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簡易萬用訊號產生器製作
 

【作者: 邱禹文,余耀銘】   2003年08月05日 星期二

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在台灣,電子產業的發展是眾所矚目,由於人才培育的成功再加上半導體廠的市場定位得宜,目前台灣的電子產業在國際市場上也擁有相當程度的影響力。在半導體代工業發達之後,國內為了掌握關鍵性零組件的上游資訊,於是半導體設計公司相繼的成立,此時國科會也大力提倡國人關鍵性零組件自主的政策,這個方向也打開了台灣在電子產業的另一條康莊大道。


日常生活中不論食、衣、住、行都會使用到微控制器(MCU),例如食物烹調的微波爐、電磁爐,衣物洗滌的洗衣機、烘乾機,提供生活舒適性的空調機、除濕機,提供行的方便之汽車,還有人際溝通的通訊產品以及視聽育樂的CD、VCD、DVD等產品,都採用了MCU作為人機介面的操作或是產品功能的內部控制。MCU微控制器的優點主要在於可程式化的特色,因此特別適合應用在多樣化產品的設計,尤其OTP、Flash type MCU的問世更符合產品生命週期縮短的趨勢,不僅加速產品開發、驗證、試產,同時提供少量多樣的變化需求,達到降低研發成本、提升產品競爭力的要求,以及Time to Market的目標。


特色優點

一般人都認為μC屬於數位世界的東西,雖然變化多端但總侷限於0與1的範疇,很少會將原本屬於線性世界的東西拿來比較或取代,本文以μC來模擬從前習以為常的訊號產生器,以了解μC的應用面其實還是可以跨到傳統的線性世界。為了能「與眾不同」,故不用傳統20年的8038來做訊號產生器,改用微處理器來處理一些大家習以為常的物品(訊號產生器)是一項很有意思的自我挑戰。


本專題製作的主要特點計有以下幾項:


輕、薄、短、小

就實際完成的作品可知本訊號產生器的體積十分迷你,所需零組件計有微處理器1個、LM358 1個、電阻6個、電容5個、排阻6個、可變電阻3個、選擇開關4個、按鍵1個,全部的成本不超過新台幣100元就可買全。


省電性

由於HT48R05A及LM358等元件都是非常省電(電流平均為5mA)的零件,故一個積層9V電池就可以使用非常久。


獨特性

一般的訊號產生器不會產生鋸齒波、脈沖波、調載波、奇怪波及混合波等,更不會提供同步訊號給示波器觸發。本文提供一個較為彈性的做法,可以依需求來更改波形表以製造出與眾不同的波形產生器。


數位性

將傳統的線性設計工作以數位元件來達成,除可免除零件誤差所需要的調整工作,同時弦波的失真率也可降至最低(整個頻段失真率<1%)。


簡易性

整個專題製作所需的零組件很少,不需要任何校正工作,特別是對零件的精密度要求不高(只要R-2R所用的電阻改成排阻),相信只要會用鉻鐵的人都可順利達成。


功能說明

一般基本的訊號產生器都具備有如下的功能:


  • ●可做連續性調整。


  • ●可產生弦形波、三角波、方形波。


  • ●可調整振幅大小及直流位準。



本文所介紹的簡易萬用訊號產生器除了上述功能之外,還具備了多種波及混合波產生能力,也就是說可同時順序的產生弦形波、三角波、方形波、鋸齒波、脈沖波、調載波、奇怪波及綜合波等八個波形,免除切換訊號之麻煩,這就是傳統訊號產生器無法達到的。另外由於弦形波之產生是採用查表法方式達成,故失真率極低,此亦是傳統訊號產生器無法達到的地方。


(圖一)~(圖八)是本訊號產生器所能產生的八個波形,(圖九)則是混合所有波形的綜合波:


《圖一 同步波》
《圖一 同步波》
《圖二 弦形波》
《圖二 弦形波》
《圖三 三角波》
《圖三 三角波》
《圖四 方形波》
《圖四 方形波》
《圖五 鋸齒波》
《圖五 鋸齒波》
《圖六 脈沖波》
《圖六 脈沖波》
《圖七 調載波》
《圖七 調載波》
《圖八 奇怪波》
《圖八 奇怪波》
《圖九 綜合波》
《圖九 綜合波》

電路說明

整個線路可以將它拆成五個部份來做說明,(圖十)為微控制器主體的電路圖。


《圖十 微控制器主體》
《圖十 微控制器主體》

本專題製作所選用之MCU為盛群半導體所設計生產的HT48R05A單晶片,HT48R05A單晶片為國內盛群(Holtek)所研發的8位元高抗雜訊、高抗靜電、低功率CMOS製程,其為RISC架構的8位元微控制器。HT48R05A總共有13支I/O接腳,本設計中用了8根I/O(PA0~PA7)來做D/A工作,3根I/O(PB0~PB2)來做波形的選擇,為了簡化程式,故每當改換波形時必須按重置鍵才會正確工作,HT48R05A單晶片的規格包括:


  • ●工作電壓:3.3V至5.5V


  • ●工作頻率:400K~8MHz


  • ●可使用石英振盪及RC振盪源


  • ●接腳包裝:16SSOP、18DIP/SOP


  • ●程式記憶體:0.5K×14


  • ●資料記憶體:32×8


  • ●擁有13支I/O接腳


  • ●具有一組計時計數器、二層堆疊、內外中斷功能


  • ●看門狗計時器、省電模式與喚醒功能,壓降偵測電路



《圖十一 D/A部份電路圖》
《圖十一 D/A部份電路圖》

採用最傳統的R-2R電阻,可以不必在乎電阻的精確度,只要能有相同的比值即可,此外可使用6個200K的排阻來完成可收到最高的準確度。


DA=Vcc×(2×P67+(2×P66+(2×P65+(2×P64+(2×P63+(2×P62+(2×P61+(2×P60)))))))/512


《圖十二 頻率控制部份電路圖》
《圖十二 頻率控制部份電路圖》

利用HT48R05A的RC振盪模式中改變R值及C值來做頻率的控制。HT48R05A的工作頻率Fcpu=1/R×C×0.46,程式執行一個LOOP需9×2個μC時基完成一個360度的波形需要64個Loop,故總頻率與RC的關係值為Fwave=1/R×C×530


《圖十三 振幅及直流控制部份電路圖》
《圖十三 振幅及直流控制部份電路圖》

利用簡單的反相工作OP,可將DA訊號及直流位準訊號加起來。利用可變電阻B的VR來做直流位準的調整而利用V的VR來做整體(DA位準及直流位準)的調整。


《圖十四 虛地產生部份電路圖》
《圖十四 虛地產生部份電路圖》

由於9V電池是電路設計使用的電源,故必須分壓出中點(虛地)出來,於是利用多餘的一個OP來分出中點電壓來,此線路可收大電流輸出又不耗電的優點。


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