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1、PLL信号发生器的设计PLL信号发生器的设计【摘要】本设计以MAX038及锁相环技术为核心, 设计了一个高精度多功能信号发生器。该信号发生器,能产生1Hz11.0592MHz的正弦波、方波和三角波信号。频率的调节方式有两种，连续调节和按步进调节。由MAX038结合电位器等外围电路即可实现对频率的连续调节。步进调节部分又分为粗调和细调。由AT89C52单片机通过 D/A转换器对MAX038的控制实现频率的粗调，再结合锁相环模块电路（MC145151）即可实现频率步进的精确调节。输出频率在不同的波段，频率步进值不同。在信号输出端接一级运算放大电路来实现对信号输出幅度的调节。该信号发生器频带宽，精度

2、高,实现了输出信号在频率和幅值上的精确调整, 可应用于各种电子测量和控制场合。目录引言 1第1章 总体方案设计 21.1方案设计与论证 2第2章 硬件设计 32.1、信号发生模块 32.1.1、MAX038特性 32.1.2、电路实现 42.2单片机模块 52.2.1芯片介绍 52.2.2电路实现 62.3运放模块 62.3.1反相运算放大器 72.3.2同相运算放大器 72.4、D/A转换模块 82.4.1芯片介绍 82.4.2、电路实现 112.5、锁相环模块 112.5.1芯片介绍 112.5.2、电路实现 122.6、滤波模块 13第3章 软件设计 153.1、程序 153.1.1、流

3、程图 153.1.2、源程序 153.2、电路仿真 16第4章、硬件调试 174.1制版 174.2、硬件调试 18结束语 20致谢 21附录 23附录II 24附录III 24引言在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。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。函数信号发生器的实现方法通常有以下几种1：（1）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。（2）可以由晶体管、运放IC等通

4、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L8038、BA205、XR2207/2209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，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。（3）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（2）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。结合锁相环技术，可以大大提高频率的稳定度，

5、（4）利用专用直接数字合成芯片的函数发生器： 它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点，成为现代频率合成技术中的妓妓者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号。可编程和全数字化、控制灵活、方便。 但比较昂贵。综合分析以上四种实现方法的性价比，我们决定采用单片集成芯片MAX038来设计函数发生器。频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高，因此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。本设计基于实际使用中对信号发生器的具体要求，设计了一种以单片机和MAX038为核心的信号发生器。在单片机

6、控制的方式下进行频率、波形等参数设置和调整。频率调节方式有两种模式，连续调节和按步进调节。能输出正弦波、三角波、方波信号，输出频率范围宽（1HZ-11.0592M），通过更换对地电容来更换输出频段。第1章 总体方案设计1.1方案设计与论证方案一：采用MCl45151、MAX038、DAC0832组成的电路如图1-1-1所示。 图1-1-1MAX038是一个能产生1Hz20MH2的低失真正弦波、三角波、锯齿波或矩形(脉冲)波的高频波形产生器，它只要少量的外部元件。所需的输出波形可由在A0和A1输出端设置适当的代码来选择。MAX038输出频率取决于注入IIN脚电流的大小、COSC脚的电容量(对地)

7、和FADJ脚的电压。输出的频率F0(MHz)与IIN(A)成正比、与CF(pF) 成反比 。Max038芯片内部提供了一个2.5V的基准电压源 ，将此引脚与电位器相连，并输入到Max038 的IIN脚，改变电阻值既可以实现频率的连续调节。应用单片机AT89C52产数字信号，接到DA0832的数字输入端。DAC0832与运放741组合，产生离散可调电压值，将该电压接到一固定的5.1K电阻上，将步进电压转化为步进电流。将此电流接到MAX038的IIN脚。将MAX038的同位输出端SYNC与频率合成器145151的压控振荡器的输入端Fin连接，结合相关电路构成锁相环路，将频率锁定。在输出端的一个宽频

8、带低通滤波器可以以合理的保正让正弦波、方波及三角波通过，而限制由N电路产生的高频噪声。优点：可控制的频率范围广(从01Hz到20MH2)，能产生准确的高频三角波、矩形波和脉冲波。占空比控制容易，频率稳定度优于10-6。低失真的正弦波(075)。 缺点：技术要求较高方案二：采用CPLD分频的74HC4046的电路采用CPLD分频的74HC4046的电路如图1-1-2所示。图1-1-2采用CPLD分频的74HC4046的电路利用晶振与CPLD芯片组成晶体振荡器，提供基准频率；CPLD编辑组成N分频电路，利用单片机改变控制其分频比。利用CPLD编程特性，让其成为一个可编程的12位计数器和D触发器的组

9、合成为可置数的N分频电路，让其为74HC4046集成锁相环输入正确的占空比为50的波形。 优点：能达到设计要求的中心频率82MH2的扫频电路，能产生准确的高频波形。CPLD和单片机的使用让扫频电路的步进控制、频率的精确产生得以实现。 缺点：74HC4046芯片在与CPLD组成的反馈控制回路中，如果分频比过高(经计算和实际验证不能大于100)，否则将很难入锁，而我们需要至少576分频；而且随着分频比的升高，稳定时间也随之变长，根本不能达到85Hz的扫频频率。方案三：采用LPC2138开发板产生，LPC2138利用AD输出口程控可产生正弦波、方波、三角波,通过程序可实现频率变换。优点：可以直接通过

10、程序控制频率，不许要复杂的外围电路。缺点：不能满足本函数信号发生器对频率范围的要求,而且在实现步进调制时,波形很容易失真。根据上述三种方案的特点及设计要求,决定采取方案三来进行设计。MAX038的整体性能比较好且外围电路更加简洁,性能稳定可靠、频率能达到设计任务、可调性好。第2章 硬件设计2.1、信号发生模块2.1.1、MAX038特性MAX038性能特点和工作原理78(1)输出频率范围:0.120MHz,最高可达40MHz;(2)可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波及脉冲波;(3)输出频率和占空比(15%85%)独立可调;(4)低输出阻抗的输出缓冲器;(5)备有TTL兼容的独立同步信号SNYC

11、(方波输出,占空比固定为50%),方便组建频率合成器系统;(6)低温度漂移。MAX038CPP采用20引脚DIP封装,MAX038CWP采用20引脚贴片SO封装。引脚定义见图1-1-3各引脚功能简述如REF:芯片内部2.5V参考电压输出;GND:模拟地;A0,A1:输出波形选择,TTL/CMOS兼容;COSC:内部振荡器外接电容;DADJ,FADJ:输出频率、占空比调节;IIN:振荡频率控制器电流输入;PDI,PDO:内部鉴相器输入输出;SYNC:同步信号输出,允许内部振荡器与外信号同步;DGND,DV+:内部数字电路电源;V+,V-:MAX038供电电源端(+5V,-5V);OUT:波形输出

12、。 图2-1-1 MAX038引脚定义芯片内部的振荡器、比较器和波形变换电路产生正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波,通过选择控制端A0, A1的电平选择一种波形(A0,A1的控制电平与输出波形的关系见表2-1) 经内部缓冲器缓冲后输出。波形的振荡频率、占空比等可以由芯片外部参数控制。同时,芯片内部还提供了一个2.5V的基准电压源和一个鉴相器。基准电压源使得外部只需一个可变电阻即可改变内部振荡器的参数;输出的占空比可以由DADJ端口调整,如果DADJ端接地,则输出占空比为50%。表2-1-1 A0,A1的电平与输出波形的关系A0A1输出波形任意高电平正弦波低电平低电平方波高电平低电平三角波MA

13、X038输出频率取决于注入IIN脚电流的大小、COSC脚的电容量(对地)和FADJ脚的电压。当VFADJ=0V时,输出的基波频率:F0(MHz)=IIN(A)CF(pF) 式2-1-1周期(t0)则为:t0(s)=CF(pF)IIN(A)。 式2-1-2式中,IIN为注入IIN脚的电流(2A750A), CF为COSC脚和地所接的电容值(20pF100F)。IIN和CF的变化对输出频率影响较大,用于粗调;而VFADJ用于精调,当他在允许的-2.42.4V范围之间变化时最多只能使输出频率变化70%。2.1.2、电路实现图2-1-2（1）、波形切换由表2-1-1可以知，改变A0、A1两引脚的值即可

14、轻易改变输出波形的种类。本设计中此二引脚值有由单片机中P1.3及P1.4两引脚控制。程序实现如下：unsigned char code qiehuan=0x00,0x08,0x10; 结合按钮，不断循环调用数表，即可轻易改变输出波形。（2）连续可调Max038芯片内部还提供了一个2.5V的基准电压源(1脚)，基准电压源使得外部只需一个可变电阻即可改变内部振荡器的参数。将其与MAX038的IIN相连，既可实现频率的连续可调。(接在REF脚和IIN脚之间的电阻,可提供一种产生IIN 的简便方法,IIN=REF/RIN)。F0(MHz)=VINRINCF(pF) 式（2-1-3）R为REF与IIN间

15、的电阻，R的变化范围大时，频率变化范围也大。（3）步进可调当COSC的对地电容固定时，当IIN按固定步进变化时，F0也将以固定步进变化。因为频率范围很宽，因此不可能一直使用唯一的步进值。本设计中采用更换COSC的对地电容的方法9，更换频率步进，具体如表2-1-2所示表2-1-2频率波段（K）步进（K）电容值（pF）电容选择0178.21.354300332+10201425.610.8530500+330211216360331+30011404.886.46633+33（4）占空比Max038芯片输出的占空比可以由DADJ调整,如果DADJ端接地,则输出占空比为50%。本设计中使DADJ接地

16、，即占空比为50%，因此使得输出的矩形波为标准的方波。（5）稳定性问题欲使MAX038长时间地在正常温度范围内产生频率稳定的输出电压,必须采取以下措施:(1)决定频率的外接电阻、电容的温度特性要好;(2)外部电源应稳定; (3)应选用高精度的金属膜电阻,精度为1%或更高;(4)必须选用温度系数低的NPO陶瓷电容器。2.2单片机模块（实验室常见的单片机芯片有AT89C51,AT89C52两种，相比较而言AT89C52的响应速速更快，因此本设计中选用AT89C52。）图2-2-1，AT89C52引脚图2.2.1芯片介绍（1）、P0 、P1、P2、P3口均为双向I/O口。作为输出口，P0需要外部上拉

17、电阻。其他端口则不需要。 部分引脚含有第二功能12，如表2-2-1所示。表2-2-1引脚号 第二功能P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用） P1.6MISO（在系统编程用） P1.7SCK（在系统编程用）P3.0 RXD（串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2 INT0(外部中断0)P3.3 INT1(外部中断1)P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR(外部数据存储器写选通) P3.7RD(外部数据存储器读选通) RST: 复位

18、输入。晶振在工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将

19、无效。这一位置 “1”， ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 X

20、TAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。2.2.2电路实现单片机的复位是靠外电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，通常是RST引脚保持10ms以上的高电平。本系统具有上电复位功能。电路连接如图3-6所示。此电路仅用一个电容及一个电阻。系统上电时，在RC电路充电过程中，由于电容两端电压不能跳变，故使RESET端电平呈高电位，系统复位。经过一段时间，电容充电，使RESET端呈低电位，复位结束3。图2-2-2 单片机的主要

21、功能是提供DAC0832及MC145151的数字信号。主要功能由按键实现，如图2-2-2所示。程序实现如：if(key1=0) ；通过类似的语句，不断进行键盘扫描，执行相应的子程序。 当按键一按下时，P2端口输出的数字信号加1，当按键2按下时，P2端口输出的数字信号加1，借助发光二极管也发生相应的变化。当按键3按下时，切换输出的波形，当按键4按下时，切换输出的波段，当按键5、。按下时，P2端口输出的数字信号被复位。该模块的实现主要是靠程序。仿真时应注意，端口输出是否需要加上拉电阻才可以使用，根据AT89C52的芯片介绍中可只，I/O端口中出了P0端口，其余I/O端口均有内部上拉电阻，但未免过于

22、理想化，在接按钮时候，还是应该接上10K的上拉电阻，以防万一。2.3运放模块 图2-3-1C741、LF357及OP27的引脚排列如图2-3-1所示，不同的是，他们的电源电压不同，741及357均为12V,OP27为5v,741及适合与DAC0832搭配使用，OP27的精度较高，LF357的频带范围宽。因此它们各自适用于不同的场合。2.3.1反相运算放大器 图2-3-2图2-3-2是反相放大器的原理图，下面分析输入电压与输出电压的关系。根据输入端口电流为零的特性得： i1=if （2-3-1）又根据输入端口电压为零的特性得=,= （2-3-2）由式(2-3-1)和式(2-3-2得输入、输出电压

23、关系为 u0=-Rf/Ri*ui （2-3-3） 由式（2-3-3）可见，输出电压与输入电压成正比，极性相反，因此称为反相放大器。反相放大器的增益只与外接电阻有关，因此可以实现高精度和高稳定性的增益值10。 2.3.2同相运算放大器图2-3-3如果输入电压加在运放的同相输入端，而在反相输入端引入负反馈，就构成了同相放大器。如图图2-3-3所示。根据理想的运放输入电压为零的特性并应用KVL得， （2-3-4） 再根据理想运放输入电流为零的特性得 if=i1 （2-3-5）由式（2-3-4）及式（2-3-5）得同相放大器输出电压与输入电压的关系 (2-3-6） 同相放大器是增益大于1的电压控制电压

24、源，输出电压与输入电压极性相同。 如果RF=0，及R1=，则（2-3-6）电路变成：U0=Ui （2-3-7）即二者相等，故称为电压跟随器10。MAX038的输出信号为恒定的2Vp-p,且输出电流不大,故输出至少要加一级放大电路,以提供足够的输出电压和电流。输出放大电路是本信号发生器研制中难点之一。因为系统输出信号的最大基频为11.0592MHz,波形输出电路高次谐波成分很高,所以要得到不失真的输出波形,要求放大器不但具有很高的频宽,还要有足够的输出电压转换速率。所以采用一片LF357来进行电压放大（同相）6,电路如2-3-4所示。图2-3-42.4、D/A转换模块2.4.1芯片介绍(1)、D

25、AC0832内部结构及引脚功能11DAC0832的内部结构图集引脚图如图2-4-1所示，DAC0832由三大部分组成：一个8位输入寄存器，一个8位DAC寄存器和一个8位DA转换器组成。图2-4-1 DAC0832内部结构及引脚功能图、8位输入寄存器。它由8个D锁存器组成，用来作为输人数据的缓冲寄存器，它的8个数据输入可以直接和单片机的数据总路线相连。LE1为其控制输入：LE1=1时，D触发器接收信号；LE1=0时，为锁存状态。、8位DAC寄存器。它也由8个D锁存器组成。8位输入数据只有经过DAC寄存器才能送到DA转换器去转换。它的控制端为LE2，当LE21时输出跟随输入，而当LE2=0时为锁存

26、状态。DAC寄存器输出直接送到8位DA转换器进行数模转换。、8位DA转换器。8位DA转换器是采用T型网络的DA转换器。它的输出是与数字量成正比例的电流，VREF为参考电压输入，Rfb为运算放大器的反馈电阻，引脚Rfb则是这个反馈电阻的一端，使用时接到运算放大器的输出端。控制逻辑部分。控制逻辑部分共有五个倍号来控制DA转换器的工作：D10D17：数字信号输入端，D17MSB D10LSBILE:输入寄存器允许，高电平有效: 片选信号，低电平有校，与ILE信号合起来共同控制是否起作用。：写信号1，低电平有校，用来将数据总数的数据输入锁存于8位输入寄存器中， 有校时，必须使和ILE同时有效。：写信号

27、2，低电平有校，用来将锁存于8位输入寄存器中的数字传送到8位D/A寄存器锁存起来，此时应有校。 :传送控制信号，低电平有效，用来控制是否起作用。Iout1：D/A输出电流1，当输入数字量全为1时，电流最大。Iout2：D/A输出电流2。Rfb：反馈电阻。DAC0832为电流输出芯片，可外接运算放大器，将电流输出转换成电压输出，电阻Rfb是集成在内的运算放大器的反馈电阻，并将其一端引出片外，为在片外连接的运算放大器提供方便。Vref:基准电压，通过它将外加精度度的电压源接至T型电压网络，电压范围（-10V+10V）,也可以直接向其他D/A转换器的电压输出端。Vcc:电源，电压范围（+5V+15V

28、）。AGND:模拟地。DGND:数字地。(2)DAC0832的单极性和双极性输出DAC0832是电流输出型数模转换器，需要电压输出时，可以简单地使用一个运算放大器连接成单极性，相应输出电路如图2-4-2(a)所示，若VBEF-5V，则电路的输出U0为05V。当采用两个运算放大器可以连接成双极性输出，相应电路如图2-4-2(b)所示，若VBEF5V，电路的输出U0为-5+5V。图2-4-2(a)单极性输出；(b)双极性输出 (3)、DAC0832的工作方式 DAC0832转换器可以有三种工作方式，即直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 直通方式：这时两个8位数据寄存器都处于数据接收状态，即了LE1

29、和LE2都为1。因此，ILE1，而、都为0，输入数据直接送到内部DA转换器去转换。这种方式可用于一些不带单片机或微机的控制系统中。 单缓冲方式：这时两个8位数据寄存器中有一个处于直通方式(数据接收状态)，而另一个则受单片机送来的控制信号控制。 双缓冲方式：这时两个8位数据寄存器都不处于直通方式，单片机或其他微机必须送两次写信号才能完成一次DA转换。 DAC0832时序图如图2-4-3所示。 图2-4-3 DAC0832时序图2.4.2、电路实现图2-4-4 本设计中，采用单极性直通模式，因此ILE1，而、都为0。运放选用741。D1、D2是起输入保护作用的。输入保护是指当输入端所加的电压过高时

30、会损坏输入级的晶体管。在输入端处接入两个反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下。该模块是实现频率步进可调的关键之一，实现频率的粗调。当AT89C52的P2端口输出的数字子信号加到DAC0832上时，741输出端口输出一固定电流，当数字信号变换时，输出电流也跟着变化，数字信号变化与数字信号变化成线性关系时，既可达到步进调频的目的。2.5、锁相环模块2.5.1芯片介绍（1）、MC145151引脚介绍8 MCl4515是具有双模分频比、预置定频值的锁相环频率合成器集成电路。适用于高频通信设备作频率合成器用。它们的引脚功能见表2-5-1所列。表2-5-1 引脚 符号 功能 引脚 符号 功能 1 Fin 压控振荡器高频信号输入端 16 N5 见1115中的说明 2 Vss 接地线 17 N6 3 Vpo 电源电压输入端口（39） 18 N7 4 VpI 锁相检测状态信号输出端 19 N8 5 RA0 此三脚为一组3位二进制代码，用以决定基准频率的分频数 20 N9 6 RA1 21 T/R 发送接收偏离附加数值，当此脚为低电平时，将有一个附加数值856被加至N二进制数中