函数信号发生器的毕业设计解读

保密类别编号毕业论文函数信号发生器的设计系别电子信息科学系专业电子信息工程年级姓名指导教师武汉大学珞珈学院2012年5月5日摘要函数信号发生器是教学、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低的成本产生具有高稳定度和精确度的常用波形,无疑将在这些领域中得到更加广泛的应用。本设计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设计,并辅以控制软件和有关的外围电路,实现了一个低成本、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,可输出三角波、方波、正弦波三种波形,阐述了其振荡频率控制、信号输出幅度控制、频率和幅度的控制的设计。关键词:MAX038函数信号发生器单片机ThedesignoftheFunctionsignalgeneratorrABSTRACTFunctionsignalgeneratorisoneofthemostwidelyusedinstrumentsinteaching,scientificresearch.Useofrelativelysimpleimplementationandlowercosttoproduceacommonwaveformwithhighstabilityandaccuracy,andthereisnodoubtitwillundoubtedlybemorewidelyappliedintheseareas.ThedesignisbaseontheintroductionofthebasicpropertiesoftheMaximMAX038chip,discussestheprincipleandthewholedesignofusingtheMAX038chiptodesignmulti-waveformfunctionsignalgenerator,andwiththerelevantcontrolsoftwareandtheperipheryofthecircuit,achievealowcost,multi-function,highprecision,outputfrequencyadjustablefrequencysynthesistypewaveformgenerator,canoutputthetrianglewave,squarewave,sinewavethreewaveform,expoundsthedesignoftheoscillationfrequencycontrol,signaloutputamplitude,frequencyandamplitudecontrol.Keywords:MAX038FunctionSignalSingle-chipmicroprocessor目录摘要....................................................IABSTRACT...................................................II第1章绪论.(11.1课题研究的背景和意义(11.2设计任务和要求(2第二章方案的总体设计(32.1方案论证与比较(32.2函数信号发生器的总体方案(3第三章系统的硬件设计(53.1信号产生部分的设计(53.1.1MAX038芯片介绍(53.1.2波形选择、占空比、频率调节(73.2输出信号的放大处理(103.3信号的控制部分设计(103.3.1AT89C52单片机介绍(113.2.2单片机外围电路(123.4电源电路部分(13第四章系统软件设计(154.1主程序流程(15总结(16致谢(17参考文献(18武汉大学珞珈学院本科毕业论文第1章绪论在现代社会中,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、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员的随身设备之一[1]。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[2]。1.1课题研究的背景和意义随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展,促使信号发生器种类增多,性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现,更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在,许多信号发生器带有微处理器,因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能,可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展[2]。在科学研究、工程教育及生产实践中,如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域,常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中,以及一些科学研究中,锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中,为了使电子按照一定规律运动,以利用荧光屏显示图像,常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器,在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产,都使我们研制一种低功耗、宽频带,能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求,对传统仪器的数字化,智能化,集成化也就明显得尤为重要。平时常用信号源产生正弦波,方波,三角波等常见波形作为待测系统的输入,测试系统的性能。单在某些场合,我们需要特殊波形对系统进行测试,这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。利用单片机的强大功能,设计合适的人机交互界面,使用户能够通过手动的设定,设置所需波形[3]。1.2设计任务和要求认真学习和研究各类函数信号发生器的原理;广泛阅读有关文献和资料;设计并制作一台函数信号发生器,基本要求如下:(1能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形;(2输出信号频率在100Hz~1MHz范围内可调,输出信号频率稳定度优于10-3;(3在1kΩ负载条件下,输出正弦波的电压峰-峰值在0~5V范围内可调;(4输出信号波形无明显失真;(5输出信号频率值可通过键盘进行设置,可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值;(选作部分第二章方案的总体设计2.1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: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。方案三: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: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。方案三: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,方案一有较大的缺点,难以达到理想的设计要求。而方案三虽然能达到很好的要求,但是从性价比方面考虑我们还是选择方案二较好。2.2函数信号发生器的总体方案函数信号发生器主要采用单片机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。总体方案原理框图如图2.1所示。图2.1函数信号发生器设计的总体方案原理框图函数信号发生器主要分为四部分:信号的产生部分(主要是围绕MAX038芯片介绍的波形选择,占空比调节,频率调节,放大电路,信号的控制部分,电源部分。第三章系统的硬件设计3.1信号产生部分的设计本设计是基于MAX038的函数信号发生器,其中,信号产生部分的核心是MAX038。3.1.1MAX038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、同步脉冲输出以及波形输出驱动电路等。其主要优点有:[10]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:200PPM/℃。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。MAX038引脚及各引脚名称和功能分别如下图3.1,表3.2所示。OUTV-GNDV+DV+DGNDSYNCPDIPDOGNDA1A0图3.1MAX038引脚图表3.2MAX038引脚名称及功能图3.3MAX038内部电路图MAX038内部电路如上图3.3所示,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0~550uA。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250uA。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[10]。3.1.2波形选择、占空比、频率调节1.波形选择如图