基于MAX038的多功能信號發(fā)生器的設(shè)計

1、編號本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 多功能信號發(fā)生器的設(shè)計 物聯(lián)網(wǎng)工程 學院 電子信息工程 專業(yè)二一三年六月設(shè)計總說明設(shè)計總說明多功能信號發(fā)生器是一種能能夠產(chǎn)生多種波形如三角波、矩形波（含方波）、正弦波的電路的信號發(fā)生器，在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途隨著科技的發(fā)展，對信號發(fā)生器的各方面要求越來越高傳統(tǒng)的信號發(fā)生器由于波形精度低，頻率穩(wěn)定性差等特點，已經(jīng)不能滿足許多實際應用的需要而且市場上出售的低頻信號發(fā)生器價格昂貴，為了適應實際的需要，設(shè)計一種低頻信號發(fā)生器本文介紹了一種基于單片機控制的多功能信號發(fā)生器，它采用MAX038與單片機結(jié)合的方法，通過Protel99軟件進行硬件設(shè)計及仿真

2、，采用C語言編程，結(jié)合軟件控制信號產(chǎn)生、變化，頻率測量及顯示的流程，整個信號發(fā)生器以單片機（AT89C52）為控制中心，主要由穩(wěn)壓電源模塊、按鍵電路模塊、LED顯示模塊、波形生成模塊、功率放大模塊、整形電路、分頻電路模塊等組成本設(shè)計基本達到初期的設(shè)計要求，可以產(chǎn)生1HZ-1MHZ的可人工調(diào)節(jié)頻率及占空比的三角波、正弦波、方波及矩形波，對于產(chǎn)生的波形信號，通過功率放大電路對輸出波形信號的幅度、波形穩(wěn)定性進行調(diào)控、同時實現(xiàn)對輸出信號頻率及占空比的測量，并且可以顯示出來，由于本多功能信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號頻帶相對較寬，先對功率放大電路的輸出端進行整形處理，由于在12M晶振下單片機所能測量的頻率最高只

3、能達到500kHZ，必須對整形輸出作一個四分頻處理，另外本設(shè)計中對于不同頻率的波形信號采用了不同的測量方式，對于較低頻率的方波，我們通過測量其周期間接獲得其頻率，而對于較高頻率的信號波，則可以直接進行測量，保證了測量的精度綜上所述，本設(shè)計能產(chǎn)生頻率范圍為1HZ-1MHZ的正弦波、三角波、方波、矩形波，同時實現(xiàn)了對頻率、占空比及幅度的調(diào)節(jié)以及精確測量并且最終得以顯示，基本達到了設(shè)計要求關(guān)鍵詞：多功能信號；單片機；MAX038；I多功能信號發(fā)生器DESIGN SUMMARYVersatile signal generator able to produce a variety of wavefor

4、ms such as triangle wave, square wave (including square), sine wave signal generator circuit, the circuit experiments and equipment testing has a very wide range of usesWith the development of technology in all aspects of the signal generator is increasingly demandingBecause the waveform signal gene

5、rator traditional low accuracy and poor frequency stability characteristics, can not meet the needs of many practical applicationsAnd on the market are expensive low frequency signal generator, in order to meet the actual needs, to design a low-frequency signal generatorThis paper describes a microc

6、ontroller-based control of multi-signal generator, which uses a combination of methods MAX038 with microcontroller through Protel99 hardware design and simulation software, using C language programming, combined with software control signal generator, change the frequency measurement and display pro

7、cess, the signal generator to microcontroller (AT89C52) as the control center, mainly by the power supply module, the key circuit module, LED display module, the waveform generating module, a power amplifier module, shaping circuit, frequency divider circuit modules and other componentsThis design h

8、as basically reached the initial design requirements, you can generate 1HZ-1MHZ can manually adjust the frequency and duty cycle of the triangular wave, sine wave, square and rectangular wave, the waveform signal generated by the power amplifier circuit of the output waveform signal amplitude , wave

9、form control stability, while achieving the output signal frequency and duty cycle measurements, and can be displayed, since the multi-signal generated by the signal generator is relatively wide frequency band, the first output of the power amplifier circuit side shaping process, since the 12M cryst

10、al oscillator frequency can be measured under the chip can only reach 500kHZ, you must make a divide-shaped output processing, in addition to this design for different frequency waveform signal uses a different measurement methods, for more Low-frequency square wave, we obtained indirectly by measur

11、ing the frequency of its period, and for the higher frequency signal waves, can be measured directly, to ensure accuracy of measurement In summary, the design can produce a frequency range of 1HZ-1MHZ sine wave, triangle wave, square wave, rectangular wave, while achieving the right frequency, duty

12、cycle and amplitude adjustment, and accurate measurement and eventually be displayed, reaches the design requirementsKeywords：Multifunctional signal; SCM; MAX038; I目錄目 錄第1章 緒論11.1 課題背景11.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀11.3 設(shè)計要求和任務21.4 應解決的主要問題2第2章 系統(tǒng)原理及總體設(shè)計32.1 系統(tǒng)原理概述32.2 總體設(shè)計方案3第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1 單片機介紹及外圍電路53.1.1 時鐘電路73.1.2 R

13、C復位電路73.2 信號產(chǎn)生模塊83.2.1 芯片引腳93.2.2 系統(tǒng)原理103.2.3 頻段調(diào)節(jié)控制103.2.4 頻率、幅值、占空比控制123.2.5 頻率、占空比調(diào)節(jié)123.3 穩(wěn)壓電源電路143.4 鍵盤接口設(shè)計153.5 功率放大電路153.6 LED顯示電路設(shè)計163.7 功率放大輸出信號的整形處理173.8 整形電路輸出的分頻處理17第4章 程序設(shè)計194.1 主程序流程圖194.2 頻率測量流程圖204.3 占空比測量流程圖21第5章 結(jié)論與展望23附錄A 單片機程序26附錄B 原理圖31I多功能信號發(fā)生器的設(shè)計第1章 緒論1.1 課題背景 隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)

14、生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類增多，性能提高尤其隨著70年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展1現(xiàn)在，許多信號發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成和修正等功能，可以和控制計算機及其他測量儀器一起方便的構(gòu)成自動測試系統(tǒng)當前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動化和智能化方向發(fā)展在科學研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制、教學實驗、機械振動試驗、動態(tài)分析、材料試驗、生物醫(yī)學等領(lǐng)域，常常需要用到低頻信號發(fā)生器而在我們?nèi)粘Ｉ钪校约耙恍┛茖W研究中，鋸齒波和正弦波信號是常用的基本測試信號

15、信號發(fā)生器作為一種通用的電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測控、通訊等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用 但市面上能看到的儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實際應用的需求加之各類功能的半導體集成芯片的快速生產(chǎn)，都使我們研制一種低功耗、寬頻帶，能產(chǎn)生多種波形并具有程控等低頻的信號發(fā)生器成為可能1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀信號發(fā)生器作為一種常見的應用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用 555 振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一但是這種電路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復雜和體積大等缺點在科學研究和生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學，地震模擬機械振動等

16、領(lǐng)域常常要用到低頻信號源而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的RC很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證；體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點一旦工作需求功能有增加，則電路復雜程度會大大增加在70年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴大，產(chǎn)生更加復雜的波形這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對 DAC 的程序控制，就可以得到各種簡單的波形90年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器而近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）過去由于頻率很低應用的范圍

17、比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應用于越來越廣的領(lǐng)域波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易（2）由于 VXI 總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI 系統(tǒng)測量產(chǎn)生復雜的波形，VXI 的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā) VXI 模塊的周期長，而且需要專門的 VXI機箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI 模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域在民用方面，VXI 模塊遠遠不如臺式儀器更為方便（3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同這些新一代臺式儀器具有多種特

18、性，可以執(zhí)行多種功能而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半 二十一世紀，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過 GHz的 DDS 芯片，同時也推動了信號發(fā)生器的發(fā)展相信在接下來的一段時間里，信號發(fā)生器的發(fā)展仍將取得跨越式的發(fā)展！1.3 設(shè)計要求和任務 熟悉和掌握單片機的結(jié)構(gòu)和工作原理，了解信號發(fā)生器的工作原理掌握以單片機為核心的電路設(shè)計的基本方法,并通過實際程序的設(shè)計和調(diào)試，逐步掌握模塊化程序的設(shè)計方法和調(diào)試技術(shù)；了解開發(fā)單片機應用系統(tǒng)的全過程綜合運用所學專業(yè)知識解決工程問題具體設(shè)計要求如下：（1） 具有產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、矩形波波形的功能（2） 信號的頻率范圍為1

19、Hz-1MHz（3） 信號的輸出波形幅度Vp-p可調(diào)（4） 通過鍵盤輸入任意頻率數(shù)值和選擇任意波形（5） 波形信號頻率及占空比可調(diào)可測1.4 應解決的主要問題本論文重點在于研究以單片機為基礎(chǔ)基礎(chǔ)，結(jié)合由馬克西姆公司MAX038而設(shè)計的一種簡易信號發(fā)生器，通過MAX038來產(chǎn)生一系列有規(guī)律的幅度和頻率可調(diào)的方波、三角波和正弦波基于MAX038的多波形函數(shù)信號發(fā)生器具有信號輸出頻率高、波形穩(wěn)定、失真小、可控性強等特點2本信號發(fā)生器包含穩(wěn)壓電源模塊、單片機（AT89C52）控制模塊、鍵盤模塊、LED顯示模塊、信號發(fā)生模塊（MAX038）、功率放大（AD811）及緩沖器(BUF634)模塊、分頻模塊，

20、該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，雖然性能指標趕不上標準信號發(fā)生器，但能滿足一般的實驗要求其成本低、體積小、便于攜帶等特點，亦可作為電子產(chǎn)品維修人員的隨身設(shè)備之一第2章 系統(tǒng)原理及總體設(shè)計本章首先對系統(tǒng)原理作一個簡述，然后提出系統(tǒng)總體設(shè)計方案，包括單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計、MAX038芯片信號的實現(xiàn)、功率放大及緩沖器的運用和LED數(shù)碼管的選用給出了整體設(shè)計思路和單片機與各個模塊的聯(lián)系，以及整體設(shè)計框圖2.1 系統(tǒng)原理概述本系統(tǒng)所設(shè)計多功能信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波，矩形波的低頻信號發(fā)生器，在單片機的控制下由MAX038信號發(fā)生芯片產(chǎn)生頻率占空比可調(diào)的正弦波、三角波、方波，通過調(diào)節(jié)方波的占空比產(chǎn)生矩

21、形波，對于所產(chǎn)生的四種波形信號，通過功率放大電路可對其幅度、穩(wěn)定性進行調(diào)節(jié)，對功率放大電路輸出信號進行整形后可以利用單片機的中斷口及定時計數(shù)器分別測出低頻信號測量周期、高頻信號的頻率以及他們的高電平周期，從而轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)輸出的頻率和占空比，最后經(jīng)過顯示電路顯示出頻率和占空比2.2 總體設(shè)計方案該系統(tǒng)硬件由以下幾個部分組成：鍵盤電路、穩(wěn)壓電源模塊、LED顯示模塊、波形信號產(chǎn)生模塊、功率放大電路、分頻模塊等本畢業(yè)設(shè)計采用的是目前比較常用的52系列單片機AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)

22、存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用此單片機的體積小、低功耗、控制能力強、擴展靈活、微型化使用方便本設(shè)計結(jié)合由馬克西姆公司MAX038而設(shè)計的一種簡易信號發(fā)生器，通過MAX038來產(chǎn)生一系列有規(guī)律的幅度和頻率可調(diào)的方波、三角波和正弦波基于MAX038的多波形函數(shù)信號發(fā)生器具有信號輸出頻率高、波形穩(wěn)定、失真小、可控性強等特點本信號發(fā)生器包含穩(wěn)壓電源模塊、單片機（AT89C52）控制模塊、鍵盤模塊、LED顯示模塊、信號發(fā)生模塊（MAX038）

23、、功率放大（AD811）及緩沖器(BUF634)模塊、分頻模塊，該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，雖然性能指標趕不上標準信號發(fā)生器，但能滿足一般的實驗要求其成本低、體積小、便于攜帶等特點，亦可作為電子產(chǎn)品維修人員的隨身設(shè)備之一系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如2-1所示：1圖2-1 系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖3第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計本章介紹了本設(shè)計的硬件電路設(shè)計，按照各個模塊分別展開分析依次介紹了52單片機的外圍硬件電路(包括時鐘電路和復位電路穩(wěn)壓),重點介紹了信號發(fā)生模塊（MAX038），最后簡單介紹了穩(wěn)壓電源電路、鍵盤電路、功率放大電路、LED數(shù)碼管顯示電路以及分頻電路設(shè)計 圖3-1單片機引腳總體配置圖3.1 單片機介紹及外圍電路

24、AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS型8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元3AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有

25、效地降低開發(fā)成本AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求主要功能特性· 兼容MCS51指令系統(tǒng) · 8k可反復擦寫(>1000次）Flash ROM · 32個雙向I/O口 · 256x8bit內(nèi)部RAM · 3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷 · 時鐘頻率0-24MHz · 2個串行中斷 · 可編程UART串行通道 · 2個外部中斷源 · 共6個中斷源 · 2個讀寫中斷口線 · 3級加密位 · 低功耗空閑和掉電

26、模式 · 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能AT89C52中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器外接石英晶體及電容C1， C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路對外接電容C1， C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，這里選擇使用石英晶體也可以采用外部時鐘采用外部時鐘的電路的情況時，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空 圖3-2 AT89C52芯片外

27、觀及引腳3.1.1 時鐘電路時鐘電路是用于產(chǎn)生單片機工作時所必需的時鐘信號時鐘是單片機的心臟，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性本系統(tǒng)中時鐘方式的電路原理圖如圖3-3所示： 圖3-3 內(nèi)部時鐘方式電路原理圖電路中的電容C2、C3典型值為30±10 pF外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但是電容的大小會影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性同時，在系統(tǒng)中采12MHz的晶體振蕩器來產(chǎn)生時鐘脈沖3.1.2 RC復位電路復位是單片機初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元執(zhí)行程序除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當程序運行出錯或操作

28、錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復位鍵重新啟動復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式本設(shè)計采用了按鍵手動復位方式該復位電路如圖3-4所示圖3-4 R、C復位電路開關(guān)閉合瞬間RST引腳獲得高電平，單片機復位電路隨著電容的C1的充電，RST引腳的高電平逐漸下降RST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就可以進行復位操作3.2 信號產(chǎn)生模塊為達到本信號發(fā)生器所要求的各類波形信號，本設(shè)計采用MAX038作為信號產(chǎn)生芯片，MAX038是美國MAXIM（馬克希姆）公司應市場的需求而研制的單片集成高頻精密函數(shù)發(fā)生器，具有較高的頻率特性、頻率范圍很寬、功能較全、單片集成

29、化、外圍電路簡單、使用方便靈活等特點內(nèi)有主振蕩器、波形變換電路、波形選擇多路開關(guān)、25V基準電壓源、相位檢測器、同步脈沖輸出及波形輸出驅(qū)動電路等其主要優(yōu)點有：(1)能精密地產(chǎn)生三角波、矩形波（含方波）、正弦波信號(2)頻率范圍從01Hz20MHz，最高可達40MHz，各種波形的輸出幅度均為2V(3)占空比調(diào)節(jié)范圍寬，占空比和頻率均可單獨調(diào)節(jié)，二者互不影響，占空比最大調(diào)節(jié)范圍是1090(4)波形失真小，正弦波失真度小于075，占空比調(diào)節(jié)時非線性度低于2(5)采用±5V雙電源供電，允許有5變化范圍，電源電流為80mA，典型功耗400mW，工作溫度范圍為070(6)低阻抗輸出緩沖器：01；

30、(7)低溫度漂移：200 PPM對于所有輸出波形來說，輸出波形是以地為參考的對稱波形，在低輸出阻抗的情況下，輸出電流可達到±20 mA電流在兩個與TTLCMOS信號輸入匹配的地址引腳A1，A0上輸入合適的代碼信號，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出波形變換的控制，具體輸入代碼和輸出波形的對應關(guān)系如表3-1所示表3-1輸入代碼和輸出波形對應關(guān)系表A0A1波形X1正弦波00矩形波10三角波3.2.1 芯片引腳MAX038芯片的各個引腳的功能表如表3-2所示：表3-2 MAX038各引腳功能表引腳號名 稱功 能1REF250 V帶隙基準電壓輸出端2GND地3A0波形選擇輸入端，TTLCMOS兼容4A1波形選擇輸

31、入端，TTLCMOS兼容5COSC外部電容連接端6GND地7DADJ占空比調(diào)整輸入端8FADJ頻率調(diào)整輸入端9GND地10Iin用于頻率控制的電流輸入端11GND地12PDO相位檢波器輸出端如果不用相位檢波器則接地13PDI相位檢波器基準時鐘輸入端如果不用相位檢波器則接地14SYNCTTLCMOS兼容的同步輸出端15DGND數(shù)字地讓他開路使SYNC無效，或是SYNC不用16DV+數(shù)字+5 V電源如果SYNC不用則讓他開路17V+5 V電源18GND地19OUT正弦波、方波或三角波輸出端 20V-5 V電源MAX038內(nèi)部還有正弦整形電路、比較器、復用器以及鑒相器電路，它們共同實現(xiàn)了正弦波、三角

32、波、鋸齒波、矩形波和脈沖波的生成鑒相器是作為鎖相環(huán)的備用單元，為異或門電路結(jié)構(gòu)，輸入信號一路來自內(nèi)部差動矩形波OSCA和OSCB，另外一路來自外部引腳PDI鑒相器的輸出信號為電流，由PDO引腳輸出平均值變化范圍為0550A當兩路輸入信號的相位差為90。時，輸出電流的占空比為50%，平均值為250A 如果構(gòu)成鎖相環(huán)路，則PDO和FADJ相連，并且對地連接一個電阻RPD，同時并聯(lián)一個電容CPD RPD決定鑒相器的靈敏度，CPD用于濾除電流中的高頻成分其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示： 圖3-6 MAX038內(nèi)部原理圖3.2.2 系統(tǒng)原理MAX038的輸出頻率主要受振蕩電容CF ， IIN 端電流和FADJ

33、 端電壓的控制選擇一個CF值，對應IIN 端電流的變化，將產(chǎn)生一定范圍的輸出頻率4另外，改變FADJ 端的電壓，可以在IIN 控制的基礎(chǔ)上，對輸出頻率實現(xiàn)微調(diào)控制為實現(xiàn)輸出頻率的數(shù)控調(diào)整，在IIN 端和FADJ 端分別連接一個電壓輸出的DAC首先，通過DACB產(chǎn)生0V(00H)到25V(0FFH)的輸出電壓，經(jīng)電壓/ 電流轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生0A到748A的電流，疊加上網(wǎng)絡(luò)本身產(chǎn)生的2A電流，最終對IIN 端形成2A到750A 的工作電流，使之產(chǎn)生相應的輸出頻率范圍DACB將此工作電流范圍分為256級步進間隔，輸出頻率范圍也被分為256級步進間隔所以，IIN端的電流對輸出頻率實現(xiàn)粗調(diào)第二步，通過DA

34、CA 在FADJ端產(chǎn)生一個從- 23V(00H)到+ 23V(0FFH)的電壓范圍，該范圍同樣包含256級步進間隔，IIN 端的步進間隔再次細分為256級步進間隔，從而在粗調(diào)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)微調(diào)3.2.3 頻段調(diào)節(jié)控制固定一個CF值，當IIN 端的電流從2uA到750uA的變化時，對應產(chǎn)生一個頻段的頻率范圍經(jīng)實驗調(diào)整，我們選擇了一系列的CF 如圖3-7 所示，并確定了各CF所對應的頻段和頻率范圍f1-f2由于系統(tǒng)通過DAC 控制IIN 端電流和FADJ 端電壓，將各頻段的頻率范圍劃分為65536 級間隔，因此各頻段的輸出誤差為 （3-1）圖3-7 輸出頻率與IIN電流及振蕩電容CF的關(guān)系此外，由于

35、相鄰頻段之間存在著頻率重疊現(xiàn)象，并且考慮到各個頻段對應的誤差大小有所差異，因此設(shè)定各頻段的實際起止頻率圍：f3f4，以便獲得最小的誤差5在5腳COCS和6腳GND接上電容CF以后，10腳IIN是頻率控制的電流輸入端，利用恒定電流IIN向電容CF充電和放電，便可形成振蕩IIN是受8腳FADJ和7腳DADJ端電壓的控制，振蕩頻率由下式確定 （3-2）因為我們要求的頻率范圍在02Hz10MHz，分四個頻段來滿足要求，在每個頻段上連續(xù)可調(diào)，由芯片內(nèi)部參數(shù)可知道，當IIN=2A5A時，CF的容量范圍可以在10pF10F時，芯片有較好的性能因此可知： （3-3）當IIN=2A時， （3-4）當IIN=75

36、0A時， （3-5）為了使數(shù)字控制能夠使IIN=2A750A實現(xiàn)，我們在D/A轉(zhuǎn)換模塊使用圖25所示的電阻連接方法當數(shù)字量為00H時，VOUTb輸出為0V時MAX038的10腳IIN有2A的電流輸入當數(shù)字量為FFH時，VOUTb輸出為基準電壓250VMAX038的10腳IIN有750A的電流輸入3.2.4 頻率、幅值、占空比控制MAX038的核心部分是一個電流控制的振蕩器，通過恒定電流對外部電容CF充電和放電，獲得三角波、方波和正弦波信號輸出充放電電流由流進MAX038的IIN引腳的電流控制，由加在引腳DADJ、FADJ上的電壓調(diào)整電路的振蕩頻率為： （3-6）波形的占空比為：T=05-017

37、VDADJ當時，IIN可設(shè)為VFADJ=0V時，IIN可設(shè)為2750A，對應中心頻率為350：1的變化；當VFADJ=±24V時，調(diào)制頻偏為±70%VFADJ控制外部電容CF充、放電電流的比值，當VDADJ=0V時，波形的占空比為50%；當VDADJ=±23V，占空比為10%90%在FADJ和DADJ端口的內(nèi)部，設(shè)置了2502A的下拉電源流，可簡化外部電路設(shè)計，僅用電阻RF（連接引腳FADJ和25V基準電壓的可變電阻）和（連接引腳DADJ和25V基準電壓的可變電阻）就可以對頻偏和占空比進行調(diào)整IIN引腳由內(nèi)部的運放強制為虛地，故僅用電阻RIN就能調(diào)整輸入電流IIN

38、，實現(xiàn)中心頻率的調(diào)節(jié)25V的基準電壓源主要用于提供IIN電流和VFADJ、VDADJ電壓，其溫度系數(shù)典型值為20ppm/，負載電流小于4mA6通過控制8選1模擬開關(guān)CD4051來選擇CF的電容量，從而確定頻率范圍本系統(tǒng)共有8個頻段供切換，輸出頻率范圍與CF的對應關(guān)系如表3-3所示7： 表3-3 輸出頻率范圍與CF的對應關(guān)系波段電容值頻率范圍120pF2MHz20MHz2100pF200kHz2MHz31000pF20kHz200KHz4001F2KHz20KHz501F200Hz2KHz61F20Hz200Hz710F2Hz20Hz8100F01Hz2Hz MAX038內(nèi)部有一個25V的基準電

39、壓源，由REF引腳輸出基準電壓源由兩個LF353及電阻電容組成，分別組成放大倍數(shù)為1和1的緩沖器，因而得到±25V的基準電源這個電壓源對整機的性能很重要，因為各控制電路均需要該參考輸入在應用中，MAX038通?？梢詥为毘袚瘮?shù)信號輸出的功能，通過外部的電阻和電容的調(diào)節(jié)，完成特定頻率和幅值的信號輸出3.2.5 頻率、占空比調(diào)節(jié)MAX038的占空比的調(diào)整有兩種方式，一種時利用內(nèi)部基準電壓源調(diào)整，另一種是利用外加電源調(diào)整，為使電路簡單，采用第一種調(diào)整方式在MAX038 的DADJ端應用一個23V23V 的電壓控制信號， MAX038 的DADJ引腳上的電壓可控制波形的占空比DC(定義為輸出

40、波形為正時所占時間的百分數(shù)），并且能夠改善正弦波的波形，可進行脈沖寬度調(diào)制和產(chǎn)生鋸齒波當VDADJ接地（即VDADJ=0）時，其占空比為50%，占空比的調(diào)整可采用MAX505的一片DAC，輸出±23V 范圍內(nèi)的電壓，占空比可在10%90%范圍內(nèi)改變，約每伏改變15%，當電壓超過±23V 將使頻率偏移或引起不穩(wěn)定為產(chǎn)生一定占空比而加在DADJ上的電壓為： （3-7）對雙極性輸出的D/A 轉(zhuǎn)換器，基準電源為23V時，MAX505接受數(shù)據(jù)與占空比的關(guān)系式為： （3-8）其中：VDADJ為DADJ 引腳上的電壓，DC為占空比這樣可完成激勵信號的占空比設(shè)置調(diào)整CF的充放電時間，在10

41、%90%的范圍內(nèi)調(diào)整振蕩器輸出的三角波，最終產(chǎn)生失真的正弦波，鋸齒波和脈沖波這三種波形同時送入混合器，由A0，A1選擇輸出所以為簡單起見，關(guān)于占空比調(diào)節(jié)和頻率調(diào)整，可采用外部電位器調(diào)整控制調(diào)節(jié)頻率調(diào)整電路的電位器，改變MAX038輸入端IIN的電流大小，從而改變頻率值；調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)電路中的電位器，改變MAX038輸入端DADJ的電壓大小，從而改變占空比接在REF(+25 V)和FADJ之間的可變電阻RF還提供了一個方便的人工調(diào)整頻率的方法RF的取值如下： A （3-9）例如，如果VREF取-20 V(+583偏移)，則RF=+25-(-20)250A=18 k 接在REF(+25 V)和DA

42、DJ之間的可變電阻RD提供了一個方便的人工調(diào)整占空比的方法RD的取值如下： A （3-10）例如，如果VDADJ取-15 V(23占空比)，則RD=+25-(-15)250A=16 k下圖的芯片為Maxim公司的信號發(fā)生芯片MAX038，其波形選擇引腳A0和A1與單片機的P20和P21引腳相連，在單片機的控制下輸出正弦波、矩形波和三角波3種不同的波形，波形的頻率和幅值可以通過外部的可變電阻進行調(diào)節(jié)OUT為MAX038的信號波形輸出，送至功率放大電路另外MAX038的外圍硬件電路圖如圖3-8所示： 圖3-8 MAX038外圍硬件電路3.3 穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電源是單片機控制系統(tǒng)的重要組成部分，它不

43、僅為測控系統(tǒng)提供多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標和抗干擾性能 本機使用三種共地電源：15V，+12V，12V，+5V，5V硬件設(shè)計中采用自帶穩(wěn)壓電源方式，整流濾波后的電壓是不穩(wěn)定的電壓，在電網(wǎng)電壓或負載變化時，該電壓都會產(chǎn)生變化，而且紋波電壓又大所以，整流濾波后，還須經(jīng)過穩(wěn)壓電路，才能使輸出電壓在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定不變在這里我們就用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路對其進行穩(wěn)壓,此電源穩(wěn)壓主要采用三端集成穩(wěn)壓器7815、7915、7812、7912和7805，7905，這種三端固定電壓輸出式集成穩(wěn)壓器，使用簡單，價格較低，且由于內(nèi)部具有過壓過流保護，使整機的電源電路穩(wěn)定，性能可靠8圖3-9 穩(wěn)壓電源模塊電路

44、圖3.4 鍵盤接口設(shè)計鍵盤的結(jié)構(gòu)形式一般有兩種：獨立式鍵盤與矩陣式鍵盤獨立式按鍵電路配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡單，但是每個按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口線浪費較大故只在按鍵數(shù)量不多時采用這種按鍵電路,本次主要介紹設(shè)計所用的獨立鍵盤的工作方式獨立式鍵盤就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵都不會影響其它的I/O口線在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口線有確定的高電平本設(shè)計共用到五個按鍵，分別為產(chǎn)生方波（矩形波）、產(chǎn)生三角波、產(chǎn)生正弦波、頻率讀數(shù)、占空比讀數(shù)，為了達到該設(shè)計的可拓展性，本鍵盤采用了六個按鍵的獨立模

45、式，獨立式鍵盤與單片機的接口電路如圖3-10所示：圖3-10 獨立式鍵盤3.5 功率放大電路由于MAX038的輸出信號為恒定的2V（p-p），且輸出電流不高，所以必須在輸出級至少有一級放大電路來提供足夠的輸出電壓和電流，以滿足一般使用要求以下是放大電路設(shè)計的幾點考慮：（1）首先，放大電路要求具有很高的頻寬，因為輸出信號最大基頻為1MHz，其三角波和矩形波的高次諧波成分很高，只有高寬頻才能得到不失真的輸出波形（2）其次，高頻大信號放大要求放大電路有足夠的輸出電壓轉(zhuǎn)換速率（3）另外，要帶動低阻負載，放大電路的電流輸出能力也是個重要參數(shù)要在 1K負載上輸出5V信號，則放大器至少要有的連續(xù)電流輸出能力

46、為達到上述涉及要求并防止由于電流過大而燒壞前級電路，在功率放大電路中往往級聯(lián)一個緩沖器，一般說來緩沖級電路輸入阻抗無窮大，所以經(jīng)過末級放大電路放大以后，即使電流很大，也不會影響前級電路，起到了很好的電路保護作用所以本設(shè)計中的功率放大電路采用ADI公司的高速運算放大器AD811和T1公司的緩沖器BUF634構(gòu)成，如圖所示AD8ll采用同相放大器接法，將輸入信號放大到電壓峰峰值為6 V;后級緩沖電路用于提供足夠的輸出電流，使負載的輸出電壓峰值穩(wěn)定在6 V由于AD81l的輸出電流較大，所以在AD811與緩沖器之間串接了一只l k的電阻用于限流電路調(diào)試時發(fā)現(xiàn)輸出高頻信號有衰減經(jīng)過分析獲知，主要原因在于

47、后級緩沖器有8 pF的等效輸入電容(見圖4中虛線)，該電容影響電路的高頻響應于是在AD811輸出與BUF634輸入之間接入了 一只330nF的補償電容，補償后的電路高頻響應效果良好AD811和BUF634構(gòu)成的功率放大電路如圖3-11所示9：圖3-11 功率放大電路3.6 LED顯示電路設(shè)計單片機應用系統(tǒng)中，通常都需要進行人-機對話這包括人對應用系統(tǒng)的狀態(tài)干預與數(shù)據(jù)輸入，以及應用系統(tǒng)向人們顯示狀態(tài)及各種運行結(jié)果，顯示器、鍵盤電路都是用來實現(xiàn)人-機對話活動的人機通道，因此在單片機系統(tǒng)中有著廣泛的應用LED顯示器顯示控制方法有兩種，即動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示亮度一般比動態(tài)顯示效果好，但本次設(shè)計中

48、，采用了動態(tài)顯示本實驗采用的是八段LED共陽極數(shù)碼管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖 3-12所示：圖 3-12 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖LED數(shù)碼管的驅(qū)動是一個非常重要的問題由于單片機并行口不能直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，必須采用驅(qū)動電路或放大電路，使之產(chǎn)生足夠大的電路，顯示器才能高亮正常工作如果驅(qū)動能力差，顯示器亮度就低，這樣顯示效果就會很差，達不到設(shè)計的需要本次設(shè)計中要求作到7LED 顯示，LED顯示器的控制方式為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種，本設(shè)計選擇的接線是動態(tài)顯示，單片機的P0口經(jīng)8位鎖存器74HC245N（有電流放大作用）輸出驅(qū)動各數(shù)碼管的八段引腳，單片機的P25-P27及P30-P33經(jīng)過七個三極管（有電流放大

49、作用），驅(qū)動7個數(shù)碼管的陰極D1-D7，數(shù)碼管采用軟件進行動態(tài)掃描顯示，工作電路如圖3-13 所示：圖3-13 7位八段LED顯示電路3.7 功率放大輸出信號的整形處理對于功率放大電路電路的輸出，為了對各類波形進行頻率火周期測量，需要將波形信號經(jīng)過整形電路轉(zhuǎn)換成方波才能測量，輸出端連接到單片機的中斷接口實現(xiàn)對低頻信號的周期測量，輸出端連接到單片機的定時計數(shù)器借口實現(xiàn)對高頻信號的直接頻率測量，從而滿足單片機對頻率、占空比的準確測量要求103.8 整形電路輸出的分頻處理根據(jù)本實驗的設(shè)計要求，輸出頻率的范圍是1HZ-1MHZ,52單片機最大計數(shù)速率為時鐘頻率的1/24（使用12MHz的時鐘時，最大計

50、數(shù)速率為500kHz），因此采用單片機測量頻率及占空比時無法滿足要求，需要對整形電路后的輸出進行四分頻處理本設(shè)計的四分頻電路采用的是47LS74集成模塊，該模塊是一個雙D觸發(fā)器，其功能較多，可用作寄存器，移位寄存器，振蕩器，單穩(wěn)態(tài)，分頻計數(shù)器功能，本模塊利用其分頻功能對功率放大輸出端口進行四分頻處理，四分頻電路如圖3-14所示：圖3-14 4分頻電路連接第4章 程序設(shè)計本章主要介紹了該系統(tǒng)的軟件設(shè)計先給出了主程序的流程圖，后給出了頻率測量的子程序流程圖4.1 主程序流程圖圖4-1 主程序流程圖4.2 頻率測量流程圖本電路采用12M溫度補償晶振，其最大計數(shù)為500kHZ，本頻率計測頻范圍為1Hz

51、到1MHZ,以50kHz為分界，待測信號經(jīng)放大、變換、四分頻處理后再將波形信號經(jīng)整形電路轉(zhuǎn)換為方波，一路直接送AT89C52單片機的P32口，另一路送P34口,測頻時，首先T0為計數(shù)器，T1為定時器，控制閘門時間為1秒，1S后，判斷值大于50k時，經(jīng)變換處理后送顯示，小于50k時，外部中斷用來捕捉脈沖頻率下降沿，捕捉到下降沿觸發(fā)外部中斷，在外部中斷里開定時器t的中斷，即每定時t使count加1，當再一次觸發(fā)外部中斷時，讀取count的值n，則脈沖時間為n*t，從而測得頻率，經(jīng)過變化處理后送顯示模塊測頻模塊的軟件流程圖如圖4-2所示11： 圖4-2 頻率測量流程圖 4.3 占空比測量流程圖首先測

52、出方波的頻率（這個跟占空比無關(guān)），利用這個計算出周期T；其次利用一個獨立的外部中斷，在測量完頻率后啟動：先設(shè)置上升沿觸發(fā)，一旦開啟后，下一個方波上升沿，外部中斷就會被觸發(fā)在處理中斷服務的時候，把這個外部中斷重新設(shè)置為下降邊沿觸發(fā)，然后啟動定時器下一個下降邊沿到來的時候，中斷會被觸發(fā)，而這個下降邊沿，剛好就是方波高電平結(jié)束的地方第二次觸發(fā)中斷后，停止計時，兩次中斷之間的間隔修正補償后，就是高電平的持續(xù)時間Tu占空比可以計算出來，就是q=Tu/T*100%，然后就顯示即可流程圖如圖4-3所示：圖4-3 占空比測量流程 第5章 結(jié)論與展望采用MAX038 芯片制作函數(shù)信號發(fā)生器隨設(shè)計思想不同，具有多

53、種方法，本文只是其中一種可實現(xiàn)的方法設(shè)計出的信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，不需調(diào)整，具有很高的性價比，體積也很小和利用分離元件實現(xiàn)的發(fā)生器相比，具有顯著的優(yōu)勢，這足以彌補它在某些方面的不足同時該信號源設(shè)計尚存在的不足之處，主要有兩個方面，第一為缺乏頻率準確顯示的手段，可以配備相應的數(shù)字頻率計模塊，但如何將顯示的精度與信號源的頻段配合有待討論研究；第二為輸出級可配以顯示輸出幅度的儀表，并且放大電路有待進一步改進，使其具有更強的輸出能力由于使用了單片機作為電路的控制核心，整個波形發(fā)生器具有成本低，可靠性高，體積小巧、易于攜帶，功耗低，輸出波形優(yōu)良，使用方便等優(yōu)點在此波形發(fā)生器輸出加入一個寬帶可變增益放大器即可調(diào)整輸出波形幅度，改變參考頻率的大小即可改變輸出信號的分辨率及頻率范圍，頻率范圍可以連續(xù)覆蓋1Hz20MHz，分辨率可以做到10Hz甚至1Hz對于低成本的小型波形發(fā)生器，這是MAX038的一個理想的應用方案由于此次實現(xiàn)的信號發(fā)生器電路是模數(shù)混合電路，因此在電路設(shè)計和線路板布局上都有所研究具體有： MAX038的模擬電源和數(shù)字電源需要分開，在供電時要分別供電，即分別取自不同的電源，以防數(shù)字信號通過電源線干擾模擬