1、本科毕业论文（20 届）基于 MAX038 的信号源的设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）第 i 页基于 MAX038 的信号源的设计目 录前言 .2第 1 章 系统方 案 .3第 1.1 节 设计思 路 .3第 1.2 节 方案 论证 .4第 1.3 节 最终方案 的确定 .5第 2 章 理 论分 析计算 .6第 2.1 节 频段选择参 数计算 .6第 2.2 节 频率细 调参数计算 .7第 2.3 节 占空比参 数计算 .7第 2.4 节 输出信号的放大处理 .8第 3 章 硬件电路设计 .10第 3.1 节
2、 STC89C52 介绍及其外围电路工作原理 .10第 3.2 节 MAX038 介绍及其外围 电路工 作原理 .12第 3.3 节 频率细 调电 路 .14第 3.4 节 占空比微 调电路 .14第 3.5 节 输出幅度控制 .15第 3.6 节 MAX038 信号频率自检电路 .16第 3.7 节 显示模块设计 .17第 3.8 节 电源部分 设计 .18第 4 章 软件程序的结构和设计 .19第 4.1 节 软件设计和分析 .19第 4.2 节 软件主要模块流程图 .20第 5 章 系统测试 .22第 5.1 节 测试方案 .22第 5.2 节 测试结果 .22结论 .25参考文献 .2
3、6致谢 .27附录 .28附录 1：实物照片说明 .28附录 2：部分源 程序 .29苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页基于 MAX038 的信号源的设计【摘要】：本文设计的是一种基于 MAX038 的信号发生器。以 STC89C52 单片机作为控制模块，按键作为波形选择模块，以 LCD1602 作为显示模块，NE5532 作为放大模块。本设计可以调节波形的占空比和频率，通过调节 MAX038 中 FADJ 与 DADJ 管脚的电压，分别来控制波形的频率和占空比。在频率显示部分，输出波形经过比较器产生方波，方波的频率与实际输出波形频率相同。用方波触发单片机中断，单片机算出此时频率，最后通
4、过显示屏显示出来。这个方案的主要频率范围是 1HZ1MHZ，幅度范围是 0V5V。芯片可以输出三角波、方波、正弦波。输出波形频率可调，幅度可调，占空比可调。LCD 显示波形种类和频率。【关键词】：MAX038 ； 信号发生器 ；单片机Abstract: This design is based on a MAX038 signal generator. In STC89C52 microcontroller as the processor, buttons to select the type of output waveform, LCD displays frequency and ty
5、pes of waveforms, NE5532 amplified waveform amplitude, switch to select the band waveform. This design can adjust the duty cycle and frequency of the waveform. Design by adjusting the voltage FADJ with DADJ pin MAX038, respectively, to control the frequency and duty cycle of the waveform. In frequen
6、cy display section, the output waveform through the comparator generates a square wave with the same frequency and the actual frequency of the square wave output waveform. Square wave triggered by the microcontroller interrupt, the microcontroller calculates the frequency at this time, and finally t
7、hrough the screen display.The frequency range of the main program is 1HZ-1MHZ, the amplitude range is 0-5V can be adjusted. Chip can output a triangle wave, square wave, sine wave. Adjustable output waveform frequency, amplitude, adjustable duty cycle. LCD display type and frequency of the waveform.
8、 Key words：MAX038; signal generator; SCM.苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页前言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
9、、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。本文设计了一种基于 MAX038 的信号发生器 ，对系统结构组成、控制原理及系统软件设计进行了具体的阐述，本文通过选择不同的电容来选择频段，又由电位器来微调使得主要频率范围在 1HZ-1MHZ 之间。单片机来控制输出波形，运放控制输出幅度。使得幅度范围在 0V-5V 之间。LCD1602 显示输出波形种类和频率。设计以 MAX038 作为主芯片，就 MAX038 芯片而言他有一下优点：输出频率高，频率范围高，失真度小，可控性强。弥补了其他发生器的不足，而且还有灵活的调节方式，外围结构简单，成本低。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3
10、页第 1 章 系统方案第 1.1 节 设计思路要求设计并制作一个基于 MAX038 的信号源，该实现以下功能: 基本要求：1）输出频率在 1HZ 到 1MHZ 之间。2) 输出幅度在 0V 到 5V 之间。3) 该系统可以发出三角波，正弦波，方波和相关调制波形。4) 波形不严重失真。提高部分：1) 可以调节输出波形的占空比。2) 可以调节输出波形的频率。3) 用显示模块显示输出波形的种类和频率。根据要求，本设计主要是使用 MAX038 为主芯片输出波形，能够改变输出信号的频率、幅度、占空比。可以输出三角波，正弦波，方波。基于设计的要求，系统设计了以下几个基本模块：单片机控制模块、电位器控制模块
11、、键盘模块和液晶显示模块。系统组成如图 1-1 所示。液晶显示CPU 控制电路单片机STC89C52控制键盘波形主芯片MAX038输出波形频段电位器 幅度控制电位器 频率微调图 1-1 信号发生器系统框图第 1.2 节 方案选择方案一：使用 DDS 芯片。利用专用数字合成芯片 DDS 信号发生器，能产生任意波形，可以达到很高的频率，但是价格较高。方案二：使用 FPGA 来实现。FPGA 与 CPLD 片内资源丰富，但是外部电路复杂编程苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页困难。方案三：使用 555 触发器作为主芯片，使用基本 RC 电路与运放，将基本的方波变换为指定的三角波，方波，正弦波。外
12、部电路复杂。控制困难。方案四：使用 MAX038 作为主芯片，STC89C52 作为控制部分。芯片本身可以产生方波、三角波、正弦波。并且可以通过控制芯片的管脚电压来控制输出波形的占空比和频率。结构简单，操作方便方案选择：选择方案四。因为方案四的外部结构简单，价格便宜，程序编写简单。集成度高。第 1.3 节 方案论证1.3.1. 按键模块方案一：使用非编码键盘输入。它的原理是非编码式键盘将按键排列成矩阵的形势，由硬件或软件随时对矩阵扫描，一旦某一键被按下，该键的行列信息即被转换为位置码并送入主机，再由键盘驱动程序查表，从而得到按键的 ASC码，最后送入内存中的键盘缓冲区供主机分析执行。非编码式键
13、盘由于结构简单，按键重定义方便而成为目前最常采用的键盘类型。方案二：。使用编码键盘输入。全编码键盘是由硬件完成键盘识别功能的，它通过识别键是否按下以及所按下键的位置，由全编码电路产生一个唯一对应的编码信息(如ASC 码) 。方案选择：方案一来说非编码式键盘设计相对简单，成本低廉。即便改变了键盘的布局，也只要将新的键位信息刷到查找表中即可，但是编码式键盘要重新整合布线。方案二接口电路简单。硬件电路复杂。我选择方案一。因为此实验所需的按键比较简单，按键与单片机接口相对简单。方案二的外围电路比方案一要复杂。1.3.2. 系统控制模块方案一：选择 STC89C52。STC89C52 内部 RAM 扩展
14、为 512 字节，内部 FLASH 达到8K，拥有 3 个定时器，支持 ISP 与 IAP，有 8 个中断源，4 个优先级。抗干扰能力强，关键是双倍速。支持通用串口烧写。方案二：选择 AT89C52，AT89C52 的内部 RAM 扩展为 256 字节， AT89C52 的内部 FLASH 达到 8K。拥有 3 个定时器，只支持并口烧写器。方案选择：选择方案一。因为 AT89C52 与 STC89C52 相比，价格相差不多，但是STC89C52 的速度较快，抗干扰能力强，产生的干扰少。由于本设计涉及高频电路，对电路抗干扰能力要求较高，并且要对产生的信号进行自检，对单片机速度要求比较高。1.3.
15、3. 放大系统模块苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页方案一选用运放 LM324。LM324 由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器组成。它低功率，带宽为 1.2MHZ，针脚数目为 12，工作温度范围在 0 度到 70 度之间。增益带宽为 1.2MHZ，电源电压最大为 32V，最小为 3V。方案二：NE5532 是高性能低噪声双运算放大器集成电路。双运算放大器的通道数为2，增益带宽为 10MHZ，转换速率为（9V/us） 。静态电流为 8mA。方案选择：方案一适合于低频的幅度放大，属于普通运放。他的增益带宽为1.2MHZ，电压转换速度慢。方案二的增益带宽为 10MHZ，电压转换速度较
16、快。由于我做的实验为频率要求较高，对转换速度要求较高，所以我选择方案二。避免由于运放带宽太小、转换速度慢，导致波形在高频段失真。第 1.4 节 最终方案的确定通过论证，系统选择以 MAX038 作为主芯片。选用了非编码键盘做波形选择器；选用了 STC89C52 作为控制器；系统显示部分选用 LCD1602 液晶显示器。由于主芯片产生的波形的幅度在 0V-2V 之间达不到 5V，并且设计对频率要求比较高，所以我们选择运放NE5532。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页第 2 章 理论分析计算第 2.1 节 频段选择参数计算MAX038 的输出频率和 FC电容与 IIN 端的电流间的关系如图
17、 2-1 所示。确定一个FC值，当 IIN 端的电流从 2A到 750的变化时，对应产生一个频段的频率范围。经实验调整，我们选择了一系列的 如表 2-1 所示，并确定了各 FC所对应的频段和频率范围 12f。由于系统通过电位器控制 IIN 端电流和 FADJ 端电压。0 . 111 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 2-1 输出频率与 IIN 电流及振荡电容 FC 的关系另外,由于相邻频
18、段之间存在着频率重叠现象。且考虑到各频段对应的误差大小不同,因此设定各频段的实际起止频率围:f3 ,f4 ,以期获得最小的误差。他们的关系如表 2-1 所示表 2-1 输出波形频率范围与 CF 的关系表频段号 CF f1(2A) f2(750A) f3 f41 10pf 200kHz 65MHz 600kHz 1MHz2 22nf 2kHz 650kHz 6kHz 600kHz3 0.22F 20Hz 6.5kHz 60Hz 6kHz4 2.2F 0.2Hz 65Hz 1Hz 60Hz在 5 脚 COCS 接上电容 FC以后，10 脚 IIN 是频率控制的电流输入端，利用恒定电流IN向电容 F
19、C充电和放电，便可形成振荡。 IN是受 8 脚 FADJ 和 7 脚 DADJ 端电压的控输出频率苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页制，振荡频率由下式确定。552.0INREFVC(2-1)因为我们要求的频率范围在 1Hz1MHz,分四个频段来满足要求，在每个频段上连续可调，由芯片内部参数可知道，当 INA时， FC的容量范围可以在10FCp时，芯片有较好的性能。因此，有 2-1 式可知5REFINV(2-2)为了方便调整，本设计将电阻 固定下来，使得 510K这时，由 2-2 式可知5REFI（2-3）通过计算得 250INuA，这时根据公式 2-1 可以得到 OF的大小与 FC有关系
20、。与其他无关，使得频段选择更加简单。将不同的电容值带入公式 2-1 我们可以分别计算出基准频率。1）频段一：F1=113.64HZ2）频段二：F2=1136.36HZ3）频段三：F3=11363HZ4）频段四：F4=250KHZ第 2.2 节 频率细调参数计算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。控制频率微调的是 MAX038 的 FADJ 管脚。在管脚电压在当 FADJV2.4时，调制频偏为70%。所以通过计算得0(195)(10.295)/FADJINFADJfVVC（2-4）本设计并没有选用在 FADJ
21、 端直接输入电压变化的方法来改变频率，而是选用在REF-FADJ 端直接接入一个可变电阻 4R，通过改变 FADJ 端的外部电阻大小来改变频率。MAX038 内部 FADJ 端电流以 250uA 恒流至 V-端， 4R的阻值由下式确定。4EFADJVI(2-5)例如，将 2.5REFV， 2.0FADJ带入上式，那么 418K。由于FADJ .4，那么将数值带入公式所得出电位器 R的范围在 09.6之间，所以电位器选用 50K 即可。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页第 2.3 节 占空比参数计算MAX038 的占空比的调整有两种方式：一种是利用内部基准电压源调整，另一种是利用外加电源调
22、整，为使电路简单，采用第一种调整方式。改变 DADJ 端的电压，能控制波形的占空比。当 0DAJV时占空比为 50%（允许有 2%的误差） 。 DAJV由+2.3V 变化到-2.3V 时，占空比变化范围为 10%90%，1V 电压可使得占空比变化为 17.5%，那么占空比的计算公式为0.5174DAJT (2-6)手动调节占空比时，需要在 REF-DADJ 端之间接入可调电阻 3R，REF 给 DADJ 端一个恒定为 250uA 的电流，所以3REFDAJVI(2-7)当我们的 DAJV为-1.5V 时，我们的占空比 T=23.9%， 316RK。我们将 DAJV管脚电压在+2.3V 变化到-
23、2.3V 变化带入式子 2-7 计算的我们需要的电阻为 80可调，所以我们可以选用 50K 大小的电位器。在调节占空比的时候我们应该避免输出频率的变化。当 15%T时，对频率影响最小， f。第 2.4 节 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。那么我们必须选用运算放大器。在选择运算放大器时我们必须考虑以下问题：首先，放大电路要求具有较高的带宽，因为输出信号的要求在 1HZ-1MHZ 之间，在频率比较高时会失真，只有高宽频才能得到不失真的输出波形。其次，高频信号放大必须要有较高的电压转换速率。另外，放大电路的电流输出能力也是个重要参数。放大电路必须要有持续电流输出能力。另外由于设计的放大部分要求幅度在 0V-5V 之间可调，而 MAX038 输出幅度为恒定2V，那么我将设计一个两级运放的放大电路，第一部分采用正向放大电器，第二部分采用反向放大器。第一部分其电压增益公式为 2-8（我们用 Ra，Rb 来定义电位器左右两部分电阻大小） 1bVaRA（2-8）由式子 2-8 我们可以看到正向放大器的放大倍数是大于 1 的，可以满足 2V-5V 之间
