1、存档日期： 存档编号： 徐 州 师 范 大 学 本科生毕业论文（设计）论 文 题 目： 多波形函数信号发生器的设计姓 名： 学 号： 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 指 导 教 师： 科文学院教务部印制I摘 要波形发生器是电子设计以及教学、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少的成本产生具有优秀稳定度和精确度的常用波形，无疑将在这些领域中得到广泛的应用。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
2、出频率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。该函数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IIAbstractA waveform generator is one of the instruments most in use in electronic design, teaching and scientific research. If a low cost waveform generating circuit provid
3、es excellent stabilization and precision, it will be obviously wide used in the as-pacts above. Based on the introduction of MAX038, I discussed the principle and the whole frame of the digital function signal generator and some particular hardware environment can produce a low cost , multifunction,
4、 precision frequency synthesized waveform generator which will provide a frequency output adjusted continuously. I described the control of the oscillatory frequent, amplitude and the digital display in detail. According to the functions and structure feat hers of MAX038 , additional control softwar
5、e , DAC circuit and digital auto frequency range switch circuit are designed to avoid trouble some manual switches and imprecise output frequency of most other generators. The generator can output three kinds of waves: sine wave, square wave, triangle wave.Key words: MAX038; Function Signal; Single-
6、chip microprocessor III目 录摘 要 .IAbstract.II1.绪 论 .22.1 概述 .22.2 设计指标 .22.3 方案论证与比较 .22.4 MAX038 芯片介绍 .22.5 芯片引脚 .22.6 系统框图及原理 .22.7 频段调节控制 .22.8 频率、幅值、占空比控制 .22.9 输出信号的放大处理 .22.10 本章小结 .23系统硬件的设计 .23.1 系统总体设计 .23.2 单片机介绍及外围电路 .23.3 频率、占空比调节 .23.4 输出信号的放大处理 .23.5 电源电路 .23.6 键盘设计 .23.7 本章小结 .24系统软件设计流
7、程图 .24.1 主程序流程图 .25. 系统分析总结与展望 .2致谢 .2参考文献 .2IV附 录 .21 单片机程序 .22 系统完整电路图 .2徐州师范大学本科生毕业设计 多波形函数信号发生器的设计11.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、
8、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
9、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
10、驱动程序。最后对全文进行了总结与展望。徐州师范大学本科生毕业设计 多波形函数信号发生器的设计22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，就需要能够产生高频的振荡器。在工业
11、、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 范围内可调；输出信号波形无明显失真
12、。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，徐州师范大学本科生毕业设计 多波形函数信号发生器的设计3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
13、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
14、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。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
15、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徐州师范大学本科生毕业设计 多波形函数信号发生器的设计4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
16、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，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 D
17、M A X I MM A X 0 3 8图 2.5.1 MAX038 引脚图表 2.5.1 MAX038 引脚名称及功能徐州师范大学本科生毕业设计 多波形函数信号发生器的设计5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 波形选择输入端，TTLCMOS 兼容5 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
18、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 正弦波、方波或三角波输出端20 V- -5 V 电源主振器主 振 控制器基 准 电压源正弦波形成器方波 形成器比较器相位 检测器多路 选择器1 72 056C O S CG N DF A D JD A D J871 0CIRRR- 2 5 0 V A1V R E F2 . 5 VV +V - 5 V+ 5 V正弦三角波方波A 0 A 1输出级341 9+ 5 V1 5 1 6D V +O U TR L C LS Y N CP D 0P D 11 41 21 32 、 9 、 1 1 、 1 8G N DO S C AO S C BD G N D图 2.5.2 MAX038 内部电路图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。
