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摘 要 文中阐述了紫外通信综合实验平台信号源设计的必要性，设计了紫外通信实验平台的系统结构方案，选用了信号产生芯片MAX038与ICL8038，探讨了两者工作原理，对比了两者的优劣性，分析了MAX038外围器件工作的参数，最后使用OrCAD Pspice完成了电路的仿真，并通过结果分析验证了电路的可行性。
关键词 紫外通信 MAX038 ICL8038 方波 OrCAD Pspice
紫外光通信不易被侦测和干扰，大气粒子的散射以及氧气和臭氧分子的吸收使紫外光传输损耗较大，日盲区紫外光散射通信只能在一个较小的范围内使用，同时也增加该谱段信号远距离侦测和干扰的难度，这一特点也使紫外光散射通信成为军事通信领域研究的一个热点[6]。欧美紫外通信的研究比较成熟，而在我国发展比较晚，起点比较低，为此建立一个紫外通信实验平台有助于以后实验的开展和系统的完善。一个系统的建立需要分块地研究，将系统模块化。模块化设计可以使系统设计的局部和整体有机结合，有利于分步骤地开发新的实验，有利于电路的更新，有利于我们掌握和理解系统的模块化设计，可以提高资源的利用率。而在一个通信系统中信号源是必不可少的组成部分，为此制作信号源是很有必要的。ICL8038与MAX038作为产生信号的芯片代表，分析两者的优劣性是很有意义的，为此在本系统中进行信号源设计。
1 系统设计方案
本紫外通信综合实验平台的系统框图设计如图1所示，系统分发送接收两大模块，发送端由串口、语音采集器、DSP编码、紫外汞灯/紫外LED驱动电路组成，接收端由光电倍增管PMT、前置滤波放大电路、A/D转换电路、DSP译码、语音解码、串口等组成。此系统是将紫外LED与紫外汞灯整合在一起作为发射光源。根据组成将系统进行模块化，大致分为：信号源模块、语音编码模块、串口模块、DSP调制模块、紫外灯整流稳频模块、紫外LED驱动电路、天线模块、滤光模块、PMT接收模块、光微弱信号滤波放大模块、A/D转换模块、DSP解调模块、语音解码模块、显示模块。其中信号源模块是为了方便系统的调试而设计的，它可以产生方波信号通过串口进入DSP调制，也可以产生正弦信号（单一频率声音信号）通过语音编码进入系统，也可以直接作为驱动电路的信号，完成信号的传递。此信号源应该具有输出正弦波，方波的能力，输出信号中心频率F0=50kHz，调节范围应在20kHz～80kHz。
2 信号源模块选型
2.1 芯片选型
根据当前系统BFSK设定的调制频率在24kHz和40kHz，考虑实际需要以及今后的发展，应设定信号源的频率在100kHz以下，且频率在一定范围内可调。考虑成本原因，可以选取一般的线性调频信号，采用模拟方法产生信号即可，不需要PLL高精度锁频锁相，也不需要产生数字信号。但是需要具备低温度频率漂移系数，正弦波失真要小，工作变化周期要宽，占空比需要可调性，外部器件简单易于使用，功能齐全，便于以后电路的改进。根据这些要求选择了MAX038和ICL8038两种芯片。MAX038核心是一个电流控制的基本振荡器，通过恒流源对外部电容充放电，获得三角波和方波信号；ICL8038是通过两个恒流源对外部电容充放电，其中有个电流源受另一个电流源控制开断，周期循环完成振荡，根据充放时间不同输出不同波形。
2.2 两者的优劣
MAX038是美国MAXIM公司研制的单片高频精度函数波形发生器，它的高频特性好频率范围很宽频率与占空比能单独调节功能全调节方式更加灵活等优点。可广泛用于高频精密函数波形发生器频率调制器脉宽调制器锁相环频率合成器调频发生器等领域[2]。
ICL8038是美国HARRIS公司生产的单片精度函数波形发生器。它具有频率范围宽稳定度高外围电路简单易于制作等优点，可生产中低频高质量的正弦波矩形波三角波等函数波形，其能实现FM调制扫描输出[4]。
第一.两者的频率范围不一样，ICL8038适用于低频信号，而MAX038适用于中低频，适用的范围更广。
第二.输出端口数量不同，ICL8038的方波，三角波，正弦波分别由三个端口输出信号；而MAX038只有一个输出端口。
第三.ICL8038没有控制端口，MAX038有两个控制地址，可以连接PC等控制芯片，使输出信号在单一端口不同时间相互转换。
第四.ICL8038外围比较简单，控制调节也比较简单，而MAX038外围相对复杂。
第五.ICL8038应用比较窄，只能产生信号，跟它的内部构造有关；MAX038芯片内还采用了多路选择器，以及一个内部鉴相器，可以输出同频的同步信号，以及完成外部信号的鉴频锁相作用。
第六.MAX038可以单独一个芯片产生本实验所需要的FSK信号，而ICL8038不具有这个能力。
第七.MAX038的频率漂移比较大，达到了200pm/℃，而ICL8038的频漂仅为50ppm/℃，特别是开始运行时，漂移可达1%[5]。
最终选取了MAX038作为本实验平台的信号源产生芯片。
3 MAX038参数确定
本系统中要求的信号调制频率设定为24kHz和40kHz，信号源中心频率F0=50kHz，结合此芯片粗细调节范围，通过细调可使输出频率在15kHz～85kHz，便于频率扩展。采用FDAJ端口来调节输出频率，DADJ端口调节占空比，MAX038的Iiin最佳为100mA[1]。根据[1]得IIN端口输入电流Iiin：
4 电路设计与结果分析
图2为根据参数设计的OrCAD PSPICE仿真电路图，MAX038由双电源供电，分别是+5V，-5V； A0，A1为输出波形选择地址，当A1为高电平时不论A0多少，OUT端都输出正弦波；A1为低电平时，当A0为低电平时，OUT输出方波，当A0为高电平时，OUT输出三角波。通过观察R8的输出电压，可以得到输出波形。电源与地之间通过电容隔离，电阻与地之间通过大电阻隔离。其中输出电阻R8可以使用滑动变阻器，通过滑动变阻器可以调节输出电压的幅值。
当滑动变阻器R9=R10=10kΩ，SW3-1调至中间时， A0=A1=1，OUT端输出方波，经计算输出频率为50kHz，占空比为0.5，仿真结果如图3所示：
可以看到输出方波的周期为20us，即频率f=50kHz，占空比为0.5，与计算相符。
当滑动变阻器R9=R10=5kΩ，SW3-1调至中间时， A0=A1=1，OUT端输出方波，经计算输出频率为31.78125kHz，占空比为0.2825，图4为仿真结果。
如图探针的结果显示，周期T=（53.955-22.486）μs= 31.469μs，即频率f= 31.777khz，误差0.0133%，占空比=（31.469-22.486）/31.469=0.2854，误差1.0265%。
从结果可以看到占空比的误差比较大，首先这跟占空比这一基底比较小有关，其次在波形探点选取方面可能存在人为误差。
5 结束语
本文以实际应用为出发点，介绍了紫外通信综合实验平台的设计方案，选择了两种常用型的信号产生芯片，通过对它们内部结构的了解，总结了它们优缺点，在此基础上设计了以MAX038为基础的信号源产生电路，选择了两个典型例子说明了此电路的可行性。下一步将进行硬件制作调试，将其应用到此实验平台中。
关键词 紫外通信 MAX038 ICL8038 方波 OrCAD Pspice
紫外光通信不易被侦测和干扰，大气粒子的散射以及氧气和臭氧分子的吸收使紫外光传输损耗较大，日盲区紫外光散射通信只能在一个较小的范围内使用，同时也增加该谱段信号远距离侦测和干扰的难度，这一特点也使紫外光散射通信成为军事通信领域研究的一个热点[6]。欧美紫外通信的研究比较成熟，而在我国发展比较晚，起点比较低，为此建立一个紫外通信实验平台有助于以后实验的开展和系统的完善。一个系统的建立需要分块地研究，将系统模块化。模块化设计可以使系统设计的局部和整体有机结合，有利于分步骤地开发新的实验，有利于电路的更新，有利于我们掌握和理解系统的模块化设计，可以提高资源的利用率。而在一个通信系统中信号源是必不可少的组成部分，为此制作信号源是很有必要的。ICL8038与MAX038作为产生信号的芯片代表，分析两者的优劣性是很有意义的，为此在本系统中进行信号源设计。
1 系统设计方案
本紫外通信综合实验平台的系统框图设计如图1所示，系统分发送接收两大模块，发送端由串口、语音采集器、DSP编码、紫外汞灯/紫外LED驱动电路组成，接收端由光电倍增管PMT、前置滤波放大电路、A/D转换电路、DSP译码、语音解码、串口等组成。此系统是将紫外LED与紫外汞灯整合在一起作为发射光源。根据组成将系统进行模块化，大致分为：信号源模块、语音编码模块、串口模块、DSP调制模块、紫外灯整流稳频模块、紫外LED驱动电路、天线模块、滤光模块、PMT接收模块、光微弱信号滤波放大模块、A/D转换模块、DSP解调模块、语音解码模块、显示模块。其中信号源模块是为了方便系统的调试而设计的，它可以产生方波信号通过串口进入DSP调制，也可以产生正弦信号（单一频率声音信号）通过语音编码进入系统，也可以直接作为驱动电路的信号，完成信号的传递。此信号源应该具有输出正弦波，方波的能力，输出信号中心频率F0=50kHz，调节范围应在20kHz～80kHz。
2 信号源模块选型
2.1 芯片选型
根据当前系统BFSK设定的调制频率在24kHz和40kHz，考虑实际需要以及今后的发展，应设定信号源的频率在100kHz以下，且频率在一定范围内可调。考虑成本原因，可以选取一般的线性调频信号，采用模拟方法产生信号即可，不需要PLL高精度锁频锁相，也不需要产生数字信号。但是需要具备低温度频率漂移系数，正弦波失真要小，工作变化周期要宽，占空比需要可调性，外部器件简单易于使用，功能齐全，便于以后电路的改进。根据这些要求选择了MAX038和ICL8038两种芯片。MAX038核心是一个电流控制的基本振荡器，通过恒流源对外部电容充放电，获得三角波和方波信号；ICL8038是通过两个恒流源对外部电容充放电，其中有个电流源受另一个电流源控制开断，周期循环完成振荡，根据充放时间不同输出不同波形。
2.2 两者的优劣
MAX038是美国MAXIM公司研制的单片高频精度函数波形发生器，它的高频特性好频率范围很宽频率与占空比能单独调节功能全调节方式更加灵活等优点。可广泛用于高频精密函数波形发生器频率调制器脉宽调制器锁相环频率合成器调频发生器等领域[2]。
ICL8038是美国HARRIS公司生产的单片精度函数波形发生器。它具有频率范围宽稳定度高外围电路简单易于制作等优点，可生产中低频高质量的正弦波矩形波三角波等函数波形，其能实现FM调制扫描输出[4]。
第一.两者的频率范围不一样，ICL8038适用于低频信号，而MAX038适用于中低频，适用的范围更广。
第二.输出端口数量不同，ICL8038的方波，三角波，正弦波分别由三个端口输出信号；而MAX038只有一个输出端口。
第三.ICL8038没有控制端口，MAX038有两个控制地址，可以连接PC等控制芯片，使输出信号在单一端口不同时间相互转换。
第四.ICL8038外围比较简单，控制调节也比较简单，而MAX038外围相对复杂。
第五.ICL8038应用比较窄，只能产生信号，跟它的内部构造有关；MAX038芯片内还采用了多路选择器，以及一个内部鉴相器，可以输出同频的同步信号，以及完成外部信号的鉴频锁相作用。
第六.MAX038可以单独一个芯片产生本实验所需要的FSK信号，而ICL8038不具有这个能力。
第七.MAX038的频率漂移比较大，达到了200pm/℃，而ICL8038的频漂仅为50ppm/℃，特别是开始运行时，漂移可达1%[5]。
最终选取了MAX038作为本实验平台的信号源产生芯片。
3 MAX038参数确定
本系统中要求的信号调制频率设定为24kHz和40kHz，信号源中心频率F0=50kHz，结合此芯片粗细调节范围，通过细调可使输出频率在15kHz～85kHz，便于频率扩展。采用FDAJ端口来调节输出频率，DADJ端口调节占空比，MAX038的Iiin最佳为100mA[1]。根据[1]得IIN端口输入电流Iiin：
4 电路设计与结果分析
图2为根据参数设计的OrCAD PSPICE仿真电路图，MAX038由双电源供电，分别是+5V，-5V； A0，A1为输出波形选择地址，当A1为高电平时不论A0多少，OUT端都输出正弦波；A1为低电平时，当A0为低电平时，OUT输出方波，当A0为高电平时，OUT输出三角波。通过观察R8的输出电压，可以得到输出波形。电源与地之间通过电容隔离，电阻与地之间通过大电阻隔离。其中输出电阻R8可以使用滑动变阻器，通过滑动变阻器可以调节输出电压的幅值。
当滑动变阻器R9=R10=10kΩ，SW3-1调至中间时， A0=A1=1，OUT端输出方波，经计算输出频率为50kHz，占空比为0.5，仿真结果如图3所示：
可以看到输出方波的周期为20us，即频率f=50kHz，占空比为0.5，与计算相符。
当滑动变阻器R9=R10=5kΩ，SW3-1调至中间时， A0=A1=1，OUT端输出方波，经计算输出频率为31.78125kHz，占空比为0.2825，图4为仿真结果。
如图探针的结果显示，周期T=（53.955-22.486）μs= 31.469μs，即频率f= 31.777khz，误差0.0133%，占空比=（31.469-22.486）/31.469=0.2854，误差1.0265%。
从结果可以看到占空比的误差比较大，首先这跟占空比这一基底比较小有关，其次在波形探点选取方面可能存在人为误差。
5 结束语
本文以实际应用为出发点，介绍了紫外通信综合实验平台的设计方案，选择了两种常用型的信号产生芯片，通过对它们内部结构的了解，总结了它们优缺点，在此基础上设计了以MAX038为基础的信号源产生电路，选择了两个典型例子说明了此电路的可行性。下一步将进行硬件制作调试，将其应用到此实验平台中。