基于ma的信发生器设计.docx
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基于ma的信发生器设计
一、课题名称：
函数信号发生器
二、主要技术指标（或基本要求）：
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15％～85％。
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，工作温度范围为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。
7）低阻抗定压输出，输出电阻典型值0.1欧姆，具有输出过载/短路保护。
三、主要工作内容：
方案设想，MAX038,OP07,电路原理等资料查询准备。
电路原理图设计绘制，面包板验证设计可行性。
之后进行PCB板设计调整，电路板定制，元件采购；裸板测试，焊接，整机测试。
实验设计进行报告反馈
四、主要参考文献：
[1]赵涛，辛灿华，姚西霞，陈晓娟，基于MAX038的多功能信号发生器的设计。
《机电产品与创新》2008.07
[2]蒋金弟，朱永辉，毛培法。
MAX038高频精密函数信号发生器原理及应用。
《山西电子技术》2001
[3]黄庆彩,祖静,裴东兴.基于MAX038的函数信号发生器的设计[J].仪器仪表学报,2004,S1.
[4]陈一新.单片高频函数发生器MAX038及其应用[J].中国仪器仪表,2002,04.
[5]赵立民.电子技术实验教程[M].北京:
机械工业出版社,2004
题目
函数信号发生器
一、选题的背景和意义：
现代社会中，自动化技术早已渗透到社会生产的各个领域中。
高精度、宽频率、高稳定性的信号发生器对于所属整体系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。
传统的函数信号波形发生器如8098等等，通常由晶体管、运放IC等分立元件制成。
其发出的信号的稳定性，信号的失真度，频率的范围大小，都不是很理想。
于此相比，基于MAX038的多波形函数信号发生器具有信号输出频率高、波形稳定、失真小、可控性强等特点。
利用信号进行仪器的控制已是自动控制理论中的一个重要的手段。
那么，一个幅度、频率、稳定性、占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有实际价值。
只要将这个函数信号发生器设的设计思路掌握好，不但可以融会贯通所学的专业知识，还可以在今后的工作中作为参考，用来控制其他设备。
多波形函数信号发生器是电子实验室的基础设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标高，但价格较贵。
由马克西姆公司MAX038设计的简易信号发生器，该器件结构简单，虽然性能指标赶不上标准信号发生器，但能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随身设备之一。
基于MAX038的多波形函数信号发生器设计，本课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，结合现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本系统的设计全过程。
通过MAX038来产生一系列有规律的幅度和频率可调的方波、三角波和正弦波，这样的一个多波形函数信号发生器在控制领域有着相当广泛的应用范围。
二、课题研究的主要内容：
函数发生器的制作和调试，以及对函数发生器的，原理和结构进行介绍。
三、主要研究（设计）方法论述：
函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：
方案一：
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。
方案二：
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8038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。
方案三：
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，它克服了方案二中芯片的缺点，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。
方案四：
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。
通过对以上四种方案的比较，我们可以看出几种方案的优缺点：
方案一：
结构很简单，制作容易，但是输出信号有频率线性度差、频率稳定度低、频率分辨率低、频率变换时间比较长，相位噪声大以及人机界面不友好等缺点。
方案二：
电路结构简单，但在频率分辨率、频率变换时间、相位噪声等方面都不如方案三。
方案三：
结构相对复杂，但具有输出频率稳定性高，频率输出线形度好、频率分辨度高、波形正确，频率变换时间小，相位噪声小、人机界面好、易于控制等优点、性能优良。
方案四：
能产生任意波形且达到很高的频率，但是成本较高。
基于我们的选择标准——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。
从上面的比较可以看出，方案一和方案二都有各自较大的缺点，难以达到理想的设计要求。
而方案四虽然能达到很好的要求，但是从价格方面考虑我们还是选择方案三较好。
基于MAX038的多波形函数信号发生
系统概述和方案设计·
概述
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践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。
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。
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，就需要能够产生高频的振荡器。
在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。
设计指标
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15％～85％。
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，工作温度范围为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。
7）低阻抗定压输出，输出电阻典型值0.1欧姆，具有输出过载/短路保护。
方案论证与比较
函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：
方案一：
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。
方案二：
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8038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。
方案三：
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，它克服了方案二中芯片的缺点，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。
方案四：
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。
通过对以上四种方案的比较，我们可以看出几种方案的优缺点：
方案一：
结构很简单，制作容易，但是输出信号有频率线性度差、频率稳定度低、频率分辨率低、频率变换时间比较长，相位噪声大以及人机界面不友好等缺点。
方案二：
电路结构简单，但在频率分辨率、频率变换时间、相位噪声等方面都不如方案三。
方案三：
结构相对复杂，但具有输出频率稳定性高，频率输出线形度好、频率分辨度高、波形正确，频率变换时间小，相位噪声小、人机界面好、易于控制等优点、性能优良。
方案四：
能产生任意波形且达到很高的频率，但是成本较高
。
基于我们的选择标准——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。
从上面的比较可以看出，方案一和方案二都有各自较大的缺点，难以达到理想的设计要求。
而方案四虽然能达到很好的要求，但是从价格方面考虑我们还是选择方案三较好。
MAX038芯片介绍
MAX038是美国MAXIM（马克希姆）公司应市场的需求而研制的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。
内有主振荡器、波形变换电路、波形选择多路开关、2.5V基准电压源、相位检测器、同步脉冲输出及波形输出驱动电路等。
其主要优点有：
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
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，工作温度范围为0～70℃。
6）低温度漂移：
200PPM／℃。
7）低阻抗输出缓冲器：
0.1；
8）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。
引脚功能图
1REF2.50V带隙基准电压输出端
2GND地
3A0波形选择输入端，TTL／CMOS兼容
4A1波形选择输入端，TTL／CMOS兼容
5COSC外部电容连接端
6GND地
7DADJ占空比调整输入端
8FADJ频率调整输入端
9GND地
10Iin用于频率控制的电流输入端
11GND地
12PDO相位检波器输出端。
如果不用相位检波器则接地
13PDI相位检波器基准时钟输入端。
如果不用相位检波器则接地
14SYNCTTL／CMOS兼容的同步输出端，可由DGND至DV+间的电压作为基准
15DGND数字地。
让他开路使SYNC无效，或是SYNC不用
16DV+数字+5V电源。
如果SYNC不用则让他开路
17V++5V电源
18GND地
19OUT正弦波、方波或三角波输出端
20V--5V电源
附MAX038内部电路图：
MAX038内部电路图
系统整体电路图
电路原理图
频率及相位调节
1）频率调节
输出频率与外接振荡电容器COSC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倍到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=FO×（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=（VREF-VFADJ）/250（uA）计算。
2）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25uASYNC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。
辅助电路设计·
输出信号的放大处理
由于MAX038的输出信号为恒定的2V（p-p），且输出电流不高，所以必须在输出级至少有一级放大电路来提供足够的输出电压和电流，以满足一般使用要求。
以下是放大电路设计的几点考虑：
●首先，放大电路要求具有很高的频宽，因为输出信号最大基频为20MHz，其三角波和矩形波的高次谐波成分很高，只有高宽频才能得到不失真的输出波形。
●其次，高频大信号放大要求放大电路有足够的输出电压转换速率。
●另外，要带动低阻负载，放大电路的电流输出能力也是个重要参数。
要在1KΩ负载上输出5V信号，则放大器至少要有的连续电流输出能力。
综上要求本题采用op07运放来放大输出信号，提高带负载能力。
电路图如下：
电源电路
根据整机要求，电源电路应为信号产生电路提供5V电压，其中±5V电压需要稳压输出，为此选用了7815，7915两种三端集成稳压器，这种三端固定电压输出式集成稳压器，使用简单，价格较低，且由于内部具有过压过流保护，使整机的电源电路稳定，性能可靠。
外接9V交流电输入，经绝对值电路，然后滤波通过7805，7905产生±5V的直流电压。
在中间串入7812和7912，则可以为波形放大驱动电路提供12伏的工作电压。
电路图如下：
电源部分电路图
参考文献：
[1]赵涛，辛灿华，姚西霞，陈晓娟，基于MAX038的多功能信号发生器的设计。
《机电产品与创新》2008.07
[2]蒋金弟，朱永辉，毛培法。
MAX038高频精密函数信号发生器原理及应用。
《山西电子技术》2001
[3]黄庆彩,祖静,裴东兴.基于MAX038的函数信号发生器的设计[J].仪器仪表学报,2004,S1.
[4]陈一新.单片高频函数发生器MAX038及其应用[J].中国仪器仪表,2002,04.
[5]赵立民.电子技术实验教程[M].北京:
机械工业出版社,2004
1）电路原理图附：
2）PCB封装图附：
3）元件清单
PartType
Designator
Footprint
0.1u
C5
RAD0.1
0.1u
C4
RAD0.1
0.047U
C1
RAD0.1
1k
R13
VR1
1k
R12
VR1
3.6k
R3
AXIAL0.3
4.7k
R5
AXIAL0.3
4.7k
R6
AXIAL0.3
10pf
C3
RAD0.1
10u
C12
RB.2/.4
10u
C11
RB.2/.4
20k
R14
VR1
30k
R1
AXIAL0.3
30k
R2
AXIAL0.3
100k
R7
AXIAL0.3
100k
R4
AXIAL0.3
100p
C2
RAD0.1
200k
R11
VR1
ADOP07
D11
DIP8
MAX038基座
U1
DIP20
排针
注明RAD0.1为普通插针式电容
AXIAL0.3为普通色环电阻
RB.2/.4为插针式电解电容
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