CN212969589U - 一种幅度可连续调节的宽频函数信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种幅度可连续调节的宽频函数信号发生器，包括主控模块、滤波电路模块，以及分别与主控模块相连的显示模块、按键输入模块、幅度放大模块和波形发生电路模块，波形发生电路模块、滤波电路模块和幅度放大模块依次相连。其中，幅度放大模块中，数字电位器与固定增益放大器相结合，采用先衰减后放大调整方式，使得本实用新型的函数信号发生器可实现正弦波、三角波、方波等周期性函数波形输出，且幅度连续可调节。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种测试用信号源，具体涉及一种幅度可连续调节的宽频函数信号发生器。
背景技术
函数信号发生器作为信号源(或激励源)，广泛用于实验教学，控制系统的性能测试，电子电路、各种电参数的测量，实验测试仿真处理(如Multisim软件)等，具有很强的实用价值。
随着技术的发展，早期的模拟信号发生器已逐渐被数字信号发生器取代。数字信号发生器是将所要产生的波形信号根据其规则建立一个ROM表，再经过D/A转换器完成逐点还原函数波形信号。单片机通过固定时间按照ROM表中的值去改变D/A转换器输出电压值。数字信号发生器采用独立的数模转换器，将所需要的函数波形信号生成ROM表存储于单片机内部的存储器，即可调节输出波形与频率。但通过这种方式，函数信号波形的存储点数对波形的精度有很大的影响，输出信号频率在低频范围内具备极好的波形纯度。如果需要输出高频信号，往往需要减少采样的波形点数或者提高输入数字量的速率。如果减少波形采样点数，将很难实现高纯度的高频信号输出，间接影响输出函数波形的质量。
DDS技术作为最新的频率合成手段，其利用数字信号处理的措施完成信号的合成，实现周期性函数波形信号的产生。单片机读取输入的键盘信息，处理后送入DDS波形发生单元以及幅度调理单元实现波形的调频和调幅功能。相对于锁相频率合成技术(间接频率合成)，直接频率合成技术具备高频率分辨率、高频率稳定度、频率切换速度快等优势。数字化的频率值的改变由写入频率寄存器中的频率码决定。寄存器中的值送入相位累加器输入端，相位累加器的输出经过正弦查询表将数字相位信息作为查找表的地址并将其相位信息转换成幅度，得到阶梯状的波形信号，阶梯波形信号经过D/A转换器实现模拟信号输出。然而，现有数字信号发生器中，幅度调理单元多采用固定放大器，并采用固定增益方式，无法实现幅度的连续调节。
发明内容
针对上述背景技术中所指出的问题，本实用新型提出一种幅度可连续调节的宽频函数信号发生器。
本实用新型所采用的技术方案为：
一种幅度可连续调节的宽频函数信号发生器，包括主控模块、滤波电路模块，以及分别与所述主控模块相连的显示模块、按键输入模块、幅度放大模块和波形发生电路模块，所述波形发生电路模块、所述滤波电路模块和所述幅度放大模块依次相连；
所述幅度放大模块包括数字电位器U4、固定增益放大器U5、光电耦合器U6、继电器U7、SMA接口P2、三极管Q1、二极管D2、二极管D3、电容C27、电容C28和电阻R14～电阻R22；数字电位器U4型号为MCP41010，固定增益放大器U5型号为AD8065；所述主控模块采用STC89C52单片机，所述波形发生电路模块采用DDS芯片AD9834；
数字电位器U4的引脚1与STC89C52单片机的引脚25相连，数字电位器U4的引脚2分别与STC89C52单片机的引脚11和DDS芯片AD9834的引脚14相连，数字电位器U4的引脚3分别与STC89C52单片机的引脚10和DDS芯片AD9834的引脚13相连，数字电位器U4的引脚4、7接地，数字电位器U4的引脚8接5V电源，数字电位器U4的引脚6与电阻R16相连，电阻R16的另一端与固定增益放大器U5的引脚3相连；数字电位器U4的引脚5与电阻R17相连，电阻R17的另一端与继电器U7的公共触点相连；电阻R19一端连接5V电源，电阻R19另一端连接光电耦合器U6的LED阳极；电阻R20一端连接5V电源，另一端分别连接光电耦合器U6的光敏晶体管集电极和电阻R21，三极管Q1的发射极连接5V电源，电阻R21另一端与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极分别与电阻R22、二极管D2负极和继电器U7的继电器线圈一端相连；电阻R22另一端与二极管D3正极相连，二极管D3负极、二极管D2正极和继电器U7的继电器线圈另一端均接地；
固定增益放大器U5的引脚2分别连接电阻R14和电阻R15，电阻R14另一端接地，电阻R15另一端分别连接固定增益放大器U5的引脚6和电阻R18，电阻R18另一端连接电容C28，电容C28另一端连接SMA接口P2的中间信号，SMA接口P2的周围四个脚接地；固定增益放大器U5的引脚4接地，固定增益放大器U5的引脚7分别连接5V电源和电容C27，电容C27另一端接地。
进一步地，电阻R14＝1KΩ，电阻R15＝5KΩ，电阻R16＝833Ω，电阻R18＝10Ω。
进一步地，所述按键输入模块采用4×4矩阵键盘。
进一步地，所述显示模块型号为LCD12864。
本实用新型的有益效果在于：
幅度放大模块中，数字电位器与固定增益放大器相结合，采用先衰减后放大调整方式，使得本实用新型的函数信号发生器可实现正弦波、三角波、方波等周期性函数波形输出，且幅度连续可调节(输出波形频率在1Hz～10MHz的范围内连续可调以及输出波形幅度0～5V范围的连续可调)。
附图说明
图1为本实用新型的函数信号发生器的电路模块连接图；
图2为按键输入模块的电路结构示意图；
图3为主控模块的电路结构示意图；
图4为显示模块的电路结构示意图；
图5为波形发生电路模块和滤波电路模块的电路结构示意图；
图6为幅度放大模块的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的幅度可连续调节的宽频函数信号发生器作进一步地详细说明。
如图1所示，一种幅度可连续调节的宽频函数信号发生器，包括主控模块、滤波电路模块，以及分别与主控模块相连的显示模块、按键输入模块、幅度放大模块和波形发生电路模块，波形发生电路模块、滤波电路模块和幅度放大模块依次相连。
幅度放大模块包括数字电位器U4、固定增益放大器U5、光电耦合器U6、继电器U7、SMA接口P2、三极管Q1、二极管D2、二极管D3、电容C27、电容C28和电阻R14～电阻R22。数字电位器U4型号为MCP41010，固定增益放大器U5型号为AD8065，主控模块采用STC89C52单片机，波形发生电路模块采用DDS芯片AD9834，参见图3、5和6。
数字电位器U4的引脚1与STC89C52单片机的引脚25相连，数字电位器U4的引脚2分别与STC89C52单片机的引脚11和DDS芯片AD9834的引脚14相连，数字电位器U4的引脚3分别与STC89C52单片机的引脚10和DDS芯片AD9834的引脚13相连，数字电位器U4的引脚4、7接地，数字电位器U4的引脚8接5V电源，数字电位器U4的引脚6与电阻R16相连，电阻R16的另一端与固定增益放大器U5的引脚3相连。数字电位器U4的引脚5与电阻R17相连，电阻R17的另一端与继电器U7的公共触点相连。电阻R19一端连接5V电源，电阻R19另一端连接光电耦合器U6的LED阳极。电阻R20一端连接5V电源，另一端分别连接光电耦合器U6的光敏晶体管集电极和电阻R21，三极管Q1的发射极连接5V电源，电阻R21另一端与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极分别与电阻R22、二极管D2负极和继电器U7的继电器线圈一端相连。电阻R22另一端与二极管D3正极相连，二极管D3负极、二极管D2正极和继电器U7的继电器线圈另一端均接地。
固定增益放大器U5的引脚2分别连接电阻R14和电阻R15，电阻R14另一端接地，电阻R15另一端分别连接固定增益放大器U5的引脚6和电阻R18，电阻R18另一端连接电容C28，电容C28另一端连接SMA接口P2的中间信号，SMA接口P2的周围四个脚接地。固定增益放大器U5的引脚4接地，固定增益放大器U5的引脚7分别连接5V电源和电容C27，电容C27另一端接地。
幅度放大模块中，利用数字电位器MCP41010作为输入电压的数字分压器，数字电位器MCP41010通过串行接口方式(SPI)与STC89C52RC单片机进行连接。CS引脚与单片机的P2.4连接，CS引脚为SPI接口的片选端，在新命令装入移位寄存器后，引脚执行该命令。数字电位器MCP4101的SCLK引脚与波形发生电路模块AD9834的SCLK引脚共用单片机的TXD引脚，用于为输入寄存器的数据提供时钟。数字电位器MCP4101的SDATA引脚与单片机的RXD引脚连接，当CS引脚为低电平时，串行数据在时钟的作用下通过该引脚输入数字电位器MCP4101的移位寄存器中。数字电位器一端接头PA0与前端的AD9834波形生成电路输出信号连接，另外一端接头PB0直接接地，数字电位器的滑动抽头与放大器AD8065的同相输入端连接，构成分压器模式，使电位器输出电压与输入电压成正比变化。通过改变MCP41010内部的数据寄存器中的值，实现抽头的位置变化从而提供可变电压。波形信号经过数字电位器分压之后，进入固定增益放大器。
图5中，电感L1-L6、电容C2-C5和电容C11-C14构成滤波电路。R8是电阻，其上FSY等引脚与主控模块连接。AD9834的频率选择引脚FSELECT与相位选择引脚PSELECT分别和单片机P2.3、P2.2引脚进行连接，用于选取要使用的AD9834片内不同的频率寄存器以及相位寄存器。通过SPI方式将所要实现的频率、波形切换数据写入AD9834器件内部寄存器。数据帧同步信号引脚FSYNC与单片机P2.1连接，当P2.1为低电平，即FSYNC变为低电平时，表明向AD9834内部的寄存器中载入新数据字……。串行时钟输入引脚SCLK与单片机的TXD引脚连接，数据在串行时钟输入(SCLK)的控制下作为16位字载入器件。串行数据输入引脚SDATA与单片机TXD引脚连接，16位串行数据字通过SDATA引脚写入具体的寄存器之中。
按键输入模块采用4×4矩阵键盘，如图2所示，可通过4×4矩阵键盘设定输出函数信号的种类、频率以及幅度相关参数，输入频率可采用步进设置以及矩阵键盘设置模式。当采用频率步进设置时，按键S3、S4分别表示频率值的加减操作，步进值为1KHz，按键S5、S6分别表示幅度值的加减操作，步进值为0.1V，按键S10用于波形的切换功能。当按下按键S9时进入频率的矩阵输入模式，按键S7、S8、S11—S18分别表示数字键0-9，按键S6具备第二功能：输错删除功能。
参见图3，单片机从4×4矩阵键盘获得控制信息，通过计算得到控制字并通过三线式串行接口(SPI)方式写入DDS芯片AD9834的控制口(参见图5)实现信号的波形与频率调节。当FSYNC引脚为低电平时，数据在串行时钟(SCLK)的控制下作为16位字载入AD9834器件的寄存器之中。频率值的改变由写入频率寄存器中的频率码决定。寄存器中的值送入相位累加器输入端，相位累加器的输出经过正弦查询表将数字相位信息作为查找表的地址并将其相位信息转换成幅度，得到阶梯状的波形信号。阶梯波形信号经过10位的D/A转换器实现模拟信号输出，一般输出的波形为正弦波信号；更改控制字实现旁路正弦查询表，使得压控振荡器的截断数字输出被发送至D/A转换器，D/A转换器将产生10位的线性三角波；将AD9834的IOUT引脚输出的正弦波经过低通滤波处理后，通过VIN引脚施加于片内的比较器来产生方波信号。
如图4所示，显示模块型号为LCD12864。参见图6，单片机将幅度控制字通过串行接口(SPI)方式写入数字电位器中，利用数字电位器MCP41010与固定增益放大器AD8065结合，以先衰减后放大的方式实现函数信号的幅度调节。同时，LCD12864通过与单片机并行连接的方式将所设置的函数信号波形种类、频率、幅度参数实时显示。
本实施例中，固定增益为6倍放大，当电阻R14＝1KΩ时，电阻R15选取5KΩ就可以满足电压增益6倍。在数字电位器MCP41010与运算放大器AD8065之间添加的并联阻值R16＝833Ω作为两器件之间的匹配电阻。运算放大器的输出端添加一个10Ω小电阻R18进一步稳定输出波形信号，利用电容隔直通交的特性，外加电容C28在输出端进一步遏制输出波形信号中的直流成分。
本实用新型中，幅度放大模块实现波形幅度连续可调的工作原理为：
幅度放大模块采用先衰减后放大调整方式。数字电位器MCP41010作为AD9834波形产生电路输出波形信号的数字分压器，MCP41010具有256档调节功能，后接AD8065放大器的6倍固定增益放大器。将10KΩ的数字电位器MCP41010通过串行接口方式(SPI)与STC89C52RC单片机进行连接。当CS引脚为低电平时，串行数据在时钟的作用下通过SDATA引脚输入数字电位器的移位寄存器中。电位器一端接头PA0与前端的AD9834波形生成电路输出信号连接，另外一端接头PB0直接接地，电位器的滑动抽头与放大器AD8065的同相输入端连接，构成分压器模式，使电位器输出电压与输入电压成正比变化。波形信号经过数字电位器分压之后，进入固定的增益放大电路。AD8065的带宽为145MHz，满足设计的1Hz～10MHz频带要求。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种幅度可连续调节的宽频函数信号发生器，其特征在于，包括主控模块、滤波电路模块，以及分别与所述主控模块相连的显示模块、按键输入模块、幅度放大模块和波形发生电路模块，所述波形发生电路模块、所述滤波电路模块和所述幅度放大模块依次相连；
所述幅度放大模块包括数字电位器U4、固定增益放大器U5、光电耦合器U6、继电器U7、SMA接口P2、三极管Q1、二极管D2、二极管D3、电容C27、电容C28和电阻R14～电阻R22；数字电位器U4型号为MCP41010，固定增益放大器U5型号为AD8065；所述主控模块采用STC89C52单片机，所述波形发生电路模块采用DDS芯片AD9834；
数字电位器U4的引脚1与STC89C52单片机的引脚25相连，数字电位器U4的引脚2分别与STC89C52单片机的引脚11和DDS芯片AD9834的引脚14相连，数字电位器U4的引脚3分别与STC89C52单片机的引脚10和DDS芯片AD9834的引脚13相连，数字电位器U4的引脚4、7接地，数字电位器U4的引脚8接5V电源，数字电位器U4的引脚6与电阻R16相连，电阻R16的另一端与固定增益放大器U5的引脚3相连；数字电位器U4的引脚5与电阻R17相连，电阻R17的另一端与继电器U7的公共触点相连；电阻R19一端连接5V电源，电阻R19另一端连接光电耦合器U6的LED阳极；电阻R20一端连接5V电源，另一端分别连接光电耦合器U6的光敏晶体管集电极和电阻R21，三极管Q1的发射极连接5V电源，电阻R21另一端与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极分别与电阻R22、二极管D2负极和继电器U7的继电器线圈一端相连；电阻R22另一端与二极管D3正极相连，二极管D3负极、二极管D2正极和继电器U7的继电器线圈另一端均接地；
固定增益放大器U5的引脚2分别连接电阻R14和电阻R15，电阻R14另一端接地，电阻R15另一端分别连接固定增益放大器U5的引脚6和电阻R18，电阻R18另一端连接电容C28，电容C28另一端连接SMA接口P2的中间信号，SMA接口P2的周围四个脚接地；固定增益放大器U5的引脚4接地，固定增益放大器U5的引脚7分别连接5V电源和电容C27，电容C27另一端接地。
2.根据权利要求1所述的幅度可连续调节的宽频函数信号发生器，其特征在于，电阻R14＝1KΩ，电阻R15＝5KΩ，电阻R16＝833Ω，电阻R18＝10Ω。
3.根据权利要求1所述的幅度可连续调节的宽频函数信号发生器，其特征在于，所述按键输入模块采用4×4矩阵键盘。
4.根据权利要求1所述的幅度可连续调节的宽频函数信号发生器，其特征在于，所述显示模块型号为LCD12864。
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