基于MAX038的函数发生器的设计-毕业论文

基于基于MAX038MAX038 的函数发生器的函数发生器的的设计设计 摘摘 要要 在介绍MAX038 芯片特性的基础上,论述了采用MAX038 芯片设计数字函数信号发生 器的原理以及整机的结构设计。 对其振荡频率控制、 信号输出幅度控制以及频率和幅度数显 的实现作了较详细的论述。 该函数信号发生器可输出三角波,方波和正弦波。 输出频率范围为 0. 1Hz 至10MHz。输出幅度的峰峰值为Vp - p = 5V ,正弦波非线性失真小于1 %。 关键词关键词 函数信号; 单片机控制; 数字显示 一一概述概述 信号发生器又称信号源或振荡器，是最重要的测量仪器之一，在生产实践和科 技领域中有着广泛的应用。 尤其是在电子工程、 通信工程、 自动控制、 遥测控制、 测 量仪器、 仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器， 而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。 它能满足测 试系统的多种要求，成为了系统综合测试中不可缺少的组成部分。 早期的函数信号发生器集成电路，如 L8038，BA205，XR22072209，它们的功 能较少，精度不高，频率上限只有 3000KHz，无法产生更高频率的信号，套接 方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者相互影响。 而目前广泛使用 的是一些标准产品，虽然功能齐全，性能制表较高，但是价格较贵，而且许多 功能却用不上。 本文提出一种采用专用信号发生器芯片 MAX038设计的简易信号发生器。MAX038 是 Maxim公司生产的精密高频单片信号发生器集成电路，内部电路完善。 使用该 芯片，设计简单，可以生成同一频率信号的各种波形信号，能以最少的外部元 件构成多波形高频函数信号发生器，也可以应用于压控振荡器(PLL)、脉宽调制 器、 锁相器环、 频率调制器、 频率合成器及FSK信号发生器，是目前较为理想的信 号产生集成芯片。 因此，相比之下，该仪器具有结构简单，成本低，体积小，便 于携带等特点，足以满足一般的实验要求。 二二MAX038 MAX038 芯片的主要特性芯片的主要特性 MAX038 是美国 MAXIM 公司生产的高频,高精度,低输出电阻,驱动能力强(20mA) 的函数信号发生器芯片。 1.MAX038 主要电气性能 工作频率范围: 0. 1 Hz20 MHz 频率扫描范围: 375 :1 输出电阻: 0. 1 非线性失真: 小于0. 75 % 温度系数: 200 ppm/ 输出波形: 正弦波,三角波,锯齿波,方波,脉冲波,占空比可调 输出幅度: Vp - p = 2V 2.MAX038 内部工作原理 MAX038 内部框图如图1 所示。 该芯片工作电源采用5V ,功耗为 400mW。 内部提 供 2. 5V 基准电压,通过外接可调电阻 R3 ,R1 向振荡电流发生器的 IIN 端和 FADJ 端提供频率粗调电流和频率细调电压;通过 R2 向 DADJ 端提供脉冲占空比 调节电压。 这三种参数经振荡电流发生器处理后,向振荡器提供充电电流,该电流 对外接电容CF 充电,形成振荡,产生三角波信号A ,B ,C。信号A 送正弦波形成 电路,产生正弦波;信号B ,C 送入比较器1 ,产生方波。此两路波形连同A 路输 出的三角波同时送入混合器,由A0 ,A1 控制端选择其中的一种波形输出。另外, 信号 A 送入比较器 2 ,产生同步信号 SYNC ,供外围电路使用;信号 B ,C 送入相 位检波器,产生PDO 信号和PDI 信号,供锁相环电路(PLL) 使用。 值得一提的是, 调节 R3 将改变 DADJ 端输入电压的大小,使三角波的对称性发生变化，从而形成 锯齿波,并调节脉冲波的占空比。 由此可见,要使正弦波的失真度最小,必须将完全对称的三角 波输入正弦波形成电路。 MAX038 输出的正弦波、三角波的图形如图2 所示。 图 1 MAX038 内部结构及外围电路框图 图2 输出波形图 三系统总体设计 系统由单片机控制模块，MAX038 信号产生模块，LCD 显示模块，占空比调节模 块， DAC 模块，电压放大模块组成。 单片机小系统由键盘，LCD 显示屏，和单片机AT89C52构成。负责用户的交互和 整个系统的控制，键盘用于对波形输出的选择和频率输出的调节，LCD 则显示 当前输出的波形及频率的调节值。 信号发生器的主振采用MAX038型高频精密函数信号发生器专用集成块，能够产 生准确的高频三角波、 方波和正弦波输出频率可以由内部的25V带隙电压基 准及一个外部的电阻和电容器控制，频率范围01Hz一20MHz。 占空比变化范围 为 1585，频率扫描范围为1350正弦波失真低于075。 信号放大电路采用 AD 公司的高速运放 AD811，使输出信号的幅度能达到发挥部 分的要求(在5V7V 之间)。因为这次放大出来的信号几乎没有失真，所以只在 AD811 放大的同时加了电源滤波还有阻抗匹配。 高速 DAC对模拟数字地之间的串扰十分敏感。模拟数字地之间的串扰对DAC输出 信号的波形影响很大。 故本系统采用一个线性电源对模拟电路供电，采用一个开 关电源对数字电路供电，模拟地和数字地之间通过一个磁珠相连。 这种设计实现 了模拟数字电路尽可能大的隔离。 实践证明，数字部分和模拟部分独立供电对信 号质量有很大的改善作用。 1. 整机框图结构及工作原理 整机系统的结构框图如图 5 所示,其中包括信号实现,频率控制,幅度控制,操作 键盘,数字显示等五个模块。信号实现模块是系统的核心部分,由MAX038 芯片构 成,它受微处理机的控制产生信号。频率控制模块主要完成频段选择,频率粗调, 频率细调等三项功能,模块内按功能分为三个部分:1) 控制 CF 的选择;2) 通过 DACB 控制IIN 端的电流;3) 通过DACA 控制FADJ 端的电压。 幅度控制模块主要 控制输出信号的峰峰值幅度,其内部也分为两个部分:1)放大输出信号幅度;2) 通过 DACD 控制有源程控衰减器,调整放大后的信号的输出幅度。 图5 函数信号发生器结构框图 四四 数控函数信号发生器的软件设计 数控函数信号发生器的软件设计 1. 用户操作界面及显示界面 用户操作界面及显示界面: 用户操作界面采用4 5 式键盘,分数字区和功能区两个部分。频段,频率,幅度 占空比的设定操作均按照先输入数值后输入功能的顺序进行;可按“清除”取消 输入;各种波形只须直接按键。频率显示取六位,显示单位为kHz ;幅度显示取四 位,显示单位为mV。 2.整机主要工作流程整机主要工作流程 五电路调试与分析 本设计的波形属高频部分，有很多区别于低频电路的地方。当频率波段选择在 8000MHz1300M Hz之间时，电容对地间的导线长短对输出波形影响很大。 经过很多次调试，得把电容一端直接接地效果最好，其余低频部分电容对地电 阻大小影响不是很大，可以通过导线接人地。 调节频率波段的时候最好与中心频 率一起调节选择最佳频率段。 调试过程中即使一个电容对地导线的电阻对高频部 分影响都是非常大的，还有就是运放选择、 电源滤波、 电阻匹配、 对地短接都是需 要考虑的问题 。 输出波形电压放大部分设计选择了 AD 公司的高速单运放 AD811 完成电压放大 。 AD811 为电流反馈型宽带运放，其带宽增益积为 140MHz 增益为+10 的情况下， 一 3dB 带宽达 100MHz，非常适合本系统的宽带放大要求，有 xl2V 的输出摆幅， 且输出电流最大可达100mA，完全可满足峰峰值要求，外围电路也很简单。 本系统是通过 DAC0832 输出双极性电压来调节频率控制引脚上的电压，从而实 现输出波形的微调。DAC0832的输出通过两级放大就可实现双极性输出。通过调 试确认单片机晶振频率与程序时所选择的外部 振的频率是否一直，可以实现 从一 25V+25V的双极性电压输出。 占空比调试对正弦波不起什么作用，对 方波的影响最大。 当输出正弦波时调节占空比旋钮可以发现正弦波的波形失真度 会随着发生变化，调节占空比旋钮使输出正弦波失真最小。 六小结 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 是一种可能实现的方法。此法的频率控制和幅度控制分辨率高,具有直观的数字 显示,且硬件集成度高,整机自动化程度高,性能优良,具有很高的实用价值。 本设计采用专用信号发生器芯片 MAX038 实现了函数信号发生器的功能，它可以 通过单片机对MAX038的 Vadj控制管脚进行细调，利用更换 MAX038的COSC引脚 所接电容大小对输出信号频率段功进行粗调，并可同时通过 LCD 对输出信号的 波形和频率调整情况进行显示，系统结构紧凑，电路简单，功能强大，可扩展 性强，具有成本低，体积小，便于携带的特点，测试结果表明本设计可以满足 常用实验的要求。 七参考文献： 【1】 黄庆彩，祖静，裴东兴基于 MAX038的函数信号发生器的设计 J仪器仪 表学报，20