摘 要：本文提出并设计了一种基于at89s51单片机控制的max038信号发生芯片的信号发生器设计。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。
　　关键词：函数信号；d/a ；单片机控制
　　引言
　　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。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。
　　1系统总体设计
　　 如图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、幅度的控制，以及产生波形的选择控制。
　　
　　图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）~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~750μa的工作电流,使之产生相应的输出频率范围。WWW.11665.COMdacb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）~+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。
　　1.1单片机介绍及外围电路
　　
　　图2 单片机外围电路
　　如图2所示，at89c51是美国atmel公司生产的低电压、高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（perom）和128 bytes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。[1]
　　 如图2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。
　　1.2d/a转换电路（频率，占空比控制电路）
　　如图3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。[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。
　　
　　图3d/a转换电路图
　　这样就实现了所需要的模拟量的输入，d/a转换图如图3所示。
　　1.3频段选择电路
　　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。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4所示的连接方式可以实现将电容连接到5脚cocs上。[3]
　　1.4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，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℃~+125℃之间，温度系数为35ppm/℃，工作电压在2.7~5.5v之间，工作电流不大于5a。ad5171是64滑点的数字电位计。
　　
　　图4 频段选择电路
　　i2c（inter-integrated circuit）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。[4]
　　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总线在传送数据过程有3种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。
　　开始信号：scl为高电平时，sda由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
　　结束信号：scl为低电平时，sda由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
　　应答信号：接收数据的ic在接收到8bit数据后，向发送数据的ic发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。cpu向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，cpu接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。
　　接口的设计也大大提高了芯片的利用效率，我们利用at89c51的p1.6、p1.7脚就可以控制数据对模拟量进行数字控制。[4]
图5 幅度控制电路
　　1.5键盘电路
　　键盘用的是上拉电阻，选通接地的形式。
　　key0键功能：三角波，正弦波，矩形波的循环选择。
　　key1键功能：频段、频率、占空比、幅度的控制的循环选择。
　　key2键功能：选定的控制对象步进量增。
　　key3键功能：选定的控制对象步进量减。
　　key4键功能：选择确定。
　　key5键功能：选择不确定（即返回）。
　　例如产生一个正弦波的控制方式：在开始界面用key0键选择正弦波，用key4键确定进入频率，占空比，幅度的控制的循环选择界面，首先用key1键来选择频率，key4键确定进入，然后用key2和key3键来实现频率步进的增值或减值，数值确定后key4键确定，然后key5键返回到频率，占空比，幅度的控制的循环选择界面，用key2键来选择占空比，key4键确定进入，然后用key2和key3键来实现占空比步进的增值或减值，数值确定后key4键确定，然后key5键返回到频率，占空比，幅度的控制的循环选择界面，用key2键来选择幅度，key4键确定进入，然后用key2和key3键来实现幅度步进的增值或减值，数值确定后key4键确定。[5]
　　
　　图6 键盘电路
　　2结束语
　　采用max038 芯片制作函数信号发生器随设计思想不同,具有多种方法,本文只是一种可能实现的方法。此法的频率控制和幅度控制分辨率高，且硬件集成度高,整机自动化程度高,性能优良,具有很高的实用价值。
　　同时该信号源设计尚存在的不足之处，主要有两个方面，第一为缺乏频率准确显示的手段，可以配备相应的数字频率计模块，但如何将显示的精度与信号源的频段配合有待讨论研究；第二为输出级可配以显示输出幅度的仪表，并且放大电路有待进一步改进，使其具有更强的输出能力。
　　
　　参考文献
　　[1] 康华光.电子技术基础（第4版）[m].北京:高等教育出版社.1998.
　　[2] 张友德等.单片微型机原理、应用与实验[m].上海:复旦大学出版社,1993.
　　[3] 陈泽宗等.单片精密函数发生器应用[j].电子技术报，1997，20(7)：3～4.
　　[4] 常新等.高频信号发生器原理,维修与鉴定[m].北京:电子工业出版社,1996.
　　[5] 谢嘉奎,宣月清.电子线路[非线性部分][m].北京:高等教育出版社,1988.