高频信号发生器的设计.docx
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高频信号发生器的设计
高频信号发生器的设计
O引言2
1系统设计2
1.1系统原理2
1.2硬件设计4
1.3软件设计4
1.4PCB制作及系统测试结果8
1.5MAX038的基本性能8
1.6MAX038的典型应用8
1.7MAX038锁相技术10
1.8MAX038高额印刷电路板设计11
2稳定高频信号发生器锁相环式频率合成器11
3结束语13
4总结和体会13
参考文献：
14
高频信号发生器的设计
摘要：
介绍了两种高频信号发生器设计介绍一种性能优良的高频信号发生器，对其产生信号的频率、占空比等技术指标进行了分析讨论，给出了它在电子技术中相应的典型应用实例。
它产生的信号波形清晰．频率、相位和幅度稳定．失真度低．价比高，具有较高的实用价值。
另一种键控式的采用单片机对高频函数发生电路进行程序控制的高频信号发生器的设计方案。
此方案能产生方波、正弦波和三角波等信号；采用数字频率合成器，使输出信号频稳度和晶体振荡器的相当；并用键盘设置波形和频率，由LED显示。
输出信号的频率分成1MHz～16MHz和8kHz～999kHz两挡。
关键词：
高频信号发生器；键控；单片机；芯片
O引言
高频信号发生器是可以用来对收音机、录音机、电视机等家用电器的元器件性能进行测试和调试的一种能产生高频调幅／调频信号的专用仪器。
不仅可测试晶体管放大器的频带，调试收音机选频网络中的中频信号，观察电感、电容器的高频特性，还可统调整个收音机中、短波段频率范围。
目前实验室所使用的低频信号发生器，其最高输出频率一般小于1MHz。
例如：
集成函数波形发生器一般都采用扫频信号发生器ICL8038或集成函数发生器5G8038，它们都只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求，不能满足高速电路调试的需要，而购买一台高频信号发生器价格又相当昂贵。
因此有必要研制一种低价格、高性能的高频信号发生器。
本文所介绍的高频信号发生器能输出8kHz～16MHz的方波、正弦波和三角波等信号，频率与占空比能单独调节；采用了数字频率合成器，使输出信号频稳度和晶体振荡器的相当。
用户通过键盘输入所需的波形与频率数值，同时LED（发光二极管）显示电路将这些参数显示出来。
此设计既能满足一般高速电路调试的需要，又可作为一般实验室的基本配置。
电子技术的发展，使得性能稳定的信号发生电路得到了广泛应用．其中低频、中频信号发生电路结构简单，经济，可靠，应用范围广阔，而高频信号发生电路的频率稳定度、温度稳定性较差。
随着集成芯片Ic制造工艺的发展和电路结构的更新，高性能的集成芯片得到了迅速发展，使得集成芯片在波形发生、信号处理、电视技术、测量技术、通信技术、信息运算、多媒体技术以及一般的电子电路设计等领域得到了非常广泛的应用，并极大地促进了相关领域的迅速发展。
本文分析讨论了高性能的高频信号发生器在电子技术中的应用，给出了相应的典型应用实例（以MAX038为例）。
1系统设计
1.1系统原理
整个系统的结构框图如图1.1所示，其中包括高频函数发生器、数字频率合成器、D／A转换器、单片机、键盘和数字显示电路及接口、低通滤波器共6个模块。
本设计采用高频函数发生器和数字频率合成器产生波形及频率。
控制和管理电路由单片机及D／A转换模块组成。
其主要功能是：
对键盘输入的波形和频率选择等数据进行译码，计算出相应的控制参数，控制函数发生器和频率合成器输出正确的信号，并将其频率和波形参数用LED显示出来。
低通滤波器主要用于滤除函数发生电路输出波形的高频干扰。
图1.1
下面具体介绍这几个模块。
a）键盘显示电路及单片机控制系统：
控制和管理后面的信号发生电路。
b）数字频率合成器J：
选用间接式，即采用锁相环路、频率电压转换电路（鉴频器）等方法，对压控振荡器和标准频率进行比较，从而用误差电压控制输出信号。
其优点是因从振荡电路直接输出，所以能提高信噪比；但本振噪声往往会增大。
本系统采用数字频率合成器，使输出信号频稳度和晶体振荡器的相当。
c）D／A转换器：
实际上有两个环节，即先将数字量转换为模拟电流，这是由D／A转换器实现的；再利用运算放大器来完成模拟电流到模拟电压的转换。
d）高频函数发生器：
结构框图如图1.2所示。
图1.2高频函数发生器结构框图
基准电压源提供2．5V基准电压，主要用来为振荡频率控制器提供一个稳定电流，也可用做其他模块的基准。
其基本振荡器是一个张弛振荡器，同时产生三角波和方波（A和B）。
三角波分为两路：
一直接送至多路模拟开关，另一路送人正弦波形成电路。
正弦波形成电路把三角波转变成一个具有等幅的低失真的正弦波，送往多路模拟开关以供选择。
方波（A和B）是一对内部差动矩形波信号，经差动比较器形成双极性矩形波信号。
三角波、矩形波和正弦波输入到多路模拟开关，用两根地址线作为这3种波形的选择线。
e）低通滤波器：
用来抑制高频噪声干扰。
1.2硬件设计
键盘显示电路运用4个LED显示和l6个按键。
显示电路用4个七段LED数码管显示波形选择和3位频率数值，将最低位小数点用做单独指示灯，指示频率的单位是kHz还是MHz。
键盘按键安排如下：
数字键0～9，设定键（#SET），正弦波、方波、三角波输出选择的功能键，输出频率选择kHz、MHz按键，总共l6个键。
键盘显示接口芯片采用北京市比高公司的BC7281A，是LED数码管及键盘接口专用控制芯片。
它采用2线高速串行接口，只占用单片机3个I／O端口；并且能同时控制多达l6位LED数码管以及64个键，符合设计的要求。
控制系统采用ATMEL公司的单片机芯片。
数字频率合成器采用功能强大的大规模数字频率合成器MC145151来实现频率合成的功能。
MC145151是一个标准的CMOS逻辑数字电路，包括的主要部件有数字鉴相器、锁定检测器、l4位÷Ⅳ计数器等。
此外，芯片还有晶体振荡器和l4位基准分频器（÷尺计数器）电路，由一个3位译码器从8种分频比中选择出恰当的值，产生锁相环的基准频率，即=A／R。
鉴相器输出的差分信号经过由功放MAX427构成的低通滤波器后，对高频函数发生器的压控振荡器进行锁定。
D／A转换器选用AD公司的AD7541，它特别适合于精密模拟数据的获得和控制。
高频函数发生器采用美信公司的MAX038芯片，其工作频率范围为8kHz～16MHz，使用±5V电源。
振荡频率由外接电容的电容量和输人电流大小决定，占空比的调整也可通过相应引脚的电压值改变。
输出波形由两条地址线的输人数据决定，选择输出波形为正弦波、方波或三角波。
数字频率合成器MC145151的RA2、RA1和RA0端开路，相当于输入高电平，÷值被设定为8192。
振荡频率8．192MHz，经分频后可得到1kHz的鉴相频率。
单片机由P0和P2口输出的l4位数据D13～DO被送到MC145151的N13～NO端，以设定Ⅳ值。
函数发生电路的同步信号OUT2送到MC145151的Fin端，Ⅳ分频后与比较检出相位，与相位差有关的信号经它的PDV和PDR输出，并经运算放大器MAX427变换为±2．5V的信号后，送函数发生器的FADJ端。
由于函数发生器与MC145151组成了频率锁相环PLL，输出频率被锁定在N×．厂R，因此函数发生电路的输出频率可在8kHz～16．383MHz范围内调整，调整增幅为1kHz。
单片机同时将D13～D2送到D／A转换器MX7541的BIT1一BIT12端进行D／A转换，输出信号经运放MAX412变换成2A～750A的电流信号，然后送到函数发生器的输人端作为频率粗调信号，以将输出频率调到频率锁相环的捕捉范围，然后再由锁相环将输出频率锁定在D13～DO所设定的频率。
函数发生器的输出端接一个50MHz的低通滤波器，从而使16MHz以内的正弦波、方波和三角波信号顺利地通过滤波器输出。
1.3软件设计
本文主要的软件设计有：
通过键盘显示控制芯片BC7281A的键盘输人及LED显示，主要涉及到BC7281A的时序、控制及寄存器的使用，包括信号发生器的频率数值、频段选择、波形选择的键盘输人和LED显示，以及单片机对送给频率合成器MC145151和D／A转换器AD7541的频率译码及输出。
程序流程见图1.3。
图1.3程序流程
在应用BC7281A芯片时，其时序非常重要。
下面分字节写入和读出叙述BC7281A的时序，其时序图见图4。
图1.4BC7281A时序图
a）字节写入：
包括指令字节和数据字节。
传送开始时，首先需要建立握手信号，而BC7281A则在收到单片机的握手脉冲后在DAT线上输出一低电平，表示准备好，可以接收它的数据。
单片机须在l5s之内给出下一个CLK脉冲，同时要注意数据传送时的数据保持时间。
一个字节写入BC7281A的汇编程序如下（要发送数据存于DATA—OUT）：
SEND_
OUT：
CLRCLK／／在CLK输出一脉冲
SETBCLK
WAIT_I：
JBDAT，WAIT1／／等待DAT变为低电平
CLRCLK／／再输出一CLK脉冲
SETBCLK
WAIT_2：
JNBDAT，WAIT2／／等待DAT恢复高电平（输入状态）
MOVCOUNT．#8
AGAIN：
MOVC。
DATA—OUT．’／／输出BIT7
MOVDAT，C
CLRCLK／／输出一CLK脉冲
SETBCLK
MOVA，DATA—OUT
RLA
MOVDATA—OUT，A／／DATA—OUT左移1位
NOP／／短暂延时
NOP
NOP
DJNZCOUNT，AGAIN
SETBDAT／／恢复DAT为高电平
RET
b）读出数据：
其过程与写入数据时相似，不同的是，数据读出时单片机仅发送一个单一握手脉冲，而不像写入时一直发送到收到BC7281A响应信号；当8个数据位均读出以后，它还必须再发出一CLK脉冲表示接收完毕，BC7281A才能从输出状态转成输入状态，准备接收下一指令。
从BC7281A读出一个字节汇编程序（接收到的数据存于DATA—IN）如下：
SEND
—
IN：
CLRCLK／／发出一CLK脉冲
SETBCLK
WAIT3：
JBDAT，WAIT3／／等待DAT低电平响应信号
CLRCLK／／再发出一CLK脉冲，准备接收数据
SETBCLK
MOVCOUNT．#8
AGAIN：
NOP／／短暂延时
NOP
NOP
MOVA，DATA．IN
MOVC，DAT／／读入一位
RLCA
MOVDATA_IN，A
CLRCLK／／发出CLK脉冲
SETBCLK
DJNZCOUNT，AGAIN
RET
1.4PCB制作及系统测试结果
本设计制作的PCB（印制电路板）为101．6mm×69．9mm的双层板。
高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须的，也是降低干扰的有效手段。
由于信号发生器电路速度较高，且模拟和数字电路混合，因此在电路设计和PCB布局上都有所讲究。
首先，函数发生器的模拟电源和数字电源端必须分开，在供电时要分别供电。
其次，PCB上要用低阻地平面分别将模拟地和数字地连接，再在某一点上将两地相连。
高频电路布线还必须避免信号线近距离平行走线所引入的交叉干扰，但是同一层内的平行走线实在无法避免，所以在PCB反面大面积敷设地线来降低干扰，即“铺铜”。
测试实例如下：
a）由键盘输入#SET键，进行参数设定；依次输入波形选择方波、频率数值l6、频段选择MHz。
示波器上能稳定显示相应的波形，图形如图5所示。
显示的周期读数是0．061s，即频率为16．39MHz，误差分别仅为0．0015μs、0．39MHz，即2．46％。
b）输入波形选择三角波、频率数值l6、频段选择MHz．示波器上显示相应的波形如图6所示。
此时示·波器上显示的周期是0．062μs，即频率为16．13MHz，误差分别仅为0．0005μs、0．13MHz，即0．8％。
c）输人波形选择正弦波、频率数值370、频段选择kHz，示波器上显示相应的波形如图7所示。
此时示波器上显示的周期是2．70ms，即频率为370．37kHz，误差分别仅为0．0027ms、0．37kHz，即0．09％。
d）若输入超出8kHz一16MHz，输人20MHz，示波器没有输出，PCB上红灯闪烁3次后熄灭，此时可按#SET键重新开始操作。
1.5MAX038的基本性能
MAX038是高频率、高精度函数信号发生器。
配用很少的外部元器件它就可以产生精确、高频率的三角波、锯齿波、正弦波、方波、脉冲波形等信号。
利用内部2．5v电压作参考配以外部的电阻及电容可实现输出频率0．1m一20Mm，占空比可调节范围为15％一85％，且占空比和频率的调节可以独立控制；通过设置两个吼兼容的选择管脚，还可实现不同波形的输出信号．输出具备低阻抗缓冲、低失真度（0．75％）和低温度漂移。
兼容的SYNC管脚连接一个内部振荡器，输出5％占空比的不同波形信号，可作为本系统其它器件的同步信号。
它被广泛应用于高精度函数信号发生、电压控制振荡、频率调制、脉冲宽度调制、锁相环、FSK发生器、频率台成等相关领域。
1.6MAX038的典型应用
MAX038基本的应用接法如图2.11所示，管脚①是内部2．5V电压参考；管脚②⑥⑨是模拟地；管脚③（A0）和④（AI）是两个订L兼容的不同波形选择管脚；管脚⑤内连振荡器，外连电容（15pF~100F，参与振荡）；管脚⑦是占空比调节端；管脚⑧是频率调节端；管脚⑩是控制频率的电流输人端；管脚⑨是相位检测输出，不用时该端可接地；管脚@是相位检测参考时钟输人端（相位检测不用时该端可接地）；管脚⑨（sYNC）是TFL／CMOS输出，不用时该端可不连接：
管脚⑨是数字地；管脚12是数字电路（通常采用+5v，lnF陶瓷电容高额退耦）供电输入端；管脚⑨（SYNC）不用时该端可不连接；管脚⑧是模拟电路正电源（通常+5v）供电输入端；管脚⑧是模拟电路负电源（通常一5v）供电输入端；管脚@是函数信号输出端．若负载是较大的容性负载．通常加一个5On的隔离电阻R。
图2.lMAX038基本的应用接法
（1）不同波形的选择不同波形的选择如表l所示，X表示0和1（CMOS）皆可；调节占空比．可在下述波形基础上获得脉冲、锯齿等波形（图2.1中输出信号波形为正弦波）。
表2.1l波形选择
A0
A1
波形
X
1
正弦波
0
0
方波
1
0
三角波
（2）输出信号的频率R计算输出信号的频率由注入管脚④的电流、管脚⑧（cost）到地的电容和加在管脚⑧（FADJ）上的电压决定。
其中电流可在2-750A范围内取值，最佳性能取范围为10--400A；电容可在20pF一100txF范围内取值，最好选取漏电流小的非极性电容。
电压在一24器件电路／DEVICEANDCIRCUITV一+24V范围内变化，会引起输出信号的频率R的变化。
（3）外电阻、电容c的选择
外电阻、电容c直接决定着输出信号频率随时问、温度的稳定性能，其选择非常重要。
电阻通常选择金属膜电阻，等级至少为1％；电容C常选择低温度系数的非极性陶瓷电容；如果要获得一个较低频率的信号，只有选择较大容值的极性电容c时，必须使电容的正极接地，负极接管脚⑤（COSC），此时，极性电容所具有的漏电流的因素会影响电容的充放电过程，从而导致信号波形质量变差，这时，根据输出信号的频率计算公式，应尽可能地使用小电流以减小电容的容值，改善波形质量。
1.7MAX038锁相技术
MAX038内部有一个TII／CMOS相位检测器，能构成锁相环PLL电路（如图2.2所示），这样可用外部信号同步MAX038的输出信号，且性能稳定。
图2中外部信号连接相位检测器的输人端PDl（管脚16）；相位检测器的输出端PDO（管脚12）独立或门输出一个矩形波电流，其频率与输出信号相同，通常相位检测器的输出端PDO经过RC（R和C）滤波后连接到FADJ（管脚⑧）和一个电阻Rm，其中电阻Rm另一端接地，电阻R的阻值决定了相位检测器的增益；相位
图2.2MAX038锁相环PLL电路
器件与电路／DEVlCEANDCIRCUIT检测器的输出端PDO输出的矩形波电流可在0—500A变化，其占空比在0％~100％变化（外部信号与MAX038输出信号的相位差为时，其占空比为0％；相位差为90。
时，其占空比为50％；相位差为180~时，其占空比为100％）。
电路的锁相原理：
相位检测器的输出端PDO（管脚8）输出的矩形波电流一部分流入FADJ，一部分流入电阻Rm。
现在假使外部信号与MAX038输出信号的相位已锁定，因某种原因相位差增大，这将引起PDO电流增加，且占空比增加，则流入电阻R即的电流增大，从而引起电压肿，的增加（电阻Rm阻值越大，电压删的增加越大）；电压删的增加反过来使MAX．8输出信号的频率减小，使得相位差减小，以维持已锁定相位。
锁相环系统的增益K为
Kv=K0×K0（6）
式中：
Kn为相位检测器增益，即KD=0.318xR（v／rad）；为内部振荡器增益，即Kv=3.43×W（rad／s）。
当内部相位检测器不用时，相位检测器的输入端PDI（管脚⑧）和输出端PDO（管脚6）应该接地：
还可利用外部相位检测器构成锁相环PLL电路，同样可做到用外部信号同步MAX038的输出信号
1.8MAX038高额印刷电路板设计
采用多层印刷电路板（最好使用4层以上）布线技术和低阻抗的大面积布地，以保证电路的接地、屏蔽和隔离良好．同时减小电路俸积；印刷板布线时，信号线尽可能短、直，不要布设90。
的拐角，尽可能使拐角圆滑，以减小寄生电容，特别是COSC端（管脚@）的电容C接地（大面积地）线要尽可能的短，减小外信号在该点的耦台；信号传输线较长时．采用微带线的设计技术，保证阻抗匹配。
电路设计中尽量采用线性电源供电，并加接必要的滤波电路（最好采用多个电容并联的形式，如1F的陶瓷或钽电容和1nF的陶瓷电容并联组合），有效减小电源纹渡，抑制电源干扰，从而提高电路信噪比，特别是使用SYNC端（管脚@）时，必须注意在DV+端（管脚12）和DGND端（管脚14）之问加接lnF的陶瓷电容；安装时，不要使用Ic插座，尽可能使用表面贴装器件，有效减小寄生的电抗，以获得较好的高频性能
2稳定高频信号发生器锁相环式频率合成器
本设计考虑到要求的输出频率很高，且为了直观和方便输出调节，必须采用十进程控分频器，又尽可能采用近代集成度较高的一些芯片组成。
这里实际使用了内部具有高集成度的含四级IACD十进程控分频及基准频率振荡器和鉴相器的锁相环集成电路MC145163。
为了能输出甚高频正弦波信号，压控振荡器采用压控集成电路MC1648，高速固定前置分频器采用MC12012，在这里只作为高速二分频用。
使用可单电源工作的运算放大器IM358作为直流放大器，放大低通滤波器输出的直流压控电压，以扩展压控振荡器的频率可变范围。
可见本系统设计全部由集成电路组成，体现了技术的先进性，可方便地达到了设计需求的性能指标。
本系统采用MC1648作为Ic压控振荡器，其最高振荡频率可达225MHz。
其使用比较简单，这里使用背靠背的一对变容二极管进行压控频率调节，是为了扩大输出频率线性控制范围。
复盖设计频段。
实际电路中采用了振荡线圈分段接入，通过电子开关进行自动切换（可通过数字逻辑电路对程控开关判断自动产生波段切换信号，此略），同时对低通滤波器输出的约0-4伏的直流电压使用单电压供电的运算放大器IM358进行直流放大到O一13伏，以加大变容二极管电容可变化范围。
采用LED这二项措施可使全频复盖系数大于3．5倍。
若要求输出调频信号，可从Vmodin端加入调制音频信号，电位器的位置及信号大小决定调频的频偏大小，因此本系统非常方便地可用作调频无线电广播高频信号源。
由于MC145163的最高分频频率小于80MHz，因此压控振荡器输出的高频信号必须先用高速前置分频器进行预分频．这里考虑到步长要求的限制，只采用其中的二分频部分，由于鉴相频率设计为5kHz，采用固定高速二分频后可使输出频率间隔刚好为10kHz，从而与程控分频器十进置数和十进输出匹配。
图3.1锁相环高频十进频率合成器总图
本锁相环式高频频率合成器由于采用了大规模集成电路，整体电路组合及环路参数设计变得很简单，主要考虑二点，一是鉴相频率，二是环路滤波器。
由于选用了含有四级BCD／N程控分频器而其最高输入频率允许为80MHz，故充分利用其内部分频器能够达到的最小输出频率问隔为10kHz，由于在压控振荡器之后巳引入了一级高速固定二分频器，为了使输出频率问隔达到10kHz，本设计中必须取鉴相频率为5kHz。
这可通过设置MC145163内部的参考频率分频器可使鉴相频率为5kHz。
在PLL中环路低通滤波器的设计十分重要，它影响到环路性能如捕捉时问及整机信噪比。
若低通滤波器的时间常数大，截止频率低，则输出信噪比高，频谱纯，但环路入锁的捕捉时间就长，对于需要快速转换信道变频的使用场合应设计低通滤波器的截止频率较高些。
对于本系统设计考虑是作为通用高频仪器或作调频广播信号源用，对捕捉时间要求不高，又由于要求能进行高频调频，故低通滤波器的截止频率应取得较低（这里设计中取小于10Hz）。
电路中采用无源比例积分低通滤波器，（见图3中由R1．R2．C1组成）结构简单，性能稳定，调试方便。
图3中输出频率的预置是通过四位BCD拨码开关实现，若使用单片机对MC145163进行并行程控，更可增加功能，例直接显示输出频率，并可进行多组输出频率的存储和调取，使用更加方便，直观。
本锁相环式高频频率合成器的设计制作全部由集成电路组成，尤其选用了MC145163p锁相电路块，实现了输出频率能以直观方便的十进制方式改变，且最小频率间隔达到10kHz，由于采用了高频集成压控振荡器，本锁相式高频频率合成器的高频输出频率范围从29．00MHz至99．99MHz。
频率点达到七千个，频率稳定度优于±5ppm，可为等幅正弦波，也可为调频波，扩大了应用范围。
3结束语
键控式高频信号发生器设计的特点是控制和管理电路由单片机实现，使频率设置和波形选择等操作可用键盘输人，软件编程与功能增加及修改十分方便；其外围电路全面采用数字电路方案，工作稳定可靠。
由于晶体振荡器具有很好的长期时间稳定性，锁相环具有很好的短期时间稳定性，两者相结合可在设计要求的频率范围8kHz一16MHz内获得近似晶体振荡器的频率稳定度，这是本设计的重要特点。
另外，函数发生器电路产生的信号波形很好，其中正弦信号的失真度仅为0．75％。
对于小型通用信号产生器而言，这是一个比较理想的设计方案。
4总结和体会
这次课程设计，我认为应该是我们这一届毕业生踏入社会之前的一个小小的脚步，是初涉社会的开端。
不同性格，不同生存状态的同学可能会有不一样的人生感悟。
有的人想到了现实社会的残酷，然后就不断激励自己努力再努力；有的人看到的是社会的机遇，他们将会很乐观的面对将来的每一次挑战；也有人，可能认为自己的责任过于重大，所以他们会选择逃避现实，一辈子安分首己就可以了；对我，我想说，机遇也好遭遇也罢，大学生为什么就不能多学一点东西呢，难道我们就只注重课本上的知识，而忽略动手实践能力么？
其实，课程设计结束了，大家都明白了，其实，我们最大的缺点就是还不能够灵活的作
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