1、0本科学生毕业论文（设计）题 目 基于 MAX038 的函数发生器的设计学 院 物理与电子信息学院专 业 物理学/电子信息工程/通信工程学生姓名学 号指导教师 职称论文字数完成日期 2016 年 3 月 8 日1基于 MAX038 的函数信号发生器的设计摘 要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。本文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结构设计。辅以控制软件和特别的外围电路设计，就能实现一个低成本、多功能、高精度、输出频率
2、连续可调的频率合成式波形发生器。并对其振荡频率控制、信号输出幅度控制、频率和幅度的控制作了比较详细的论述。最后根据 MAX038 的特点，设计了控制程序和外围电路。本信号发生器可输出三角波、方波、正弦波。关键词： MAX038 函数信号 单片机2目 录摘 要 1Abstract 11.绪 论 52.1 概述 52.2 设计指标 62.3 方案论证与比较 62.4 MAX038 芯片介绍 72.5 芯片引脚 82.6 系统框图及原理 102.7 频段调节控制 .112.8 频率、幅值、占空比控制 .122.9 输出信号的放大处理 .143系统硬件的设计 .153.1 系统总体设计 .153.2
3、单片机介绍及外围电路 153.3 频率、占空比调节 183.4 输出信号的放大处理 .203.5 电源电路 .213.6 键盘设计 2234系统软件设计流程图 234.1 主程序流程图 235. 系统分析总结与展望 24参考文献 25附 录 271 单片机程序 262 系统完整电路图 .2941.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
4、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
5、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。本文主要分五大部分：绪论、系统概述和设计方案、硬件部分、软件部分、总结。绪论首先对课题背景和所涉及的技术领域进行介绍；第一章对系统所要完成的功能进行讲解，确定系统的主要参数，第二章对系
6、统的硬件结构和各部分组成进行简要的介绍；第三章软件部分，这部分重点介绍了主程序的流程图及驱动程序。最后对全文进行了总结与展望。52系统概述和方案设计2.1 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，
7、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。2.2 设计指标信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形，输出信号频率在 0.1Hz20MHz 范围内可调，输出信号频率可分段调节：在 0.1Hz1Hz 范围内步步进间隔为 0.11Hz，在 1Hz10Hz 范围内步进间隔为 1Hz，在 10Hz1KHz范围内步进间隔为 10Hz；在 1KHz20MHz 范围内步进间隔为 1KHz。输出信号频率值可通过键盘进行设置；在 1KW 负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值在 020V
8、范围内可调；输出信号波形无明显失真。2.3 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，6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
9、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。 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：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
10、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。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。综合考虑我们还是选择方案三较好。2.4 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
11、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 0.1Hz20MHz，最高可达 40MHz，各种波形的输出幅度均为 2V3)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7大调节范围是 1090。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 070。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
12、，实现频率微调和占空比调节。2.5 芯片引脚1 82 01 91 71 61 51 41 31 21 11254367891 0O U TV -G N DV +D V +D G N DS Y N CP D IP D OG N DI I NG N DF A D JD A D JC O S CA 1A 0R E FG N DG N DM A X I MM A X 0 3 8图 2.5.1 MAX038 引脚图表 2.5.1 MAX038 引脚名称及功能引脚号 名 称 功 能1 REF 2.50 V 带隙基准电压输出端2 GND 地3 A0 波形选择输入端，TTLCMOS 兼容4 A1 波形选择输入
13、端，TTLCMOS 兼容85 COSC 外部电容连接端6 GND 地7 DADJ 占空比调整输入端8 FADJ 频率调整输入端9 GND 地10 Iin 用于频率控制的电流输入端11 GND 地12 PDO 如果相位检波器输出端。不用相位检波器则接地13 PDI 相位检波器基准时钟输入端。如果不用相位检波器则接地14 SYNC TTLCMOS 兼容的同步输出端，可由 DGND 至 DV+间的电压作为基准15 DGND 数字地。让他开路使 SYNC 无效，或是 SYNC 不用16 DV+ 数字+5 V 电源。如果 SYNC 不用则让他开路17 V+ +5 V 电源18 GND 地19 OUT 正
14、弦波、方波或三角波输出端20 V- -5 V 电源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 。当两路输入信号的相位05A差为 时，输出电流的占空比为 50%，平均值为 。如果构成锁相环路，90 2则 PDO 和 FADJ 相连，并且对地连接一个电阻 ，同时并联一个电容 。PDRPDC决定鉴相器的灵敏度， 用于滤除电流中
15、的高频成分。PDRPDC2.6 系统框图及原理如图 2.6.1 所示，采用单片机 AT89C52 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。95 2 单片机 4 4 键盘M A X 0 3 8波形选择占空比调节频率调节放大电路波形输出图 2.6.1 系统框图MAX038 的输出频率主要受振荡电容 CF ， IIN 端电流和 FADJ 端电压的控制，其中前二者与输出频率的关系如图 2.7.1 所示。选择一个 CF 值，对应 IIN 端电流的变化，将产生一定范围的输出频率。另外，改变 FADJ 端的电压，可以在
16、IIN 控制的基础上，对输出频率实现微调控制。为实现输出频率的数控调整，在 IIN 端和 FADJ 端分别连接一个电压输出的 DAC。首先，通过 DACB 产生0V(00H)到 2.5V(0FFH)的输出电压，经电压/ 电流转换网络，产生 0A 到748A 的电流，叠加上网络本身产生的 2A 电流，最终对 IIN 端形成 2A到 750A 的工作电流，使之产生相应的输出频率范围。DACB 将此工作电流范围分为 256 级步进间隔，输出频率范围也被分为 256 级步进间隔。所以，IIN端的电流对输出频率实现粗调。第二步，通过 DACA 在 FADJ 端产生一个从- 2.3V(00H)到+ 2.3
17、V(0FFH)的电压范围，该范围同样包含 256 级步进间隔，IIN 端的步进间隔再次细分为 256 级步进间隔，从而在粗调的基础上实现微调。2.7 频段调节控制MAX038的输出频率和CF电容与IIN 端的电流间的关系如表2.7.1 所示。固定一个CF值，当IIN 端的电流从 到 的变化时，对应产生一个频段的2A750频率范围。经实验调整，我们选择了一系列的CF 如表2.7.1 所示，并确定了各CF所对应的频段和频率范围 。由于系统通过DAC 控制IIN 端电流和FADJ 1f10端电压，将各频段的频率范围划分为65536 级间隔，因此各频段的输出误差为 (12)/653ff0 . 111
18、01 0 01 K1 0 K1 0 M1 0 0 M1 0 0 K1 M1 0 011 0 1 0 0 0I I N电流1 0 0 n f1 0 n f1 n f1 0 0 n f3 3 p f1 0 0 p f3 3 p f1 0 p f图 2.7.1 输出频率与 IIN 电流及振荡电容 CF 的关系此外，由于相邻频段之间存在着频率重叠现象，并且考虑到各个频段对应的误差大小有所差异，因此设定各频段的实际起止频率围：f3f4，以便获得最小的误差。表2.7.1 输出波形频率范围与CF的关系表频段号 CF f1(2A) f2(750A) f f3 f41 10pF 200kHz 65MHz 1kH
19、z 600kHz 10MHz2 1nF 2kHz 650kHz 10Hz 6kHz 600kHz3 100nF 20Hz 6.5kHz 0.1Hz 60Hz 6kHz4 10F 0.2Hz 65Hz 0.001Hz 0.2Hz 60Hz在 5 脚 COCS 和 6 脚 GND 接上电容 以后，10 脚 IIN 是频率控制的电流输入端，FC利用恒定电流 向电容 充电和放电，便可形成振荡。 是受 8 脚 FADJ 和INF IN7 脚 DADJ 端电压的控制，振荡频率由下式确定。(2.1)02.5INREFIINFVCC11因为我们要求的频率范围在 0.2Hz10MHz，分四个频段来满足要求，在每
20、个频段上连续可调，由芯片内部参数可知道，当 时， 的2750INAFC容量范围可以在 时，芯片有较好的性能。10pF因此，有（2.1）式可知(2.2)REFINIV当 时， ；当 时，2INA2.501.INRMA750INA，为了使数字控制能够使 实现，我们.503.7IVRK2I在D/A转换模块使用图2.5所示的电阻连接方法。当数字量为00H时， 输出OUTbV为 。MAX038的10脚IIN有 的电流输入。当数字量为FFH时， 输出为0V2A基准电压 。MAX038的10脚IIN有 的电流输入。用公式（2.1）2.5750（2.2）可以检验，确定表2.7.1所列的电容值可满足后面频率产生
21、要求。2.8 频率、幅值、占空比控制MAX038的核心部分是一个电流控制的振荡器，通过恒定电流对外部电容CF充电和放电，获得三角波、方波和正弦波信号输出。充放电电流由流进MAX038的IIN引脚的电流控制，由加在引脚DADJ、FADJ上的电压调整。电路的振荡频率为： 波形的占空比为：0(1.295)(10.295)/FADJINFADJfVVC。当时，IIN可设为 时， 可设为 ，对.574JT IN2750A应中心频率为350:1的变化；当 时，调制频偏为70%。 控制FADJ.4DJV外部电容 充、放电电流的比值，当 时，波形的占空比为50%；当FC0JV ，占空比为10%90%。在FAD
22、J和DADJ端口的内部，设置了DAJV2.3的下拉电源流，可简化外部电路设计，仅用电阻 （连接引脚FADJ和50 FR基准电压的可变电阻）和（连接引脚DADJ和 基准电压的可变电阻）就. 2.5可以对频偏和占空比进行调整。IIN引脚由内部的运放强制为虚地，故仅用电阻12就能调整输入电流 ，实现中心频率的调节。 的基准电压源主要用于INRIN2.5V提供 电流和 、 电压，其温度系数典型值为20ppm/，负载电流小FADJVJ于 。4m通过控制 8 选 1 模拟开关 CD4051 来选择 的电容量，从而确定频率范FC围。本系统共有 8 个频段供切换，输出频率范围与 的对应关系如下表 2.8.1所
23、示。表 2.8.1 输出频率范围与 的对应关系F波段 电容值FC频率范围1 20pF 2MHz20MHz2 100pF 200kHz2MHz3 1000pF 20kHz200KHz4 0.01F 2KHz20KHz5 0.1F 200Hz2KHz6 1F 20Hz200Hz7 10F 2Hz20Hz8 100F 0.1Hz2HzMAX038 内部有一个 的基准电压源，由 REF 引脚输出。基准电压源由两2.5V个 LF353 及电阻电容组成，分别组成放大倍数为1 和1 的缓冲器，因而得到 的基准电源。这个电压源对整机的性能很重要，因为各控制电路均需要2.5V该参考输入。在应用中，MAX038
24、通常可以单独承担函数信号输出的功能，通过外部的电阻和电容的调节，完成特定频率和幅值的信号输出。2.9 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13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1K 负载上输出 5
25、V 信号，则放大器至少要有的连续电流输出能力。143系统硬件的设计依据MAX038输出频率的数控调节原理，配合单片机控制，我们可以实现数控的函数信号发生器。3.1 系统总体设计整机由图3.1.1所示的七大模块组成，分别是电源产生电路，频段选择电路，按键电路，单片机外围控制电路（包括信号的占空比，频率，幅度控制电路）。信号发生芯片M C U译码电路 运放 幅度控制显示模块波形信号检测键盘输入控制波形选择 占空比控制幅度调节波形输出图3.1.1 总设计原理布局图基于MAX038 的单片机多波调频信号产生器主要由单片机AT89C52、MAX038构成，如图3.1.1 所示。由AT89C52 的P2.
26、0 和P2.1控制选定波形，AT89C52 通过产生控制电压并以近似线性的规律来调制频率和占空比。3.2 单片机介绍及外围电路AT89C52 是 51 系列单片机的一个型号，它是 ATMEL 公司生产的。AT89C52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 位中央处理器和 Flash 存储单元。15AT89C52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出
27、（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。AT89C52 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 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
28、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AT89C52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
29、时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。161234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 52 62 72 82 93 03 13 23 33 43 53 63 73 83 94 0T 2 / P 1 . 0T 2 E X / P 1 . 1P 1 . 3P 1 . 2R x D / P 3 . 0T x D / P 3 . 1I N T 0 / P 3 . 2I N T 1 / P 3 . 3T 0 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5W R / P 3 . 6R D / P 3 . 7X T A L 2X T A L
30、1G N DR S TP 1 . 7P 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4P 2 . 2 / A 1 0P 0 . 0 / A D 0P 0 . 1 / A D 1P 0 . 2 / A D 2E A / V P PA L E / P R O GP S E NP 2 . 0 / A 8P 2 . 1 / A 9P 2 . 3 / A 1 1P 2 . 4 / A 1 2P 2 . 5 / A 1 3P 2 . 6 / A 1 4P 2 . 7 / A 1 5P 0 . 7 / A D 7P 0 . 6 / A D 6P 0 . 5 / A D 5P 0 . 4 / A D 4P 0 . 3
31、 / A D 3V C CA T 8 9 C 5 2图3.2.1 AT89C52芯片外观及引脚图中的芯片是Atmel公司的单片机芯片AT89C52，工作在11.0592MHz频率下，其P2.0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44键盘接口，它和单片机的P1.0P1.7连接，P1.0P1.3对应于键盘的行14，P1.4P1.7对应于键盘列的14。171234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0 2 12 22 32 42 52 62 72 82 93 03 13 23 33 43 53 63 73 83 94 0T
32、2 / P 1 . 0T 2 E X / P 1 . 1P 1 . 3P 1 . 2R x D / P 3 . 0T x D / P 3 . 1T 0 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5R D / P 3 . 7X T A L 2X T A L 1G N DR S TP 1 . 7P 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4P 2 . 2 / A 1 0P 0 . 0 / A D 0P 0 . 1 / A D 1P 0 . 2 / A D 2P 2 . 0 / A 8P 2 . 1 / A 9P 2 . 3 / A 1 1P 2 . 4 / A 1 2P 2 . 5 / A 1 3P
33、2 . 6 / A 1 4P 2 . 7 / A 1 5P 0 . 7 / A D 7P 0 . 6 / A D 6P 0 . 5 / A D 5P 0 . 4 / A D 4P 0 . 3 / A D 3V C CK E YL 1C 1L 2L 3L 4C 2C 3C 4+ 5 VR 2 R 3R 4R 51 0 K 1 0 K1 0 K1 0 KA 0A 1+ 5 V+ 5 VC 1C 12 2 p F2 2 p FY 11 1 . 0 5 9 2 MC 3+ 5 V1 0 u FR S TS 11 0 KR 18 9 C 5 2WINELROGSN图3.2.2 单片机外围硬件电路3.3
34、频率、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2.3V2.3V 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 (定义为输出波形为正时所占时间CD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 接地（即 ）时，其占空比为50%，占空比的调整可采用MAX505DAJV0DAJ的一片DAC，输出2.3V 范围内的电压，占空比可在10%90%范围内改变，约18每伏改变15%，当电压超过2.3V 将使频率偏移或引起不稳
35、定。为产生一定占空比而加在DADJ上的电压为：(3.1)(50%).57DAJCV对双极性输出的D/A 转换器，基准电源为2.3V时，MAX505接受数据与占空比的关系式为：(3.2)128(/.3)129.6DAJ CD其中： 为 DADJ 引脚上的电压， 为占空比。这样可完成激励信号的DAJVC占空比设置。调整 的充放电时间，在 10%90%的范围内调整振荡器输出的FC三角波，最终产生失真的正弦波，锯齿波和脉冲波。这三种波形同时送入混合器，由 A0，A1 选择输出。所以为简单起见，关于占空比调节和频率调整，可采用外部电位器调整控制。调节频率调整电路的电位器，改变 MAX038 输入端 II
36、N 的电流大小，从而改变频率值；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。图 3.3.1 中的芯片为 Maxim 公司的信号发生芯片 MAX038，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正弦波、矩形波和三角波 3 种不同的波形，波形的频率和幅值可以通过外部的可变电阻进行调节。OUT 为 MAX038 的信号波形输出，送至放大电路。MAX038 在正弦波输出时，输出的信号频率为 。2.5INFVoRC19X 0X 1X 2X 3X 4X 5X 6X 71 N HABCV E EXR E
37、 FG N DA 0A 1C O S CD A D JF A D J1 I NV -O U TV +D V +D G N DS Y N CP D 1P D 0M A X 0 3 8G N DG N DG N DG N DO U TA 0A 1123456789102 01 91 81 71 61 51 41 31 21 1- 5 V+ 5 V31 31 41 51 2152461 11 097C D 4 0 5 1R K1 2 K2 0 P1 0 0 P1 0 0 0 P0 . 0 1 0 . 1 1 1 0 1 0 0 1 n FR1 2 KC AC BC CV D D+ 5 V图3.3.1
38、 MAX038外围硬件电路3.4 输出信号的放大处理MAX038 输出波形的幅值为 2 V(P-P)，最大输出电流为20mA，输出阻抗的典型值为 0.1。可直接驱动 100 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 3.4.1 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
39、可以满足峰峰值要求。后接 BUF634P 起缓冲器的作用。205 0 0 I N P U T4 0 0 2 . 2 F2 . 2 F2 . 2 F2 . 2 F0 . 1 F0 . 1 F0 . 1 F0 . 1 F1 K 5 负载+ 1 5 V+ 1 5 V- 1 5 V- 1 5 V- 1 5 VA D 8 1 1B U F6 3 4 P3 3 0 n F2 K 8 p F图 3.4.1 输出信号的放大驱动电路3.5 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
40、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3.5.1所示。7 8 0 57 9 0 5Q L 1C 3C 51 0 51 0 5C 4C 61 0 51 0 5E 1E 2E 0E 31 0 0 F 2 5 V1 0 0 F 2 5 V2 2 0 0 F 3 5 V2 2 0 0 F 3 5 V+ 5 V- 5 V7 8 1 27 9 1 2+ 1 2 V- 1 2 V图3.5.1 电
41、源电路图213.6 键盘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0（第1行第1列） ，得到正弦波； 输入按键1（第1行第2列） ，得到矩形波； 输入按键2（第1行第3列） ，得到三角波；在图4.1.1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41对应的是第1行第3列的按键。224系统软件设计流程图4.1 主程序流程图初 始 化键 盘 扫 描键 码 为 1 1键 码 为 2 1键 码 为 3 1输 出 正 弦 波输 出 矩 形 波输 出 三 角 波开 始YYYNNN图 4.1.1
42、主程序流程图235. 系统分析总结与展望采用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，整个波形发生器具有成本低，可
43、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1Hz20MHz，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。由于此次实现的信号发生器电路是模数混合电路，因此在电路设计和线路板布局上都有所研究。具体有： MAX038的模拟电源和数字电源需要分开，在供电时要分别供电，即分别取自不同的电源，以防数字信号通过电源线干扰模拟部分；同样模拟地和数字地的处理也要慎重，PCB板上要用低阻地平面分别
44、将模拟地和数字地连接，然后在某一点上将两地相连。在双层板上，信号线要尽量布在焊接面，元件为地平面，这样可以减少信号间的干扰，这一点对系统性能的稳定尤为重要，因为系统性能受IIN、FADJ、DADJ、COSC等引脚周围的分布电容及信号环境的影响特别敏感，此外，这些引脚引线的长度和面积还应尽量短小由于不同结构的电阻具有不同的寄生电容和寄生电感，因此在选择电阻时，应选用寄生电容和寄生电感小的电阻，推荐使用1%以上精度的金属膜电阻。在高频线路中，电源去耦是一个关键问题。整个线路往往会由于电源引24线而产生电路谐振，当有多大的瞬时变化时，也会产生尖峰干扰信号。消除这两种现象的有效办法就是在片子的电源引脚
45、与地之间加上适当的去耦电容，一般使用1F以上的优质电容。在许多场合，采用两个电容并联的方法（并联一个0.1F电容），则去耦效果更佳。由此可见，及时了解相关理论的新进展、采用新技术，对降低成本、优化设计方案，提高设计性能都很有意义。参考文献1田云，闫瑞涛，史洁.MAX038 多波形函数信号发生器的设计.黑龙江农业经济职业学院2赵涛，刑灿华，姚西霞，陈晓娟.基于 MAX038 多功能信号发生器的设计.机电产品开发与创新.2008.73蒋金弟，朱永辉，毛培法.MAX038 高频精密函数发生器原理及应用.山西电子技术.2001.24周明，腾国文，张文波.MAX038 芯片在波形发生器中的应用.元器件与
46、应用5何香玲 ，郑钢. 数字化波形发生器的设计J . 电子技术应用 ，2007 (3)6李琳.单片高频函数发生器 MAX038 及其应用J .现代电子技术 ，2007 ，30 7王佩珠. 电路与模拟电子技术M . 南京：南京大学出版社 ，19958胡煜. MAX038 在精密频率合成波形发生器中的应用J现代电子技术 ，2007 ，30 (1)9 MAXIN 公司. MAX038 技术资料Z . 2002.10黄庆彩，祖静.采用集成电路 MAX038 的函数信号发生器的设计.工业控制技术.2005.211聂汉平.高频精密函数波形发生器设计J .国外电子元器件 2001(1)：63-66.12谢淑如，等.Protel PCB 99SE 电路板设计M .北京：清华大学出版社，200113MAXIM LTD.MAX038 Datasheet EB/OL25附 录1 单片机程序#ifndef _SIGNALGEN_H / 防止SignalGen.h被重复引用#define _SIGNALGEN_H#inclu
