函数信号发生器.docx

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函数信号发生器

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函数信号发生器

作者姓名：

指导老师：

作品类别

发明制作

作品编号

函数信号发生器

摘要本系统能够产生正弦波、方波、三角波。

同时还可以作为频率计测频率。

函数信号的产生由MAX038和外围电路完成，能产生1Hz—20MHz的波形。

波形选择由单片机完成。

输出或输入频率经74HC390分频后，由单片机完成自动频率检测显示。

关键词：

波形产生器、频率计、MAX038、74HC390、AT89S51。

前言

在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。

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。

函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：

（1）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。

（2）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L8038、BA205、XR2207/2209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。

（3）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

（2）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。

（4）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。

综合分析以上四种实现方法的性价比，我们决定采用单片集成芯片AX038来设计函数发生器。

频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高，因此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。

一、整体设计思路

本函数信号发生器是主要是由MAX038芯片产生我们希望输出的正弦波、方波、三角波。

它是本制作的核心，当然随带的频率计用于显示输出频率，它是由单片机AT89S51控制的，由于用单片机所能测的频率范围有限，直接所计数的频率最大只能达到500KHz，为了能够测得更高的频率，所以加上分频器进行分频后再加到AT89S51的外部中断入口。

考虑到小信号时，所以必须加放大，然后整形才能达到分频器的输入要求。

至于显示部分就用74LS164移位寄存器来驱动数码管显示。

整体原理框架图如下：

图1

一：

硬件设计：

1.信号发生部分：

接通电源控制在输出状态，此时波形产生电路工作，它产生我们所选择的波形并输出到外部电路，另一部分则送入计数器。

波形发生器的这部分电路是由MAX038及其外围电路完成的。

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。

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，所需外部元件少，使用很方便。

这部分电路框图如下图2：

波形产生原理框图（图2）

波形产生电路（图3）

本系统采用MAX038设计了输出三角波、方波和正弦波的函数信号发生器，频率范围为10Hz～1MHz，能够满足大多数实验与检测的需求。

　　整机电路由信号产生级、电压放大级、功率输出级和电源四部分组成。

信号产生级的核心器件为MAX038，它的输出波形有三种，由波形设定端A0（3），A1（4）控制，其编码如表2所示。

其中x表示任意状态。

1为高电平，0为低电平。

MAX038的输出频率f0由Iin，FADJ端电压和主振荡器COSC的外接电容器CF三者共同确定。

当UFADJ=0V时，输出频率f0=Iin/CF，Iin=Uin/Rin=2.5/Rin。

当UFADJ≠0V时，输出频率f0=f（1－0.2915UFADJ）。

由波段开关SA2选择不同的CF值，将整个输出信号分为五个频段。

1）1Hz--10Hz

2）10Hz---100Hz

3）100Hz---10K

4）1K----20MHz

每频段频率的调节由电位器RP1和RP2完成。

RP1为粗调电位器，改变RP1数值，使振荡电容器CF的充电电流Iin改变，从而使频率改变。

RP2为细调电位器，它通过改变UFADJ的数值，使输出频率变化，它的变化范围较小，起微调作用。

为简化电路，各种波形的占空比固定为50％，这已能满足多数场合的使用要求。

为此将MAX038的脚7DADJ端接地。

MAX038的各种输出波形的幅度均为2V（P－P）。

2.频率计数器部分：

1．）AT89S51介绍

美国MEL公司的AT89S系列51单片机支持ISP功能，给单片机应用开发带来了极大方便。

现介绍一款简易型开发板的使用方法。

将该板插入DIP40封装的8051单片机插座处，通过廉价的ISP即可编程AT89S51，支持在线擦写，速度更快，非常方便。

AT89S51片内有两个独立的16位定时/计数器，两个外中断接口，一个串行通讯口，4k字节快闪擦写存储器（FLASHMEMORY），低功耗的闲置和掉电模式，内带有看门狗电路，在不附加任何外围电路的情况下，能实现大部分比较复杂的逻辑控制功能，对存储容量要求不高的实际应用，AT89S51确实是一种不可多得的高效能单片机。

内部原理图如图3。

（图5）

3．）利用AT89S51计数

AT98S51单片机共有两个16位的定时器/计数器，本频率计就是利用它的定时器与计数器同时工作，外部输入的脉冲在下降沿跳变时有效，进行计数器加1，定时器定时一秒内计数器所计的数就是外部输入信号的频率。

频率范围选择（图7）

100分频电路（图8）

由于单片机计算频率的范围有限，必须切换调整在它的范围内，才能准确的计算频率，（图7）就是控制是否经过100分频的电路，切换通过单片机控制完成。

（图8）是分频电路：

由于频率高的时候，单片机不能直接读取，所以要通过分频电路进行分频后再送到单片机进行计数。

本分频电路采用的是74LS390双十进制计数器进行分频的。

放大（图4）

4．）放大整形

为了输入的是小信号时也能对精确的测出它的频率，所以在信号的输入口加电压放大。

有时输入的信号波形不是很好时，放大后也是失真的信号，这就会影响到所测信号的频率，因此要经过整形。

5．）LED显示

显示部分采用8位共阳行数码管进行显示，采用了74LS164作为数码管的驱动模块，把8位数码管串联起来。

只须SDA与SCL两个口连到单片机的两个端口，详细数码管驱动电路（略）。

二：

软件设计

程序框图

程序：

#include

unsignedcharf_h;

unsignedintyichu_count;

bitcount_over;

sbits1=P0^5;

sbits2=P0^6;

sbitrl=P2^0;

charzixing[10]={0x88,0xEB,0x4C,0x49,0x2B,0x19,0x18,0xCB,0x08,0x09};

unsignedlongf;

voidmain（void）

{

voidDelay（chari）;

charshift_164（chara）;

voidtest_f（void）;

shift_164（0x88）;

Delay（200）;

shift_164（0xEB）;

Delay（200）;

shift_164（0x4C）;

Delay（200）;

shift_164（0x49）;

Delay（200）;

shift_164（0x2B）;

Delay（200）;

//while

（1）;

if（P0^2==0）

{

s1=0;

s2=1;

test_f（）;

}

if（P0^3==0）

{

s1=0;

s2=0;

test_f（）;

}

if（P0^4==0）

{

s1=1;

s2=0;

test_f（）;

}

}

voidtest_f（void）

{

unsignedlongget_f（）;

charx1,x2,x3,x4,x5,x6;

voidDelay（chari）;

loop:

f=get_f（）;

if（f==0）

{

rl=0;

T0=1;

f=get_f（）;

}

//x6=f/100000;

x5=（f-x6*100000）/10000;

x4=（f-x6*100000-x5*10000）/1000;

x3=（f-x6*100000-x5*10000-x4*1000）/100;

x2=（f-x6*100000-x5*10000-x4*1000-x3*100）/10;

x1=f-x6*100000-x5*10000-x4*1000-x3*100-x2*10;

shift_164（zixing[x1]）;

Delay（200）;

shift_164（zixing[x2]）;

Delay（200）;

shift_164（zixing[x3]）;

Delay（200）;

shift_164（zixing[x4]）;

Delay（200）;

shift_164（zixing[x5]）;

Delay（200）;

shift_164（zixing[x6]）;

Delay（200）;

gotoloop;

}

//******************************测频率子程序*******************

voidintt0_f（）interrupt1//T0作为频率值最高八位，频率值共24位

{

f_h=f_h+1;

}

voidintt1_time（）interrupt3//T1作为门控时间产生器200US中断一次

{

if（yichu_count>=5000）

{

TR0=0;//频率停止计数

TR1=0;//时间停止计数

EA=0;//关中断

count_over=1;

yichu_count=0;

return;

}

yichu_count=yichu_count+1;

}

unsignedlongget_f（）

{

unsignedlongf;

count_over=0;

TMOD=0X25;

TH1=TL1=0X9C;//设置T1计数初值，可以100US中断一次

f_h=TH0=TL0=0;//频率值清零

count_over=0;//清零计数完成标志

EA=1;//开所有中断

ET0=1;

ET1=1;

TR0=1;//频率计数器开始计数

TR1=1;//时间计数器开始计时

wait_count_over:

if（count_over!

=1）

gotowait_count_over;

f=（TL0+TH0*256+f_h*65536）;

return（f）;

}

voidDelay（chari）

{intj;

for（;i>0;i--）

for（j=0;j<125;j++）

{;}

}

charshift_164（chara）

{

SCON=0x00;

TI=0x00;

SBUF=a;

if（TI==0）

{};

return（a）;

}

三、性能指标：

1.频率范围1Hz~~20MHz

2.输出阻抗50Ω，幅度2V（P-P）

3.输入阻抗50Ω

4.波形的占空比固定为50％

四、使用说明

（1）信号发生器的使用：

开机后，先要选择X1、X10、X1K、X1M，选择在可调频率范围内，调节粗调旋纽，调到要输出频率附近，再调节细调旋纽得到要求的频率。

（2）频率计的使用：

开机后，把切换开关切换到频率输入状态，再选择可计算的频率范围。

小结：

本作品实现了函数信号的产生，频率的计算。

能产生1Hz~~20MHz的正弦波、方波、三角波并显示其频率。

还可以计算外部频率的输入。

该作品具有频率范围宽，精度高，输出频率和幅度稳定等优点。

参考文献：

1.刘乃安陈健《高频电子线路》西安电子科大出版社

2.李朝青《单片机技术》北京航空航天大学出版社

3.徐维祥、刘敏《LED幕显示技术》电子工业出版社

4.电子网