Fachhochschule Aachen, Abteilung Jülich
Fachbereich 11, Elektrotechnik, Automation
Schwerpunkt Mikrosystemtechnik

Diplomarbeit

Entwicklung und Aufbau eines durch einen
Mikrocontroller gesteuertern Funktionsgenerators

angefertigt von

Jörn Bieberle

Aachen, im Mai 1999

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1
1.1 Aufgabenstellung der Diplomarbeit ... 1

2 BASIC-Tiger ... 2
2.1 Blockschaltbild des BASIC-Tigers ... 3
2.2 Das Bussystem des BASIC-Tigers ... 4
2.3 Das erweiterte I/O-System des BASIC-Tigers (ePorts) ... 8
2.3.1 Die logischen Adressen ... 11
2.3.2 Die physikalischen Adressen ... 11
2.4 Ausgangsbausteine und Eingangsbausteine ... 13
2.5 Das Tiger - Basic - Device - Konzept ... 13
2.6 Multitasking ... 17

3 MAX038 ... 20
3.1 Zeit- und Frequenzeinstellungen ... 22
3.1.1 Eingang FADJ ... 23
3.1.1.1 Deaktivierung von FADJ ... 25
3.1.2 Eingang DADJ ... 26
3.1.3 Durchstimmung der Frequenz ... 28

4 Die Schaltung ... 29
4.1 Blockschaltbild der Schaltung ... 29
4.2 Beschreibung der Schaltung ... 30
4.2.1 Sukzessive Approximation ... 31
4.2.2 R-2R-Verfahren ... 32
4.3 Grobabstimmung der Frequenz des MAX038 ... 33
4.3.1 Analogschalter für Kondensatorauswahl ... 35
4.3.2 Begrenzte Schrittweite der Frequenz ... 36
4.4 Feinabstimmung der Frequenz und Tastverhältnis der Spannung des MAX038 ... 37
4.4.1 Realisierung und Berechnung der Schaltung ... 38
4.4.2 Auswahl des richtigen Operationverstärkers ... 40
4.5 Ausgangsverstärker ... 40
4.5.1 FET als steuerbarer Widerstand ... 42
4.5.2 Ausgangsverstärker mit FET ... 43
4.6 Dämpfungsglied ... 43
4.7 Ausgangsspannung ... 44
4.7.1 Gleichrichter ... 45
4.7.2 Umrechnung ... 47
4.8 Frequenzmessung ... 49
4.9 Theoretische Betrachtung der Ausgangssignale ... 53

5 Touch-Panel ... 57
5.1 Prinzipschaltung für das Touch-Panel ... 57

6 Software ... 60
6.1 Flußdiagramm ... 60
6.2 Programmlisting ... 61

7 Zusammenfassung ... 86

8 Danksagung ... 88

9 Anhang ... 89

1 Einleitung

Signalgeneratoren ( Funktionsgeneratoren ) werden für den gesamten technischen Frequenzbereich benötigt. Die wichtigsten Signalformen sind periodische Sinus-, Rechteck-, Dreieck und Rampensignale ( Sägezahn ). Anwendung finden Signalgeneratoren beispielsweise in Taktgeneratoren, bei der Datenübertragung, oder Analyse von Systemen und Funktionseinheiten, als Zeitbasisgeneratoren oder als Modulatoren, in Prüfgeräten und bei vielen weiteren Aufgaben.

1.1 Aufgabenstellung der Diplomarbeit

Das Unternehmen Wilke Technology GmbH entwickelt und produziert Mikrocontroller mit dem Namen Basic-Briefmarke und BASIC-Tiger. Die Basic-Briefmarke ist ein 8 Bit Mikrocontroller. Der BASIC-Tiger ist dagegen ein 32 Bit-Mikrocontroller. Meine Aufgabe im Rahmen der Dipl.-Arbeit ist es jetzt mit Hilfe des BASIC-Tigers einen Funktionsgenerator zu entwickeln und zu bauen. Kernstück des Funktionsgenerators ist ein Funktionsgenertorbaustein der Firma Maxim mit der Bezeichnung MAX038. Die Aufgabe des BASIC-Tigers ist es die vom Anwender erwünschten Signalformen, Frequenzen und Amplituden, die über ein Touchscreen oder Tastatureingegeben werden, an den MAX038 weiterzugeben. Der Funktionsgenerator soll Spannungen im Bereich von 0,1 V bis 10 V und Frequenzen von
10 Hz bis 10 MHz ausgeben können.

2 BASIC-Tiger

Die auffälligste Besonderheit des BASIC-Tigers ist seine Multitasking-Fähigkeit. Obwohl BASIC-Tiger-Module nicht viel größer sind als ein CPU Chip, ist ein Kompletter Multitasking Steuercomputer enthalten, der über eigenen Programm-Speicher ( FLASH ), Arbeitsspeicher ( SRAM + FLASH ) sowie eine Reihe von Standart-I/Os verfügt. Mehrere Tiger-Basic-Programme ( Tasks ) können in den Programmspeicher des Tigers geladen werden und bleiben dort, ähnlich der Festplatte eines PC, dauerhaft gespeichert, bis sie durch neue Programme überschrieben werden. Der FLASH-Speicher läßt sich ferner auch als dauerhafter Speicher für Daten verwenden, der von Basic-Programmen aus beschrieben, gelesen und gelöscht werden kann. Der Arbeitsspeicher kann bis zu mehreren MBytes SRAM betragen und läßt sich ebenfalls gegen Stromausfall sichern. Der Vorteil von Multitasking wird sofort offenkundig, wenn man sich reale Aufgabenstellungen für einen Steuercomputer ansieht. Selten besteht eine Anwendung nur aus einer einzelnen Aufgabe, die linear in einer großen Schleife abgearbeitet wird. Schon bei kleinen Anwendungen gibt es meist 3, 4, 5 oder mehr eigenständige Aufgaben zu erledigen, die weitgehend unabhängig voneinander abzuarbeiten sind Man denke nur an Ausgaben auf einen Drucker, Eingaben von Keyboards oder Seriellen Eingänge etc., die Anwendungen oft " hängen " lassen können. Um solche Zustände zu vermeiden ist oft einiger zusätzlicher Programmier- und Testaufwand erforderlich. Entsprechend schwerer verstehbar und pflegbar werden solche Programme. Programmiert in Multitasking, bleibt nichts so leicht hängen. Eingaben, Ausgaben oder Auswertungen werden in eigenständigen Tasks abgearbeitet. Ist z.B. eine rechenintensive Auswertung noch nicht abgeschlossen, so werden dennoch erforderliche Steuersignale generiert, der Dialog mit einer Schnittstelle fortgeführt, Informationen auf dem Display und Bedienungstasten überwacht. Derartige Multitasking-Programme laufen nicht nur schneller und zuverlässiger ab, sie sind auch leichter zu pflegen und bieten mehr Übersicht. Zusätzliche Aufgaben können auch später noch leicht als neue Task hinzugefügt werden. Der Leistungsbedarf der einzelnen Aufgaben läßt sich durch Priorisierung der Task fein einstellen, Kontroll-Tasks können wichtige Funktionen im Auge behalten und ggf. Notprogramme starten und Alarm auslösen. Die Programmierung in Multitasking ist beim BASIC-Tiger denkbar einfach und bereits mit wenigen Basic-Zeilen zu realisieren.

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