函数信号发生器的毕业设计

毕  业  论  文

函数信号发生器的设计

系    别    电子信息科学系     

专    业     电子信息工程  

年    级    

姓    名       

指导教师       

武汉大学珞珈学院

2012年5月5日 

摘　　要

函数信号发生器是教学、科研中应用最广泛的仪器之一。如果能用相对简单的实现方式和较低的成本产生具有高稳定度和精确度的常用波形，无疑将在这些领域中得到更加广泛的应用。

本设计在介绍马克西姆公司MAX038芯片基本特性的基础上，论述了采用MAX038芯片来设计多波形函数信号发生器的原理以及整体的设计，并辅以控制软件和有关的外围电路，实现了一个低成本、多功能、高精度、输出频率连续可调的频率合成式波形发生器，可输出三角波、方波、正弦波三种波形，阐述了其振荡频率控制、信号输出幅度控制、频率和幅度的控制的设计。

关键词： MAX038  函数信号发生器 单片机

The design of the Function signal generatorr

ABSTRACT

Function signal generator is one of the most widely used instruments in teaching, scientific research. Use of relatively simple implementation and lower cost to produce a common waveform with high stability and accuracy, and there is no doubt it will undoubtedly be more widely applied in these areas.

The design is base on the introduction of the basic properties of the Maxim MAX038 chip, discusses the principle and the whole design of using the MAX038 chip to design multi-waveform function signal generator, and with the relevant control software and the periphery of the circuit, achieve a low cost, multi-function, high precision, output frequency adjustable frequency synthesis type waveform generator, can output the triangle wave, square wave, sine wave three waveform, expounds the design of the oscillation frequency control, signal output amplitude, frequency and amplitude control. 

Key words: MAX038  Function Signal  Single-chip microprocessor

目  录

摘　　要    I

ABSTRACT    II

第1章 绪论    1

1.1 课题研究的背景和意义    1

1.2 设计任务和要求    2

第二章 方案的总体设计    3

2.1 方案论证与比较    3

2.2 函数信号发生器的总体方案    3

第三章 系统的硬件设计    5

3.1 信号产生部分的设计    5

3.1.1 MAX038芯片介绍    5

3.1.2 波形选择、占空比、频率调节    7

3.2 输出信号的放大处理    10

3.3 信号的控制部分设计    10

3.3.1 ATC52单片机介绍    11

3.2.2 单片机外围电路    12

3.4 电源电路部分    13

第四章 系统软件设计    15

4.1 主程序流程    15

总结    16

致  谢    17

参考文献    18

第1章 绪论

在现代社会中，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。本文介绍一种由马克西姆公司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[1]。

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[2]。

1.1 课题研究的背景和意义

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增多，性能提高。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，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、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展[2]。

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。信号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，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。

便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字化，智能化，集成化也就明显得尤为重要。平时常用信号源产生正弦波，方波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。单在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。利用单片机的强大功能，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形[3]。

1.2 设计任务和要求

认真学习和研究各类函数信号发生器的原理；广泛阅读有关文献和资料；设计并制作一台函数信号发生器，基本要求如下：

（1）能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形；

（2）输出信号频率在100Hz～1MHz范围内可调， 输出信号频率稳定度优于10-3；

（3）在1kΩ负载条件下，输出正弦波的电压峰-峰值在0～5V范围内可调；

（4）输出信号波形无明显失真；

（5）输出信号频率值可通过键盘进行设置，可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值；（选作部分）

第二章 方案的总体设计

2.1 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：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。 

方案三：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。

通过对以上三种方案的比较，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：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。

方案三：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，方案一有较大的缺点，难以达到理想的设计要求。而方案三虽然能达到很好的要求，但是从性价比方面考虑我们还是选择方案二较好。

2.2 函数信号发生器的总体方案

函数信号发生器主要采用单片机ATC52对主信号发生芯片进行智能控制，对MAX038产生的波形信号进行频率高低，占空比大小，幅度范围的控制，以及产生波形的选择控制。总体方案原理框图如图2.1所示。

图2.1 函数信号发生器设计的总体方案原理框图

函数信号发生器主要分为四部分：信号的产生部分（主要是围绕MAX038芯片介绍的波形选择，占空比调节，频率调节），放大电路，信号的控制部分，电源部分。

第三章 系统的硬件设计

3.1 信号产生部分的设计

本设计是基于MAX038 的函数信号发生器，其中，信号产生部分的核心是MAX038。

3.1.1 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、同步脉冲输出以及波形输出驱动电路等。其主要优点有：[10]

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：200 PPM／℃。

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。MAX038引脚及各引脚名称和功能分别如下图3.1，表3.2所示。

图3.1  MAX038引脚图

表3.2  MAX038引脚名称及功能

图3.3 MAX038内部电路图

MAX038内部电路如上图3.3所示，MAX038内部还有正弦整形电路、比较器、复用器以及鉴相器电路，它们共同实现了正弦波、三角波、锯齿波、矩形波和脉冲波的生成。

鉴相器是作为锁相环的备用单元，为异或门电路结构，输入信号一路来自内部差动矩形波OSCA和OSCB，另外一路来自外部引脚PDI。鉴相器的输出信号为电流，由PDO引脚输出平均值变化范围为0～550uA。当两路输入信号的相位差为时，输出电流的占空比为50%，平均值为250uA。如果构成锁相环路，则PDO和FADJ相连，并且对地连接一个电阻，同时并联一个电容。决定鉴相器的灵敏度，用于滤除电流中的高频成分[10]。

3.1.2 波形选择、占空比、频率调节

1.波形选择

如图3.4，其波形选择引脚A0和A1与单片机的P2.0和P2.1引脚相连，在单片机的控制下输出得到正弦波、矩形波和三角波3种不同的波形。当P2.0和P2.1的电平为（0,1）时，选择正弦波；当P2.0和P2.1的电平为（0,0）时，选择矩形波；当P2.0和P2.1的电平为（1,0）时选择三角波。

图3.4. 波形选择电路

2.占空比调节

MAX038的占空比的调整有两种方式，一种时利用内部基准电压源调整，另一种是利用外加电源调整，为使电路简单，采用第一种调整方式。

在MAX038 的DADJ端应用一个－2.3V～＋2.3V 的电压控制信号， MAX038 的DADJ引脚上的电压可控制波形的占空比Dc(定义为输出波形为正时所占时间的百分数），并且能够改善正弦波的波形，可进行脉冲宽度调制和产生锯齿波。当VDADJ接地（即VDADJ=0）时，其占空比为50%，占空比的调整可采用TLC5618的D/A转换，输出±2.3V 范围内的电压，占空比可在10%～90%范围内改变，约每伏改变15%，当电压超过±2.3V 将使频率偏移或引起不稳定。为产生一定占空比而加在DADJ上的电压为：

                                     (3.1)

VDADJ为DADJ 引脚上的电压，Dc为占空比。这样可完成激励信号的占空比设置。关于占空比调节，可采用外部电位器调整控制，调节占空比调节电路中的电位器，改变MAX038输入端DADJ的电压大小，从而改变占空比。占空比调节如图3.5所示。

图3.5 占空比调节电路

3.频率调节

频率调节如图3.7所示。

图3.7 频率的调节电路

MAX038的输出波形的基本频率由电流IIN和外接电容Cf确定，电流IIN是由MAX038内部的基准电压提供，外接电容Cf是通过控制8选1模拟开关CD4051来选择，从而确定频率范围。本系统共有8个频段供切换，输出频率范围与Cf的对应关系如下表3.8所示。

表3.8 输出频率范围与Cf的对应关系

3.2 输出信号的放大处理

MAX038输出波形的幅值的峰峰值为2 V，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。为了得到更大的输出幅度和驱动能力，就需要对波形信号作进一步处理，图3.9给出了一个波形输出与驱动电路。波形信号从MAX038的OUT端输出后，可使其通过一个AD811进行电压放大。AD811为电流反馈型宽带运放，其带宽增益积为140MHz，±15V供电，增益为+10的情况下，-3dB带宽达100MHz，非常适合本系统的放大要求，有±12V的输出摆幅，且输出电流最大可达100mA，完全可以满足峰峰值要求。放大倍数A=1+Rp∕R1.

图3.9 输出信号的放大驱动电路

  3.3 信号的控制部分设计

本设计是采用ATC52单片机作为控制器。

3.3.1 ATC52单片机介绍

ATC52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。ATC52是一个低电压，高性能CMOS型8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位处理器和Flash存储单元。

ATC52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

ATC52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

主要功能特性[11]

· 兼容MCS51指令系统 

· 8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM 

· 32个双向I/O口 

· 256x8bit内部RAM 

· 3个16位可编程定时/计数器中断 

· 时钟频率0-24MHz 

· 2个串行中断 

· 可编程UART串行通道 

· 2个外部中断源 

· 共6个中断源 

· 2个读写中断口线 

· 3级加密位 

· 低功耗空闲和掉电模式 

· 软件设置睡眠和唤醒功能

ATC52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体及电容C1， C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1， C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里选择使用石英晶体。也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路的情况时，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空[11]。ATC52芯片外观引及脚如图3.10所示。

图3.10 ATC52芯片外观及引脚

3.2.2 单片机外围电路

图3.11中的芯片是Atmel公司的单片机芯片ATC52，工作在11.0592MHz频率下，其P2.0，P2.1引脚和MAX038的A0和A1相连，用于选择输出波形；KEY为单片机的外围4×4键盘接口，它和单片机的P1.0～P1.7连接，P1.0～P1.3对应于键盘的行1～4，P1.4～P1.7对应于键盘列的1～4。

图3.11 单片机外围硬件电路

3.4 电源电路部分

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。电源部分电路图如图3.12所示。

图3.12 电源电路图

第四章 系统软件设计

  软件需要实现的主要功能是检测键盘的输入，根据输入结果选择相应的波形信号。键盘操作和对应的输出如下：

 输入按键1（第1行第1列），得到正弦波；

输入按键2（第1行第2列），得到矩形波；

 输入按键3（第1行第3列），得到三角波；

4.1 主程序流程

在图4.1中，键码为11对应的是第1行第1列的按键；键码为21对应的是第1行第2列的按键；键码为31对应的是第1行第3列的按键。

图4.1. 主程序流程图

总结

采用MAX038 芯片制作函数信号发生器随设计思想不同，具有多种方法，本文只是其中一种可实现的方法。设计出的信号发生器结构简单，不需调整，具有很高的性价比，体积也很小。和利用分离元件实现的发生器相比，具有显著的优势，这足以弥补它在某些方面的不足。

同时该信号源设计尚存在的不足之处，主要有两个方面，第一为缺乏频率准确显示的手段，可以配备相应的数字频率计模块，但如何将显示的精度与信号源的频段配合有待讨论研究；第二为输出级可配以显示输出幅度的仪表，并且放大电路有待进一步改进，使其具有更强的输出能力。

由于使用了单片机作为电路的控制核心，整个信号发生器具有成本低，可靠性高，体积小巧、易于携带，功耗低，输出波形优良，使用方便等优点。在此波形发生器输出加入一个宽带可变增益放大器即可调整输出波形幅度，改变参考频率的大小即可改变输出信号的分辨率及频率范围，频率范围可以连续覆盖1Hz～20MHz，分辨率可以做到10Hz甚至1Hz。对于低成本的小型波形发生器，这是MAX038的一个理想的应用方案。

致  谢

本文从选题到完成的整个过程，得到指导老师——赵老师的悉心指导。老师渊博的学识，谦虚、严谨的治学态度、灵活的思维方式、认真的工作作风和对学生的关心都令我佩服不已，谆谆教诲使我受益匪浅，这必将在今后的学习和工作中给我鼓励和鞭策，为以后步入社会、适应工作奠定良好的基础。在此，本人由衷的表示的感谢！

感谢武汉大学珞珈学院的老师们在这四年里不仅在专业的学习上给予我的帮助，更感谢他们在我的为人处事上给予的教诲。

在论文的完成过程中，还得到其他学院多位老师和同学的热情帮助，在此表示感谢！

感谢评审论文的各位专家、老师为本文提出的宝贵的意见。

最后，向所有曾给予我关心和帮助的师长、朋友及家人表示感谢!

参考文献

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[16] 张肃文.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社[5],1984

武汉大学珞珈学院本科毕业论文（设计）

原创性声明

本人郑重声明： 

1、所呈交的毕业论文（设计），是本人在导师的指导下，进行研究工作所取得的成果。

2、除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。

3、对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文（设计）中以明确方式标明。

本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：  

  2012   年  5   月  5  日