基于单片机的信号发生器设计.docx
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基于单片机的信号发生器设计
基于单片机的信号发生器设计
摘要
在介绍MAX038芯片特性的基础上,论述了采用MAX038芯片设计数字函数信号发生器的原理以及整机的结构设计。
对其振荡频率控制、信号输出幅度控制以及频率和幅度数显的实现作了较详细的论述。
该函数信号发生器可输出三角波,方波和正弦波。
输出频率范围为0.1Hz至20MHz。
输出幅度的峰峰值为Vp_p=2V,正弦波非线性失真小于0.75%。
本文重点论述了整机通过D/A转换电路控制MAX038的实现过程，在D/A转换电路采用了8位4通道的MAX505来实现，并且设计了一个可以将0～2.5V的电压转换为±2.3V的电压变换网络及一个可将0～2.5V的电压转换为2µA～750µA的电流的压流变换网络。
在幅度的控制上采用数字电位器AD5171，该芯片是I2C总线方式控制，文中给出了I2C总线的读写控制程序。
采用LCD显示产生的波形，幅度，频率，占空比的控制界面。
系统支持按键操作和上位机操作两种模式。
关键词:
函数信号D/A单片机控制数字显示
Abstract
BasedontheintroductionofMAX038,wediscussedtheprincipleandthewholeframeofthedigitalfunctionsignalgenerator.Wedescribedthecontroloftheoscillatoryfrequent,amplitudeandthedigitaldisplayindetail.Thegeneratorcanoutputthreekindsofwaves:
sinewave,squarewave,trianglewave.Therangeoffrequencecanbewithin0.1Hzto20MHz.ThemaximumofamplitudecanreachtoVp-p=2V.
Thistexthasexpositionthemirco-computercontrolstheD/Aelectriccircuitofconversionrealizetheprocess.InD/Achangingelectriccircuitadoptthe8bit4channelcometorealize.Anditistodesignitisthatvoltage0～2.5Vto±2.3Vtansformcircuitanddesignitisthatvoltage0～2.5Vtocurrent2µA～750µAtansformcircuit.PorentiometerAD5171isadoptedinthecontroloflength.ThischipisthatI2Cbuscontrolway.ThisthesishaveI2Cbusread/writedriveprogramandadoptLCDshowthewaveform,frequent,range,variabledutycycleofcontrolinterfaceproduction.Thissystemsupportskey-controlorcomputer-controlmodes.
Keywords:
functionsignalD/Asingle-chipmicroprocessorcontrol
digitaldisplay.
绪论
基于单片机的信号发生器设计，该课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本的实际系统的设计全过程。
关键是这个实际系统设计的过程，在整个过程中我可以充分发挥专业知识。
特别是这个信号发生器的设计中涉及到一个典型的控制过程。
通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片，可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形。
这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围。
因为产生的一系列的可调波形可以作为其他一些设备的数值输入。
还可以应用于设备检测，仪器调试等场合。
高频稳定的波形信号也可以用于无线电波的调频、解调中。
这些都是在现代生活中必不可少的一些应用。
通过这样一个题目我不但可以总结三年中专业知识，将其发挥在实际的系统设计中，并且对将来的工作也是一个很好的帮助。
在现代社会中，信号发生器已经渗透到社会生活的各个领域中。
在超声波测量技术中,超声换能器（发射换能器和接收换能器）是超声波检测技术的核心部件。
高精度、宽频率范围、高稳定性的激励源对于发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。
传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC等分离元件制成。
与此相比,基于集成芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。
利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度，频率，占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。
只要将这个信号发生器设计的基本思路掌握，不但可以融会贯通所学的专业知识还可以在以后工作中利用到，作为用来控制其他设备或设计的一个参考。
使用单片机设计的多功能信号发生器,不仅减少了器件,简化了电路,节约了成本,更使得系统稳定节能,方便快捷地输出多种低频信号。
这种结构简单，成本低廉但是性能优良的信号发生装置已经越来越广泛地应用在现代化控制领域的各个方面。
无论是工业，民用，航空，军事还是商业领域都有信号发生装置的设计应用产品。
所以，做好这个设计也是对发展有促进意义的工作。
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。
本文介绍一种由集成电路MAX038设计的简易信号发生器，该仪器结构简单，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。
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重要随身设备之一。
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，首先对课题研究背景和所涉及的相关技术领域进行了介绍；第一章对系统所要完成的功能和可扩展的功能进行描述，确定系统的设计方案主要参数计算，第二章对系统的硬件结构和各部分组成作了简要的介绍和讲解；第三章是软件部分，这部分重点介绍了主程序的流程框图及各个子程序的流程框图以及I2C及LCD的驱动程序。
最后对整篇文章进行了总结。
1系统概述和设计方案
1.1论文的内容和组织
本文提出并设计了一种基于AT89S51微处理器控制的MAX038信号发生芯片的信号发生器设计。
文中详细介绍了该系统的原理、构成及其设计方法，着重分析了以美国MAXIM公司生产的高频信号发生芯片MAX038为核心的精密多波形高频函数信号发生系统的软硬件原理，并开发了基于AT89S51微处理器的软件程序。
本次设计的基于单片机的信号发生器设计就是设计一个单片机控制系统，对信号发生芯片进行的控制。
通过这个单片机对信号发生芯片进行精密控制，实现对波形的选择，频率，占空比以及波形幅度的控制。
这些控制可以通过键盘设定，并通过LCD显示出来。
这就要求对选择的信号发生芯片，选用的单片机，LCD有初步的了解，并且对整个系统的结构有个合理地分配。
1.2方案选择
方案一：
直接利用单片机编程产生三角波，方波，锯齿波。
优点：
简化了用于产生波形的硬件和软件,特别适用于交流感应电动机和无刷直流电机的速度控制以及变频电源的SPWM控制。
缺点：
编程复杂，波形失真较大，并且不能达到要求输出的高频率信号。
方案二：
利用单片机控制波形信号产生芯片,通过单片机，键盘，LCD显示实现波形的数字控制。
优点：
控制简单,波形效果好,频率带宽。
缺点：
硬件电路复杂。
为了满足设计要求，取得较好的效果。
显然方案二较为理想。
1.3信号发生芯片选择
目前，集成化的函数波形发生器大多采用ILC8038或5G8038，但它们只能产生300kHz以下的中、低频的正弦波、矩形波（含方波）和三角波（含锯齿波），而且频率与占空比不能单独调节，两者互相影响，这就给实际应用带来了许多不便。
此外，这些芯片的扩展功能较少，调节方式也不够灵活，且无法满足高频精密信号源的要求。
美国MAXIM（马克希姆）公司应市场的需求而研制的MAX038型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。
1.4MAX038的说明
1.4.1MAX038的特点
MAX038是美国MAXIM公司生产的高频,高精度,低输出电阻,驱动能力强（20mA）的函数信号发生器芯片。
MAX038内部含有精密带隙电压参考，鉴相器和TTL同步输出，能以最少的外部元件构成一台多波形的高频函数信号发生器，也可以单独用作电压控制振荡器，频率调节器，脉宽调制器，锁相环，频率合成器及FSK信号发生器，是目前较为理想的信号产生集成芯片。
1.4.2MAX038的主要电器特性
工作频率范围:
0.1Hz～20MHz
频率扫描范围:
375:
1
占空比调节范围：
10％～90％
输出电阻:
0.1Ω
非线性失真:
小于0.75%
温度系数:
200ppm/℃
输出波形:
正弦波,三角波,锯齿波,方波,脉冲波,占空比可调
输出幅度:
Vp_p=2V
频率和占空比调节互不影响。
1.4.3MAX038的引脚描述
MAX038是20引脚封装的集成电路芯片，封装如图1所示。
引脚说明如表1所示。
图1：
MAX038的引脚图
表1MAX038的引脚说明
引脚
名称
作用
1
REF
2.5V参考电压
2，6，9，11，18
GND
地
3
A0
输入，选择波形，TTL/CMOS电平兼容
4
A1
输入，选择波形，TTL/COMS电平兼容
5
COCS
连接外部电容
7
DADJ
输入，调解占空比
8
FADJ
输入，调节频率
10
IIN
输入，控制频率的电流
12
PD0
鉴相器输出。
如果不用鉴相器，将其接地
13
PD1
鉴相器参考时钟输入。
如果不用鉴相器，将其接地
14
SYNC
TTL/COMS电平兼容输出，允许内部晶振与外部信号同步，如果不用这项功能，让其开路
15
DGND
数字地
16
DV+
数字+5V输入，如果不用SYNC，可让其开路
17
V+
+5V电平输入
19
OUT
正弦波，方波，三角波输出
20
V-
-5V输入
1.4.4MAX038的内部结构和工作原理
如图2所示,MAX038内部主要由振荡器,参考电压源,恒流源发生电路,多路选择开关,比较器,相位检测器,输出缓冲器等部分组成。
MAX038内部结构如图2所示，该芯片工作电源采用±5V,功耗为400mW。
内部提供2.5V基准电压,通过外接可调电阻
向振荡电流发生器的IIN端和FADJ端提供频率粗调电流和频率细调电压;通过
向DADJ端提供脉冲占空比调节电压。
这三种参数经振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,形成振荡,产生三角波信号A,B,C.振荡电流发生器产生三角波和矩形波，三角波再由正弦形成电路转变为正弦波。
图2MAX038内部结构图
三种波形进入多路器，由A0,A1
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