智能化宽频带函数信号发生器.doc

智能化宽频带函数信号发生器 DDFS摘 要本文介绍了一种智能化宽频带函数信号发生器的研制，它通过单片机对MAX038芯片的控制来实现。重点从电路原理设计和具体制作中的注意点两个方面加以介绍。关键词 函数信号发生器、MAX038、单片机概述在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高，因此在满足工作要求的前提下，性价比高的发生器是我们的首选。函数发生器的实现方法通常有以下几种：（1）用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。（2）用集成芯片的函数发生器：可达到较高的频率和产生多种波形信号，但电路较为复杂且不易调试。（3）利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。（4）利用专用直接数字合成芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。本文研制的信号发生器是用作频响法测试变压器绕组变形的信号源，综合分析以上四种实现方法的性价比，采用单片集成芯片MAX038来设计函数发生器。该信号发生器的主要技术指标如下：频率范围：220MHz；输出波形：正弦波、三角波和矩形波；占空比调节范围：各输出波形均可在25%75%范围内调节；输出信号幅度：12（p-p）；输出直流电平调节：-6+6V；输出阻抗：50。由于该发生器电路信号频率较高，且模拟电路和数字电路混合，因此在外围电路设计和制作中具有一定的难度。以下从电路原理设计和具体制作两个方面加以介绍。 整机原理图单片机数/模转换器V/I转换器MAX038振荡器计 数 器LED显示输出驱动电路输出图1 信号发生器的原理图键 盘波段切换电路信号发生器的整机原理图如图所示：信号发生器主振采用MAX038型高频精密函数信号发生器专用集成块，可编程恒流源是由键盘、单片机、数字模拟转换器、电压电流转换器组成，通过键盘改变振荡器输出频率，单片机、计数器、显示等组成精度频率计，显示信号源的输出频率。 MAX038芯片介绍 MAX038是Maxim公司生产的一种高速函数发生器，工作频率范围为0.1Hz20MHz，扫频范围可达350倍，引脚图见图。图2 MAX038引脚图图3 2.5V的基准电源MAX038使用5V的电源。输出幅度为2Vpp，输出阻抗的典型值为0.1，可直接驱动100的负载。输出的波形由地址A0、A1的输入数据进行选择：A1为1、A0任意，输出波形为正弦波；A0、A1均为0时，输出波形为方波；A1为0、A0为时，输出波形为三角波。 振荡频率由Cosc引脚的电容量和Iin引脚的电流决定。在Fadj引脚接地时，Iin引脚的电流变化范围为2.5750A；而Fadj引脚通过一个12k电阻接地时，其电流的变化范围为1.25400A。当Iin引脚的电流在10400A范围变化时，电路可以获得最佳的工作性能。其实当Fadj引脚的电压在2.4V范围变化时，振荡频率还可以有70%的变化，据此可以对振荡频率进行精确的调整。 MAX038是提供产生信号的核心电路，其它均为提供和控制输出信号电路。以下结合MAX038的性能特点介绍外围电路的原理及实现。4 信号发生器的输入控制电路设计 MAX038内部有一个2.5V的基准电压源，由REF引脚输出。基准电压源电路由两个LF353及电阻电容组成，分别组成放大倍数为+1和-1的缓冲器，因而得到2.5V的基准电源，如图所示。这个电压源对整机的性能很重要，因为各控制电路均需要该参考输入。 本系统采用8279芯片作为显示和键盘的接口，显示器为八个七段LED显示器，键盘安排如下：数字键09十个，小数点键一个，正弦波、方波、三角波输出选择的切换功能键一个，输出频率Hz、kHz、MHz切换键一个，占空比键一个，回车键一个。 选用12位精度的D/A转换器DAC1210产生MAX038振荡频率所需的控制电压，输出电压经一个25k的输入电阻送MAX038的Iin引脚。 当MAX038的引脚Dadj外接电压在2.4V范围变化时，输出波形的占空比在15%85%范围变化，所以选用8位的D/A转换器DAC0832获得双极性的电压输出（2.5V范围），提供MAX038占空比调节所需的控制电压。其基准电压采用上面图所产生的2.5V基准电源。 通过对MAX038 Cosc引脚的接地电容切换来完成自动波段切换。频率值的输入采用直接键入的方式，有效数字取四位。根据键入的数字小数点位置及Hz、kHz、MHz切换按键实现波段切换，本系统将单片机89C51 P1口的四位通过驱动电路ULN2003后送到继电器构成波段切换电路，以实现波段的程控切换。 输出波形的频率由引脚10Iin的电流、引脚5 Cosc的电容量以及引脚8Fadj的电压决定。当引脚8Fadj接地时，输出波形的频率由以下公式给定： Iin 与外接的DAC输出电压关系为：IinVin/Rin Vin为DAC的输出电压，Rin为Iin引脚的输入电阻。当Rin为25k并且Vin在0.55V变化时，电流Iin的变化范围为20200A，即提供每一波段所需的10倍扫频范围（波段除外）。电容Cosc容量的选择一般以Iin100A为基准。由于采用12位的DAC，则各波段的步进率可选为各波段低端频率的0.25%，各波段分配的频率范围、电容Cosc的容量选择以及步进率如表所示。表 MAX038波段分配、电容量选择和步进率波段键入频率范围电容osc步进率10.100Hz2.000 Hz100F0.0005Hz22.000Hz20.00 Hz10F0.005Hz320.100Hz200.0 Hz1F0.05Hz4200.0Hz2.000k Hz0.1F0.5Hz52.000kHz20.00k Hz0.01F5Hz620.00kHz200.0k Hz1000 pF50Hz7200.0kHz2.000M Hz100 pF500Hz82.000MHz20.00M Hz20pF5kHz5 信号发生器的输出驱动电路设计 由于MAX038的输出信号为恒定的2V(p-p),且输出电流不高，所以必须在输出级至少有一级的放大电路来提供足够的输出电压和电流，以满足一般使用要求。输出放大电路是本信号发生器研制中主要的难点之一。因为输出信号最大基频为20MHz，其三角波和矩形波的高次谐波成分很高，所以要得到不失真的输出波形，首先要求放大器具有很高的频宽。其次，高频大信号放大要求放大器有足够的输出电压转换速率，在正弦波的情况下，放大器所需要的最大摆率r=2A=2fA，其中为信号的角频率、为信号的幅值、f为频率。另外，要带动低阻负载，放大器的电流输出能力也是个重要参数，要在100负载上输出6V信号，则放大器至少要有60mA的连续电流输出能力。鉴于以上几点，我们选择AD公司的高速运放AD811作为输出放大器，它是一个宽带高速电流反馈型运算放大器，其各项参数非常适合上述要求：小信号带宽（G2时）达120MHz，电压摆率Sr为2500s，全谐波失真为-74dB(10MHz),输出电流达100mA，其短路输出电流可达150mA。 信号放大输出和直流偏移调节电路如图所示，AD811被接成增益为6.1倍的正向放大电路，输出幅度达12V(p-p)，并具有50的输出电阻。直流偏移调节部分由OP07高精度运放构成，它将直流基准电压分压和缓冲驱动后送入OUTAD81150610OP07+2.5V-2.5VVRRRRR输出插头图4 AD811放大驱动及偏移调节AD811的反相输入端，直流偏移范围是-6+6V。6 整机制作 信号发生器由于它的频率高，且模拟和数字电路混合，因此在电路设计和线路板布局上都有所讲究。以下几点为在制作整机过程中的一些注意点：6.1 MAX038的模拟电源和数字电源端是分开的，在供电时要分别供电，即分别取自不同的电源，以防数字信号通过电源线干扰模拟部分。同样模拟地和数字地的处理也要慎重，PCB板上要用低阻地平面分别将模拟地和数字地连接，再在某一点上将两地相连。6.2 在双层板上，信号线要尽量布在焊接面，元件面为地平面，这样可减少信号间的干扰，这一点对系统性能的稳定尤为重要。因为系统性能受Iin、Fadj、Cosc、Dadj等引脚周围的分布电容及信号环境变化的影响特别敏感。此外，这些引脚引线的长度和面积还应尽量短小。6.3 由于不同结构的电阻具有不同的寄生电容和寄生电感，因此选择电阻时，应选用寄生电容和寄生电感小的电阻。推荐使用1%以上精度的金属膜电阻。6.4 在高频线路中，电源去耦是一个关键问题。整个线路往往会由于电源引线而产生电路谐振，