学士学位论文实用信号源的设计.docx
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学士学位论文实用信号源的设计
实用信号源的设计
（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息科学与技术专业电信1102班，陕西汉中723000）
指导教师：
[摘要]本次设计用函数芯片MAX038设计一个波形发生器，能够产生频率为20Hz～20KHz，步长为10Hz的正弦波，非线性失真系数≤3﹪；以及频率为20Hz～20KHz步长为10Hz的矩形波。
此系统由51单片机最小系统、DA转换部分、显示部分、矩阵按键部分等组成，使系统整体精度得以保障，单片机系统设计采用AT89S52单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路。
显示芯片用LCD1602，达到显示作用。
[关键词]AT89S52单片机LCD1602MAX038
Practicaldesignofthesignalsource
（Grade12,Class1,MajorElectronicInformationScienceandTechnology,PhysicsDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi）
Tutor:
ai
Abstract:
ThedesignuseafunctionchipMAX038todesignawaveformgenerator,Cangeneratefrequencyis20Hz～20KHz,step10Hzsinewave,nonlineardistortioncoefficient3;andthefrequencyof20Hz～20KHzstep10Hzrectangularwave.Thissystemconsistsofthe51smallestsingle-chipsystems,DAconvertingpart,displaypart,matrixkeypart,sothattheoverallsystemaccuracycanbeguaranteed,single-chipsystemdesignusingAT89S52microcontrollerasthemasterchip,withtheRCpoweronresetcircuit.
Keywords:
AT89S52,LCD1602,MAX038
目录
引言3
1研究背景和意义3
2方案的确定4
2.1方案比较4
2.2方案论证4
3总体设计框图5
4控制电路方案介绍5
4.1MAX038芯片的介绍5
4.1.1MAX038的引脚封装图6
4.1.2MAX038的引脚定义及功能6
4.1.3MAX038波形选择6
4.1.4MAX038输出频率7
4.1.5FADJ输入端7
4.1.6占空比（dutycycle）的调节8
4.1.7带负载能力9
4.1.8稳定性问题9
4.1.9波形产生电路9
4.2AT89S52介绍9
4.2.1主要性能参数10
4.2.2功能特性概述10
4.2.3各引脚功能10
4.2.4单片机的定时/计数器12
4.3TLC5615芯片介绍13
4.3.1主要特点13
4.3.2TLC5615芯片各引脚功能13
4.3.3TLC5615的功能结构14
4.3.4TLC5615芯片SPI连接方式14
4.3.5TLC5615与AT89S52单片机接口硬件连接方式14
4.3.6最佳工作条件14
5电路硬件部分设计15
5.1电源的制作15
5.2主控电路设计16
6电路软件部分设计16
6.1单片机控制输出波形软件流程图16
6.2TLC5615的时序16
7抗干扰设计18
7.1提高抗电磁干扰能力的措施18
7.1.1需要特别注意的抗电磁干扰的系统18
7.1.2应采取的抗干扰措施18
致谢19
参考文献20
附录A20
附录B21
附录C24
引言
在现代电子测量、控制、通信系统等技术的研究及应用领域中，具有频率范围宽、分辨率高、快速转换的多种模式的信号源是非常重要的。
设计的多波形调频信号发生器是由单片机、MAX038和D/A转换器构成的，该信号发生器具有结构简单、成本低、体积小、便于携带等特点。
能较好地面向各种测控应用。
1研究背景和意义
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产时间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。
信号发生器一般区分为函数信号发生器和任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。
能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被成为函数信号发生器。
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，就去要能够产生高频的振荡器。
在工业、农业、生物等医学领域内，如高频加热、熔炼、淬火、超热诊断、核磁共振等，都需要功率或大或小，频率或高或低的振荡器。
产生所需参数的电测试信号仪器。
信号源发展到今天，它的涵盖范围已非常广。
我们可以按照频率范围对它进行分类：
超低频（0.1m～1kHz）、音频（20Hz～20kHz）、视频（20kHz～10MHz）、射频及高频（200k～3000MHz）、微波（
3000MHz）、光波信号源等.常用的信号源有：
音频信（AWG）、标准高频信号源（SG）、射频信号源（RG）、电视信号发生器（TVSG）、噪声信号源（Noise）、调制信号发生器（MSG）、数字信号源（DG）等。
信号源是现代电子设备特别是测试设备的必备部分，其产生各种基准信号给被测设备，用来分析和研究被测设的性能状况，被广泛应用于航空航天设备的电子测试、通信技术、医学成像、测量和科研等各个领域中，而且数字化、软件化是测试设备的发展趋势。
根据不同系统对于信号的不同需求，人们总希望信号源输出的波形信号幅值、频率可调，且频率准确、稳定，甚至在一些情况下还要求信号源能够输出具有确定相位关系的波形信号，因此传统的模拟信号源已远远不能满足现代应用的要求。
而直接应用数字合成技术产生的全数字化的信号源，为解决上述问题提供了可行方案。
在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。
而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。
譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。
函数发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。
但市面上能看到的此类仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。
加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种高精度、宽频带，能产生多种波形并具有程控等多功能函数发生器成为可能。
随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类日益增多，性能日益提高，尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。
现在，许多信号发生器除带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外还带有IEEE-488或RS232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。
当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。
我们长期使用的信号发生器，大部分是由模拟电路构成的，这类仪器作为信号源，频率可达上百MHz，在高频范围内其频率稳定性高、可调性好。
但用于低频信号输出时，它所需要的RC值很大，参数准确度难以保证。
而且其体积大，损耗也大。
有人研制了采用8031单片机及程序存储器构成的最小系统组成的数字式低频信号发生器，它在低频范围内性能好，但是体积较大，价格较贵。
随着大规模集成电路技术的发展，集成度不断提高，使得微型机的速度和性能大为提高，可靠性增加，成本降低。
MCS-51就是将具有存储程序、处理数据以及与外设交换信息的功能电路集成在一块芯片中，并符合一定系统结构而构成的单片机。
单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。
单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。
近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。
单片机并没有超脱冯
诺依曼原理下的计算机的结构框架和工作原则，而是着眼于应用到更广阔的范围：
工业控制、数字显示、智能仪表、电子设备、汽车电控、农机、家电乃至儿童玩具的控制。
它不求规模大，只求小而全。
本课题所研究的就是一种采用一片AT89S52单片机和TLC5615数模转换器组成的智能信号发生器。
按用户的需要，选择运行不同的程序，将会得到不同的波形信号。
再在TLC5615输出端加加在MAX038的占空比调节端，可以调节占空比，单片机控制输出波形可变，就完成了一个频率可调的多功能信号发生器的设计。
这样的机器体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。
2方案的确定
2.1方案比较
方案一：
采用锁相环式频率合成器。
利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要的频率上。
这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。
但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。
而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率相信都很难控制。
方案二：
采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器ICL8038，产生频率（0.001~300KHZ）可变的正弦波、三角波、方波及数控频率调整。
但是，由于ICL8038自身的限制，输出频率稳定度只有10-3（RC振荡器）。
而且，由于压控的非线性，频率步进的步长控制比较困难。
方案三：
采用DDS波形发生技术，采用FPGA和单片机相结合的方式实现对频率的控制。
将比例乘法器（CC14527）以及相应的大量控制逻辑集成在FPGA中，既减少了大量硬件连线，又降低了干扰，系统实现方便，性能稳定。
但是，DDS成本高，资金需要量大，并且DDS器件很难买到。
方案四：
采用MAX038函数发生器专用芯片[1]，MAX038是一个精密高频波形产生器芯片。
能精密地产生三角波、方波、正弦波信号。
频率范围从0.1Hz～20MHz，最高可达40MHz，而且由于芯片内采用了多路选择器，使得三种输出波形可通过编程从同一引脚输出，输出波形的切换时间可在0.3
S内完成，使用更加方便。
2.2方案论证
实用信号源可以由晶体管、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等，它们的功能较少，精度较低，频率上限只有300kHz,无法产更高频率的信号，调节也不够灵活，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，精度高，因此它被称为高频精密函数信号发生器[2]。
综上所述，使用方案四完成本课题的设计。
3总体设计框图
系统的基本结构框图如图3.1所示
图3.1系统结构框图
4控制电路方案介绍
4.1MAX038芯片的介绍
MAX038是MAXIM公司生产的一种具有高频、高精度、低输出电阻而且驱动能力很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芯片附加少许外围电路就能够产生三角波、锯齿波、正弦波、方波、矩形脉冲波形。
基本特性为：
（1）能精密地产生正弦波、方波、三角波信号；
（2）频率范围从0.1～20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为±2V（峰-峰值）；
（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（15%-85%）；
（4）10%～90%，波形失真小，正弦波失真度小于0.75%，占空比调节是非线性度低于2%；
（5）采用±5V双电源供电，允许有5%的变化范围，电源电流为80mA,典型功耗400mW，工作温度-40～+800℃；
（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；
（7）有低输出阻抗的输出缓冲器，输出阻抗的典型值为0．1Ω。
4.1.1MAX038的引脚封装图
图4.1MAX038芯片的引脚封装图
4.1.2MAX038的引脚定义及功能
表4.1MAX038的引脚定义及功能
引脚定义（PinDefinition）
功能（Function）
PIN
Name
Function
1
VREF
2.5V基准电压输出
2
GND
地
3
A0
波形选择编码输入端（兼容TTS/CMOS电平）
4
A1
同脚
5
COSC
主振器外接电容接入端
6
GND
地
7
DADJ
占空比调节电容输入端
8
FADJ
频率调节输入端
9
GND
地
10
IIN
电流输入端，用于频率调节和控制
11
GND
地
12
PD0
相位检测器输入端，若相位检测器不用，该端接地
13
PD1
相位检测器基准时钟输入，若相位检测器不用，该端接地
14
SYNC
TTS/CMOS电平输出，用于同步外部电路，不用时开路
15
DGND
数字地
16
DV+
数字+5V电源，若SYNC不用，该端开路
17
V+
+5V电源输入端
18
GND
地
19
OUT
正弦、方波和三角波输出端
20
V-
-5V电源输入端
4.1.3MAX038波形选择
MAX038可以产生三角波、方波、正弦波，设置地址A0和A1引脚端的状态可选择输出波形（TTL/CMOS逻辑电平）如表4.2所列。
波形切换可以在任意时候进行，可不管输出信号当时的相位。
切换发生在0.3uS之内，但是输出波形可能有一小段的延续0.5uS的过渡状态。
其中x表示任意状态，1为高电平，0为低电平[3]。
表4.2地址A0和A1引脚端工作状态的设置与波性选择
A0
A1
WAVEFORM
X
1
Sinewave
0
0
Squarewave
1
0
Trianglewave
4.1.4MAX038输出频率
MAX038输出频率取决于注入IIN引脚端的电流大小（粗调）、COSC引脚端的电容量（对地）和FADJ引脚上的电压VFADJ.当VFADJ=0V时，输出的基波频率fO为
（4-1）
周期TO则为
（4-2）
式中：
IIN为注入到IIN引脚端的电流（2～750uA之间）；Cf为接到COSC引脚端和地之间的电容值（20PF～100UF）。
虽然当IIN在2～750uA之间时线性是好的，但最佳的性能是IIN在10～400ｕA间。
建议电流值不要超出这个范围。
对于固定工作频率，设置IIN接近于100uA并选择一个适当的电容值。
这个电流具有最小的温度系数，并在改变占空比是产生最小的频率偏移。
电容CF范围可以在20pF～100uF，但必须用短的引线使电路的分布电容减到最小。
在COSC引脚端以及它的引线周围用一个接地平面以减小其他杂散信号对这个支路的耦合。
高于20MHz的震荡也是可能的，但是在这种情况下波形失真会严重增加。
低频率震荡的限制是由COSC电容器的漏电流和所需的输出频率的精度所决定。
具有良好精度的最低工作频率通常用10pF或更大的非极化电容器来获得。
一个内部的闭环放大器迫使IIN流向虚拟地，并使输入偏执电压小于
2mV。
IIN可以是一个电流源（IIN），或是由一个电压（VIN）与一个电阻（RIN）串联的电路来产生（一个接在REF引脚端和IIN引脚端之间的电阻，可以提供一个简单产生IIN的方法，
）。
当使用一个电压与一个电阻串联时，振荡器频率的公式为
（4-3）
周期为
（4-4）
当MAX038的频率由一个电压源VIN与一个固定的电阻RIN串联来控制时，输出频率是VIN的函数。
改变VIN就可调整振荡器的频率。
例如，RIN使用一个10kΩ电阻，并将
从20mV变动到7.5V，则可产生大的频率移动（高达375：
1）。
选择RIN时将IIN保留在2～750uA范围内。
IIN的控制放大器的带宽限制了调制信号的最高频率，典型值是2MHz。
IIN引脚端可被用作一个求和点。
由于几个信号源电流相加或相减。
这就允许输出频率是几个变量之和的函数。
当VIN接近0V，由于IIN引脚端的偏移电压将导致IIN误差增加。
4.1.5FADJ输入端
1）FADJ输入
输出频率可有FADJ来调整，它通过内部的锁相环，主要用于精细的频率控制（细调）。
一旦基频或中心频率f0由IIN设置，它还可以在FADJ引脚端上重新设置不同于0V的电压。
该电压可以从-2.4变到+2.4V,当FADJ引脚端是0V时，其输出频率值变化0.3～1.7倍；当电压超过±2.4V其输出将引起不稳定或是频率向相反的方向变化。
当输出频率偏离f0时，在FADJ上所需的电压为Dx（以%表示），它由下式给出：
（4-5）
其中，VFADJ是在FADJ引脚端上的电压，应在-2.4～+2.4V之间。
在FADJ引脚端上的电压与频率的关系为
（4-6）
其中，fX为输出频率；fX为当VFADJ为0V时的频率。
同理，VFADJ与周期的关系式为
（4-7）
其中，TX为输出周期；T0表示当VFADJ为0V时的周期。
相反的，如果VFADJ是已知的，则频率为
（4-8）
而周期为
（4-9）
2）FADJ调整
连接在REF（+2.5）和FADJ引脚端之间的可变电阻RF提供了一个方便于人工调整频率的方法。
RF的阻值计算式为
（4-10）
例如，如果VFADJ=-2V，（+58.3%偏移），则
（4-11）
3）FADJ禁止
FADJ引脚端电路对输出频率增加了一个小的温度系数。
对要求严格的开环应用，它可以用一个12K
的电阻把FADJ引脚端连接到地来禁用。
FADJ虽然被禁用，输出频率仍可由调整IIN来改变。
4.1.6占空比（dutycycle）的调节
DADJ引脚上的电压值的变化控制波形的占空比（定义为输出波形为正时所占时间的百分数）。
通常
时，则占空比为50％。
若VDADJ在±2.3V范围变化将引起输出波形占空比在15％～85％的变化（在15％～85％范围内改变占空比，对输出频率的影响最小，约电压变化1V可是占空比变化15%）。
当电压超出±2.3V范围变化时将使频率偏移或引起不稳定。
DADJ可以用来减小正弦波的失真。
未调整（
）的占空比是50%±12%,而偏离准确的50%时引起偶次谐波的产生。
通过加一个小的调整电压（典型值为小于±100mV）到DADJ端，可以得到准确的对称，就能减小失真。
需要产生一定的占空比而加在DADJ端上的电压，其计算式为
（4-12）
其中，VDADJ为DADJ端电压（注意极性）；q为占空比（dutycycle%）；TON为接通（正半周）时间；
为波形周期。
相反，如果VDADJ是已知的，则占空比和接通时间分别为
（4-13）
（4-14）
连接在REF（+2.5V）引脚端和DADJ引脚端之间的可变电阻
提供了一个方便的人工调整占空比的方法。
的阻值为
（4-15）
例如，如果VDADJ取-1.5V（23％占空比），则
（4-16）
4.1.7带负载能力
MAX038使用±5V的工作电压。
所有输出波形的幅值为±2Vp-p（峰-峰值），最大输出电流为±20mA，输出阻抗的典型值为0.1Ω，可直接驱动100Ω的负载。
还可以连接电压放大器或功率放器，以提高其输出驱动能力。
4.1.8稳定性问题
欲使MAX038长时间地在正常温度范围内产生一个频率稳定的输出电压，必须采取以下措施：
（1）决定频率的外接电阻和电容器的温度特性要好，否则将会降低器件的性能；
（2）外部电源应稳定；
（3）应选用高精度的金属膜电阻，误差在1％或更好的；
（4）电容器必须选用温度系数低的NPO陶瓷电容器。
在COSC引脚上的电压是一个在0～-1V之间变化的三角波，不宜使用电解电容，但如果使用了这种电容，则负端必须接COSC，而正端接GND。
4.1.9波形产生电路
图4.2MAX038波形产生电路
当V+=5V，V-=-5V，VDADJ=VFADJ=VPDI=VPDO=0V，RL=1保留在kΩ，CL=20pF，输出波形、频率变化调整时，输出电压能够稳定的达到Vp-p=2V。
4.2AT89S52介绍
AT89C52是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机．片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes。
的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH由存储单元，功能强大AT89S52单片适用于许多较为复杂控制应用场合[6]。
图4.3为AT89S52的引脚图。
图4.3AT89S52引脚封装图
4.2.1主要性能参数
8字节可重擦写FLASH闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作：
0Hz-24MHz
三级加密程序存储器
256X8字节内部RAM
32个可编程I/0口线
3个16位定时／计数器
8个中断源
可编程串行UART通道
低功耗空闲和掉电模式
4.2.2功能特性概述
AT89S52提供以下标准功能[7]：
8字节FLASH闪速存储器，256字节内部RAM,32个I/O线，3个16位定时／计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S52可降至OHz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器．串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位[7]。
4.2.3各引脚功能
（1）P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要
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