陈红++谢勤岚

摘 要： 设计一种多功能波形发生器，以C8051F040单片机为控制器，控制波形发生器MAX038和功放实现输出正弦波、方波、三角波。该多功能波形发生器使用键盘调整波形频率，通过液晶显示屏显示频率，使用键盘选择不同的功能模式，实现外测电压的信号采集、数据存储和波形再现；可以实现USB串口传输并将接收到的信号进行波形再现。采集和由串口接收到的数据可通过I2C总线方式存入数据存储器中，也可以在单片机内部存储器中存入波形数据，再将其显示。

关键词： 波形发生器； MAX038； C8051F040单片机； I2C

中图分类号： TN911?34； TP937 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）12?0110?05

0 引 言

在现代电子技术的研究及应用领域中，常常需要价格便宜、简单易用、高精度且频率可调的信号源。而信号源的核心是波形发生器，因此设计实用的波形发生器是很有必要的[1]。

波形发生器可以由晶体管、运算放大器等通用器件构成，但更多的则是用专门的函数信号发生器集成电路实现。早期的波形发生器集成芯片，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少、精度不高，频率上限只有300 kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响[2]。目前市场上主要的波形发生芯片有美国Harris公司的ICL8038和美国MAXIM公司的MAX038。ICL8038只能产生300 kHz以下的频段波形，而且频率调节与占空比调节不能独立进行，无法满足信号源频率的高精度要求。相比而言MAX038芯片有着ICL8038芯片无法实现的优点。因此本设计使用高精度波形发生芯片MAX038，该芯片电路连接简单，只需很少的外部电路就可以产生频率在0.1～40 MHz的高精度、高稳定度的宽频带波形[3]。同时结合Silicon Labs公司的C8051F040单片机，使其可以满足多任务、实时性要求。

1 波形发生器总体设计

采用 C8051F040单片机为核心，设计制作可以调节频率的多功能波形信号发生器[4]。芯片MAX038产生信号的频率可以通过调整电流和外接电容的大小来控制，因此本设计主要采用控制电流的方法来控制MAX038所产生的频率。该信号发生器能同时产生3路输出可调的正弦波、方波和三角波，并且占空比可以连续调节。

系统可以检测外部电路模拟信号，通过一个电压跟随器对检测的信号进行缓冲和隔离后，再经过单片机C8051F040内集成的A/D将信号转换为数字信号并存入AT24C02中。当需要输出时再通过D/A转换，转换成模拟信号，由D/A0端口输出，经MAX038芯片产生波形，并由液晶显示器1602显示其频率。也可以通过USB串口接受从电脑中下载的数据，并存入AT24C02中，同样可以再通过D/A转换，转换成模拟信号，由D/A0端口输出，经MAX038产生波形，通过液晶显示器显示频率[5]。系统可以通过4×4键盘输入频率值，从而达到直接控制MAX038产生波形的目的，并能够用1602液晶显示器显示波形的频率。系统还可以在单片机中存入波形信号，然后通过功率放大器，直接产生波形。波形发生器框图如图1所示。

2 波形发生器硬件设计

2.1 波形发生模块

将C8051F040单片机的D/A0端口通过一个电阻直接与芯片MAX038的IN管脚相连，通过控制D/A0端口的电压值的变化来控制IN管脚的电流产生变化，从而达到控制波形频率的目的。本信号发生器通过3路MAX038芯片能同时产生3路输出可调的正弦波、方波、三角波波形，输出的波形稳定性好、精度高，占空比可以连续调节。信号输出部分再采用低损耗电流反馈型宽带运放MAX477作电压放大，很好地解决了带宽和带负载能力的要求。

MAX038所产生的波形的频率是由COSC引脚的电容量和IN引脚的电流所决定的。假设C8051F040单片机的D/A0端口的输出电压为VIN，D/A0端口与IN管脚相连的电阻大小为RIN，COSC引脚所接的电容的大小为CF，则MAX038所产生的波形的频率（单位：MHz）为：

[fo=VINRINCF] （1）

当在FADJ引脚施加一个±2.4 V范围的电压时，可使输出频率有±70%的变化，此时可以实现对频率进行精确的调整[4]。

MAX038所产生的波形的占空比是由DADJ引脚的电压变化来控制的，当DADJ引脚的电压在±2.4 V范围内变化时，输出波形的占空比将在15%～85%之间变化。

MAX038产生的正弦波、方波或三角波，具体的输出波形由地址A0和A1的输入数据进行设置，如表2所示（其中X表示无关）。波形发生器能同时3路输出3种波形，所以将3路MAX038的输出波形的选择地址分别设置成为表1所示的3种固定状态。

2.2 功放模块

波形发生器对输出波形具有一定的功率要求，因此要对MAX038的输出信号进行功率放大。MAX477是MAXIM公司开发的一款低噪声、低微分增益和阶段误差、高转换速率、高精度、高输出电流的高频运算放大器，其-3 dB 带宽可达到300 MHz，最小输出电流为100 mA。因此选用MAX477对输出信号进行功率放大。图3为功放模块的原理图，通过调节反馈电阻值可以改变输出电压的放大倍数，其中电压最大可放大10 倍左右，整个系统的输出功率可达到数瓦。

2.3 USB接口模块

采用CH372芯片来接收由串口传来的数据。CH372是一个USB总线的通用设备接口芯片，遵守USB1.1协议。在本地端，CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP等控制器的系统总线上。

2.4 数据存储

数据存储主要用于存储外测电压的信号数据以及从USB串口接收到的数据，采用的存储芯片为AT24C02。AT24C02的特点是支持I2C总线数据传送协议，相应的存储器电路如图4所示。采用由主器件控制传送数据的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上。

2.5 键盘模块

为了减少I/O口的占用，波形发生器的键盘采用矩阵式键盘。图5为键盘原理图。

2.6 液晶显示模块

波形发生器采用1602液晶显示屏。1602液晶显示屏具有外接电路简单，操作方便等特点，能够同时显示16×2，即32个字符。1602液晶显示器具体电路如图6所示。

3 软件设计

3.1 软件总设计与总流程图

系统采用C8051F040单片机。C8051F040 单片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有64 个数字I/O 引脚，片内集成了一个CAN 2.0B 控制器，并集成有ADC和 DAC。其中ADC为真正12 位、100 KSPS的ADC，并带有PGA 和 8 通道模拟多路开关；DAC有两组，为12 位DAC，且具有可编程数据更新方式[6]。程序采用C语言编写，操作C8051F040对外围器件进行控制[7]，总流程图如图7所示。

3.2 波形发生程序

产生波形时对MAX038的控制只需控制其IN脚所输入的电流。该电流应由C8051F040提供，而电流是一个模拟量。因此，在这里需要用到C8051F040中的D/A转换器，将数字量转换成模拟量。

C8051F040中的D/A转换器有两组，每组D/A转换器的输出摆幅均为0 V到VREE?1LSB，对应的输入码范围是0x000～0xFFF。由于三路MAX038所输出的信号为同一频率，所以在此将只用到第一组D/A转换器。

输入给D/A转换器的数据来源有3种：第一种是从键盘获得的需要产生的波形的频率；第二种是单片机内部存储的波形数据；第三种是来自于外部信号存储于AT24C02存储器中的波形数据。本程序均可将其完好的转换成模拟信号。