2 数控波形发生器的结构组成及工作原理

数字化波形发生器主要由主控制器单片机 89C52、键盘与显示电路、波形发生器 MAX038、 12 位 4 路数模转换器 MAX526、频段控制单元、幅值控制单元等单元电 路 组 成 。 单 片 机 主 要 完 成 对 键 盘 输 入 的 检 测 、对MAX038 输出波形的选择、 对 D/A 输出控制, 从而完成对频率和占空比的调节及对频段的选择; 键盘采用 4× 5的矩阵键盘, 分别设置了数字键( 0~9) 和功能键( 小数点" ."、 频段、 频率、 占空比、 幅值、 正弦波、 方波、 三角波、取消等) 共 19 个键。使用时先按功能键后按数字键; 显示部分采用 LCD 显示频率(6 位)和幅值(4 位); MAX038函数发生器芯片是系统的核心部分, 在单片机的控制下输出正弦波、 三角波、 矩形波, 且波形的频率和占空比易于调节; 12 位 4 路输出的数模转换器 MAX526 在单片机的控制下, 输出 2~750μ A 的电流及± 2.4V 和± 2.3V 的电压, 分别进行频率、 占空比的调节; 频段选择单元采用 8选 1 的多路模拟开关 AD7501, 在单片机的控制下使每一路分时选通, 将不同的电容值 CF 接入 MAX038 电路中, 就可确定输出频率范围, 即频段, 共有 6 个频段供选择切换, 输出波形频率范围与 CF 的关系如表 1 所示。幅度控制单元主要调节输出信号的幅度, MAX038 输出端OUT 的 VP - P =2V 幅度值通过放大器放大后送入数字衰减器 AT- 280 中进行衰减, 调整放大后的输出幅度。键盘输入与显示、 频段选择及数控调节电路原理图如图 2所示。

2 .1 4 路 12 位电压输出型 D/A 转换器 MAX526 的应用MAX526 是 4 路 12 位电压输出型 D/A 转换器, 模拟量电压输出为: VOUT=( VREF× Dn ) /4096。8 位数据总线, 数据通过两次写操作( 低 8 位 LSB, 高 4 位 MSB) 装入各输入寄存器, 并通过异步装载 DAC 输入信号将输入寄存器数据装入 DAC 寄存器。MAX526 转换时间为 3μ s , 与TTL/CMOS 电平兼容, 只有 1LSB 不可校正线性误差的优点, 使其广泛地应用在数字增益校正、 工业控制、 自动测试设备等方面。

MAX526 的 VOUTA、VOUTB、 VOUTC、 VOUTD 是 4 通道模拟量输出引脚; 控制信号 CSMSB、 CSLSB 为高低字节位选择, 当 CSLSB 为 0 时低 8 位数据输出, CSMSB 为 0 时高4 位数据输出。控制信号 LDAC 为 0 时将各自输入寄存器的内容转换到其各自独立的 DAC 寄存器。控制信号A0、 A1 为 通 道 选 择 信 号 ; 数 据 线 D0 ~D7, D8 ~D11 与D0~D3 复用; WR 为写控制信号; 基准电源信号 REFAB是 A、 B 模拟量基准输入, REFCD 是 C、 D 模拟量基准输入。MAX526 通过 A0、 A1 选择 DAC 以便区分访问的是哪个通道, 通过 CSMSB、 CSLSB、 WR 这 3 个信号区分将转换数据装入到 A0、 A1 已选择的各个输入寄存器的内容, 并区分写入的数据是高 4 位还是低 8 位。MAX526编程设计时通过 LDAC 控制各个通道 DAC 寄存器的转换实现。在接口电路中, 将 LDAC 与单片机的 P17 相连,以便查询其工作状态。另外, MAX6325 是一个电压基准信号源, 提供 MAX526 所必须的外接电压参考。

2 .2 频率和占空比的数控调节原理

MAX038 的输出频率主要受振荡器电容 CF、 IIN 端电流 IIN 和 FADJ 端电压 VFADJ 控制。选择一个 CF 值, 对应IIN 端电流变化, 将产生一定范围的输出频率。另外, 改变 FADJ 端的电压, 可以在 IIN 控制的基础上, 对输出频率实现微调控制。 可通过电压输出型的 DAC MAX526 实现输出频率的数控调节。MAX038 的 IIN 端和 FADJ 端分别连接到 MAX526 的 VOUTA 和 VOUTB 两个输出端上。通过 V B 产生 0V( 00H) 到2.5V( 0FFH) 的输出电压, 再经电压/电流转换网络, 在 IIN 端产生 0μ A 到 750μ A 的工作电流, 使之产生相应的频率范围。VOUTB 将此工作电流范围分为 256 级步进间隔, 输出频率范围也被分为 256级步进间隔。所以, IIN 端电流实现了对输出频率的粗调。VOUTA 在 FADJ 端产生一个从- 2.4V( 00H) 到+2.4V( 0FFH) 的电压范围, 该范围同样也包含 256 级步进间隔, 将 IIN 端的步进间隔再次细分为 256 级步进间隔,从而在粗调的基础上实现微调。各频段的频率范围划分为 65 536 级间隔。 MAX526 的 VOUTC 在 DADJ 端产生一个从- 2.3V( 00H) 到+2.3V( 0FFH) 的 电压 调节范 围, 对 占空比实现数字控制, 该范围包含 256 级步进间隔。VOUTC的每一级步进对应着 Δ V=[2.3- ( - 2.3) ]/256=17.9mV 和V%=( 90%- 10%) /256=0.3125。调节占空比时应尽量避免输出频率发生变化。仅当 δ =15%~85%且 25μ Aμ A 时, 对频率影响最小。数控波形发生器频率和占空比调节电路的原理图如图 3 所示。

2 .3 输出幅值的数控调节

MAX038 的输出信号本身在输出级有内部的输出放大器, 具有很强的驱动能力, 且输出阻抗小于 0.1Ω, 但是, 由于其输出波形的幅度为 2VP- P, 若要调节它的输出幅度, 特别是当输出频率较高、 输出波形不是正弦波时,要进行幅度放大相当困难。所以, 要为 MAX038 的 3 种10Hz~10MHz 输出波形配置一种通用的全带宽后级输出放大器。放大以后的输出信号送入数字衰减器 AT- 280进行衰减。AT- 280 是一种采用 SOIC- 16 塑封表贴封装形式的 5 位、 0.5B 步距的数字衰减器, 非常适用于高精度衰减、 快速开关、 极低功耗要求的场合, 其可靠性非常高。VC1、 VC10、 VC2、 VC20、 VC3、 VC30、 VC40、 VC50 分别为 数 据 控 制 端 ; RF1 和 RF2 分 别 为 信 号 输 入 输 出 端 。AT- 280 的真值表如表 2 所示。

3 数控函数发生器频率与幅值的 LCD 显示及频段选择

液晶显示模块 LCM 是一种将液晶显示器件、连接件、 集成电路、 背光源等装配在一起的组件。 在单片机系统中使用液晶模块作为输出器件具有显示质量高、 数字式接口、 体积小、 重量轻、 功率消耗小等优点, 非常适合于嵌入式系统、 移动设备和掌上设备的使用。点阵图形液晶模块不仅可以显示字符、 汉字, 还可以显示连续、 完整的图形。

3.1 内置 SED1520 的 MGLS- 12032 图形液晶模块的应用在 GPS 定位信息采集与显示系统中, 使用型号为MGLS - 12032 的点阵图形液晶模块, 内置 SED152F0A 控制驱动器, 集行、 列驱动器和控制器于一体, 广泛应用于小规模液晶显示模块。液晶模块 MGLS- 12032 的点阵数120× 32, 而 一 个 SED152F0A 显 示 控 制 器 内 置 80× 32( 2560 位) 显示 RAM 区, RAM 中的一位数据控制液晶屏上一个像素的亮、 暗状态: “ 1” 表示亮, “ 0” 表示暗。显示RAM 被分成 4 页, 每页 8 行有 80 字节, 每页的数据寄存器分别对应液晶屏幕上的 8 行点。MGLS- 12032A 液晶模块由两片 SED1520F0A 驱动, 两个 SED152F0A 都只用了其中的 60 个列驱动口, 分别驱动液晶显示器的左、右 半 屏 。 当 设 置 了 页 地 址 和 列 地 址 后 就 确 定 了 显 示RAM 中的单元, 该单元由低到高的各个数据位对应于显示屏上某一列的 8 行数据位, 即每一页中屏幕上的每一列对应一个显示 RAM 的 1 字 节内容 。对显 示RAM 的一个字节单元赋值就是对当前列的 8 行像素点( 一页) 是否显示进行控制。

3 .2 液晶模块与单片机的接口方式

SED1520 液晶显示控制驱动器可以直接与 89C52 单片机相连, 不必使用其他的接口芯片, 因此选择存储器映像方式的接口, 将液晶模块当作存储器的一部分, 直接使用存储器读写进行 I /O 操作。在单片机的控制下,按照要求的格式显示频率和幅值。由于 LCD 没有独立的片选信号, 所以使用单片机的读写信号进行选通。单片机的读写信号RD 、 WR 通过 74LS00、 74LS04 转换后作为对 LCD 的片选信号, 分别接 LCM 的两个控制器芯片SED1520 的使能端 E1、 E2, 高电平允许使用, 低电平禁用。液晶模块的数据总线 DB0~DB7 与单片机的数据总线 D0 ~D7 ( P0 口) 直接相连, 液晶模块的控制引脚, 即LCD 的数据/指令选择端 A0 与 138 译码器的地址线Y3相连, 高电平选择数据通道, 低电平选择指令通道。LCD的读/写控制端 R/W 接Y4 , 高电平读, 低电平写。V0 为LCD 提供对比度调节负电压, 这样对液晶模块的各种指令操作, 实际上就是与相应的控制地址交换数据。要在液 晶 模 块 上 显 示 一 个 字 符 或 汉 字 , 应 分 别 向 两 个SED1520 控制器写指令代码、 写显示数据、 读显示数据。访 问 SED1520 前 , 首 先 读 取 控 制 器 当 前 的 状 态 , 当SED1520 处于忙的状态时, 除了读状态字指令外, 其他指令均不起作用。

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