毕业设计（论文）-基于MAX038的多波形函数信号发生器设计.doc

目 录摘 要iabstractii1.绪 论12.1 概述22.2 设计指标22.3 方案论证与比较22.4 max038芯片介绍32.5 芯片引脚42.6 系统框图及原理62.7 频段调节控制72.8 频率、幅值、占空比控制92.9 输出信号的放大处理102.10 本章小结103系统硬件的设计113.1 系统总体设计113.2 单片机介绍及外围电路113.3 频率、占空比调节143.4 输出信号的放大处理163.5 电源电路173.6 键盘设计183.7 本章小结184系统软件设计流程图194.1 主程序流程图195. 系统分析总结与展望20致谢22参考文献23附 录251 单片机程序252 系统完整电路图28ii徐州师范大学本科生毕业设计 多波形函数信号发生器的设计1.绪 论在现代社会中，自动化技术早已渗透到社会生产的各个领域中。高精度、宽频率、高稳定性的信号发生器对于所属整体系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。传统的函数信号波形发生器如8098等等，通常由晶体管、运放ic等分立元件制成。其发出的信号的稳定性，信号的失真度，频率的范围大小，都不是很理想。于此相比，基于max038的多波形函数信号发生器具有信号输出频率高、波形稳定、失真小、可控性强等特点。利用信号进行仪器的控制已是自动控制理论中的一个重要的手段。那么，一个幅度、频率、稳定性、占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有实际价值。只要将这个函数信号发生器设的设计思路掌握好，不但可以融会贯通所学的专业知识，还可以在今后的工作中作为参考，用来控制其他设备。多波形函数信号发生器是电子实验室的基础设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标高，但价格较贵。本文介绍一种由马克西姆公司max038设计的简易信号发生器，该器件结构简单，虽然性能指标赶不上标准信号发生器，但能满足一般的实验要求。其成本低、体积小、便于携带等特点，亦可作为电子产品维修人员的随身设备之一。基于max038的多波形函数信号发生器设计，本课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，结合现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本系统的设计全过程。通过max038来产生一系列有规律的幅度和频率可调的方波、三角波和正弦波，这样的一个多波形函数信号发生器在控制领域有着相当广泛的应用范围。本文主要分五大部分：绪论、系统概述和设计方案、硬件部分、软件部分、总结。绪论首先对课题背景和所涉及的技术领域进行介绍；第一章对系统所要完成的功能进行讲解，确定系统的主要参数，第二章对系统的硬件结构和各部分组成进行简要的介绍；第三章软件部分，这部分重点介绍了主程序的流程图及驱动程序。最后对全文进行了总结与展望。2系统概述和方案设计2.1 概述信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。2.2 设计指标信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形，输出信号频率在0.1hz20mhz范围内可调，输出信号频率可分段调节：在0.1hz1hz范围内步步进间隔为0.11hz，在1hz10hz范围内步进间隔为1hz，在10hz1khz范围内步进间隔为10hz；在1khz20mhz范围内步进间隔为1khz。输出信号频率值可通过键盘进行设置；在1kw负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值在020v范围内可调；输出信号波形无明显失真。2.3 方案论证与比较函数信号发生器的实现方法通常有以下几种： 方案一：用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。 方案二：可以由晶体管、运放ic等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器ic产生。早期的函数信号发生器ic，如8038等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300khz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。 方案三：利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器icmax038，它克服了方案二中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。max038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器ic。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，max038都是优选的器件。 方案四：利用专用直接数字合成dds芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。通过对以上四种方案的比较，我们可以看出几种方案的优缺点：方案一：结构很简单，制作容易，但是输出信号有频率线性度差、频率稳定度低、频率分辨率低、频率变换时间比较长，相位噪声大以及人机界面不友好等缺点。方案二：电路结构简单，但在频率分辨率、频率变换时间、相位噪声等方面都不如方案三。方案三：结构相对复杂，但具有输出频率稳定性高，频率输出线形度好、频率分辨度高、波形正确，频率变换时间小，相位噪声小、人机界面好、易于控制等优点、性能优良。方案四：能产生任意波形且达到很高的频率，但是成本较高。基于我们的选择标准在满足工作要求的前提下，性价比高的发生器是我们的首选。从上面的比较可以看出，方案一和方案二都有各自较大的缺点，难以达到理想的设计要求。而方案四虽然能达到很好的要求，但是从价格方面考虑我们还是选择方案三较好。2.4 max038芯片介绍max038是美国maxim（马克希姆）公司应市场的需求而研制的单片集成高频精密函数发生器，具有较高的频率特性、频率范围很宽、功能较全、单片集成化、外围电路简单、使用方便灵活等特点。内有主振荡器、波形变换电路、波形选择多路开关、2.5v基准电压源、相位检测器、同步脉冲输出及波形输出驱动电路等。其主要优点有：1)能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波信号。2)频率范围从0.1hz20mhz，最高可达40mhz，各种波形的输出幅度均为2v3)占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是1090。4)波形失真小，正弦波失真度小于0.75，占空比调节时非线性度低于2。5）采用5v双电源供电，允许有5变化范围，电源电流为80ma，典型功耗400mw，工作温度范围为070。6)低温度漂移：200 ppm。7)低阻抗输出缓冲器：0.1；8)内设2.5v电压基准，可利用该电压设定fadj、dadj的电压值，实现频率微调和占空比调节。2.5 芯片引脚图2.5.1 max038引脚图表2.5.1 max038引脚名称及功能引脚号名 称功 能1ref2.50 v带隙基准电压输出端2gnd地3a0波形选择输入端，ttlcmos兼容4a1波形选择输入端，ttlcmos兼容5cosc外部电容连接端6gnd地7dadj占空比调整输入端8fadj频率调整输入端9gnd地10iin用于频率控制的电流输入端11gnd地12pdo相位检波器输出端。如果不用相位检波器则接地13pdi相位检波器基准时钟输入端。如果不用相位检波器则接地14syncttlcmos兼容的同步输出端，可由dgnd至dv+间的电压作为基准15dgnd数字地。让他开路使sync无效，或是sync不用16dv+数字+5 v电源。如果sync不用则让他开路17v+5 v电源18gnd地19out正弦波、方波或三角波输出端20v-5 v电源图2.5.2 max038内部电路图max038内部还有正弦整形电路、比较器、复用器以及鉴相器电路，它们共同实现了正弦波、三角波、锯齿波、矩形波和脉冲波的生成。鉴相器是作为锁相环的备用单元，为异或门电路结构，输入信号一路来自内部差动矩形波osca和oscb，另外一路来自外部引脚pdi。鉴相器的输出信号为电流，由pdo引脚输出平均值变化范围为。当两路输入信号的相位差为时，输出电流的占空比为50%，平均值为。如果构成锁相环路，则pdo和fadj相连，并且对地连接一个电阻，同时并联一个电容。决定鉴相器的灵敏度，用于滤除电流中的高频成分。2.6 系统框图及原理如图2.6.1所示，采用单片机at89c52对主信号发生芯片进行智能控制，对max038产生的波形信号进行频率高低，占空比大小，幅度范围的控制，以及产生波形选择控制。 图2.6.1 系统框图max038的输出频率主要受振荡电容cf ， iin 端电流和fadj 端电压的控制，其中前二者与输出频率的关系如图2.7.1 所示。选择一个cf值，对应iin 端电流的变化，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。为实现输出频率的数控调整，在iin 端和fadj 端分别连接一个电压输出的dac。首先，通过dacb产生0v(00h)到2.5v(0ffh)的输出电压，经电压/ 电流转换网络，产生0a到748a的电流，叠加上网络本身产生的2a电流，最终对iin 端形成2a到750a 的工作电流，使之产生相应的输出频率范围。dacb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端的电流对输出频率实现粗调。第二步，通过daca 在fadj端产生一个从- 2.3v(00h)到+ 2.3v(0ffh)的电压范围，该范围同样包含256级步进间隔，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。图2.7.1 输出频率与iin 电流及振荡电容cf的关系2.7 频段调节控制max038的输出频率和cf电容与iin 端的电流间的关系如表2.7.1 所示。固定一个cf值，当iin 端的电流从到的变化时，对应产生一个频段的频率范围。经实验调整，我们选择了一系列的cf 如表2.7.1 所示，并确定了各cf所对应的频段和频率范围。由于系统通过dac 控制iin 端电流和fadj 端电压，将各频段的频率范围划分为65536 级间隔，因此各频段的输出误差为此外，由于相邻频段之间存在着频率重叠现象，并且考虑到各个频段对应的误差大小有所差异，因此设定各频段的实际起止频率围：f3f4，以便获得最小的误差。表2.7.1 输出波形频率范围与cf的关系表频段号cff1(2a)f2(750a)ff3f4110pf200khz65mhz1khz600khz10mhz21nf2khz650khz10hz6khz600khz3100nf20hz6.5khz0.1hz60hz6khz410f0.2hz65hz0.001hz0.2hz60hz在5脚cocs和6脚gnd接上电容以后，10脚iin是频率控制的电流输入端，利用恒定电流向电容充电和放电，便可形成振荡。是受8脚fadj和7脚dadj端电压的控制，振荡频率由下式确定。 (2.1)因为我们要求的频率范围在0.2hz10mhz，分四个频段来满足要求，在每个频段上连续可调，由芯片内部参数可知道，当时，的容量范围可以在时，芯片有较好的性能。因此，有（2.1）式可知 (2.2)当时，；当时，为了使数字控制能够使实现，我们在d/a转换模块使用图2.5所示的电阻连接方法。当数字量为00h时，输出为。max038的10脚iin有的电流输入。当数字量为ffh时，输出为基准电压。max038的10脚iin有的电流输入。用公式（2.1）（2.2）可以检验，确定表2.7.1所列的电容值可满足后面频率产生要求。2.8 频率、幅值、占空比控制max038的核心部分是一个电流控制的振荡器，通过恒定电流对外部电容cf充电和放电，获得三角波、方波和正弦波信号输出。充放电电流由流进max038的iin引脚的电流控制，由加在引脚dadj、fadj上的电压调整。电路的振荡频率为：波形的占空比为：。当时，iin可设为时，可设为，对应中心频率为350:1的变化；当时，调制频偏为70%。控制外部电容充、放电电流的比值，当时，波形的占空比为50%；当，占空比为10%90%。在fadj和dadj端口的内部，设置了的下拉电源流，可简化外部电路设计，仅用电阻（连接引脚fadj和基准电压的可变电阻）和（连接引脚dadj和基准电压的可变电阻）就可以对频偏和占空比进行调整。iin引脚由内部的运放强制为虚地，故仅用电阻就能调整输入电流，实现中心频率的调节。的基准电压源主要用于提供电流和、电压，其温度系数典型值为20ppm/，负载电流小于。通过控制8选1模拟开关cd4051来选择的电容量，从而确定频率范围。本系统共有8个频段供切换，输出频率范围与的对应关系如下表2.8.1所示。表2.8.1 输出频率范围与的对应关系波段电容值频率范围120pf2mhz20mhz2100pf200khz2mhz31000pf20khz200khz40.01f2khz20khz50.1f200hz2khz61f20hz200hz710f2hz20hz8100f0.1hz2hzmax038内部有一个的基准电压源，由ref引脚输出。基准电压源由两个lf353及电阻电容组成，分别组成放大倍数为1和1的缓冲器，因而得到的基准电源。这个电压源对整机的性能很重要，因为各控制电路均需要该参考输入。在应用中，max038通常可以单独承担函数信号输出的功能，通过外部的电阻和电容的调节，完成特定频率和幅值的信号输出。2.9 输出信号的放大处理由于max038的输出信号为恒定的2v（p-p），且输出电流不高，所以必须在输出级至少有一级放大电路来提供足够的输出电压和电流，以满足一般使用要求。以下是放大电路设计的几点考虑： 首先，放大电路要求具有很高的频宽，因为输出信号最大基频为20mhz，其三角波和矩形波的高次谐波成分很高，只有高宽频才能得到不失真的输出波形。 其次，高频大信号放大要求放大电路有足够的输出电压转换速率。 另外，要带动低阻负载，放大电路的电流输出能力也是个重要参数。要在1k负载上输出5v信号，则放大器至少要有的连续电流输出能力。2.10 本章小结本章主要讲述了基于max038芯片的多波形函数信号发生器的设计原理，该方案能产生正弦波、三角波和方波。接着介绍了max038集成函数发生器芯片的性能与特点，并分析了改芯片的结构组成和各模块的功能。随后介绍了由max038构成的10hz100khz多功能信号源的设计过程。3系统硬件的设计依据max038输出频率的数控调节原理，配合单片机控制，我们可以实现数控的函数信号发生器。3.1 系统总体设计整机由图3.1.1所示的七大模块组成，分别是电源产生电路，频段选择电路，按键电路，单片机外围控制电路（包括信号的占空比，频率，幅度控制电路）。图3.1.1 总设计原理布局图 基于max038 的单片机多波调频信号产生器主要由单片机at89c52、max038构成，如图3.1.1 所示。由at89c52 的p2.0 和p2.1控制选定波形，at89c52 通过产生控制电压并以近似线性的规律来调制频率和占空比。3.2 单片机介绍及外围电路at89c52是51系列单片机的一个型号，它是atmel公司生产的。at89c52是一个低电压，高性能cmos型8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元。at89c52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。at89c52有pdip、pqfp/tqfp及plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性 兼容mcs51指令系统 8k可反复擦写(1000次）flash rom 32个双向i/o口 256x8bit内部ram 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24mhz 2个串行中断 可编程uart串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能at89c52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体及电容c1， c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c1， c2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里选择使用石英晶体。也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路的情况时，外部时钟脉冲接到xtal1端，即内部时钟发生器的输入端，xtal2则悬空。图3.2.1 at89c52芯片外观及引脚图中的芯片是atmel公司的单片机芯片at89c52，工作在11.0592mhz频率下，其p2.0引脚和max038的a0和a1相连，用于选择输出波形；key为单片机的外围44键盘接口，它和单片机的p1.0p1.7连接，p1.0p1.3对应于键盘的行14，p1.4p1.7对应于键盘列的14。 图3.2.2 单片机外围硬件电路3.3 频率、占空比调节max038的占空比的调整有两种方式，一种时利用内部基准电压源调整，另一种是利用外加电源调整，为使电路简单，采用第一种调整方式。在max038 的dadj端应用一个2.3v2.3v 的电压控制信号， max038 的dadj引脚上的电压可控制波形的占空比(定义为输出波形为正时所占时间的百分数），并且能够改善正弦波的波形，可进行脉冲宽度调制和产生锯齿波。当接地（即）时，其占空比为50%，占空比的调整可采用max505的一片dac，输出2.3v 范围内的电压，占空比可在10%90%范围内改变，约每伏改变15%，当电压超过2.3v 将使频率偏移或引起不稳定。为产生一定占空比而加在dadj上的电压为： (3.1)对双极性输出的d/a 转换器，基准电源为2.3v时，max505接受数据与占空比的关系式为： (3.2)其中：为dadj 引脚上的电压，为占空比。这样可完成激励信号的占空比设置。调整的充放电时间，在10%90%的范围内调整振荡器输出的三角波，最终产生失真的正弦波，锯齿波和脉冲波。这三种波形同时送入混合器，由a0，a1选择输出。所以为简单起见，关于占空比调节和频率调整，可采用外部电位器调整控制。调节频率调整电路的电位器，改变max038输入端iin的电流大小，从而改变频率值；调节占空比调节电路中的电位器，改变max038输入端dadj的电压大小，从而改变占空比。图3.3.1中的芯片为maxim公司的信号发生芯片max038，其波形选择引脚a0和a1与单片机的p2.0和p2.1引脚相连，在单片机的控制下输出正弦波、矩形波和三角波3种不同的波形，波形的频率和幅值可以通过外部的可变电阻进行调节。out为max038的信号波形输出，送至放大电路。max038在正弦波输出时，输出的信号频率为。图3.3.1 max038外围硬件电路3.4 输出信号的放大处理max038输出波形的幅值为2 v(p-p)，最大输出电流为20ma，输出阻抗的典型值为0.1。可直接驱动100的负载。为了得到更大的输出幅度和驱动能力，就需要对波形信号作进一步处理，图3.4.1给出了一个波形输出与驱动电路。波形信号从max038的out端输出后，可使其通过一个ad811进行电压放大。ad811为电流反馈型宽带运放，其带宽增益积为140mhz，15v供电，增益为+10的情况下，-3db带宽达100mhz，非常适合本系统的放大要求，有12v的输出摆幅，且输出电流最大可达100ma，完全可以满足峰峰值要求。后接buf634p起缓冲器的作用。图3.4.1 输出信号的放大驱动电路3.5 电源电路根据整机要求，电源电路应为信号产生电路提供5v电压，其中5v电压需要稳压输出，为此选用了7815， 7915两种三端集成稳压器，这种三端固定电压输出式集成稳压器，使用简单，价格较低，且由于内部具有过压过流保护，使整机的电源电路稳定，性能可靠。外接9v交流电输入，经绝对值电路，然后滤波通过7805，7905产生5v的直流电压。在中间串入7812和7912，则可以为波形放大驱动电路提供12伏的工作电压。电源部分电路图如图3.5.1所示。图3.5.1 电源电路图3.6 键盘设计软件需要实现的主要功能是检测键盘的输入，根据输入结果选择相应的波形信号。键盘操作和对应的输出如下： 输入按键0（第1行第1列），得到正弦波； 输入按键1（第1行第2列），得到矩形波； 输入按键2（第1行第3列），得到三角波；在图4.1.1中，键码为11对应的是第1行第1列的按键；键码为21对应的是第1行第2列的按键；键码为41对应的是第1行第3列的按键。3.7 本章小结本章节着重介绍了如何通过硬件电路的组合，来实现先前多波形函数信号发生器的设计。涉及的主要器件有max038、单片机89c52、放大器ad811、八一片选cd4051和缓冲器buf634p。4系统软件设计流程图4.1 主程序流程图图4.1.1 主程序流程图5. 系统分析总结与展望采用max038 芯片制作函数信号发生器随设计思想不同，具有多种方法，本文只是其中一种可实现的方法。设计出的信号发生器结构简单，不需调整，具有很高的性价比，体积也很小。和利用分离元件实现的发生器相比，具有显著的优势，这足以弥补它在某些方面的不足。同时该信号源设计尚存在的不足之处，主要有两个方面，第一为缺乏频率准确显示的手段，可以配备相应的数字频率计模块，但如何将显示的精度与信号源的频段配合有待讨论研究；第二为输出级可配以显示输出幅度的仪表，并且放大电路有待进一步改进，使其具有更强的输出能力。由于使用了单片机作为电路的控制核心，整个波形发生器具有成本低，可靠性高，体积小巧、易于携带，功耗低，输出波形优良，使用方便等优点。在此波形发生器输出加入一个宽带可变增益放大器即可调整输出波形幅度，改变参考频率的大小即可改变输出信号的分辨率及频率范围，频率范围可以连续覆盖1hz20mhz，分辨率可以做到10hz甚至1hz。对于低成本的小型波形发生器，这是max038的一个理想的应用方案。由于此次实现的信号发生器电路是模数混合电路，因此在电路设计和线路板布局上都有所研究。具体有： max038的模拟电源和数字电源需要分开，在供电时要分别供电，即分别取自不同的电源，以防数字信号通过电源线干扰模拟部分；同样模拟地和数字地的处理也要慎重，pcb板上要用低阻地平面分别将模拟地和数字地连接，然后在某一点上将两地相连。在双层板上，信号线要尽量布在焊接面，元件为地平面，这样可以减少信号间的干扰，这一点对系统性能的稳定尤为重要，因为系统性能受iin、fadj、dadj、cosc等引脚周围的分布电容及信号环境的影响特别敏感，此外，这些引脚引线的长度和面积还应尽量短小由于不同结构的电阻具有不同的寄生电容和寄生电感，因此在选择电阻时，应选用寄生电容和寄生电感小的电阻，推荐使用1%以上精度的金属膜电阻。在高频线路中，电源去耦是