高频精密函数波形发生器设计

内容摘要：介绍了一种由MAX038和MC145151构成的精密函数波形发生器，该发生器可输出正弦波、矩形波、三角波信号，输出频率能在8kHz～16MHz范围内调整，调整增幅为1kHz，可作为通用的高频精密函数波形发生器。

　　集成函数波形发生器一般都采用ICL8038或5G8038，而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。本文介绍由MAX038和MC145151组成的高频精密函数波形发生器，该电路能够产生精确的正弦波、矩形波和三角波信号，频率能以1kHz的间隔在8kHz～16.383MHz范围内调整。

　　1 MAX038功能

　　MAX038是MAXIM公司生产的单片高频精密函数波形发生器，能够产生0.1Hz～20MHz的正弦波、矩形波和三角波，最高频率可达40MHz，具有高频特性好、频率范围宽、使用方便灵活的特点。MAX038芯片采用DIP-20封装。（见图1），其管脚功能如下：

　　V+、V-：正负电源端，分别接+5V、-5V电源；

　　GND：2、6、9、11和18脚均为模拟地；

　　A0、A1：波形设定端，设置方法见表1；

　　表1 输出波形设置

A0 A1 波形 × 1 正弦波 0 0 矩形波 1 0 三角波

　　COSC：外接振荡电容端；

　　FADJ、DADJ：分别为频率调节、占空比调节端；

　　IIN：振荡频率控制器的电源输入端；

　　PDI、PDO：为相位比较器的输入、输出端；

　　SYNC：同步输出端；

　　DV+、DGND：分别为数字电路的+5V电源端和数字地；

　　OUT：波形输出端

　　MAX038的内部结构如图2所示，在COSC与GND之间接上电容CF后，利用恒定电流澳CF充电和放电即可形成振荡，从而产生一个三角波和两个矩形波。IIN是灌入IIN端的电流，它受FADJ端电压的控制。振荡频率的计算公式为：

　　F=IIN/CF

　　式中，IIN的允许变化范围是2～750μA，在10～400μA时性能最佳。CF的容量范围为20pF～100μF。

　　通过改变FADJ端的电压可对频率进行粗细调节。假定VFADJ为0V，标称输出频率为f，在VFADJ保持恒定时，输出频率由下式确定：

　　f1=f(1-0.2915VFADJ)

　　不作频率微调时，FADJ端与地之间须接12kΩ电阻。

　　改变DADJ端的电压，能够控制波形的占空比。VDADJ为0V时，占空比为50%。在VDADJ从+2.3V变化到-2.3V时，占空比将从10%变成90%。占空比严格等于50%时，可消除波形失真。

　　2 MC145151管脚功能

　　MC145151是Motorola公司生产的带单模前置换算器接口的并行输入锁相环频率合成器，÷N计数器范围为3～16383，还有8个可供用户选择的÷R值：分别是8、128、256、512、1024、2048、2410或8192。MC145151采用DIP-28脚封装，引脚排列如图3所示，管脚功能如下：

　　Fin:频率输入；

　　RA0～RA2：基准地址输入，确定÷R值；

　　N0～N13：N计数器编程输入；

　　T/R：发送/接收偏移地址输入；

　　OSCin，OSCout：分别为基准振荡器的输入和输出；

　　PDout：相位检测器A输出；

　　PDR，PDV：相位检测器B输出；

　　FV：N计数器输出；

　　LD：锁定检测器输出；

　　VDD：接正电源；

　　VSS：接负电源。

　　3 高频精密函数波形发生器

　　图4所示为高频函数波发生器的电路原理图，它能产生精确的正弦波、矩形波和三角波信号。MC145151的RA2，RA1和RA0端开路，相当于输入高电平，÷R值被设定为8192.振荡频率8.192MHz，经R分频后可得到1kHz的鉴相频率fR。14位开关量S13～S0被送到MC145151的N13～N0端，以设定N值。MAX038的同步信号SYNC送到Fin端，N分频后与fR比较检出相位，与相位差有关的信号经PDV和PDR输出，并经MAX427变换为±2.5V的信号后，送MAX038的FADJ端。

　　由于MAX038与MC145151组成了频率锁相环PLL，输出频率被锁定在N×fR,因此函数发生器的输出频率可在8kHz～16.383MHz范围内调整，调整增幅为1kHz。例如：S1、S3和S8断开时，输出频率为261kHz。

　　MX7541为12位DAC电路，把S13～S2送到MX7541的BIT1～BIT12端可进行D/A转换，输出信号再经MAX412变换成2μA～750μA的电流信号，然后送到MAC038的IIN端作为频率粗调信号，以将MAX038的输出频率调到频率锁相环的捕捉范围，然后再由PLL环路将输出频率锁定在S13～S0所设定的频率。

　　MAX038的A0、A1端用于设定输出波形，可根据需要接不同的电平。

　　在MAX038的输出端OUT接一个50MHz的低通滤波器可使高频噪声受到阻塞而衰减，从而使16MHz以内的正弦波、矩形波和三角波信号顺利地通过滤波器输出。

　　4 结束语

　　由MAX038和MC145151组成的高频精密函数波形发生器能提供8kHz～16MHz的正弦波、矩形波和三角波信号。采用频率锁相环技术可进一步提高系统的频率稳定度，因而是一种性能优良的信号发生器，可作为精密通用信号源使用。