备之一。
本文主要分五大部分：
绪论、系统概述和设计方案、硬件部分、软件部分，总结。
绪论，首先对课题研究背景和所涉及的相关技术领域进行了介绍；第一章对系统所要完成的功能和可扩展的功能进行描述，确定系统的设计方案主要参数计算，第二章对系统的硬件结构和各部分组成作了简要的介绍和讲解；第三章是软件部分，这部分重点介绍了主程序的流程框图及各个子程序的流程框图以及I²C的驱动程序。
最后对整篇文章进行了总结。
第一章系统概述和设计方案
1.1论文的内容和组织
本文提出并设计了一种基于AT89S51微处理器控制的MAX038信号发生芯片的信号发生器设计。
文中详细介绍了该系统的原理、构成及其设计方法，着重分析了以美国MAXIM公司生产的高频信号发生芯片MAX038为核心的精密多波形高频函数信号发生系统的软硬件原理，并开发了基于AT89S51微处理器的软件程序。
本次设计的基于单片机的信号发生器设计就是设计一个单片机控制系统，对信号发生芯片进行的控制。
通过这个单片机对信号发生芯片进行精密控制，实现对波形的选择，频率、占空比以及波形幅度的控制。
这些控制可以通过键盘设定。
这就要求对选择的信号发生芯片，选用的单片机有初步的了解，并且对整个系统的结构有个合理地分配。
1.2方案选择
方案一：
直接利用单片机编程产生三角波，方波，锯齿波。
优点：
简化了用于产生波形的硬件和软件,特别适用于交流感应电动机和无刷直流电机的速度控制以及变频电源的SPWM控制。
缺点：
编程复杂，波形失真较大，并且不能达到要求输出的高频率信号。
方案二：
利用单片机控制波形信号产生芯片,通过单片机，键盘，LCD显示实现波形的数字控制。
优点：
控制简单,波形效果好,频率带宽。
缺点：
硬件电路复杂。
为了满足设计要求，取得较好的效果。
显然方案二较为理想。
1.3信号发生芯片选择
目前，集成化的函数波形发生器大多采用ILC8038或5G8038，但它们只能产生300kHz以下的中、低频的正弦波、矩形波（含方波）和三角波（含锯齿波），而且频率与占空比不能单独调节，两者互相影响，这就给实际应用带来了许多不便。
此外，这些芯片的扩展功能较少，调节方式也不够灵活，且无法满足高频精密信号源的要求。
美国MAXIM（马克希姆）公司应市场的需求而研制的MAX038型单片集成高频精密函数发生器具有较高的频率特性、频率范围很宽、功能较全、单片集成化、外围电路简单、使用方便灵活等特点
。
1．4方案框图设计及基本控制原理
如图1.1所示，利用单片机AT89C51对主信号发生芯片进行数字控制。
因为MAX038原是模拟量控制型芯片，所以中间要通过数模转换电路，对MAX038产生的波形信号进行频率，占空比，幅度的在控制，以及产生波形的选择控制。
图1.1方案框图
MAX038的输出频率主要受振荡电容CF,IIN端电流和FADJ端电压的控制,其中前二者与输出频率的关系如图1.2所示。
选择一个CF值,对应IIN端电流的变化,将产生一定范围的输出频率。
另外,改变FADJ端的电压,可以在IIN控制的基础上,对输出频率实现微调控制。
为实现输出频率的数控调整,在IIN端和FADJ端分别连接一个电压输出的DAC。
首先,通过DACB产生0V（00H）到2.5V（0FFH）的输出电压,经电压/电流转换网络,产生0μA到748μA的电流,叠加上网络本身产生的2μA电流,最终对IIN端形成2μA到750μA的工作电流,使之产生相应的输出频率范围。
DACB将此工作电流范围分为256级步进间隔,输出频率范围也被分为256级步进间隔。
所以,IIN端的电流对输出频率实现粗调。
第二步,通过DACA在FADJ端产生一个从-2.3V（00H）到+2.3V（0FFH）的电压范围,该范围同样包含256级步进间隔,IIN端的步进间隔再次细分为256级步进间隔,从而在粗调的基础上实现微调。
1.5.1频段控制调整参数计算
MAX038的输出频率和CF电容与IIN端的电流间的关系如表1.1所示。
固定一个CF值,当IIN端的电流从
到
的变化时,对应产生一个频段的频率范围。
经实验调整,我们选择了一系列的CF如表1.1所示,并确定了各CF所对应的频段和频率范围
。
由于系统通过DAC控制IIN端电流和FADJ端电压,将各频段的频率范围划分为65536级间隔,因此各频段的输出误差为
图1.2输出频率与IIN电流及振荡电容CF的关系
另外,由于相邻频段之间存在着频率重叠现象。
且考虑到各频段对应的误差大小不同,因此设定各频段的实际起止频率围:
f3,f4,以期获得最小的误差。
表1.1输出波形频率范围与CF的关系表
频段号
CF
f1（2µA）
f2（750µA）
Δf
f3
f4
1
10pF
200kHz
65MHz
1kHz
600kHz
10MHz
2
1nF
2kHz
650kHz
10Hz
6kHz
600kHz
3
100nF
20Hz
6.5kHz
0.1Hz
60Hz
6kHz
4
10µF
0.2Hz
65Hz
0.001Hz
0.2Hz
60Hz
在5脚COCS和6脚GND接上电容
以后，10脚IIN是频率控制的电流输入端，利用恒定电流
向电容
充电和放电，便可形成振荡。
是受8脚FADJ和7脚DADJ端电压的控制，振荡频率由下式确定。
（1.1）
因为我们要求的频率范围在0.2Hz～10MHz,分四个频段来满足要求，在每个频段上连续可调，由芯片内部参数可知道，当
时，
的容量范围可以在
时，芯片有较好的性能。
因此，有（1.1）式可知
（1.2）
当
时，
；当
时，
为了使数字控制能够使
实现，我们在D/A转换模块使用图5所示的电阻连接方法。
当数字量为00H时，
输出为
。
MAX038的10脚IIN有
的电流输入。
当数字量为FFH时，
输出为基准电压
。
MAX038的10脚IIN有
的电流输入。
用公式（1.1）（1.2）可以检验，确定表1.1所列的电容值可满足后面频率产生要求。
1.5.2频率控制细调参数计算
电阻、电容值选择和基频值由表3所列。
其中的频率细分是指当基频确定后由MAX505输出的电压的细分值。
MAX505接2.5V的基准电源，其双极性输出接到MAX038的FADJ调整端，通过内部的锁相环，作为精细的频率控制。
这个电压从-2.5V变到+2.5V，引起基频（FADJ是0V时的输出频率值）的变化从1.7～0.3倍（即
）。
当MAX505的接收数据为FFH时，其频率输出值为基频的30%，当数据为0时，频率输出值为基频的170%。
当数据加（减）1时其输出频率相应地加（减）一个细分量。
FADJ上的所需的电压引起输出偏离
为
（以%表示），则
，
以百分比（%）线性相关地偏离
，
向0的某一方变化时相应地向加或减的方向偏离。
FADJ上的电压所对应的频率由下式给出：
（1.3）
相应MAX505的输入数据为
（1.4）
式中：
为要求输出的频率；
为当
为0时的基频。
同样，我们可以知道当数据D在00H和FFH之间变化的时候，可以调节频率在当前频带内细调。
1.5.3占空比的数字控制参数计算
MAX038的占空比的调整有两种方式，一种时利用内部基准电压源调整，另一种是利用外加电源调整，为使电路简单，采用第一种调整方式。
在MAX038的DADJ端应用一个-2.3V～+2.3V的电压控制信号,MAX038的DADJ引脚上的电压可控制波形的占空比
（定义为输出波形为正时所占时间的百分数），并且能够改善正弦波的波形，可进行脉冲宽度调制和产生锯齿波。
当
接地（即
）时，其占空比为50%，占空比的调整可采用MAX505的一片DAC，输出±2.3V范围内的电压，占空比可在10%～90%范围内改变，约每伏改变15%，当电压超过±2.3V将使频率偏移或引起不稳定。
为产生一定占空比而加在DADJ上的电压为：
（1.5）
对双极性输出的D/A转换器，基准电源为2.3V时，MAX505接受数据与占空比的关系式为：
（1.6）
其中：
为DADJ引脚上的电压，
为占空比。
这样可完成激励信号的占空比设置。
调整
的充放电时间,在10%～90%的范围内调整振荡器输出的三角波,最终产生失真的正弦波,锯齿波和脉冲波。
这三种波形同时送入混合器,由A0,A1选择输出。
微处理机通过
经比较器3产生-2.3V～+2.3V的调节电压,对占空比实现数字控制。
的每一级步进对应着
（1.7）
和
若设定占空比为
则对应
的编码为:
1.5.4幅度的数控参数实现
MAX038的输出幅度为2Vp-p。
在输出端口OUT（19）连接一个放大器,放大输出信号至5Vp-p,再送入数字电位器AD5171中,将输入信号分解成64个等级。
微处理机通过
控制数字电位器AD5171,进而控制输出的衰减量,得输出幅度的步进量
Δ幅度=5Vp-p/64。
图1.3MAX038与D/A模块的连接
第二章系统硬件设计
依据MAX038输出频率的数控调节原理,配合单片机控制,我们可以实现数控的函数信号发生器。
2.1系统总体设计
整机由图2.1所示的七大模块组成，分别是电源产生电路，频段选择电路，按键电路，单片机外围控制电路，D/A转换电路（包括信号的占空比，频率，幅度控制电路）。
图2.1总设计原理布局图
基于MAX038的单片机多波调频信号产生器主要由单片机AT89C51、MAX038和8位D/A芯片MAX505构成，如图2.1所示。
由AT89C51的P2.0和P2.1控制选定波形，MAX505相应地接到MAX038的FADJ端和DADJ端，AT89C51通过D/A转换器的数据产生控制电压并以近似线性的规律来调制频率和占空比。
除此之外，D/A转换的数字信号还要控制MAX038的IIN引脚的电流输入用来控制频率的精密调节。
从单片机的P0口出来的数据除了提供给D/A外还与LCD的数据口共用。
2.2单片机介绍及外围电路
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶休或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图2.2。
外接石英晶体（或陶瓷诺振器）及电容C1,C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1,C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里选择使用石英晶休，我们的电容使用30pF。
如使用陶瓷谐振器的话，应选择40pF士10pF的容值的电容。
也可以采用外部时钟。
采用外部时钟的电路的情况时，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。
图2.2单片机外围电路
如图中所示，在单片机的I/O口分配上利用率比较高，应为I/O资源刚好可以满足控制设计的需要，所以不需要另外扩充I/O资源。
根据P0口，P1口，P2口及P3口各自的特点，我们选用P0口作为数据口，通过分时复用的方法分别送数据给MAX505的A，B，C通道控制频率和占空比；送数据给LCD1602传送信息显示数据。
选用P1口的P1.0～P1.5做按键输入口。
P1.6与P1.7做幅度控制的I²C数据输出口，单片机自身不具备I²C功能，所以要通过软件控制实现。
另外，P2口与P3口做MAX505,MAX038,4052（段选芯片），的数据控制口及片选口。
还有P3.0（RXD）,P3.1（TXD）做上位机通信口分别接MAX232芯片的OUT输出IN与输入引脚。
2.3D/A转换电路（频率，占空比控制电路）
MAX505是8位4通道的D/A转换芯片，内部包含逻辑输入双缓冲寄存器，可以允许所有的4路模拟量同时更新，也可以通过控制信号进行异步锁存输出。
MAX505还含有四个独立的基准电压输入，允许分别对四路独立的D/A进行全程的独立设置。
所有的逻辑输入可以是TTL或择是+5V的COMS。
2.3.1MAX505的引脚描述
图2.3是MAX505的封装图，MAX505是8位4路D/A转换芯片。
24引脚封装，具体引脚功能详见表2.1：
MAX505引脚功能表。
图2.3MAX505的封装图
表2.1MAX505引脚功能表
引脚
名称
功能
1
VOUTB
DACB电压输出
2
VOUTA
DACA电压输出
3
VSS
负电压输入
4
VREF
DACB基准电压输入
5
VREFA
DACA基准电压输入
6
AGND
模拟地
7
DGND
数字地
8
LADC
选通DAC（低电平有效）
9
D7
数据位7
10
D6
数据位6
11
D5
数据位5
12
D4
数据位4
13
D3
数据位3
14
D2
数据位2
15
D1
数据位1
16
D0
数据位0
17
WR
写输入（低电平有效）
18
A1
DAC地址选择位（高位）
19
A0
DAC地址选择位（低位）
20
VREFD
DACD基准电压输入
21
VREFC
DACC基准电压输入
22
VDD
电源
23
VOUTD
DACD电压输出
24
VOUTC
DACC电压输出
2.3.2MAX505的内部结构及原理
MAX505内含4个独立的D/A转换电路，每一路都有自己独自的基准电压源输入引脚，可以通过功能控制引脚WR,A0,A1,LADC分别对每一路进行单独操作,也可以4路同时更新输出数据。
如图2.4所示，MAX505内部每一路D/A都有数字输入的双缓冲寄存器。
他主要有8位输入锁存器、8位DAC锁存器、8位D/A转换器和选通控制逻辑四部分组成。
选通控制逻辑部分是通过地址线引脚A0,A1控制输入锁存器的选通，单独选择某一路信号输出。
图2.4MAX505内部结构原理框图
8位输入寄存器由8个D锁存器组成，作为输入数据的缓冲器。
它的8位输入数据由写控制输入引脚WR控制其输入与锁存。
当WR＝1时输入锁存器的输出随着输入变化，当WR＝0时输入数据被锁存，通过地址线引脚A0,A1控制输入锁存器的选通，单独选择某一路信号输出。
功能控制引脚WR,A0,A1,LADC的具体控制状态见表2.2所列出。
表2.2功能引脚状态表
LDAC
WR
A1
A0
所存状态
H
H
×
×
输入和DAC数据锁存
H
L
L
L
DACA数据锁存
L
H
×
×
4个DAC全部数据锁存
L
L
L
L
DACA输入数据寄存器4个DAC被锁
H
L
L
H
DACB数据锁存
H
L
H
L
DACC数据锁存
H
L
H
H
DACD数据锁存
8位DAC锁存器也是由8个D锁存器组成的，它的控制端为LDAC。
当LDAC=1时输出数据随输入变化，当LDAC=0时将第一级输出的数据锁存在DAC锁存器中。
8位D/A转换器采用T型电阻网络实现D/A转换，输出的是与输入数字成比例的电流，需要外接运算放大器，才能得到模拟电压输出。
2.3.3D/A转换电路的电路说明
如图2.5所示，我们用+2.5V做MAX505的基准电源。
我们选用了MAX505的3路D/A输出分别控制MAX038的DADJ,FADJ和IIN引脚，在前面我们知道MAX038的DADJ和FADJ引脚要求输入的电压信号时在-2.3V～+2.3V之间，IIN的输入要求是0µA～750µA的电流。
通过一个转换电路将MAX505的输出是0～2.5V的电压转换为所需要的电压电流。
在MAX038的DADJ端应用一个-2.3V～+2.3V的电压控制信号,MAX038的DADJ引脚上的电压可控制波形的占空比
（定义为输出波形为正时所占时间的百分数），并且能够改善正弦波的波形，可进行脉冲宽度调制和产生锯齿波。
用DACA通道做为DADJ的模拟输入。
输出0～2.5V电压
当
时，
（2.1）
当
时，
（2.2）
在MAX038的FADJ端选择DACB通道，同样的接法可以实现-2.3V～+2.3V的电压控制信号。
在MAX038的IIN端选择DACC通道，需要的模拟控制量是0µA～750µA的电流，用DACC通道做为IIN的模拟输入。
输出0～2.5V电压
当
时，
（2.3）
当
时,
这样就实现了所需要的模拟量的输入，D/A转换图如图2.5所示。
在前面式子中用到的2.74V电压是利用的MAX038的内部2.5V的基准源产生的，示意接线图如图1.3所示,根据结点法原理得下式：
（2.4）
图2.5D/A转换电路图
2.4频段选择电路
MAX038的输出频率和CF电容与IIN端的电流间的关系如图1.2。
固定一个CF值,当IIN端的电流从到
的变化时,对应产生一个频段的频率范围。
如表1.1所示的选用的电容值分别为
。
我们选用多路开关CD4052做为切换不同电容所需要用的芯片器件。
多路开关CD4052的选通控制如表2.3所示，每当S1，S2出于不同的的组合状态的时候，可以同时选通两路开关AxBx,因此采用如图2.5所示的连接方式可以实现将电容连接到5脚COCS上。
表2.3CD4052功能状态表
输入状态
选通渠道
ENBALE
S1
S2
L
L
L
A0B0
L
L
H
A1B1
L
H
L
A2B2
L
H
H
A3B3
H
X
X
都选不通
在5脚COCS和6脚GND接上电容
以后，10脚IIN是频率控制的电流输入端，利用恒定电流
向电容
充电和放电，便可形成振荡。
例如：
当S1S2是HL时，A2B2通道被选通，电容C9被连接在MAX038的5脚COCS上。
图2.6频段选择电路
2.5幅度控制电路
该部分电路主要有放大器电路和数字电位器电路两部分组成，其中放大器部分电路的作用是将MAX038产生的电压波形2Vp-p放大为5Vp-p，数字电位器电路的作用是为了实现产生的电压波形在-5V～+5V之间数字可调。
美国模拟器件公司推出一次性编程（OTP）数字电位计系列产品AD5171，具有
接口，用来读/写滑片位置，而OTP性能则能永久设定滑片的位置。
工作温度范围为-40℃到+125℃之间，温度系数为35ppm/℃，工作电压在2.7至5.5V之间，工作电流不大于5A。
AD5171是64滑点的数字电位计。
I²C[Inter-IntegratedCircuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
I²C总线最主要的优点是其简单性和有效性。
总线的构成及信号类型是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。
总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。
当SCL保留高电位同时SDL变低时传送开始。
这个开始状态之后，时钟信号变低来启动数据传送。
在每一个数据位，时钟位在确保数据位正确时变高电平。
在每一个8位数据的结尾发送一个确认信号，而不管它是地址还是数据。
在确认时，传送端不会把SDL变为低电平，如果正确接收到了数据允许接收端把电位变为0。
确认信号后，当SCL处于高电平时SDL从低变为高，指示数据传送停止。
I²C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。
在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。
CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。
这样，因为地址码的作用各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。
I²C总线在传
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