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
2、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。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 目 录 2 摘 要 1 Abstract 1 1. 绪 论 5 2.1 概述 5 2.2 设 计 指 标 6 2.3 方案论证与比较 6 2.4 MAX038 芯片介绍 7 2.5 芯片引脚 8 2.6 系统框图及原 理 .10 2.7 频段调节控制 .11 2.8 频率、幅值、占空比控制 .12 2.9 输 出
3、 信 号 的 放 大 处 理 .14 3 系统硬件的设计 .15 3 3.1 系 统 总 体 设 计 .15 3.2 单 片 机 介 绍 及 外 围 电 路 15 3.3 频 率 、 占 空 比 调 节 18 3.4 输 出 信 号 的 放 大 处 理 .20 3.5 电源电路 .21 3.6 键盘设计 .22 4 系统软件设计流程图 23 4.1 主程序流程图 23 5. 系统分析总结与展望 24 参考文献 25 附 录 .27 1 单片机程序 .26 2 系统完整电路图 .29 4 1.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
4、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
5、 ，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。 5 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 MAX03
6、8 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 驱 动 程 序 。 最 后 对 全文 进 行 了 总 结 与展望 。6 2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
7、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。 2.2 设计指标 信号发生器能产生
8、正弦波、方波和三角波三种周期性波形 ， 输出信号频率在 0.1Hz 20MHz 范围内可调 ， 输出信号频率可分段调节：在 0.1Hz 1Hz 范围内步步进间隔为 0.11Hz， 在 1Hz 10Hz 范围内步进间隔为 1Hz， 在 10Hz1KHz 范围内步进间隔为 10Hz；在 1KHz 20MHz 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 0 20V 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
9、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7 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
10、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 ， 频率输出线形度好、频率分辨度高、波形正确 ，
11、 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
12、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 8 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；
13、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 DM A X IMM 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
14、准电压输出端 2 GND 地 9 3 A0 波形选择输入端， TTL CMOS 兼容 4 A1 波形选择输入端， TTL CMOS 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 相位检波器基准时钟输入端。如果不用相位检波器则接地 14 SYNC TTL CMOS 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
15、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 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 0550 A 。当两路输入信号的相位差为 90 时，输出电流的占空比为 50%，平均值为 250A 。如果构成锁相环路，则 PDO 和 FADJ 相连，并且对地连接一个电阻 PDR ，同时并联一个电容 PDC 。 PDR 决定鉴相器的灵敏度， PDC 用于滤除电流中的高频成分。 2.6 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。
