MAX038信号发生器

信号发生器该波形发生器以MAX038函数发生器为核心，采用数字、模拟结合的方法，产生正弦波、三角波和方波信号，频率范围可达10Hz~1MHz，并能进行七个频率段的选择，后级采用集成运放来提高输出波形质量并增强带负载能力，最终得到所要求的输出波形，较好的满足大多数实验与检测的需求。一、方案设计与论证1、波形发生及频率合成部分方案一：采用555集成芯片函数发生器，555可以产生可变的正弦波、方波、三角波及实现频率控制。方案二：采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器ICL8038，产生频率（0.001~300KHZ）可变的正弦波、三角波、方波及数控频率调整。但是，由于ICL8038自身的限制，输出频率稳定度只有10-3（RC振荡器）。而且，由于压控的非线性，频率步进的步长控制比较困难。方案三：采用MAX038函数发生器，MAX038是一个精密高频波形产生器。能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波信号。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（P－P）。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％。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％。方案四：采用DDS波形发生技术，采用FPGA和单片机相结合的方式实现对频率的控制。将比例乘法器（CC14527）以及相应的大量控制逻辑集成在FPGA中，既减少了大量硬件连线，又降低了干扰，系统实现方便，性能稳定。但是，DDS成本高，资金需要量大，并且DDS器件很难买到。经比较，在本设计中采用方案三。2、模拟部分方案一：由于MAX038输出幅度为2V，根据设计要求，在1KΩ负载条件下，输出正弦波信号的电压峰—峰值Vopp在0~5V范围内可调，为了增加系统的带负载能力，考虑加入高精度、高速度的运放OPA604，为保持信号稳定减小波形的失真度加入一级缓冲BUF634，以提高输出电压，使输出频率可调并稳定。但是，地域设备有限，此方案无法实现。方案二：为了克服方案一的不足，采用现有的集成运放LM7171，来实现波形输出辐度的调节,因此本设计选用方案二。二、理论分析及计算1、整体设计思路本函数信号发生器是主要由MAX038芯片产生我们希望的正弦波、方波、三角波。它是本制作的核心，综合分析以上四种实现方法的性价比，采用单片集成芯片MAX038来设计函数发生器。以51单片机为核心的控制模块,来选择输出波形频率换档、粗调和单片机对频率测量和频率LED显示.该信号发生器的主要技术指标如下：频率范围：2~20MHz(3MHz以上波形有较大失真)；输出波形：正弦波、三角波和矩形波；占空比调节范围：各输出波形均可在25%～75%范围内调节；输出信号幅度：2Ｖ（p-p）；输出直流电平调节：-6V～+6V；输出阻抗：50Ω。由于以上参数符合信号发生器设计的基本要求，我们采用MAX038来实现正弦波、方波、三角波的输出以及波形频率的可调性。这就是本系统的设计思路。总设计框图如下：图1系统框图振荡频率由Cosc引脚的电容量和IIN引脚的电流决定。在FADJ引脚接地时，Iin引脚的电流变化范围为2.5～750µA；而FADJ引脚通过一个12kΩ电阻接地时，其电流的变化范围为1.25～400µA。当Iin引脚的电流在10～400µA范围变化时，电路可以获得最佳的工作性能。其实当FADJ引脚的电压在±2.4V范围变化时，振荡频率还可以有±70%的变化，据此可以对振荡频率进行精确的调整。MAX038是提供产生信号的核心电路，其它均为提供和控制输出信号电路。2、信号发生器的输入控制电路设计MAX038波形输出幅度调节稳压电源单片机控制频率测量频率LED显示键盘频率调节占空比调节MAX038内部有一个2.5V的基准电压源，由REF引脚输出,但是由于纹波系数较大而电压源对整机的性能很重要,各控制电路均需要该参考输入,所以使用外部TL431做基准源.单片机I/O口控制继电器来选择电容实现频率换档,对A0和A1控制来选择三种波形,且由通过TLC5615数模转换产生改变电压,再由电压转电流电路（采用LM324运放）,改变后电流输入MAX038IIN端口,来实现频率调节.当MAX038的引脚DADJ外接电压在±2.4V范围变化时，输出波形的占空比在15%～85%范围变化，提供MAX038占空比调节所需的控制电压。通过对MAX038Cosc引脚的接地电容切换来完成波段选择，采用单片机控制继电器来选择实现。输出波形的频率由引脚10IIN的电流、引脚5Cosc的电容量以及引脚8FADJ的电压决定。当引脚8FADJ接地时，输出波形的频率由以下公式给定：CoscIinf/0IIN与外接电压关系为：IIN＝Vin/Rin。Vin为外接电压，RIN为IIN引脚的输入电阻。波段分为八个段:由电容和IIN的电流大小组合决定.IIN电流公式:IIN＝Vin/Rin。INN电流选为两档:100uA和400uA对应的Vin=0.12v和0.48V输入电阻Rin=1.188k。表1MAX038波段分配、电容量选择档位电容IIN频率幅度1104100uA0.3kHz~1.7kHz2104400uA1.2kHz~6.8kHz3103100uA3.0kHz~17kHz4103400uA12kHz~68kHz5102100uA30kHz~170kHz6102400uA120kHz~680kHz7101100uA300kHz~1.7MHZ8101400uA1.2MHz~6.8MHz3、信号发生器的输出驱动电路设计由于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的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。输出放大电路是本信号发生器研制中主要的难点之一。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，所以要得到不失真的输出波形，首先要求放大器具有很高的频宽。其次，高频大信号放大要求放大器有足够的输出电压转换速率，在正弦波的情况下，放大器所需要的最大摆率Sr=2ωA=2лfA，其中ω为信号的角频率、A为信号的幅值、f为频率。另外，要带动低阻负载，放大器的电流输出能力也是个重要参数，要在50Ω负载上输出5V信号，则放大器至少要有100mA的连续电流输出能力。鉴于以上几点，我们选择AD公司的高速运放LM7171作为输出放大器，它是低功耗四运放集成放大器。4、整机制作注意信号发生器由于它的频率高，且模拟和数字电路混合，因此在电路设计和线路板布局上都有所讲究。以下几点为在制作整机过程中的一些注意点：4.1因为学校做板工艺条件,单面板制作,把单片机控制模块和MAX038信号产生模块进行分离,且通过磁珠数模隔离，这样可减少信号间的干扰，这一点对系统性能的稳定尤为重要。因为系统性能受Iin、Fadj、Cosc、Dadj等引脚周围的分布电容及信号环境变化的影响特别敏感。此外，这些引脚引线的长度和面积还应尽量短小。4.2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线而产生电路谐振，当有大的瞬时变化时，也会产生尖峰干扰信号。消除这二种现象的有效办法就是在片子的电源管脚与地之间加上适当的去耦电容，一般使用１µＦ以上的优质电容。在许多场合，采用二个电容并联的方法（并联一个0.1µＦ电容），则去耦效果更佳。4.3在制作稳压电源时,采用稳压管7805和7905,7805输出+5V稳定效果很好,而7905的输出电压达到-7～－８V,后连接一个820Ω电阻,再给负载供电,能达到-5V稳定效果。三、测试仪器及测量方法1．使用的仪器万用表泰克数字示波器20MHZ双踪示波器SP1641B型函数信号发生器。2．测试方法根据题目的要求，进行分模块调试。主要使用示波器对系统进行测量，示波器可以方便的显示波形的幅值、频率，以及各种数字运算，对于测试很有帮助。四、测试数据及结果分析1．周期性波形测试周期性波形包括频率可调的正弦波、方波、三角波。用示波器来测试波形的频率，如表2所示。表2波形频率测试数据表2MAX038波段分配、电容量选择档位电容IIN频率幅度1104100uA352Hz~1.86kHz2104400uA1.75kHz~6.975kHz3103100uA3.26kHz~17.62kHz4103400uA16.77kHz~69.21kHz5102100uA41kHz~214.8kHz6102400uA188.3kHz~733kHz7101100uA259kHz~1.3MHZ8101400uA1.2MHz~4.53MHz2.数据分析说明从数据中可看出，由于通用电路板本身结构的限制，影响了整个电路的布局和走线，从而引入了一定的躁声和干扰。五、结论本系统以MAX038芯片为核心部件，实现了正弦波、方波、三角波的输出功能，且波形的频率和幅度达到了基本要求并有一定的发挥部分。MAX038引脚图MAX038内部电路框图MAX038的管脚功能引脚号名称功能1VREF2.5V基准电压输出2GND地3A0波形选择编码输入端（兼容TTL/CMOS电平）4A1同AO脚5COSC主振器外接电容接入端6GND地7DADJ占空比调节输入端8FADJ频率调节输入端9GND地10Iin电流输入端，用于频率调节和控制11GND地12PD0相位检测器输出端，若相位检测器不用，该端接地13PD1相位检测器基准时钟输入，若相位检测器不用，该端接地14SYNCTTL/CMOS电平输出，用于同步外部电路，不用时开路15DGND数字地。在SYNC不用时开路16DV＋数字＋5V电源。若SYNC不用，该端开路17V＋＋5V电源输入端18GND地19OUT正弦、方波或三角波输出端20V－－5V电源输入端