基于MAX038的多波形函数信号发生器.docx
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基于MAX038的多波形函数信号发生器
1.绪论
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。
其发出的信号的稳定性，信号的失真度，频率的范围大小，都不是很理想。
于此相比，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，用来控制其他设备。
多波形函数信号发生器是电子实验室的基础设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标高，但价格较贵。
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。
基于MAX038的多波形函数信号发生器设计，本课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，结合现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本系统的设计全过程。
通过MAX038来产生一系列有规律的幅度和频率可调的方波、三角波和正弦波，这样的一个多波形函数信号发生器在控制领域有着相当广泛的应用范围。
本文主要分五大部分：
绪论、系统概述和设计方案、硬件部分、软件部分、总结。
绪论首先对课题背景和所涉及的技术领域进行介绍；第一章对系统所要完成的功能进行讲解，确定系统的主要参数，第二章对系统的硬件结构和各部分组成进行简要的介绍；第三章软件部分，这部分重点介绍了主程序的流程图及驱动程序。
最后对全文进行了总结与展望。
2．系统概述和方案设计
2.1概述
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
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。
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。
2.2设计指标
信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形，输出信号频率在0.1Hz～20MHz范围内可调，输出信号频率可分段调节：
在0.1Hz～1Hz范围内步步进间隔为0.11Hz，在1Hz～10Hz范围内步进间隔为1Hz，在10Hz～1KHz范围内步进间隔为10Hz；在1KHz～20MHz范围内步进间隔为1KHz。
输出信号频率值可通过键盘进行设置；在1KW负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值在0～20V范围内可调；输出信号波形无明显失真。
2.3方案论证与比较
函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：
方案一：
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。
方案二：
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8038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。
方案三：
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，它克服了方案二中芯片的缺点，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。
方案四：
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。
通过对以上四种方案的比较，我们可以看出几种方案的优缺点：
方案一：
结构很简单，制作容易，但是输出信号有频率线性度差、频率稳定度低、频率分辨率低、频率变换时间比较长，相位噪声大以及人机界面不友好等缺点。
方案二：
电路结构简单，但在频率分辨率、频率变换时间、相位噪声等方面都不如方案三。
方案三：
结构相对复杂，但具有输出频率稳定性高，频率输出线形度好、频率分辨度高、波形正确，频率变换时间小，相位噪声小、人机界面好、易于控制等优点、性能优良。
方案四：
能产生任意波形且达到很高的频率，但是成本较高。
基于我们的选择标准——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。
从上面的比较可以看出，方案一和方案二都有各自较大的缺点，难以达到理想的设计要求。
而方案四虽然能达到很好的要求，但是从价格方面考虑我们还是选择方案三较好。
2.4MAX038芯片介绍
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℃。
6）低温度漂移：
200PPM／℃。
7）低阻抗输出缓冲器：
0.1；
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。
2.5芯片引脚
图2.5.1MAX038引脚图
表2.5.1MAX038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
图2.5.2MAX038内部电路图
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。
鉴相器是作为锁相环的备用单元，为异或门电路结构，输入信号一路来自内部差动矩形波OSCA和OSCB，另外一路来自外部引脚PDI。
鉴相器的输出信号为电流，由PDO引脚输出平均值变化范围为。
当两路输入信号的相位差为时，输出电流的占空比为50%，平均值为。
如果构成锁相环路，则PDO和FADJ相连，并且对地连接一个电阻，同时并联一个电容。
决定鉴相器的灵敏度，用于滤除电流中的高频成分。
2.6系统框图及原理
如图2.6.1所示，采用单片机AT89C52对主信号发生芯片进行智能控制，对MAX038产生的波形信号进行频率高低，占空比大小，幅度范围的控制，以及产生波形的选择控制。
图2.6.1系统框图
MAX038的输出频率主要受振荡电容CF，IIN端电流和FADJ端电压的控制，其中前二者与输出频率的关系如图2.7.1所示。
选择一个CF值，对应IIN端电流的变化，将产生一定范围的输出频率。
另外，改变FADJ端的电压，可以在IIN控制的基础上，对输出频率实现微调控制。
为实现输出频率的数控调整，在IIN端和FADJ端分别连接一个电压输出的DAC。
首先，通过DACB产生0V（00H）到2.5V（0FFH）的输出电压，经电压/电流转换网络，产生0μA到748μA的电流，叠加上网络本身产生的2μA电流，最终对IIN端形成2μA到750μA的工作电流，使之产生相应的输出频率范围。
DACB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，IIN端的电流对输出频率实现粗调。
第二步，通过DACA在FADJ端产生一个从-2.3V（00H）到+2.3V（0FFH）的电压范围，该范围同样包含256级步进间隔，IIN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。
2.7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2.7.1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：
f3～f4，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
CF
f1（2µA）
f2（750µA）
Δf
f3
f4
1
10pF
200kHz
65MHz
1kHz
600kHz
10MHz
2
1nF
2kHz
650kHz
10Hz
6kHz
600kHz
3
100nF
20Hz
6.5kHz
0.1Hz
60Hz
6kHz
4
10µF
0.2Hz
65Hz
0.001Hz
0.2Hz
60Hz
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0.2Hz～10MHz，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
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