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基于MAX038信号发生器的
摘要
信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。
自从二十世纪二十年代信号发生器出现以来，信号发生器取得了迅速的发展。
尤其七十年代微处理器的出现，信号发生器的设计更加自动化和智能化。
随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，信号发生器正朝着信号处理能力强，测量精度高，变换速度快的方向前进。
本文以克西姆公司MAX038芯片为基础，辅以控制软件和特别的外围电路设计，设计了一个低成本、多功能、高精度、输出频率连续可调的频率合成式波形发生器。
并在振荡频率控制、信号输出幅度控制、频率和幅度的控制方面作了比较妥善的设计。
特别是单片机的运用使得该函数信号发生器具有软硬件结合的特点，克服了以往全硬件信号发生器的一些缺点。
该函数信号发生器可输出三角波、方波、正弦波。
关键词：
MAX038；信号发生器；单片机
ABSTRACT
Signalgeneratorisacommonsource,widelyusedinelectroniccircuits,automaticcontrolsystemsandteachingexperimentsandotherfields.Sincethetwentiesofthetwentiethcenturysincetheemergenceofthesignalgenerator,signalgeneratorhasachievedrapiddevelopment.Inparticular,theemergenceoftheseventiesthemicroprocessor,thesignalgenerator'sdesignismoreautomatedandintelligent.Withmodernelectronics,computersandsignalprocessingtechnology,thesignalgeneratorismovinginthesignalprocessingcapability,highaccuracy,speedanddirectionchange.
Thispaper,thecompany'schipsforMAX038based,andwiththecontrolsoftwareandspecialbuffercircuitdesign,designofalowcost,multi-function,highprecision,outputfrequencyadjustablefrequencysynthesistypewaveformgenerator.Andintheoscillationfrequencycontrol,signaloutputamplitude,frequencyandamplitudecontrolcontrolaspectsofthedesignareproperly.Especiallytheuseofsinglechipthatmakesthefunctionsignalgeneratorhasthecharacteristicsofhardwareandsoftwarecombinationtoovercomethepastallthehardwaresignalgeneratorofmanyshortcomings.Thisfunctionsignalgeneratorcanoutputthetrianglewave,squarewave,sinewave.
Keywords:
MAX038;FunctionSignal;Single-chipmicroprocessor
绪论
近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛，在此基础上发展起来的信号发生器无论是在测量的准确度、可靠性、自动化程度、运用功能方面还是在解决控制技术问题的深度及广度方面都有迅速的发展。
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。
本文设计的基于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。
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。
本文主要分4大部分：
绪论、信号发生器原理、整体设计方案、硬件部分、总结。
绪论首先对课题背景和所涉及的技术领域进行介绍；第一章对信号发生器作一个简要介绍，确定系统的主要模块，第二章主要是详细给出本设计的理念及整体方案；第三章则是具体到各个电路模块的设计，最后是对本设计的总结与展望。
1信号发生器的原理
1.1信号发生器的简介与分类
信号发生器又称信号源或振荡器，是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号，常用作测试的信号源或激励源的设备，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
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。
按输出波形分，可将信号发生器分为正弦信号发生器，脉冲信号发生器，函数信号发生器，噪声信号发生器，按产生方法分为谐振法、频率变换法和合成法等。
1.2函数信号发生器的认识
信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。
众所周知，数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟，其锁相环（PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动（phaseJitter）及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。
1.3函数信号发生器的原理
低频信号发生器的原理如图1-3-1所示。
整个设计的核心部分为正弦波发生电路，其他波形通过按键控制电路的控制选通，均由此波形变换而成。
该系统由波形产生及转换电路，按键控制电路，低通滤波电路，功率放大电路等组成。
波形的产生过程是这样的。
由开关控制选择所要产生的波形以及波形的频率，用以控制后续电路的波形产生。
波形的产生是由波形发生电路完成的：
由正弦波发生电路产生一个基准正弦波信号，其中含有三个不同的频段。
再由正弦波-方波变换电路产生方波，继以方波-三角波变换电路产生三角波。
信号产生后由低通滤波电路对信号进行滤波处理，再经过功率放大电路对波形幅度及功率进行调节后输出。
其原理图如图1-3-1。
图1-3-1信号发生器的原理图
1.4函数信号发生器的工作过程
整个系统的工作过程：
开始整个系统等待键盘输入，8255A对键盘进行扫描，判断是否有键按下，如果有键按下，则将命令送单片机89C52进行处理，此时已经进入单片机89C52主控制模块。
单片机对送来数据进行分析和处理，判断是什么功能键，什么数字键或者其他键被按下。
如果是波形选择键被按下，则单片机进行取波形表数据。
例如，按下的是波形选择键，选择的是正弦波，那么单片机89C52把数据指针PDTR指向存储正弦波幅度编码的波形表的首地址，然后通过偏移地址R0的自增来逐一的对正弦波的256个抽样波形数据进行周期性的寻址取值，然后波形信号通过功率放大电路，将其放大输出。
如果按下的键是频率控制键，则单片机等待键盘输入十进制的数据即频率值，然后将单片机对8255A送来的数据进行分析处理，这里就要涉及到单片机89C52的算法。
最后把数据转换为一个N值，这个N值就作为调用延时程序的次数，这样就通过寻址时间的不同从而达到改变信号的频率，这里和上面的流程就相同了，不再累赘了。
1.5本章小结
本章节主要是讲述了函数信号发生器的相关知识，对其工作原理进行了简要叙述，为本文设计函数信号发生器提供丰富的资源，怎么设计一个简易的函数信号发生器呢？
下一章将作详细的说明。
2函数信号发生器的方案设计
2.1函数信号发生器的总体结构
本课题设计的主导思想是软硬件结合，力求性能可靠,电路简单，实现方便。
选择通用器件，程序运行可靠，逻辑合理，同时充分利用单片机比较丰富的内部资源,来实行系统的各种功能控制从而使硬件电路大大简化了。
本设计主要是通过单片机实现低频信号发生器的频率和幅度控制,整机电路的组成主要由以下四部分组成。
（I）控制选择电路部分
（2）信号发生部分
（3）滤波放大电路部分
（4）电源电路部分
整机总体结构方框图见图2-1-1。
其中控制选择部分主要是对信号的频率、幅值、占空比进行控制，并选择输出正弦波、三角波或是方波的一种。
图2-1-1整机总体结构方框图
2.2硬件电路方案的选择及设计
本信号发生器主要是为普通实验提供标准信号波形为主，因此在本设计中着重波形的实现,而频率从次要方面考虑,因此在设计中没有采用成熟DDS直接频率合成技术,直接用单片机的计数器的中断延时来实现对频率的控制,首先我考虑的硬件技术方案为:
（1）波形控制与选择模块：
主要运用单片机AT89C52来完成。
（2）波形产生模块：
主要运用MAX038芯片来产生。
（3）电路的滤波放大模块：
主要运用模拟电子电路中的滤波功率放大电路。
（4）电路的电源模块：
主要运用78和79系列集成电路。
采用上述设计方案有以下优点:
（1）应用单片机设计易于实现对各种波形的控制和实现并可以通过简单硬件接口电路而实现本设计信号发生器的智能化控制。
使信号发生器的具有波形转换和频率和幅度显示转换等功能,并且操作使用简单、灵活方便，易于扩展串行接口电路与PC联网，进行数据的双机通讯,从而达到了预期的设计效果。
（2）本系统采用了功放和滤波设计，克服了模拟信号直接输出弊端。
使输出电路的设计、调试、电压精度等都得到了简化和提高。
低频信号发生器的总体设计框图如图2-2-1：
图2-2-1低频信号发生器的总体设计框图
2.3软件设计方案
我们在软件设计时，程序中根据键盘的键码量来判断各个按键的具体功能，然后跳转去执行各个按键所设定功能，从而实现了单片机语言来控制各个模块的实现，使硬件电路大大简化了软件中运用单片机的数字处理方法对幅度和频率进行控制，降低了运算量，更少的占用了单片机的有效的内部资源。
软件设计的优点:
（1）利用计算机将标准信号的幅度值经过采样、量化、编码将连续的幅值变成有限采样点的幅值，简化了计算公式，简化了程序，降低了编程难度。
（2）大大减少了所占内存量，使单片机硬件外围电路简化、降低成本。
2.4本章小结
本章以几种常用标准波形为设计的出发点，根据平时实验和运用中提出的技术指标要求，在分析相关资料的基础上分析论证了函数信号发生器的总体方案及硬件设计和软件设计的具体方案。
采用本设计方案的优点在于应用单片机设计易于实现对波形的转换和对频率的大小和幅度的幅值的计算和控制，并可以通过简单接口电路，实现仪器的智能化，实际电路并不增加太多的元件和复杂的设计；因此采用这种方案是合理的。
具体各个电路模块的设计在下一章会作详细的介绍。
3整机系统的硬件电路设计
3.1信号发生部分电路的设计
3.1.1MAX038芯片的介绍
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0.1Hz～20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V
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0～70℃。
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。
3.1.2芯片引脚及功能
图3-1-2MAX038引脚图
表3-1-2MAX038引脚名称及功能
引脚号
名称
功能
1
REF
2.50V带隙基准电压输出端
2
GND
地
3
A0
波形选择输入端，TTL／CMOS兼容
4
A1
波形选择输入端，TTL／CMOS兼容
5
COSC
外部电容连接端
6
GND
地
7
DADJ
占空比调整输入端
8
FADJ
频率调整输入端
9
GND
地
10
Iin
用于频率控制的电流输入端
11
GND
地
12
PDO
相位检波器输出端。
如果不用相位检波器则接地
13
PDI
相位检波器基准时钟输入端。
如果不用相位检波器则接地
14
SYNC
TTL／CMOS兼容的同步输出端，可由DGND至DV+间的电压作为基准
15
DGND
数字地。
让他开路使SYNC无效，或是SYNC不用
16
DV+
数字+5V电源。
如果SYNC不用则让他开路
17
V+
+5V电源
18
GND
地
19
OUT
正弦波、方波或三角波输出端
20
V-
-5V电源
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。
3.1.3MAX038的工作原理
MAX038内部框图如图3-2-3所示。
该芯片工作电源采用正负5伏，功耗为400mW。
内部提供2.5v基准电压，通过外接可调电阻R3，R1向震荡电流发生器的IIN端和FDAJ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。
这三种参数经震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，形成震荡，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，有A0，A1控制端选择其中的一种波形输出，其逻辑关系是，当A1为1时，输出正弦波；当A0A1=00时输出方波，脉冲波；当A0A1=10时，输出三角波，锯齿波。
另外，信号A送入比较器2，产生同步信号SYNC，公外围电路使用；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，必须将完全堆成的三角波输入正弦波形成电路。
图3-1-3MAX038内部框图
3.1.4频率、幅值与占空比的控制
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3-1-4所示。
表3-4-1输出频率范围与
的对应关系
波段
电容值
频率范围
1
20pF
2MHz～20MHz
2
100pF
200kHz～2MHz
3
1000pF
20kHz～200KHz
4
0.01μF
2KHz～20KHz
5
0.1μF
200Hz～2KHz
6
1μF
20Hz～200Hz
7
10μF
2Hz～20Hz
8
100μF
0.1Hz～2Hz
MAX038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。
3.1.5MAX038外围硬件电路
该部分用上了一个CD4051芯片，即单8通道数字控制模拟电子开关，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流，外围电路图如图3-1-5：
图3-1-5MAX038外围硬件电路
3.2滤波部分电路的设计
信号在产生的过程中存在着一定的谐波分量，这些分量叠加在有用信号上使输出波形产生一定的畸变，因此要在输出端经过一级滤波处理，滤除多余的谐波分量，使输出信号更加平滑。
对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其他频率信号通过。
3.2.1滤波电路的原理
本设计滤波电路采用的滤波器原理是建立在二阶压控电压源低通滤波器的基础之上的。
二阶压控电压源低通滤波器电路如图3-2-1所示。
它由两阶RC滤波器和同向比例放大电路组成。
其中同相比例放大实际上就是所谓的压控电压源，它的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益。
即
Aup=1+Rf/R1（3-1）
从低通滤波器的通带电压增益的计算式子可看出，只要通过改变Rf和R1比值就可以达到改变低通滤波器的通带电压增益Aup大小的目的，那么调节Rf和R1比值，即可对波形的幅度进行一定范围内的调节。
接下来我们计算一下二阶低通滤波器传递函数。
设C1=C2=C，A点的节点电流方程为
Vi（s）/R-Va（s）/R-[Va（s）-V0（s）]sC-Va（s）/R-Vp（s）/R=0（3-2）
P点的节点电流方程为
Va（s）/R-Vp（s）/R=Vp（s）sC（3-3）
由式（3-2）和（3-3）联立，解出传递函数
A（s）=V0（s）/Vi（s）=Aup/[1+（3-Aup）sRC+sRC*sRC]（3-4）
式（3-4）为二阶低通滤波器传递函数的表达式。
其中1/RC为特征频率，而1/（3-Aup）为等效品质因数Q，截止频率为1/RC。
所以我们可以通过设置R、C，调节通带到我们需要的范围。
又因为，只有当Aup小于3时，即分母中s的系数大于零时，电路才能稳定工作不产生自激振荡，所以Rf与R1的比值应在1、2之间。
图3-2-1低通滤波电路
3.2.2实际滤波电路
具体电路如图3-2-2所示。
图3-2-2二阶低通滤波器
其中Aup=1-2.8
Q=0.5-5
Au=QAup=0.5-14
f0=1/R6C4
其中中心频率要根据前面的输入信号的频率而定,故要通过调节C4、C5来确定,其中C4=C5。
3.3放大输出部分电路的设计
MAX038输出波形的幅值为2V（P-P），最大输出电流为＋20mA，输出阻抗的典型值为0.1Ω。
可直接驱动100Ω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。
在实用电路中，通常要求电路的输出级输出一定的功率，以驱动负载。
能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路。
从能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其他器放大电路在本质上没有根本的区别；只是功率放大电路既不是单纯地追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。
3.3.1功率放大的原理
功率放大器既然要有较大的输出功率，当然也要求电源供给更大的注入功率。
因此，功放的另一基本问题是工作效率问题。
即有多少注入功率能转换成信号功率。
功率放大电路有以下几个特点：
（1）输出功率大
（2）效率高
（3）大信号工作状态
（4）功率BJT的散热
放大器按照晶体管BJT的工作状态可分为三大类。
1．甲类功率放大器
特点：
1）工作点Q处于放大区，基本在负载线的中间。
2）在输入信号的整个周期内，三极管都有电流通过。
3）导通角为360度。
缺点：
效率较低，即使在理想情况下，效率只能达到50%。
由于有ICQ的存在，无论有没有信号，电源始终不断地输送功率。
当没有信号输入时，这些功率全部消耗在晶体管和电阻上，并转化为热量形式耗散出去；当有信号输入时，其中一部分转化为有用的输出功率。
作用：
通常用于小信号电压放大器；也可以用于小功率的功率放大器。
2．乙类功率放大器
特点：
1）工作点Q处于截止区。
2）半个周期内有电流流过三极管，导通角为180度。
3）由于ICQ=0，使得没有信号时，管耗很小，从而效率提高。
缺点：
波形被切掉一部分，严重失真。
作用：
用于功率放大。
3．甲乙类功率放大器
图3-3-1-1甲乙类功率放大器
特点：
1）工作点Q处于放大区偏下2）大半个周期内有电流流过三极管，导通角大于180度而小于360度3）由于存在较小的ICQ所以效率较乙类低，较甲类高。
缺点：
波形被切掉一部分，严重失真，如图3-3-1-1所示。
作用：
用于功率放大。
本设计所采用的为甲乙类功率放大器。
图3-3-1-2为基本OCL电路。
所示电路具有电路简单，效率高等特点，广泛用于直流电机和电磁阀控制系统中。
但由于BJT的ICQ=0,因此在输入信号幅度较小时，不可避免地要产生非线性失真-交越失真。
图3-3-1-2基本OCL电路
产生交越失真的原因是功率三极管处于零偏置状态，即：
VBE1+V
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