论美学和艺术的观赏.docx
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论美学和艺术的观赏
目录
摘要………………………………………………………………………………………………………………1
关键词……………………………………………………………………………………………………………1
Abstract…………………………………………………………………………………………………………1
Keywords…………………………………………………………………………………………………………1
引言3
1正弦波发生器4
1.1正弦波发生器的概述4
1.2主要用处4
2系统设计4
2.1设计要求：
4
2.2总体设计方案4
2.2.1设计思路4
2.2.2方案论证5
3关于MAX0386
3.1MAX038的介绍：
6
3.2MAX038的性能：
6
3.3管脚功能7
3.4MAX038的应用场合：
8
3.5MAXO38内部电路框图及工作原理。
9
3.5.1内部电路框图9
3.5.2内部器件9
4单元电路设计12
4.1信号发生12
4.2电路分析13
4.3电路设计14
5电路调试17
5.1波形调节17
5.2频率调节17
5.3失真度调节17
5.4测试使用的仪器17
5.4.1示波器的使用18
5.4.2数字万用表的使用19
5.5指标测试和测试结果20
5.6电路调试20
结束语21
参考文献22
致谢23
正弦发生器的设计
机械电子工程专业段以磊
指导教师沈勇
摘要：
本系统以MAX038芯片函数发生器集成块为核心器件，制作一种信号发生器，可以产生稳定的正弦波形。
最大优点是制作成本较低。
MAX038是一种具有波形输出的精密振荡集成电路，也可用于频率调制。
其集成块外围元件数量需要较少，就能产生从10Hz～100KHz的低失真正弦波脉冲信号。
输出波形的频率和占空比还可以由外部元件控制。
另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。
电路由2个低通滤波器,三级管C9018，正弦波输出放大器、三端稳压集成块组成的±5V双电源等组成。
本论文主要陈述了正弦波发生器的设计与制作。
利用Protel99SE绘制原理图以及PCB图，根据原理图放置元件、连线、电气检查、更新PCB、布线等。
再将图纸转印到铜板上，钻孔，放置元件，焊接，最后进行调试。
关键字：
MAX038频率幅度正弦波输出放大器低失真
Sinegeneratordesign
Mechanicalandelectronicengineeringparagraphstolei
TeachersShenYong
Abstract:
thesystemtoMAX038chipintegratedblocksfunctiongeneratorforthecoredevice,makingakindofsignalgeneratorcangeneratestablesinewave.Biggestadvantageismakinglowcost.MAX038isonekindhasthewaveformoutputprecisionoscillationintegratedcircuit,alsocanusedforfrequencymodulation.Itsintegratedblockperipheralcomponentsnumber,youcangenerateneedlessfrom10Hz~100KHZlowdistortionsinusoidalpulsesignal.Theoutputwaveformoffrequencyandoccupiesemptiescomparedtostillcancontrolbyexternalcomponents.Plus,becausethechiphasmodulationsignalinput,socanbeusedinlow-frequencyfrequencymodulationsignal.Circuitconsistsoftwolow-passfilter,tripletubesC9018,sinewaveoutputvoltageamplifier,threeoftheintegratedblocksthe+5Vdual-supplyetc.Thispaperstatedthesinewavegeneratordesignandproduction.UseProtel99SEdrawingprinciplediagramandPCBfigure,accordingtotheprinciplediagramplacedcomponents,connections,electricinspection,update,PCB,cabling,etc.Thentransfertocopperdrawing,drilling,placecomponent,welding,finallydebugging.
Keywords:
MAX038frequencyrangelowdistortionsinusoidaloutputifier
引言：
本系统采用单片函数信号发生器专用集成电路MAX038组成的简单函数信号发生器。
这个电路可同时产生正弦波、三角波、和方波。
最大优点是制作成本较低。
适合学生学习电子技术测量使用。
可在10Hz～100KHz频率范围内连续变化。
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、方波和三角波等三种波形（我们这里只产生正弦波），而且频率和占空比独立可调。
本文设计了一种由MAX038、以及电子开关阵列SW-SPST等构成的高精度函数信号发生器。
通过低通滤波实现对MAX038频率就绪和占空比的调控方法。
给出了在0.1Hz～20MHz（最高可达40MHZ）内产生精确的正弦波的方法。
此外，本函数信号发生器还具有可调范围大、精度高、信号稳定等特点，可以应用于各种电子测量和控制场合。
1正弦波发生器
1.1正弦波发生器的概述
正弦波发生器是一种能产生正弦波信号的装置。
常用于科研、生产、维修和实验中。
例如在教学实验中，常使用函数发生器的输出波形作为标准输入信号，接至放大器的输入端，配合测试仪器，例如用示波器定性观察放大器的输出端，判断放大器是否工作正常，否则，通过调整放大器的电路参数，使之工作在放大状态；然后，通过测试仪器（例如用晶体管毫伏表对输出端进行定量测试），从而获得该放大器的性能指标。
1.2主要用处
正弦信号发生器。
主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。
按其不同性能和用途还可细分为低频（20赫至10兆赫）信号发生器、高频（100千赫至300兆赫）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。
2系统设计
2.1设计要求：
1.用MAX038芯片生成正弦波周期性波形
2.输出信号频率在10Hz～100kHz范围内可调
3.正弦波失真度可调。
2.2总体设计方案
2.2.1设计思路
本设计主要是利用MAX038为主体,产生信号作成简易的信号发生器，产生正弦波。
通过外围电路我们可以对产生的信号进行频率，幅度的调节，为此我们设计了四个波段作为频率的粗调，在以开关阵列进行细调校正。
同时我们还设计了正弦波的幅度调节低通滤波器。
2.2.2方案论证
系统功能分析
本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度、波形的控制。
在设计的过程中，我们综合考虑了以下设计方案比较与选择：
（1）信号产生
方案：
采用专用MAX038芯片产生正弦波。
优点：
软件设计，控制方便，电路易实现，容易直接达到题目要求的频率范围和步进值,且稳定性和上法一样，频谱纯净，幅度恒定，失真小。
（2）模拟频率调制
方案：
使用内调制（软件调制），通过单片机中断，对外来模拟调制信号进行采样，采样速率为32KHz，然后对采样值进行转换，把电压转换成对应的频偏，然后转换成相应的频率控制字送达MAX038芯片中，以实现对1KHz正弦信号的调频，这样可以满足最大频偏的精度要求。
（这个方案，在实际中要求调制信号是固定不变的1KHz正弦信号，所以，我们直接把正弦信号存储在单片机中，并且换算好频率控制字。
）
（3）模拟幅度调制
方案：
充分利用MAX038的资源，将1K的调制信号使用MAX038的19脚IO加2个低通滤波器，在经过三级管C9018放大输出，使其输出波形更稳定。
这样效果非常好，而且成本低。
3关于MAX038
3.1MAX038的介绍：
；
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。
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，它克服了上述芯片的缺点，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。
3.2MAX038的性能：
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（P－P）。
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，工温度范围为0～70℃。
6）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。
3.3管脚功能
MAX038采用DIP－20封装形式，芯片引脚图以及各管脚的功能如下所示。
3.3.1MAX038的芯片引角图：
3.3.2MAX038的引角名称和各管脚功能：
引脚号名称功能
1VREF2.5V基准电压输出
2GND地
3A0波形选择编码输入端（兼容TTL/CMOS电平）
4A1同A0脚
5COSC主振器外接电容接入端
6GND地
7DADJ占空比调节输入端
8FADJ频率调节输入端
9GND地
10IIN电流输入端，用于频率调节和控制
11GND地
12PD0相位检测器输出端，若相位检测器不用，该端接地
13PD1相位检测器基准时钟输入，若相位检测器不用，该端接地
14SYNCTTL/CMOS电平输出，用于同步外部电路，不用时开路
15DGND数字地，在SYNC不用时开路
16DV+数字+5V电源，若SYNC不用，该端开路
17V++5V电源输入端
18GND地
19OUT正弦、方波或三角波输出端
20V--5V电源输入端
注：
表中5个地内部不相连，需外部连接。
3.4MAX038的应用场合：
1、频率调制器
2、频率合成器
3、FSK发生器—正弦波与方波
4、锁相环（PLL）
5、精密函数发生器
6、脉冲宽度调制器
7、压控振荡器
3.5MAXO38内部电路框图及工作原理。
3.5.1内部电路框图
MAX038的内部框图如下图所示。
主要包括主振器，主振控制器，2.50V基准电压源，正弦波形成器，方波形器，比较器，多路选择器，输出级和相位检测器：
3.5.2内部器件
（1）相位检测器:
相位检测器的原理图如下：
MAX038中的相位检测器可用在使其输出与外部信号同步的锁相环中。
外部信号源接到相位检测器输入（PDI）,由PDO得到相位检测输出。
PDO通常接到FADJ引脚以及一个电阻RPD和一电容CPD至地。
RPD控制相位检测器增益。
PDO输出在0UA至500UA之间变化的矩形电流脉冲串。
当其与PDI相位正交（相位差90°）时有50﹪的占空比。
当相位差为180°，占空比为100﹪；相反，当相位差为0°时，占空比为0﹪。
相位检测器的增益KD由下式表达：
KD=0.1318×RPD,其中RPD为相位检测器增益设置电阻。
当环锁住时，输出信号与相位检测器接近相位正交，占空比为50﹪，PDO的平均电流为250UA（FADJ的吸入电流）。
该电流由FADJ和RPD分离，但总有250UA进入FADJ，其余电流则在RPD上分流以产生VFADJ。
RPD越大，则一定的相位差时VFADJ越大，锁相环增益越大，同步范围就越小。
因为PDO输出的电流给CPD充电，所以VFADJ的变化率（锁相环带宽）和CPD成反比。
（2）电压比较器：
电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
电压比较器的功能：
比较两个电压的大小（用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系）：
当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
电压比较器的作用：
它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。
3.5.3工作原理
MAX038的内部框图如上图所示。
主要包括主振器，主振控制器，2.50V基准电压源，正弦波形成器，方波形器，比较器，多路选择器，输出级和相位检测器。
在COSC与COM之间接上振荡电容Cr，利用恒定电流IIN向Cr充电和放电，既可形成振荡，产生一个三角波和两个矩形波。
图中，振荡器输出的三角波经正弦波形成器变换成等幅，低失真的正弦波。
多路模拟开关则从输入的正弦波，三角波和矩形波中选择一种，作为输出。
波形种类由地址A0，A1的逻辑电平来设定。
与此同时，三角波还经过比较器从SYNC端输出，可作为外部振荡器的同步信号
Ⅰ、输出振荡频率控制
输出频率与外接振荡电容器COCS的容量、参考电流IIN及频率调节电压VFADJ有关。
当VFADJ=0V时，输出振荡频率由下式决定：
F0=（MHZ）=IIN（uA）/CF（PF）式中：
IIN为当前输入到IIN的电流（2uA≤IIN≤750uA），IIN可由电流源IIN或电压源VIN与电阻RIN串联来驱动（接在REF和IIN之间的电阻就可产生IIN）。
使用电压源与电阻串联的振荡器振荡频率按F0（MHZ）=Vin/[Rin*Cf（Pf）]计算。
推荐的参考电流IIN范围：
10uA到400uA。
CF=外接振荡电容器COSC的容量（20pf≤COSC≤100uf）；一旦由IIN设置F0后，输出频率还可以由VFADJ调节，FADJ上的电压变化范围从-2.4V到+2.4V，由FADJ调节的频率输出范围是FADJ=0时的0.3倍道1.7倍。
如果超出了+/-2.4V会导致输出频率的不稳定。
当已知VFADJ时，频率为：
FX=F0×（1-0.12915×VFADJ），而输出信号周期为tx=to/（1-0.12915×VFADJ）,其中，to为VFADJ=0V时的输出信号周期。
接在REF（+2.5V）和FADJ之间的可变电阻RF可调整频率。
RF阻值按RF=（VFEF-VFADJ）/250（UA）计算。
Ⅱ、SYNC输出
SYNC可输出方波来同步外部电路，其上升沿与正弦波或三角波上升沿通过0V时的点重合。
当选用方波时，SYNC上升沿发生在输出方波正半周的中点，即超前输出信号90°。
SYNC的占空比固定为50﹪。
SYNC在DGND和DV+上产生的高速瞬变电流会辐射能量至输出信号中，产生窄的尖脉冲。
集成电路插座的电感和电容会增大这种效应。
SYNC由单独的地和电源引脚（DGND和DV+）供电。
如果不需和外部电路同步，将DV+开路以断开SYNC电源而抑制尖峰。
Ⅲ、占空比调节
改变DADJ端的电压，能控制波形的占空比D。
当VDADJ=0V时，D=50﹪；VDADJ=+2.3∽-2.3V时，D从15﹪变化到85﹪.欲获得完全对称的正弦波，需加一个校准电压VDADJ，允许范围是-100～+100MV,经校准后可使D严格等于50﹪。
占空比的计算公式为：
D=（50+17.4VDADJ）﹪需要指出的是，在调节占空比时应尽量避免输出频率改变。
仅当D=15﹪～85﹪且25UA﹤IIN﹤250UA时，对F0的影响最小，△F0﹤2﹪。
Ⅳ、输出波形的选择
输出波形由波形选择输入端A0,A1的状态确定：
A1=1、A0=X输出正弦波：
A1=0、A0=0输出方波；
A1=0、A0=1输出三角波。
另外，如果将13（PDI）脚输入的外同步信号经内部相位检测器图振荡频率进行相位比较，相差信号从12脚输出再反馈到8脚可构成锁相环，实现外同步。
4单元电路设计
4.1信号发生
信号发生器部分主要由MAX038芯片和外部电容构成，它可输出正弦波。
MAX038内部由控制器、电压源、正弦波形成器、检测器等构成。
正弦波信号则通过正弦波形成器将三角波信号进行积分、滤波形成。
4.2电路分析
在MAX038中，波形的选择由A0和A1两个输入引脚的逻辑电平设定：
当A0=0或A1=1时为正弦波；当A0=0、A1=0时输出矩形波；当A0=1、A1=0时输出三角波。
在本设计中，利用软件编程实现单片机对I/0口控制达到对A0、A1的控制，从而改变波形信号类型的输出。
MAX038的输出频率f0由IIN引脚的电流，FADJ端电压和主振荡器COSC的外接对地电容量CF三者共同确定。
当UFADJ=0时，输出频率由公式f0=IIN/CF给出。
在式中,f0是输出频率,单位MHz；IIN是管脚输入电流,单位μA；CF是决定输出频率的串入电容值,单位pF。
当UFADJ≠0V时，输出频率f0=f（1－0.2915UFADJ）。
在本设计中，FADJ引脚接地，MAX038的频率控制电压由12位AD7543提供,经Rin＝50kΩ的电阻进入IIN引脚，电路连接如下图所示。
设IIN输入端电压为Vin,串接电阻为Rin,则有公式：
Fo（MHz）=IIN（μA）COSC（pF），IIN=VREF（R3+R12）=2.5V÷（0k～50k+3.3k∣）式中,F0是输出频率,单位为MHz；Vin是输入端电压,单位V；Rin是串接电阻,单位Ω；CF是决定输出频率的串入电容值,单位为pF。
由Rin＝50kΩ，我们设定Vin的范围0.5～5V,这样针对某一电容的选择就可确定输出频率范围,即频段。
本设计中应用拨码开关选通不同的CF值，根据公式
（2），通过计算，将整个输出信号分为六个频段：
10Hz——100Hz、100Hz——1KHz、1KHz——10KHz、10KHz——100kHz、100kHz——1MHz、1MHz——10MHz。
要想得到各个频率段内的频率，就可以拨动开关选择相配电容启动频段。
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。
4.3电路设计
4.3.1画原理图的基本步骤：
1.建立工作目录
2.启动Protel
3.设置工作环境：
工作区域，字体
4.创建新的设计
5.创建新的文件
6.给新文档命名，对图纸环境设置
7.加元件库
8.放置元件和连线
9.加上电源和地
10.添加网络标号
11.电气规则检查ERC
12.生成材料清单（BON）
13.生成网表（NET）
正弦发生器原理图
4.3.2制板
电路板的设计流程：
1.先规划电路板：
采用多大物理尺寸、几层板、器件封装和位置、特殊器件的定位等。
2.设置参数：
线层、颜色、显示等。
3.导入网表和器件封装：
网表是电路设计的核心，也是联结原理图和PCB板的桥梁，器件封装是正确布局/布线的基础。
4.器件布局：
制订设计规则，元件布局非常重要，关系到布线的成功，合理，美观，维护。
5.布线：
有手工布线和自动布线。
6.设计检查。
7.设计文件保存和输出。
PCB图
4.3.3焊接
准备焊接的管脚之前一定要做除去管脚上的氧化层；焊接元器件先从小到大的次序来焊接；焊接时,烙铁与焊接面成45°；焊接时，烙铁在焊接面上停留的时间不能太长,要尽量短，这样以免烧坏铜层和元器件；焊接时用的松香要少,不能太多；焊接完后要注意清扫板面，以及检查电路是否焊接的有短路、虚焊等。
5电路调试
5.1波形调节
MAX038芯片的十九脚输出三角波。
通过电路中的低通滤波器可以调整电源I1、I2来改变方波及三角波形状。
正弦波由I晓MAX038的1脚和12脚调整，通过改变电路中的电子开关阵列，调节低通滤波器参数值来改变正弦波形。
5.2频率调节
用开关改变外接定时电容可获得1Hz～100kHz的频率输出,开关处于不同的位置,可获得10Hz～100Hz、100Hz～1kHz、1kHz～10kHz、10kHz～100kHz四段输出。
将S1拨至固定位置,如与4.7uF档相接R1滑动端调至最上端,改变R2使输出信号频率为10Hz;然后将R1滑动端调至最下端,改变R1使输出信号频率为1Hz,多次调节后,改变R1输出信号频率就可在10Hz～100Hz范围内连续调整。
5.3失真度调节
输出正弦波失真度由低通滤波器来调节,用示波器观察U1的19脚输出,调节低通滤波器,使输出正弦波失真最小。
5.4测试使用的仪器
测试使用的仪器设备如表所示。
测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
示波器
1
检测输出波形是否是所需的
2
数字万用表
1
检测器件好坏和电路是否短开路
5.4.1示波器的使用
示波器是时域分析的典型仪器,也是当前电子测量领域中品种最多,数量最大最常用的一种仪器。
示波器可直接观察并测量信号的幅度，频率，周期等基本参量，显示两个变量之间的关系，也可以直接观测一个脉冲信号的前后沿，脉宽，上冲，下冲等参数。
在电路中用示波器测量电压的最大优点是可以直接观测到波形的形状，可看到波形是否失真，还可显示其频率和相位。
示波器具有屏幕，它能在屏幕上以图形的方式显示信号电压随时间的变化，即波形。
辉度控制用来调切波形显示的亮度。
聚焦控制机构用来控制屏幕上光点的大小，以便获得清晰的波形轨迹。
扫描旋转这个控制机构使X轴扫描线和水平标尺线对齐
标尺照明标尺亮度可以单独控制。
这对于屏幕摄影或在弱光线条件下工作时非常有用。
调制：
扫描的辉度可以用电气的方法通过一个外加的信号来改变。
这对于由外部信号来产生水平偏转以及使用X－Y显示方式来寻找频率关系的应用中是十分有用的。
在测试时有如下步骤：
（1）应将示波器
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