基于MAX038的程控函数信号发生器的设计

0 引言

在现代电子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。MAX038是MAXIM公司开发的新一代专用函数信号发生芯片，它可以产生正弦波、方波和三角波等三种波形，而且频率和占空比独立可调。本文设计了一种由LPC2114、MAX038、D／A转换器以及八选一模拟开关CD4051等构成的程控函数信号发生器。研究了LPC2114通过D／A转换器实现对MAX038频就绪和占空比的调控方法。给出了在0.1Hz～20MHz内产生精确的正弦波、方波和三角波的方法。此外，本函数信号发生器还具有可调范围大、精度高、信号稳定等特点，可以应用于各种电子测量和控制场合。

1 MAX038的主要特性

MAX038是MAXIM公司生产的一种具有高频、高精度、低输出电阻而且驱动能力很强的函数信号发生器芯片。它的内部电路主要由振荡器、振荡频率控制器、2.5 V基准电压源、正弦波形发生器、比较器、多路模拟开关、相位比较器组成。MAX038主要性能特点如下：

◇能精密地产生正弦波、矩形波(含方波)、三角波信号。
◇频率范围从0.1 Hz～20 MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2 V(P-P)。
◇占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围为10％～90％。
◇波形失真小，正弦波失真度小于0.75％，占空比调节时的非线性度低于2％。
◇采用±5 V双电源供电，允许有5％变化范围，电源电流为80 mA，典型功耗400 mW，工作温度范围为0～70℃。
◇内设2.5 V电压基准，可利用该电压设定FADJ、DADJ的电压值，从而实现频率微调和占空比调节。

2系统构成与工作原理

2.1系统整体构成

一系统主要是由主控制器LPC2114、函数发生器MAX038、D／A转换器、LED显示、键盘、波段切换，波形处理和峰值检波等部分组成，其整体结构框图如图1所示。

系统中的LPC2114是一款基于ARM7TDMI的微控制器，其结构是基于精简指令计算机(RISC)原理设计的，具有许多比以前8位微控制器更丰富和先进的性能。由于LPC2114具有非常小的64脚封装、极低的功耗、4路10位ADC、46个GPIO以及多达9个外部中断，并且内嵌一个128KB的高速FLASH存储器，因此，特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机(POS)。

作为本系统的主控制器，LPC2114可通过D／A转换器和八选一模拟开关实现对MAX038的波形选择以及频率和占空比调节，同时具有LED显示控制和键盘控制功能，此外，PLC2114还可以通过自带的ADC对波形的峰值进行测量。LED显示可同时输出频率(6位LED)和幅度(4位LED)。系统中的波形处理主要是对MAX038输出的波形进行电压放大和功率放大。并加入直流偏移。峰值检波电路则以AD8021为核心组成电压峰值保持电路，以便对波形的幅度进行实时测量。

2.2系统控制电路与工作原理

LPC2114主要通过D／A转换器TLC5618、DAC0832和八选一模拟开关CD4051对MAX038输出的波形、频率以及占空比进行控制。其控制电路如图2所示，其中端口OUT为MAX038的波形输出端，其它端口连至LPC2114相应引脚。

LPC2114通过对A1和A0端的不同设置来选择不同的波形。当A1为高电平、A0为任意时，输出波形为正弦波；当A1、A0同时为低电平时，输出波形为方波；当A1为低电平、A0为高电平时，输出波形为三角波。MAX038输出波形的频率由输入引脚IIN的电流IIN、引脚COSC接人的电容量Cf以及引脚FADJ的电压VFADJ决定，其中输出波形的基频由电流IIN和Cf决定。若输出波形的基频为f0，那么，VFADJ时0V，f0的计算公式为：

通过VFADJ可以对输出波形的频率进行细调，当VFADJ在±2.4 V之间变化时，调制频偏为±70％。设实际输出的频率为，则它们的关系为：

其中，电流IIN由DAC0832经过一个电压／电流转换网络提供。当DAC0832输出电压在0～5 V变化时，经过6.7 kΩ的电阻即可获得0～750μA的电流。通过控制八选一模拟开关CD4051来选择Cf的电容量，从而确定频率范围(即频段)。本系统共有8个频段供切换，输出频率范围与Cf的对应关系如表1所列。

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在Cf和IIN确定之后，还可以算出基频f0，根据系统要求适当改变VFADJ，就可以实现频率的微调。VFADJ的值可由12位双通道D／A转换器LTC5618提供，LPC2114通过3线串行总线对TLC5618实现数字控制，其输出电压范围为基准电压的两倍，其输出电压为：

本电路中，TLC5618的基准电压由MAX038的VREF端提供(为2.5 V)，所以，TLC5618的输出电压范围为0～5 V。当TLC5618的OUTA端输出为1.3 V(428H)～3.7V(0BD7H)时，经过一个高输入电阻差分比例运算电路后．就可以得到-2.4V～+2.4 V的电压，从而实现频率的微调。

改变VDADJ的电压可以控制波形的占空比。若用DC表示占空比，那么，当VDADJ为0 V时，Dc为50％；当VDADJ不等于0 v时，VDSDJ=(50-Dc)×0.0575。控制TLC5618的OUTB端的输出(1.35 V(451H)～3.65 V(OBAEH))，再经过高输入电阻差分比例运算电路后，即可得到-2.3-+2.3 V的电压。从而实现占空比在10％～90％范围内的变化。

2.3波形输出与驱动电路

MAX038输出波形的幅值为2 V(P-P)，最大输出电流为+20 mA，输出阻抗的典型值为0.1 Ω。可直接驱动100 Ω的负载。为了得到更大的输出幅度和驱动能力，就需要对波形信号作进一步处理，图3给出了一个波形输出与驱动电路。为了滤除高频干扰，波形信号从MAX038的OUT端输出后，可使其通过一个50 MHz的LC低通滤波电路，并经过AD8021进行电压放大。AD8021是解决增益与带宽性能之间的匹配问题的一种定制补偿放大器。当增益为-1时，带宽200 MHz。增益为-10时带宽190 MHz。本电路中，AD8021的闭环电压增益G=(750+82.5)／82.5≈10，输出电压的幅度增至20 V(P-P)，有效值为7 V左右。直流分量由OP07高精度运放构成。偏移量在-5～+5 V之间。功率放大级由AD811来担任，AD811是一个宽带高速电流反馈型运算放大器，其小信号带宽(G=+2时)达120 MHz，输出电流达100 mA，短路输出电流可达150 mA。在本电路中，AD811的电压放大增益为1，主要起功率放大的作用。

图3中，通过电位器RW1可以对波形的幅度进行调节。通过LPC2114控制继电器的开通与关断，可以对信号幅度进行0 dB、20 dB、40 dB三个档次的衰减。为了实时测量波形的峰峰值，可使信号经过峰值检波电路后，再经过分压，使其电压保持在0～3.3 V之间，然后送人LPC2114自带的10位A／D转换器进行测量。峰值检波电路可由一级精密二极管电路和一级电压跟随器组成。这里的电压跟随器仍选用AD8021，当信号为正且大于二极管的阈值电压时，可以对电容充电，以锁存峰值，并可通过旁边的电阻为其放电。因为放电是一个相对缓慢的过程，因此，当信号频率很高时，电容两端的电压就近似于正峰值，这样，根据波形，就可以通过编程对其进行处理，从而得到信号的峰峰值。

3软件设计

本设计的所有程序均用C语言编写。软件主要包括主程序、峰值检波子程序和显示子程序。主程序主要完成程序初始化，比如PLC2114的初始化，输出波形、频率占空比的初始化等(默认为1 kHz的正弦波信号)，然后不断的检查是否有有效键按下，并根据不同的情况对其进行处理，其中频率的调节相对比较复杂，首先要根据键入的键值来确定输出波形的基频，从而确定所对应的IIN和Cf，再求出微调电压VFADJ，最后把计算的值送到DAC和CD4051。峰值检波子程序则通过定时中断的方式来测量波形的峰值，并送LED显示。其主程序流程图如图4所示。

4结束语

通过LPC2114对MAX038进行实时程序控制可产生高频高精度的输出波形，而且系统运行稳定，输出波形失真小、频率范围宽。通过本文所设计的程控函数信号发生器可以输出0.1 Hz～20MHz范围内的正弦波、方波和三角波，输出幅度为0～20V(P-P)，电流可以达到100mA，因而是一个理想的精密信号源。