函数信号发生器.docx
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函数信号发生器
函数信号发生器
本系统为以MAXIM公司的MAX038芯片为中心的函数信号发生器，以STC89C52单片机为主控制器，通过参数调整电路，进行各种功能的操作，完成输出信号的波形变换，频率，幅度的调节。
用lcd显示器实时显示输出信号波形类型和预置频率，幅度。
系统由单片机控制模块、键盘、LCD液晶显示,MAX038波形产生器、和末级放大电路构成,调制信号既可由外部的电容器档粗调,也可以通过滑动变阻器实现微调。
而末级放大电路则对生成的信号进行适当的放大,以提高信号的振幅和强度。
关键词:
MAX038;AT89C52;波形;
界面提示DesignofSignalGeneratorBasedonMAX038andSingle-ChipMCU
Abstract
ThissystemforMAXIMcompanyMAX038chipasthecenter,STC89C52functionsignalgeneratorwithMCU,mainlythroughparameteradjustingcircuitcontroller,variousfunctionsofoperation,completetheoutputsignalwaveformconversion,frequency,amplitudeadjustment.UsetheLCDmonitorreal-timedisplayoutputsignalwaveformtypesandpresetfrequency,amplitude.Systemofmicrocomputercontrolmodule,keyboard,LCDdisplay,MAX038waveform,andfinalamplifiercircuit,signalcanbemodulatedbyexternalcapacitorfilescanalsopass,coarseslidingrheostatrealizefine-tuning.Buttheendoftheamplifiercircuitgeneratedsignals,inordertoimprovetheappropriatesignalamplitudeandstrength.
一．系统总体设计
1.题目要求：
基本要求
（1）函数信号发生器能产生正弦波、锯齿波、三角波和方波四种周期性波形；
（2）输出信号频率在100Hz～100kHz范围内可调,输出信号频率稳定度优于10-3；
（3）在1k负载条件下，输出信号的电压峰-峰值Vopp在0～5V范围内可调；
（4）可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值；
（5）输出信号波形无明显失真；
（6）自制稳压电源。
发挥部分
（1）将输出信号频率范围扩展为1Hz～1MHz，输出信号频率可分段调节：
在1Hz～1kHz范围内步进间隔为1Hz；在1kHz～1MHz范围内步进间隔为100Hz。
频率值可通过键盘进行设置；
（2）在50负载条件下，输出信号的电压峰-峰值Vopp在0～5V范围内可调，调节步进间隔为0.1V，输出信号的电压值可通过键盘进行设置；
（3）可显示输出信号的波形；
（4）其他。
2.系统总体框图
图1.信号发生器系统方框图
二、项目方案选择及核心电路原理图
1.项目方案选择
方案一：
利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器。
8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。
由于外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压uc的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。
8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。
另外还可以将三角波通过触发器变成方波输出。
8038无法达到高频函数发生器的要求，为了慎重起见，我们放弃了此方案。
方案二：
MAX038是MAXIM公司开发的新一代专用函数信号发生芯片，它可以产生正弦波、方波和三角波三种波形，并且频率和占空比的独立可调。
本文设计了一种由LPC2114、MAX038和D/A转换器构成的程控函数信号发生器
MAX038是MAXIM公司生产的一种具有高频、高精度、低输出电阻、驱动能力强的函数信号发生器芯片。
它的内部电路主要由振荡器、振荡频率控制器、2.5V基准电压源、正弦波形发生器、比较器、多路模拟开关、相位比较器组成。
MAX038主要性能特点如下：
◆能精密地产生正弦波、矩形波（含方波）、三角波信号。
◆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（P－P）。
◆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％。
◆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％。
◆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℃。
◆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。
因为max038型单片精密函数信号发生器芯片具有以上优点，所以本项目采用方案二。
2.核心电路原理图
图2.函数信号发生器核心电路原理图
三.系统的硬件设计与实现（单元电路设计）
1.基本要求部分
（1）稳压电源部分电路设计
由于本系统复杂，涉及到很多电路，集成芯片多，又各自所需的电压不同，为了符合每一部分电压的需要。
我们必须把电压分别转换，通过7812，1972分别产生正负12V电压，用1805，7905产生正负5V电压。
根据题目要求我们设计的稳压电源电路图如图所示：
图3.稳压电源电路图
（2）由MAX038构成的高频精密函数发生器
（1）MAX038管脚功能：
图4.MAX038引脚图
表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5.MAX038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。
（3）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6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
的电流输入。
用公式（2.1）（2.2）可以检验，确定表2.7.1所列的电容值可满足后面频率产生要求。
（4）矩阵键盘检测电路
图7矩阵键盘扫描
（5）液晶显示电路原理图
图812864液晶显示
通过12864液晶显示器显示频率、波段、波形。
（6）三角波变锯齿波电路
由于MAX038产生了矩形波、三角波、正弦波，因此需要把三角波变成锯齿波。
图9波形转换后的波形
三角波电压如图（a）所示，经波形变换电路所获得的锯齿波电压如图（b）所示。
当三角波上升时，矩形波与之相等，即
uO:
uI=1:
1
当三角波下降时，矩形波与之相反，即
uO:
uI=-1:
1
因此，波形变换电路应为比例运算电路，当三角波上升时，比例系数为1；当三角波下降时，比例系数为-1；利用可控电子开关，可以实现比例系数的变化。
三角波表锯齿波电路如下图所示，其中电子开关为示意图，uC是电子开关控制电压，它与输入三角波电压的对应关系如图中所示。
当uC为低电平时，开关断开；当uC为高电平时，开关闭合。
图10三角波变锯齿波电路
设开关断开，则uI同时作用于集成运放的反相输入端和同相输入端，根据虚短和虚断的概念列N点电流方程：
将R1=R，R2=R/2，Rf=R，uN=uI/2代入上式，解得
uO=uI
设开关闭合，则集成运放的反相输入端和同相输入端为虚地，uN=uP=0，电阻R2中电流为零，等效电路是反相比例运算电路，因此
uO=-uI
正好符合要求，从而实现了将三
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