课程设计报告 2.doc

简易信号发生器设计 摘 要信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。本文介绍一种由单片集成电路MAX038设计的简易信号发生器，该仪器电路结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但满足一般的实验要求是不成问题的。 MAX038较早期的函数发生器在性能上有了很大的提高，外围电路也更加简洁。主要指标：频率范围0.3Hz 10MHz；总波形失真率小于1%。比设计要求更加的精准，电路更加的简单。关键词 MAX038 信号发生器 占空比 峰峰值可调 一、问题重述 本设计的要求是在设计出有三种输出波形的电路，并且可以产生规定频率的波形，如20HZ10HZ的可以调节的频率的波形（正弦波，三角波），并且要求设计电路的峰峰值在-5V+5V之间可调，其中产生的方波的频率在20HZ10HZ之间可调节。对于三角波来说，其占空比可以调节，方波的峰峰值在-10V到+10V之间可以调节。 二、问题分析对于要求1，我们可以想到用单片机，555，比较器，或其他芯片来产生方波，之后用积分器和震荡电路来产生三角波和正弦波。对于要求2，我们可以通过调节单片机的按钮和编程的设置来调节频率，555定时器可以通过调节电阻的大小和接法来调节频率，比较器通过调整电阻的大小来调整频率，或者对于其他的芯片来说我们可以用规定的方法来调节。对于要求3，峰峰值的大小我们可以采用分压法和放大法来实现，例如，采用电阻分压接法，和三极管的基本放大电路。3、 方案假设 方案1，用滞回比较电路产生方波，积分电路产生三角波，用RC振荡电路产生正弦波，通过调整滞回电路调整频率。 方案2，用555定时器长生连续可调方波，后接不同比例的阻容来分别产生三角波，和正弦波。 方案3，用MAX038产生波形，通过调整A0和A1来产生不同波形。 方案4，用单片机控制AD9850来产生，此过程需编程。四、方案分析 对于方案1，用滞回比较电路产生方波，积分电路产生三角波，用RC振荡电路产生正弦波，通过调整滞回电路调整频率。这样的电路设计简单，成本低廉，但是对于不太稳定，出来的结果差强人意。对于方案2，用555定时器长生连续可调方波，后接不同比例的阻容来分别产生三角波，和正弦波。此电路虽然简单，555定时器产生的频率已经是很稳定了，但是对于可变的频率来说555的电阻的选取又是一个麻烦事。对于方案3，用MAX038产生波形，通过调整A0和A1来产生不同波形。一个芯片就可以解决所有的问题，而且标准都在要求之上，电路简单稳定，噪音低，失真度小。是一个可靠的选择。对于方案4，用单片机控制AD9850来产生，此过程需编程。单片机的价格就是一个麻烦的事，况且还需要编程，其工作量是很大的。5、 芯片资料准备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。5.1芯片性能特点：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2V（PP）。3）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10%90%。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）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。5.2芯片的电路内部结构本设计中采用功能很强的多波形宽频率范围信号发生器MAX038 来产生波形和频率。 图1.1 一种数字频率合成器波形产生部分的功能框图 图1.1.a是一种数字频率合成的波形产生器。MAX038是一个精密高频波形产生器。它能产生频率高达20MHz的正弦波、三角波、方波等脉冲信号，其压控振荡器的频率分粗调和细调两层控制。在本电路中，用于粗调的控制电压（电流）由一个12位的DAC产生，使输出频率近似等于N倍基准频率。而细调电压则由数字锁相电路MC145151和环路滤波器MAX427产生，由锁相反馈环将频率fo = Nfr锁定。这种方案的优点是频率合成器工作更可靠，锁定更迅速。另外MAX038还包括占空比调整电路、波形同步电路、相位检测电路、波形切换开关和电压基准源等电路，所需外部元件极少，使用很方便。 图1-1 max038的内部电路图 5.3 特点 本设计的特点是全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠。利用单片机控制管理，使频率设置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便。数字频率合成技术使输出频率准确和稳定，频率分辨率为基准频率10Hz或1kHz；由于晶体振荡器具有很性，锁相环具有很好的短期时间稳定性，两者好的长期时间稳定相结合可在设计要求的频率范围10Hz16383kHz内获得近似于晶体振荡器的频率稳定度，这是本方案最重要的特点。另外，电路产生的信号波形很好，其中正弦信号的失真度仅为0.75。对于小型通用信号产生器而言，这是一个比较理想的设计方案。6、 设计过程6.1、管脚定义 图为MAX038的管脚图 MAX038为20脚标准双列直插式或小型扁平封装，内部结构框图见图1。引脚功能说明如下：1基准电源输出；2、6、9、11、18接地；3波形选择输入，兼容TTL/COMS电平；4波形选择输入，兼容TTL/COMS电平；5外接振荡电容器COSC；7脉冲波占空比调节输入；8振荡频率调节(电压输入)；10振荡频率参考电流输入；12相位检测器输出，如果不使用相位检测器则接地；13相位检测器同步信号输入，如果不用相位检测器则接地；14同步脉冲输出，兼容TTL/COMS电平；15数字电路部分接地；16数字电路+5V电源输入端，如果不用外同步则悬空；17电源+5V输入端；19信号输出端；20电源-5V输入端。 波形设定表格A0A1波形10三角波01矩形波x1正弦波6.2 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图2 输出频率与IIN 电流及振荡电容CF的关系此外，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所列的电容值可满足后面频率产生要求。控制电路如下：6.3 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3 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。6.4 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4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，可使其通过一个三极管进行电压放大。6.5 电源电路根据整机