MAX038波形发生器 论文.docx

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MAX038波形发生器论文

波形发生器

摘要：

本系统采用MAX038芯片及外围电路设计数字波形发生器。

能实现对其振荡频率控制、信号输出幅度控制以及频率和幅度数显。

该波形发生器可输出三角波,方波和正弦波。

输出频率范围为50Hz至550KHz。

输出幅度的峰峰值范围为0.1至5V,并且负载能力强于题目要求，达到50欧姆以上。

正弦波非线性失真小于1%。

同时还可以作为频率计测频率使用。

关键词:

波形发生器;MAX038;AD603;AD637;AD811

引言：

在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。

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。

一：

方案选择

函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：

（1）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。

（2）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。

（3）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

（2）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。

（4）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。

二：

方案确定

综合分析以上四种实现方法的性价比，我们决定采用单片集成芯片MAX038来设计函数发生器。

频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高，因此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。

三：

整体设计思路

本函数信号发生器是主要是由MAX038芯片产生我们希望输出的正弦波、方波、三角波，它是本制作的核心。

用随带的频率计通过MAX038的SYNC脚经过74HC14整形后加到AT89S51的外部中断入口测频。

我们是通过扫频和测频的方式来锁定频率的。

MAX038输出的信号先通过AD827滤波，幅度的控制则由AD603可编程运放控制和AD637与MAX187检测幅度来实现，这样可以得到更精确的峰峰值，误差为0.05％。

由于AD603的输出功率很小，远远达不到设计要求所以我们采用AD811和晶体管组合来实现功率放大，这样可以达到很大的功率远高于设计要求且信号失真非常小，失真度为0.05％。

至于显示部分就用液晶12864来显示，界面更直观和人性化。

整体原理框架图如下：

四：

方案论证

1：

波形发生部分

接通电源控制在输出状态，此时波形产生电路工作，它产生我们所选择的波形并输出到外部电路，另一部分则通过74HC14整形后送入计数器。

波形发生器的这部分电路是由MAX038及其外围电路完成的。

MAX038是一个精密高频波形产生器。

它能产生频率高达20MHz的正弦波、三角波、方波等脉冲信号，其压控振荡器的频率分粗调和细调两层控制。

另外MAX038还包括占空比调整电路、和电压基准源等电路，所需外部元件少，使用很方便。

其中我们采用触点继电器来控制选择主振荡器COSC的外接电容器CF。

这样可以得到很好的频率。

MAX038的输出波形有三种，由波形设定端A0（3），A1（4）控制。

输出频率f0由Iin，FADJ端电压和主振荡器COSC的外接电容器CF三者共同确定。

当UFADJ=0V时，输出频率f0=Iin/CF，Iin=Uin/Rin=2.5/Rin。

当UFADJ≠0V时，输出频率f0=f（1－0.2915UFADJ）。

由波段触点继电器选择不同的CF值，将整个输出信号分为三个频段。

1）1Hz—4KHz

2）4KHz---50KHz

3）50KHz---550KK

每频段频率的调节由MAX531和TLC5620来完成。

粗调由MAX531来完成，使振荡电容器CF的充电电流Iin改变，从而使频率改变。

细调由TLC5620来完成，它通过改变UFADJ的数值，使输出频率变化，它的变化范围较小，起微调作用。

占空比也由TLC5620来完成，系统默认占空比固定为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。

MAX038的各种输出波形的幅度均为2V（P－P）。

这部分电路框图如下图2：

其中粗调采用数模转换芯片MAX531。

它具有功耗低、转换频率快、内部带基准电压.输出电压稳定度高噪声小.低温漂.线性度好等特点,能完成12位D/A转换,串行输入。

且占用单片机I/O口，其外围电路极少，少只需一个电容即可。

细调和占空比采用8位4路数模转换芯片TLC5620。

它采用单一+5V电源供电，是一种低功耗芯片。

TLC5620兼容CMOS电平，只需要通过4根串行总线就可以完成8位数据的串行输入。

TLC5620的基准源则采用高精度低温漂低失调电压的专用基准源芯片MC1403。

这部分电路框图如下图：

2：

滤波部分

分压，射极跟随和滤波部分我们采用AD827及其外围电路来实现。

因为MAX038输出电压非常大有2V的峰峰值，不适合后面的幅度控制。

所以我们对其进行了分压。

而MAX038的输出信号带有带有杂波需要对其滤波。

还有MAX038的输出阻抗比较大而后级放大级AD603的输入阻抗只有100欧姆，阻抗不匹配，采用AD827做射极跟随以便使MAX038与AD603阻抗匹配。

AD827的带宽为50MHZ满足我们的要求了，而且其失调电压.功率都比较小，温漂也很小。

这部分电路框图如下图：

3：

幅度控制及峰值检测部分

一般的放大器要改变放大倍数时,则需采用切换外部电阻的方式,这种方式每一种增益都需要一套不同的电阻,因此只能有有限的几种增益,电路结构和切换过程都较复杂,而且切换速度慢,使用也不方便,切换不同的电阻还可能使放大器的输入阻抗发生变化,从而影响精度。

所以本设计采用增益可变运放AD603做电压放大级控制幅度。

它不但具有低噪声影响,高频带宽度,稳定性能好的特点,还具有电压控制的可变增益功能。

这种可变增益功能是其它运放所不能比拟的。

差动输入口GPOS和GNEG之间的电压差VG就是控制电压。

该差动输入口呈高输入阻抗（50M8）,低偏流电流（200nA）。

增益和电压的换算系数是25mVödB,即若VG的变化范围为1V,增益的变化范围为40dB。

差动输入口允许使用差动控制电压或单电压,正负均可。

本系统采用电压基准源芯片MC1403来控制GNEG，用MAX531来控制GPOS以实现电压的可程控。

AD6013的典型的增益精确度:

±0.5dB，最大输入电压:

±1.14V，最大输出电压:

±3.10V。

其带宽可通过管脚的不同连接来确定。

不同的带宽有不同的增益范围:

带宽9MHZ:

　　　9dB到51dB

带宽30MHZ:

　　－1dB到41dB

带宽90MHZ:

　　－11dB到31dB

本设计采用的是带宽90MHZ:

－11dB到31dB来实现电压的衰减和放大，以达到题目要求的增益由0.1Vvpp—5Vvpp。

这部分电路框图如下图：

峰值检测部分则用AD637和MAX187来实现。

AD637属于高准确度的单片真有效值/直流转换器,测量误差小于等于正负（0.2%读数+0.5MV）。

它能计算任何复杂的波形真有效值、平均值、均方值、绝对值,具有分贝输出（0～60db）。

适用的波适用的波峰因数很宽,当波峰因数Kp=0（对应于占空比为1％的窄脉冲）时,附加误差仍小于1％。

宽频带,量程在0～7V范围内可调。

当输入电压Vin＝200MV时,频率上限为500KHZ，Vin>1V时频率上限高达8M。

MAX187是MAXIN公司的12位A/D转换芯片,内部含有采样/保持电路,单5V操作电源,转换速度为8.5us,具有片上4.1096V参考电压,模拟量输入范围为0～Vbef。

三线串行接口。

AD637把峰峰值转换为有效值传给MAX187，并由MAX187以数字信号传回给单片机。

单片机判断后并控制AD603进行相应的调整，以此来达到控制峰峰值的目的。

这部分电路框图如下图：

4：

功率放大部分

这部分由OPA627和由晶体管构成的推挽式射极跟随器组成功率放大。

OPA627是发烧级电压放大型音频运放。

其低噪声影响、低失真度、高稳定性能都是其他运放很难比拟的。

而且其输入输出电压高，带宽高。

其输入电压噪声BW=0.1Hzto10Hz为：

0.6uVp-p（典型值）、1.6uVp-p（最大值）。

电流放大由晶体管构成的推挽式射极跟随器来实现。

射极跟随器的晶体管与偏置电路中使用晶体管进行热耦合，解决了空载电流随温度变动的问题。

这部分电路框图如下图：

五：

性能指标：

（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。

（2）输出波形的频率范围为10Hz～550kHz；

（3）重复频率可调，频率步进间隔≤10Hz。

（4）输出波形幅度范围0～6V（峰-峰值），可按步进10MV（峰-峰值）调整。

（5）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。

（6）稳幅输出，当负载变化时，输出电压幅度变化小于±1%（负载电阻变化范围：

50Ω～∞）。

六：

参考文献

1：

沙占友AD637型真有效值_直流转换器《应用电子技术》

2.李朝青《单片机技术》北京航空航天大学出版社

3:

电子网

附表1：

电路图