数字化波形发生器的设计毕业设计.doc

数字化波形发生器的设计 学生：XX 指导老师：XX内容摘要：介绍一种数字化波形发生器的设计。采用MAX038函数发生器芯片，在单片机的控制下输出正弦波、三角波、矩形波，频率、占空比可通过12位4路输出的数模转换器MAX526进行数控调节。波形的频率和幅值采用LCD显示。8选1多路模拟开关AD7501在单片机的控制下实现频段的选择。MAX038输出的幅值电压放大后送入数字衰减器AT-280进行衰减，以调整放大后的输出幅度。关键词：数控波形发生器 MAX038 MAX526 LCD模块The design of a digital waveform generatorAbstract: Introduces a design of digital waveform generator. Using MAX038 function generator chip, the microcontroller under the control of a sine wave, triangle wave output, rectangle wave, frequency, and occupies emptiescompared to a 4 way through 12 of the output MAX526 digital-to-analog converters for numerical control regulation. The wave frequency and amplitude are the LCD display. 8 choose more than one way AD7501 analog switch in under the control of the single chip microcomputer realize frequency band choice. MAX038 amplitude voltage amplifier output after into digital decay AT-280 attenuation, adjusting to enlarge the output amplitude. Keywords:Digital waveform generator MAX038 MAX526 LCD modulII目 录前言11 数字化波形发生器11.1 数字化波形发生器的特点11.2 函数信号发生器的实现方法11.3 MAX038的概述21.3.1 MAX038的主要参数22 数控波形发生器的结构组成及工作原理42.1 数控波形发生器的结构组成42.2 数控波形发生器的工作原理42.3 4路12位电压输出型D/A转换器MAX526的应用52.4 频率和占空比的数控调节原理62.5 输出幅值的数控调节73 数控函数发生器频率与幅值的LCD显示及频段选择83.1 内置SED1520的MGLS-12032图形液晶模块的应用83.2 液晶模块与单片机的接口方式84 结束语9参考文献1011数字化波形发生器的设计前言波形发生器作为常用的信号源，被广泛应用于调试,自动控制系统和教学实验等领域。目前使用的波形发生器大部分的缺点是，其体积大，可靠性差，精度低。提出一种性价比高的波形发生器，利用单片机进行函数处理，由软件控制波形输出，利用单片机进行函数处理，由软件实现波形生成，输出的数字信号再经模拟和信号放大处理后输出所需波形。1 数字化波形发生器1.1 数字化波形发生器的特点该波形发生器具有集成度高，体积小，可靠性好，精度高，价格便宜等特点。在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的波形，不能满足需要。例如用户要调试串口通信程序时，就要在计算机上写好一段程序，再用线连接计算机和用户实验板，如果不正常，不知道是通讯线有问题还是程序有问题。用E2000/L的波形发生器功能，就可以定义串口数据。通过逻辑探勾输出，调试起来简单快捷。在自动控制系统设计、调试和现代电子学的各个领域，经常需要高精度、高频率且频率可方便调节的正弦波、矩形波、三角波等信号作为信号源1.2 函数信号发生器的实现方法用分立元件组成的函数发生器，但通常是单函数发生器，其频率不高，工作不够稳定，不易调试。由晶体管、运放IC等通用器件制作，多用专门的函数信号发生器产生信号。早期的函数发生器芯片如8038，其功能较少，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，且互相影响。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。目前多使用MAXIM公司开发的新一代专用函数信号发生器芯片MAX038，其输出频率范围0.1HZ-20MHZ，输出电阻0.1，非线性失真小于0.75%，输出波形有正弦波、三角波、锯齿波、方波、脉冲波，频率和占空比都易于调节。因此，MAX038被称为高频精密函数信号发生器。另外，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。但是，基于MAX038的函数信号发生器的频率和占空比调节是通过外接可调电阻来实现的，这样很难满足可调范围大、精度高、信号稳定的要求。所以，从设备的可操作性和实用性的角度考虑，根据MAX038输出频率的数控调节原理，采用微处理器作为控制单元，结合DAC和MAX038可设计成一个使用方便、精度高的数字化波形发生器。1.3 MAX038的概述MAX038是一个具有高频、高精度、低输出电阻、驱动能力强的函数信号发生器芯片。MAX038内部含有精密带隙电压参考、鉴相器和TTL同步输出，能以最少的外部元件构成一台多波形的高频函数信号发生器。MAX038是目前较为理想的信号产生集成芯片。其内部电路框图如图1.3-1所示。图1.3-1 MAX038其内部电路框图1.3.1 MAX038的主要参数MAX038芯片的核心部分是一个电流控制的基本振荡器，工作电源采用5V，内部提供2.5V基准电源，通过外接电阻、向主振控制器的端和FADJ端提供频率粗调电流和频率细调电压；通过电阻向DADJ端提供脉冲占空比调节电压。这3个参数经主振控制器处理后，向振荡器提供充电电流，该电流对外接电容充电和放电，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。正弦波、方波和三角波被同时送入波形选择器，可以通过和TTL/CMOS电平兼容的地址输入(、）来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送入相位检测器，产生PDO信号和PDI信号，供锁相环电路使用。电路的振荡频率为： (1-0.2915) (1-0.2915/ (式1.3.1-1)波形的占空比为： 0.5-0.174 (式1.3.1-2)当0V时，2-750A，对应中心频率为350：1的变化范围；当2.4V时，调制频偏为70%。当0时，波形的占空比为50%；当2.3V时，占空比为10%-90%。在FADJ和DADJ端口的内部，设置了250A的下拉电流源，可简化外部电路设计，仅用电阻和就可以对频偏和占空比进行调整。端口由内部的运放强制为虚地，故调整频率粗调电路中的电位器就能调整输入电流，实现中心频率的调节。手动微调时，可在和FADJ之间接入可变电阻器，调整频率细调电位器可得到所需信号的频率值。如果不作频率微调，FADJ端不能开路，必须经过12K电阻接地，达到禁止使用的目的。调整占空比调节电路中的电位器，改变MAX038输入端RADJ电压的大小，从而改变占空比。表1.3.1-1 输出波形频率范围与的对应关系电容值/pF频段/Hz10-100100-10001k-10k10k-100k100k-1000k1M-10M2 数控波形发生器的结构组成及工作原理2.1 数控波形发生器的结构组成数字化波形发生器主要由主控制器单片机89C52、键盘与显示电路、波形发生器MAX038、12位4路数模转换器MAX526、频段控制单元、幅值控制单元等单元电路组成。2.2 数控波形发生器的工作原理单片机主要完成对键盘输入的检测、对MAX038输出波形的选择、对D/A输出控制，从而完成对频率和占空比的调节及对频段的选择；键盘采用4x5的矩阵键盘，分别设置了数字键(0-9)和功能键(小数点、频段、频率、占空比、幅值、正弦波、方波、三角波、取消等）共19个键。使用时先按功能键后按数字键；显示部分采用LCD显示频率（6位）和幅值（4位）；MAX038函数发生器芯片是系统的核心部分，在单片机的控制下输出正弦波、三角波、矩形波，且波形的频率和占空比易于调节；12位4路输出的数模转换器MAX526在单片机的控制下，输出2-750A的电流及2.4V和2.3V的电压，分别进行频率、占空比的调节；频段选择单元采用8选1的多路模拟开关AD7501，在单片机的控制下使每一路分时选通，将不同的电容值接入MAX038电路中，就可确定输出频率范围，即频段，共有6个频段供选择切换，输出波形频率范围与的关系如表1所示。幅度控制单元主要调节输出信号的幅度，MAX038输出端OUT的2V幅度值通过放大器放大后送入数字衰减器AT-280中进行衰减，调整放大后的输出幅度。键盘输入与显示、频段选择及数控调节电路原理图如图2.2-1图2.2-1 键盘输入与显示、频段选择及数控调节电路原理图2.3 4路12位电压输出型D/A转换器MAX526的应用MAX526是4路12位电压输出型D/A转换器，模拟量电压输出为：()/4096。8位数据总线，数据通过两次写操作(低8位LSB，高4位MSB)装入各输入寄存器，并通过异步装载DAC输入信号将输入寄存器数据装入DAC寄存器。MAX526转换时间为3s，与TTL/CMOS电平兼容，只有1LSB不可校正线性误差的优点，使其广泛地应用在数字增益校正、工业控制、自动测试设备等方面。MAX526的、是4通道模拟量输出引脚；控制信号CSMSB、CSLSB为高低字节位选择，当CSLSB为0时低8位数据输出，CSMSB为0时高4位数据输出。控制信号LDAC为0时将各自输入寄存器的内容转换到其各自独立的DAC寄存器。控制信号、为通道选择信号；数据线，与复用；WR为写控制信号；基准电源信号是A、B模拟量基准输入，是C、D模拟量基准输入。MAX526通过、选择DAC以便区分访问的是哪个通道，通过CSMSB、CSLSB、WR这3个信号区分将转换数据装入到、已选择的各个输入寄存器的内容，并区分写入的数据是高4位还是低8位。MAX526编程设计时通过LDAC控制各个通道DAC寄存器的转换实现。在接口电路中，将LDAC与单片机的相连，以便查询其工作状态。另外，MAX6325是一个电压基准信号源，提供MAX526所必须的外接电压参考。2.4 频率和占空比的数控调节原理MAX038的输出频率主要受振荡器电容、端电流和FADJ端电压VFADJ控制。选择一个值，对应端电流变化，将产生一定范围的输出频率。另外，改变FADJ端的电压，可以在控制的基础上，对输出频率实现微调控制。可通过电压输出型的DACMAX526实现输出频率的数控调节。MAX038的端和FADJ端分别连接到MAX526的和两个输出端上。通过产生0V(00H)到2.5V(0FFH)的输出电压，再经电压/电流转换网络，在端产生0A到750A的工作电流，使之产生相应的频率范围。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，端电流实现了对输出频率的粗调。在FADJ端产生一个从-2.4V(00H)到+2.4V(0FFH)的电压范围，该范围同样也包含256级步进间隔，将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。各频段的频率范围划分为65536级间隔。MAX526的在DADJ端产生一个从-2.3V(00H)到+2.3V(0FFH)的电压调节范围，对占空比实现数字控制，该范围包含256级步进间隔。的每一级步进对应着V2.3-(-2.3)/25617.9V和V%(90%-10%)/2560.3125。调节占空比时应尽量避免输出频率发生变化。仅当15%-85%且25A250A时，对频率影响最小。数控波形发生器频率和占空比调节电路的原理图如图2.4-1所示。图2.4-1 数控波形发生器频率和占空比调节电路的原理图2.5 输出幅值的数控调节MAX038的输出信号本身在输出级有内部的输出放大器，具有很强的驱动能力，且输出阻抗小于0.1，但是，由于其输出波形的幅度为2，若要调节它的输出幅度，特别是当输出频率较高、输出波形不是正弦波时，要进行幅度放大相当困难。所以，要为MAX038的3种10HZ-10MHZ输出波形配置一种通用的全带宽后级输出放大器。放大以后的输出信号送入数字衰减器AT-280进行衰减。AT-280是一种采用SOIC-16塑封表贴封装形式的5位、0.5B步距的数字衰减器，非常适用于高精度衰减、快速开关、极低功耗要求的场合，其可靠性非常高。VC1、VC10、VC2、VC20、VC3、VC30、VC40、VC50分别为数据控制端；RF1和RF2分别为信号输入输出端。AT-280的真值表如表2.5-2所示表2.5-2 AT-280的真值表控制输入VD50VD40VD30VD3VD20VD2VD10VD1衰减dB11101010参考011010100.51010101011101101021110111041110000180001110115.53 数控函数发生器频率与幅值的LCD显示及频段选择液晶显示模块LCM是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、背光源等装配在一起的组件。在单片机系统中使用液晶模块作为输出器件具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功率消耗小等优点，非常适合于嵌入式系统、移动设备和掌上设备的使用。点阵图形液晶模块不仅可以显示字符、汉字，还可以显示连续、完整的图形。3.1 内置SED1520的MGLS-12032图形液晶模块的应用在GPS定位信息采集与显示系统中，使用型号为MGLS-12032的点阵图形液晶模块，内置SED152F0A控制驱动器，集行、列驱动器和控制器于一体，广泛应用于小规模液晶显示模块。液晶模块MGLS-12032的点阵数12032，而一个SED152F0A显示控制器内置8032(2560位)显示RAM区，RAM中的一位数据控制液晶屏上一个像素的亮、暗状态：“1”表示亮，“0”表示暗。显示RAM被分成4页，每页8行有80字节，每页的数据寄存器分别对应液晶屏幕上的8行点。MGLS-12032A液晶模块由两片SED1520F0A驱动，两个SED15F0A都只用了其中的60个列驱动口，分别驱动液晶显示器的左、右半屏。当设置了页地址和列地址后就确定了显示RAM中的唯一单元，该单元由低到高的各个数据位对应于显示屏上某一列的8行数据位，即每一页中屏幕上的每一列对应一个显示RAM的1字节内容。对显示RAM的一个字节单元赋值就是对当前列的8行像素点（一页）是否显示进行控制。3.2 液晶模块与单片机的接口方式SED1520液晶显示控制驱动器可以直接与89C52单片机相连，不必使用其他的接口芯片，因此选择存储器映像方式的接口，将液晶模块当作存储器的一部分，直接使用存储器读写进行I/O操作。在单片机的控制下，按照要求的格式显示频率和幅值。由于LCD没有独立的片选信号，所以使用单片机的读写信号进行选通。单片机的读写信号、通过74LS00、74LS04转换后作为对LCD的片选信号，分别接LCM的两个控制器芯片SED1520的使能端、，高电平允许使用，低电平禁用。液晶模块的数据总线与单片机的数据总线 (口)直接相连，液晶模块的控制引脚，即LCD的数据/指令选择端与138译码器的地址线相连，高电平选择数据通道，低电平选择指令通道。LCD的读/写控制端R/W接，高电平读，低电平写。为访问SED1520前，首先读取控制器当前的状态，当SED1520处于忙的状态时，除了读状态字指令外，其他指令均不起作用。4 结束语经过本次课程设计，本人学到了许多有用的东西，也积累了不少经验这次课程设计的过程中我多次请教老师和同学，还查阅大量的资料。通过这次课程设计使我大学三年所学知识有了一定的提高，这段时间的学习，使我在模拟电路、数字电路和单片机方面的知识得以巩固，并使我真正接触到在系统工程开发的过程中所遇到的实际问题。但由于才疏学浅，能力不足，加之时间和精力有限，我感觉还是有一些不足之处：在许多内容表述、论证上存在着不当之处，与老师的期望还相差甚远。我的课程设计指导老师是一位治学严谨，要求严格的良师益友，在我的设计形成过程中，他从内容、结构、文字表达甚至标点符号上都严格，但是我还做的不够。许多问题还有待进行一步思考和探究，万分肯切的希望老师能够提出宝贵的意见，多指出我的错误和不足之处，本人将虚心接受，从而不断进一步深入学习研究，使该程控设计得到完善和提高。值此课程设计完成之际，谨向给予我帮助和支持的人表示由衷的感谢。首先，感谢我的老师XX、XX老师在我课程设计期间给予了我悉心的指导和无私的帮助，为我提供了优良的学习环境，使我在学习方面收益匪浅。孙老师和段老师严谨务实的工作作风更是无时无刻不在鞭策着我奋发进取。在完成设计的过程中，孙老师和段老师耐心的指导和讲解使我把握了正确的前进方向，少走弯路，所有的这些都是我今后工作和学习的最宝贵经验。同时，还得感谢XX老师和XX利老师在百忙之中抽出宝贵时间为我答疑解惑，在设计的修改和设计过程中向我提出许多批评和纠正。为我的设计进行评阅工作的以上两位老师，他们无私的关心和教导使我对自己的研究内容有了更为透彻的了解。再次，感谢我的各位科任老师和系主任，感谢他们在我的学习过程中给我的帮助，使我在学习过程中获益良多。最后，再次向所有给予我关心和帮助的各位老师、系主任表示感谢。参考文献：1胡煜：MAX在精密频率合成波形发生器中的应用，现代电子技术，2007.1，P18-P332林建英、王涛、王晓迪：基于DDS技术波形发生器的实验教学研究与实施，实验科学与技术，2006.1，P23-P543王永、刘志强：DDS在任意波形发生器中的应用，仪表技术，2001