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。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）~+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.
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