一種高頻信號發(fā)生器的設(shè)計

0高頻信號發(fā)生器目前，實驗室使用的低頻信號發(fā)生器的最大輸出頻率通常小于1hz。例如:集成函數(shù)波形發(fā)生器一般都采用掃頻信號發(fā)生器ICL8038或集成函數(shù)發(fā)生器5G8038,它們都只能產(chǎn)生300kHz以下的中低頻正弦波、矩形波和三角波,且頻率與占空比不能單獨調(diào)節(jié),給使用帶來很大不便,也無法滿足高頻精密信號源的要求,不能滿足高速電路調(diào)試的需要,而購買一臺高頻信號發(fā)生器價格又相當(dāng)昂貴。因此有必要研制一種低價格、高性能的高頻信號發(fā)生器。本文所介紹的高頻信號發(fā)生器能輸出8kHz～16MHz的方波、正弦波和三角波等信號,頻率與占空比能單獨調(diào)節(jié);采用了數(shù)字頻率合成器,使輸出信號頻穩(wěn)度和晶體振蕩器的相當(dāng)。用戶通過鍵盤輸入所需的波形與頻率數(shù)值,同時LED(發(fā)光二極管)顯示電路將這些參數(shù)顯示出來。此設(shè)計既能滿足一般高速電路調(diào)試的需要,又可作為一般實驗室的基本配置。1低通濾波器設(shè)計整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,其中包括高頻函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字頻率合成器、D/A轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、鍵盤和數(shù)字顯示電路及接口、低通濾波器共6個模塊。本設(shè)計采用高頻函數(shù)發(fā)生器和數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生波形及頻率?？刂坪凸芾黼娐酚蓡纹瑱C(jī)及D/A轉(zhuǎn)換模塊組成。其主要功能是:對鍵盤輸入的波形和頻率選擇等數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼,計算出相應(yīng)的控制參數(shù),控制函數(shù)發(fā)生器和頻率合成器輸出正確的信號,并將其頻率和波形參數(shù)用LED顯示出來。低通濾波器主要用于濾除函數(shù)發(fā)生電路輸出波形的高頻干擾。下面具體介紹這幾個模塊。a)鍵盤顯示電路及單片機(jī)控制系統(tǒng):控制和管理后面的信號發(fā)生電路。b)數(shù)字頻率合成器:選用間接式,即采用鎖相環(huán)路、頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(鑒頻器)等方法,對壓控振蕩器和標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較,從而用誤差電壓控制輸出信號。其優(yōu)點是因從振蕩電路直接輸出,所以能提高信噪比;但本振噪聲往往會增大。本系統(tǒng)采用數(shù)字頻率合成器,使輸出信號頻穩(wěn)度和晶體振蕩器的相當(dāng)。c)D/A轉(zhuǎn)換器:實際上有兩個環(huán)節(jié),即先將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電流,這是由D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的;再利用運(yùn)算放大器來完成模擬電流到模擬電壓的轉(zhuǎn)換。d)高頻函數(shù)發(fā)生器:結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?；鶞?zhǔn)電壓源提供2.5V基準(zhǔn)電壓,主要用來為振蕩頻率控制器提供一個穩(wěn)定電流,也可用做其他模塊的基準(zhǔn)。其基本振蕩器是一個張弛振蕩器,同時產(chǎn)生三角波和方波(A和B)。三角波分為兩路:一路直接送至多路模擬開關(guān),另一路送入正弦波形成電路。正弦波形成電路把三角波轉(zhuǎn)變成一個具有等幅的低失真的正弦波,送往多路模擬開關(guān)以供選擇。方波(A和B)是一對內(nèi)部差動矩形波信號,經(jīng)差動比較器形成雙極性矩形波信號。三角波、矩形波和正弦波輸入到多路模擬開關(guān),用兩根地址線作為這3種波形的選擇線。e)低通濾波器:用來抑制高頻噪聲干擾。2頻率合成電路鍵盤顯示電路運(yùn)用4個LED顯示和16個按鍵。顯示電路用4個七段LED數(shù)碼管顯示波形選擇和3位頻率數(shù)值,將最低位小數(shù)點用做單獨指示燈,指示頻率的單位是kHz還是MHz。鍵盤按鍵安排如下:數(shù)字鍵0～9,設(shè)定鍵(#SET),正弦波、方波、三角波輸出選擇的功能鍵,輸出頻率選擇kHz、MHz按鍵,總共16個鍵。鍵盤顯示接口芯片采用北京市比高公司的BC7281A,是LED數(shù)碼管及鍵盤接口專用控制芯片。它采用2線高速串行接口,只占用單片機(jī)3個I/O端口;并且能同時控制多達(dá)16位LED數(shù)碼管以及64個鍵,符合設(shè)計的要求。控制系統(tǒng)采用ATMEL公司的單片機(jī)芯片。數(shù)字頻率合成器采用功能強(qiáng)大的大規(guī)模數(shù)字頻率合成器MC145151來實現(xiàn)頻率合成的功能。MC145151是一個標(biāo)準(zhǔn)的CMOS邏輯數(shù)字電路,包括的主要部件有數(shù)字鑒相器、鎖定檢測器、14位÷N計數(shù)器等。此外,芯片還有晶體振蕩器和14位基準(zhǔn)分頻器(÷R計數(shù)器)電路,由一個3位譯碼器從8種分頻比中選擇出恰當(dāng)?shù)闹?產(chǎn)生鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率,即fr=fi/R。鑒相器輸出的差分信號經(jīng)過由功放MAX427構(gòu)成的低通濾波器后,對高頻函數(shù)發(fā)生器的壓控振蕩器進(jìn)行鎖定。D/A轉(zhuǎn)換器選用AD公司的AD7541,它特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲得和控制。高頻函數(shù)發(fā)生器采用美信公司的MAX038芯片,其工作頻率范圍為8kHz～16MHz,使用±5V電源。振蕩頻率由外接電容的電容量和輸入電流大小決定,占空比的調(diào)整也可通過相應(yīng)引腳的電壓值改變。輸出波形由兩條地址線的輸入數(shù)據(jù)決定,選擇輸出波形為正弦波、方波或三角波。數(shù)字頻率合成器MC145151的RA2、RA1和RA0端開路,相當(dāng)于輸入高電平,÷R值被設(shè)定為8192。振蕩頻率8.192MHz,經(jīng)R分頻后可得到1kHz的鑒相頻率fR。單片機(jī)由P0和P2口輸出的14位數(shù)據(jù)D13～D0被送到MC145151的N13～N0端,以設(shè)定N值。函數(shù)發(fā)生電路的同步信號OUT2送到MC145151的Fin端,N分頻后與fR比較檢出相位,與相位差有關(guān)的信號經(jīng)它的PDV和PDR輸出,并經(jīng)運(yùn)算放大器MAX427變換為±2.5V的信號后,送函數(shù)發(fā)生器的FADJ端。由于函數(shù)發(fā)生器與MC145151組成了頻率鎖相環(huán)PLL,輸出頻率被鎖定在N×fR,因此函數(shù)發(fā)生電路的輸出頻率可在8kHz～16.383MHz范圍內(nèi)調(diào)整,調(diào)整增幅為1kHz。單片機(jī)同時將D13～D2送到D/A轉(zhuǎn)換器MX7541的BIT1～BIT12端進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,輸出信號經(jīng)運(yùn)放MAX412變換成2μA～750μA的電流信號,然后送到函數(shù)發(fā)生器的輸入端作為頻率粗調(diào)信號,以將輸出頻率調(diào)到頻率鎖相環(huán)的捕捉范圍,然后再由鎖相環(huán)將輸出頻率鎖定在D13～D0所設(shè)定的頻率。函數(shù)發(fā)生器的輸出端接一個50MHz的低通濾波器,從而使16MHz以內(nèi)的正弦波、方波和三角波信號順利地通過濾波器輸出。3clk脈沖的接收本文主要的軟件設(shè)計有:通過鍵盤顯示控制芯片BC7281A的鍵盤輸入及LED顯示,主要涉及到BC7281A的時序、控制及寄存器的使用,包括信號發(fā)生器的頻率數(shù)值、頻段選擇、波形選擇的鍵盤輸入和LED顯示,以及單片機(jī)對送給頻率合成器MC145151和D/A轉(zhuǎn)換器AD7541的頻率譯碼及輸出。程序流程見圖3。在應(yīng)用BC7281A芯片時,其時序非常重要。下面分字節(jié)寫入和讀出敘述BC7281A的時序,其時序圖見圖4。a)字節(jié)寫入:包括指令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。傳送開始時,首先需要建立握手信號,而BC7281A則在收到單片機(jī)的握手脈沖后在DAT線上輸出一低電平,表示準(zhǔn)備好,可以接收它的數(shù)據(jù)。單片機(jī)須在15μs之內(nèi)給出下一個CLK脈沖,同時要注意數(shù)據(jù)傳送時的數(shù)據(jù)保持時間。一個字節(jié)寫入BC7281A的匯編程序如下(要發(fā)送數(shù)據(jù)存于DATA_OUT):SEND_OUT:CLRCLK//在CLK輸出一脈沖SETBCLKWAIT_1:JBDAT,WAIT1//等待DAT變?yōu)榈碗娖紺LRCLK//再輸出一CLK脈沖SETBCLKWAIT_2:JNBDAT,WAIT2//等待DAT恢復(fù)高電平(輸入狀態(tài))MOVCOUNT,#8AGAIN:MOVC,DATA_OUT.7//輸出BIT7MOVDAT,CCLRCLK//輸出一CLK脈沖SETBCLKMOVA,DATA_OUTRLAMOVDATA_OUT,A//DATA_OUT左移1位NOP//短暫延時NOPNOPDJNZCOUNT,AGAINSETBDAT//恢復(fù)DAT為高電平RETb)讀出數(shù)據(jù):其過程與寫入數(shù)據(jù)時相似,不同的是,數(shù)據(jù)讀出時單片機(jī)僅發(fā)送一個單一握手脈沖,而不像寫入時一直發(fā)送到收到BC7281A響應(yīng)信號;當(dāng)8個數(shù)據(jù)位均讀出以后,它還必須再發(fā)出一CLK脈沖表示接收完畢,BC7281A才能從輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)成輸入狀態(tài),準(zhǔn)備接收下一指令。從BC7281A讀出一個字節(jié)匯編程序(接收到的數(shù)據(jù)存于DATA_IN)如下:SEND_IN:CLRCLK//發(fā)出一CLK脈沖SETBCLKWAIT3:JBDAT,WAIT3//等待DAT低電平響應(yīng)信號CLRCLK//再發(fā)出一CLK脈沖,準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)SETBCLKMOVCOUNT,#8AGAIN:NOP//短暫延時NOPNOPMOVA,DATA_INMOVC,DAT//讀入一位RLCAMOVDATA_IN,ACLRCLK//發(fā)出CLK脈沖SETBCLKDJNZCOUNT,AGAINRET4模擬場地與數(shù)字地連接本設(shè)計制作的PCB(印制電路板)為101.6mm×69.9mm的雙層板。高頻電路往往集成度較高,布線密度大,采用多層板既是布線所必須的,也是降低干擾的有效手段。由于信號發(fā)生器電路速度較高,且模擬和數(shù)字電路混合,因此在電路設(shè)計和PCB布局上都有所講究。首先,函數(shù)發(fā)生器的模擬電源和數(shù)字電源端必須分開,在供電時要分別供電。其次,PCB上要用低阻地平面分別將模擬地和數(shù)字地連接,再在某一點上將兩地相連。高頻電路布線還必須避免信號線近距離平行走線所引入的交叉干擾,但是同一層內(nèi)的平行走線實在無法避免,所以在PCB反面大面積敷設(shè)地線來降低干擾,即“鋪銅”。測試實例如下:a)由鍵盤輸入#SET鍵,進(jìn)行參數(shù)設(shè)定;依次輸入波形選擇方波、頻率數(shù)值16、頻段選擇MHz。示波器上能穩(wěn)定顯示相應(yīng)的波形,圖形如圖5所示。顯示的周期讀數(shù)是0.061μs,即頻率為16.39MHz,誤差分別僅為0.0015μs、0.39MHz,即2.46%。b)輸入波形選擇三角波、頻率數(shù)值16、頻段選擇MHz,示波器上顯示相應(yīng)的波形如圖6所示。此時示波器上顯示的周期是0.062μs,即頻率為16.13MHz,誤差分別僅為0.0005μs、0.13MHz,即0.8%。c)輸入波形選擇正弦波、頻率數(shù)值370、頻段選擇kHz,示波器上顯示相應(yīng)的波形如圖7所示。此時示波器上顯示的周期是2.70ms,即頻率為370.37kHz,誤差分別僅為0.0027ms、0.37kHz,即0.09%。d)若輸入超出8kHz～16MHz,輸入20MHz,示波器沒有輸出,PCB上紅燈閃爍3次后熄滅,此時可按#SET鍵重新開始操作。5外圍電路的設(shè)計本設(shè)計的特點是控制和管理電路由單