一种简易函数信号发生器的设计
陈小冬张亚君（作者简介：陈小冬(1987一)，男，湖北荆州人，杭州电子科技大学在读硕士研究生，电路与系统专业，研究方向：电-t-4-~息系统集成、
RFID；张亚君(1956一)，女，浙江杭 I'1人，硕士生导师，现为杭州电子科技大学实验中心副主任，研究方向：电子技术应用、电子医疗仪器应用、
RFID技术应用）
(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州 310018)
摘要：介绍一种在工程测试中必备的低成本、高性能的便携式函数信号发生器的设计过程，它是以ATS52单片机为控制核心．以信号发
生芯片MAX038为依托，实现了多种波形信号输出的功能。该系统通过控制模拟开关芯片CD4066选择接入不同容值的电容来实现输出信号频率的粗调，利用数模转换芯片TLC5615控制输入MAX038的电流IIN来实现信号频率的微调，信号幅值的调节是通过单片机ATS52改变数字电位器CAT5113的阻值来实现，提高了控制的精度。在实验室各种条件下检测，均达到了实际要求。
关键词：波形信号；发生器；硬件；MAX038；输出波形
中图分类号：TJ53+4．1 文献标识符：A
文章编号：1009—0118(2011)08—0144—02
一、引言
在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率方便可调的信号
发生器，信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前我国各类高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 。因此有必要研制一种价格低廉且切合实际需要的函数信号发生器，这样既能节约实验成本又能顺利完成实验，对学校及各个科研单位的实验室建设具有重要意义。本文介绍了一种在工程测试中必备的低成本、高性能的便携式甬数信号发生器的设计过程，经测试表明，该设计具有较好的实用性。
二、系统原理及构成
函数信号发生器系统的工作原理是采用单片机ATS52来控制信
号发生芯片产生所需波形。该系统主要分为三个部分，包括信号产生模块、信号放大驱动输出模块和波形信号显示模块。系统框图如图1．1所示。 手动设置好信号的波形种类、幅度和频率后，单片机就能控制信号发生芯片产生相应的波形，同时将信号的幅度和频率显示在液晶屏上，并可将输出波形接人示波器显示和验证。
图1 系统框图
信号产生模块主要由信号发生电路和波形控制电路组成，它是整个
系统的关键。由于产生的波形信号的幅值和频率需要精确控制，因此对波形控制电路提出了更高的要求 ]。信号的波形种类选择是单片机通过控制信号发生芯片MAX038来实现的，输出信号的频率分为粗调和微调两部分。频率的粗调是通过单片机驱动模拟开关芯片CD4066来完
成，不同的电容值对应不同的频率段，通过键盘设定实现对输出电容的选择。从而实现不同的频率段之间的切换，频率的微调是通过单片机控制串行DA转换芯片TLC5615来实现的。信号放大驱动输出模块主要
完成对输出波形的幅值的调节和对负载的 配。
放大驱动电路用高速运放LM6361来实现．其反馈电阻用可编程数
字电位器CAT5113代替，通过单片机可以改变电位器CAT5l13的阻值
大小，从而改变电压放大器的放大倍数．从而实现输出信号幅值的调
节 J。用户可以通过键盘和LCD显示与系统实现人机交互。
三、硬件设计
单片机选用的是ATMEL公司的ATS52，该芯片具有低功耗、高忡
能的特点，是采用CMOS 艺的8位单片机，与ATC51完=伞=兼容 。
信号波形的产生是南信号发生芯片MAX038来实现的。MAX038是
Maxim公司推出的一种精密高频波形产生器件．可组成程控多波形数字调频信号产生器，能产生准确的高频三角波、矩形波和脉冲波。输Ⅲ频率范围从0．1Hz～20MHz 可南内部的2．5V带隙电压摹准及外部的电窬和电阻矩阵控制，占空比可在较大的范嗣内由 个±2．3v的线性信号控制变化，便于进行脉冲宽度调制和产生锯齿波，占空比和频率控制是的 。
(一)主控模块及其外同接口电路没计
单片机最小系统如网2所示．图中包括AT$52单片机、晶振电路
和复位电路。其中ISP为单片机程序烧录口．为系统调试时提供方便，
免拔插。
图2 单片机最小系统原理图
(二)人机界面电路设计
采用LCD1602图形汉字两用液晶作为显示工具，该液晶模块内部自带字库。程序开始时，先对液晶初始化，开机时显示欢迎画面，对用户
操作进行提示，然后根据用户操作，实时显示信号输出的波形类型、频率、步进值等信息，人机界面友好，图形美观。
键盘设计采用5 x 1的五键键盘。由于P1口是一个具有内部上拉
电阻的8位双向I／O口，所以按键可以直接与Pl口相连，单片机通过查询方式对键盘进行扫描，用软件算法消除按键瞬时的抖动。
(三)信号产生及波形控制电路设计
波形产生及其控制电路南A 9s52单片机和函数信号发生器专用
芯片MAX038分别与数模转换器TI~5615组成的频率控制电路、
CD4066BP组成的频段切换电路、波形切换电路和幅值调节电路组成。
信号发生芯片MAX038外闱电路设计如图3所示。MAX038工作
电压为±5V，各引脚标号分别与其它电路图上对应的标号相连．引脚
DADJ直接接地，输出信号占空比固定为50％L6 J。其中MAX038芯片中
的数字地和模拟地分开接地，减小相互之间的干扰。
图3 MAX038外围电路
频段切换电路中将单片机的四个引脚P1．5、P1．6、P3．0、P3．1分别与芯片CD4066的四个控制端El CONT3、CONT2、CONT4、CONT1相连．当单片机的这四个脚中某一个为高电平时，模拟开关CD4066上对应的引脚接通，某个电容被接人电路中，从而实现频率段的切换。
频率微调主要是控制MAX038的IN脚的输入电流，本设计用模数转换芯片TLC5615实现。ATS52单片机控制SPI串行10位数模转换器TLC5615的串行时钟输入SCLK、串行数据输入DIN和TLC5615的片选cs信号端，经过D／A转换的模拟电压再由TLC5615的第7脚输出，经RIN=50k的电阻进入MAX038的第lO脚(IIN引脚)就可以对输出波形的频率进行控制。频率控制关系式如下 ：
VOUT=VREF$N／1024 (1)
IIN：V0UT／RIN (2)
f0(MHz)=[IN／CF(pF) (3)
其中式(1)为TLC5615的输出电压关系式，VREF为参考电压，N是
1O位串行二进制数。式(2)为MAX038的输入电流IIN，RIN为限流电
阻。式(3)为输出信号频率，cF为振荡电容。
输出驱动及幅值调节电路原理图中，P1为信号输出端口，LM741为
通用运放，LM741及其外围电路构成电压跟随器作为电压放大器
LM6361的正向输入端，MAX038产生的信号南负端输入。CAT5113可
编程数字电位器作为放大器的负反馈电阻，当单片机控制其阻值改变
时，放大器的增益随之改变，输出信号的幅值相应发生改变。
四、软件设计
系统软件设计采用模块化设计，各个模块之间做到低耦合、高内聚。
程序在KEIL环境下采用c语言编写，加快了开发速度，便于结构化编
程。同时代码可读性强、维护方便、可移植性强。软件设计主要分为四个模块：主程序、预设置子菜单程序、显示输出参数子菜单程序、步进调节输出子程序．其中主程序里面调用其它三个模块。主程序以菜单显示为主线，提供系统各部分初始化，然后进入主菜单，等待用户命令。本系统有5个设置按键，当检测到某个按键被按下时，即进入到相应的子程序执行，执行完后进入显示程序，之后叉回
到按键检测。其中电容切换子程序将模拟开关相应引脚置I，即将相应电容接入MAX038．光标设置子程序功能是将光标值传给LCD实现光标的移动。整个过程处于一个死循环之中，上电情况下始终保持运行状态。
五、测试结果与分析
在实验室条件下．上电复位操作后，手动设置所需信号的种类、频率
和幅值．液晶屏LCD1602同步显示输出信号的频率、幅值和波形种类，
系统运行稳定，输出波形失真小、频率范围宽。用DS1022C数字示波器测试输出信号，用按键不断改变信号的频率和幅值，观察示波器上波形的变化，系统能产生i角波、正弦波和方波，频率变化范围1OHZ～20MHZ，幅值范嗣IV～20V，非线性失真小于0．75％ ，检测效果令人满意。
六、结论
本文所设计的简易便携式函数信号发生器．具有价格低廉、波形失
真小、程控调节、人机界面友好等特点。采用频率微调和粗调相结合的方法，实现了
信号频率的精确控制，信号的幅值调节采用程控调节方法，并用液晶屏同步显示，为用户的使用提供方便。
系统在实验室的各种检测中，运行稳定，输出波形非线性失真非常
小，信号频率和幅值也满足一般实验和工程测试的要求。
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