多功能便携式信号发生器设计

原 玢，李燕杰 ，祖 静，杜红棉

（1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，目前广泛使用的是一些标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，而且许多功能用不上。本文设计了一种基于MSP430的简易信号发生器，可输出电压、电荷两种信号，便于携带，尤其适用于空间狭窄恶劣环境下进行简单电荷放大器研制及测试电路调试。

1 系统总体设计

系统总体可以输出6种波形，包括半正弦、正弦、三角波、锯齿波、方波、脉冲信号，并且可调幅值和基线，仪器电压输出范围为-10～＋10 V，电荷信号范围-106～＋106PC。为实现仪器要求，设计中采用DDS原理，将波形数据存储在单片机内部集成的闪存中，MSP430作为控制器，将数字信号转换为相应的模拟信号输出，避免了专用DDS芯片控制方式固定的缺点[1]。系统主要由波形生成控制电路、电源管理、信号处理电路、LCD液晶显示和按键输入5部分组成，如图1所示。

2 系统软、硬件设计

2.1 电池及电源管理模块

仪器由电压范围为12～21 V容量2000 mAh的锂电池组供电，最大输出电流1 A，经过LM7815，LM7915稳压块为AD669提供＋15 V，-15 V的稳定电压，再通过LP2985和LP2987稳压芯片产生5 V，3.3 V电压，为内部其他器件提供所需电压值，同时在电源的接口端加入了可恢复性保险丝，避免系统在工作时误接、短路等因素导致电路的损坏。同时仪器内部还设有电源电压监视电路，提醒使用者及时充电[2]。

2.2 控制电路

波形由MSP430FG4618单片机AD669产生，AD669采用完全16位并行输入数据，内部集成有经过激光调节的基准，且可使用外部基准，其输出电压范围为单极性0～10 V（双极性-10～＋10 V），输出端可直接与负载连接。AD669芯片内采用二级锁存，CS，L1控制一级锁存器，LDAC控制第二级锁存，消除了在多位DAC系统中由于DAC同时上升所产生的数据时滞误差。本仪器中AD669采用双极性配置，AD669的引脚CS，L1连接后对应单片机P9.3，AD669的LDAC引脚对应P4.6，使用芯片4050实现电平匹配，电路图如图2所示。在电路调试时，可通过调节电位器RP2和RP8进行偏移和增益的调节。

由于内部Flash存储的数据是固定的，为保证幅值可调，AD669的基准必须是可变的，由单片机内部集成的2个12位DAC产生可变幅值和可变基准，然后通过运放实现幅值和基线的叠加。AD669在基准电源小于1.3 V时，线性误差明显增大，电路采用了分压模块进行分压以保证精度[3]。

2.3 信号处理及电荷转换电路

不同波形信号的频率带宽不一样，选择3个滤波器完成对相应频谱特性周期信号的滤波。半正弦、正弦信号截止频率1 kHz；三角波、锯齿波信号截止频率3 kHz，方波、脉冲信号截止频率10 kHz[2]。按键设置波形完毕后，由单片机控制继电器选通相应的滤波器。

2.4 人机交互电路

仪器通过按键（电压/电荷、选单、增加、减小、方向、输出）输入控制信号，按键分别对应单片机的6个I/O口，按键动作时，端口产生一个上升沿，系统转向执行相应的操作，为防止按键抖动，分别加入了0.1 μF的电容来进行消抖。

仪器使用亚斌电子的YB0802A实时显示系统的工作状态，可以显示8×2个字符，带LED背光。该液晶显示屏电路简单，价格便宜，并且易于操作[3]。YB0802A液晶的DB0DB7与单片机的P3.0～P3.7端口连接，P2.4端口与使能端相连，P4.0，P4.1端口分别与RS，R/W端口连接。VDD端口接＋5 V电源，VSS端口接地，V0接1 kΩ的滑动变阻器，可调节对比度[4]。

2.5 软件流程图及说明

仪器启动后，首先进行内部程序以及端口的初始化状态，然后进入等待状态，检测到相应的按键中断后执行相应的操作，或输出默认的波形，或改变相应波形参数后输出，流程图如图3所示。通过设置相关寄存器以及跳跃波形点数的值改变波形的频率及幅值[5]。

3 仪器性能测试

多功能便携式信号发生器实物图如图4所示，仪器前面板包含液晶显示屏、中断按键，后面板包含电源开关、电池充电口、单片机程序烧写口、信号输出引线。

系统用Aglient厂54624A型100 MHz示波器来对信号的波形进行测试，测得信号发生器波形如图5所示（由于篇幅限制，表中只列出少数特殊几个点）。使用SAM⁃PO厂CN3165高精度频率计对波形频率进行检测，该频率计测量范围为0.1 Hz～100 MHz，最高分辨力0.001 Hz，以正弦波为例，数据见表1，单位Hz。使用吉时利的KEITHLEY 2000型6位半数字万能表来对仪器幅值和基线进行性能测试，其精确度在2 V，20 V时都为“±（0.8%＋15）”（表示相对误差为±0.8%，末位数字偏移量为±15）。以正弦波为例，幅值和基线数据分别见表2～3，单位mV。测试结果表明，波形质量及幅值基线各项指标良好，在理论误差范围之内，误差符合设计要求。只是幅值中位于10，100，1000 mV处误差偏大，由于AD669的基准电源小于1.3 V时芯片性能下降所致。

表1 频率性能测试图

表2 幅值性能测试图

表3 基线性能测试图

4 总结

本文用单片机和数模转换芯片实现了信号的产生，方便地实现了调频、调相和调幅功能，控制方式较专用DDS芯片更加简单，并且能够输出符合设计指标的信号，具有良好的应用价值。

[1]周文委，王涌.一种DDS信号发生方法与频谱研究[J].电子器件，2009，32（3）：620-622.

[2]黄庆彩，祖静，裴东兴.基于MAX038的函数信号发生器的设计[J].仪器仪表学报，2004，25（S1）：321-322.

[3]WANG Zhengming，DUAN Xiaojun.Frequency domain method for separating signal and noise[J].Science in China，2000，43：9-16.

[4]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1988.

[5]郑宏军，黎昕，杨恒新.新型高性能的高频信号发生器[J].电视技术，2001，25（5）：90-92.