基于MAX038的多功能信号发生器的设计.docx

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基于MAX038的多功能信号发生器的设计

编号

本科生毕业设计（论文）

题目：

多功能信号发生器的设计

物联网工程学院电子信息工程专业

二〇一三年六月

设计总说明

多功能信号发生器是一种能能够产生多种波形如三角波、矩形波（含方波）、正弦波的电路的信号发生器，在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途．随着科技的发展，对信号发生器的各方面要求越来越高．传统的信号发生器由于波形精度低，频率稳定性差等特点，已经不能满足许多实际应用的需要．而且市场上出售的低频信号发生器价格昂贵，为了适应实际的需要，设计一种低频信号发生器．本文介绍了一种基于单片机控制的多功能信号发生器，它采用MAX038与单片机结合的方法，通过Protel99软件进行硬件设计及仿真，采用C语言编程，结合软件控制信号产生、变化，频率测量及显示的流程，整个信号发生器以单片机（AT89C52）为控制中心，主要由稳压电源模块、按键电路模块、LED显示模块、波形生成模块、功率放大模块、整形电路、分频电路模块等组成．本设计基本达到初期的设计要求，可以产生1HZ-1MHZ的可人工调节频率及占空比的三角波、正弦波、方波及矩形波，对于产生的波形信号，通过功率放大电路对输出波形信号的幅度、波形稳定性进行调控、同时实现对输出信号频率及占空比的测量，并且可以显示出来，由于本多功能信号发生器所产生的信号频带相对较宽，先对功率放大电路的输出端进行整形处理，由于在12M晶振下单片机所能测量的频率最高只能达到500kHZ，必须对整形输出作一个四分频处理，另外本设计中对于不同频率的波形信号采用了不同的测量方式，对于较低频率的方波，我们通过测量其周期间接获得其频率，而对于较高频率的信号波，则可以直接进行测量，保证了测量的精度．综上所述，本设计能产生频率范围为1HZ-1MHZ的正弦波、三角波、方波、矩形波，同时实现了对频率、占空比及幅度的调节以及精确测量并且最终得以显示，基本达到了设计要求．

关键词：

多功能信号；单片机；MAX038；

DESIGNSUMMARY

Versatilesignalgeneratorabletoproduceavarietyofwaveformssuchastrianglewave,squarewave（includingsquare）,sinewavesignalgeneratorcircuit,thecircuitexperimentsandequipmenttestinghasaverywiderangeofuses．Withthedevelopmentoftechnologyinallaspectsofthesignalgeneratorisincreasinglydemanding．Becausethewaveformsignalgeneratortraditionallowaccuracyandpoorfrequencystabilitycharacteristics,cannotmeettheneedsofmanypracticalapplications．Andonthemarketareexpensivelowfrequencysignalgenerator,inordertomeettheactualneeds,todesignalow-frequencysignalgenerator．Thispaperdescribesamicrocontroller-basedcontrolofmulti-signalgenerator,whichusesacombinationofmethodsMAX038withmicrocontrollerthroughProtel99hardwaredesignandsimulationsoftware,usingClanguageprogramming,combinedwithsoftwarecontrolsignalgenerator,changethefrequencymeasurementanddisplayprocess,thesignalgeneratortomicrocontroller（AT89C52）asthecontrolcenter,mainlybythepowersupplymodule,thekeycircuitmodule,LEDdisplaymodule,thewaveformgeneratingmodule,apoweramplifiermodule,shapingcircuit,frequencydividercircuitmodulesandothercomponents．Thisdesignhasbasicallyreachedtheinitialdesignrequirements,youcangenerate1HZ-1MHZcanmanuallyadjustthefrequencyanddutycycleofthetriangularwave,sinewave,squareandrectangularwave,thewaveformsignalgeneratedbythepoweramplifiercircuitoftheoutputwaveformsignalamplitude,waveformcontrolstability,whileachievingtheoutputsignalfrequencyanddutycyclemeasurements,andcanbedisplayed,sincethemulti-signalgeneratedbythesignalgeneratorisrelativelywidefrequencyband,thefirstoutputofthepoweramplifiercircuitsideshapingprocess,sincethe12Mcrystaloscillatorfrequencycanbemeasuredunderthechipcanonlyreach500kHZ,youmustmakeadivide-shapedoutputprocessing,inadditiontothisdesignfordifferentfrequencywaveformsignalusesadifferentmeasurementmethods,formoreLow-frequencysquarewave,weobtainedindirectlybymeasuringthefrequencyofitsperiod,andforthehigherfrequencysignalwaves,canbemeasureddirectly,toensureaccuracyofmeasurement．Insummary,thedesigncanproduceafrequencyrangeof1HZ-1MHZsinewave,trianglewave,squarewave,rectangularwave,whileachievingtherightfrequency,dutycycleandamplitudeadjustment,andaccuratemeasurementandeventuallybedisplayed,reachesthedesignrequirements．

Keywords：

Multifunctionalsignal;SCM;MAX038;

第1章绪论

1.1课题背景

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[1]．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．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，锯齿波和正弦波信号是常用的基本测试信号．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．

1.2国内外现状

信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一．但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点．在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源．而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点．一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加．在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形．这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形．90年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器．而近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：

（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域．波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易．

（2）由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域．在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便．（3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来．不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同．这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能．而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半．二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHz的DDS芯片，同时也推动了信号发生器的发展．相信在接下来的一段时间里，信号发生器的发展仍将取得跨越式的发展！

1.3设计要求和任务

熟悉和掌握单片机的结构和工作原理，了解信号发生器的工作原理．掌握以单片机为核心的电路设计的基本方法,并通过实际程序的设计和调试，逐步掌握模块化程序的设计方法和调试技术；了解开发单片机应用系统的全过程．综合运用所学专业知识解决工程问题．

具体设计要求如下：

（1）具有产生正弦波、三角波、方波、矩形波波形的功能．

（2）信号的频率范围为1Hz-1MHz．

（3）信号的输出波形幅度Vp-p可调．

（4）通过键盘输入任意频率数值和选择任意波形

（5）波形信号频率及占空比可调可测．

1.4应解决的主要问题

本论文重点在于研究以单片机为基础基础，结合由马克西姆公司MAX038而设计的一种简易信号发生器，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．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[2]．本信号发生器包含稳压电源模块、单片机（AT89C52）控制模块、键盘模块、LED显示模块、信号发生模块（MAX038）、功率放大（AD811）及缓冲器（BUF634）模块、分频模块，该设计结构简单，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．

第2章系统原理及总体设计

本章首先对系统原理作一个简述，然后提出系统总体设计方案，包括单片机控制系统的设计、MAX038芯片信号的实现、功率放大及缓冲器的运用和LED数码管的选用．给出了整体设计思路和单片机与各个模块的联系，以及整体设计框图．

2.1系统原理概述

本系统所设计多功能信号发生器是一种能够产生正弦波、三角波、方波，矩形波的低频信号发生器，在单片机的控制下由MAX038信号发生芯片产生频率占空比可调的正弦波、三角波、方波，通过调节方波的占空比产生矩形波，对于所产生的四种波形信号，通过功率放大电路可对其幅度、稳定性进行调节，对功率放大电路输出信号进行整形后可以利用单片机的中断口及定时计数器分别测出低频信号测量周期、高频信号的频率以及他们的高电平周期，从而转换为系统输出的频率和占空比，最后经过显示电路显示出频率和占空比．

2.2总体设计方案

该系统硬件由以下几个部分组成：

键盘电路、稳压电源模块、LED显示模块、波形信号产生模块、功率放大电路、分频模块等．

本毕业设计采用的是目前比较常用的52系列单片机．AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用．此单片机的体积小、低功耗、控制能力强、扩展灵活、微型化使用方便．本设计结合由马克西姆公司MAX038而设计的一种简易信号发生器，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．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．本信号发生器包含稳压电源模块、单片机（AT89C52）控制模块、键盘模块、LED显示模块、信号发生模块（MAX038）、功率放大（AD811）及缓冲器（BUF634）模块、分频模块，该设计结构简单，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．系统的总体设计框图如2-1所示：

图2-1系统的总体设计框图

第3章系统硬件设计

本章介绍了本设计的硬件电路设计，按照各个模块分别展开分析．依次介绍了52单片机的外围硬件电路（包括时钟电路和复位电路稳压）,重点介绍了信号发生模块（MAX038），最后简单介绍了稳压电源电路、键盘电路、功率放大电路、LED数码管显示电路以及分频电路设计．

图3-1单片机引脚总体配置图

3.1单片机介绍及外围电路

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的．AT89C52是一个低电压，高性能CMOS型8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元[3]．

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口．其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本．

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求．

主要功能特性

·兼容MCS51指令系统

·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

·32个双向I/O口

·256x8bit内部RAM

·3个16位可编程定时/计数器中断

·时钟频率0-24MHz

·2个串行中断

·可编程UART串行通道

·2个外部中断源

·共6个中断源

·2个读写中断口线

·3级加密位

·低功耗空闲和掉电模式

·软件设置睡眠和唤醒功能

AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端．这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器．

外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路．对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里选择使用石英晶体．也可以采用外部时钟．采用外部时钟的电路的情况时，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空．

图3-2AT89C52芯片外观及引脚

3.1.1时钟电路

时钟电路是用于产生单片机工作时所必需的时钟信号．时钟是单片机的心脏，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性．本系统中时钟方式的电路原理图如图3-3所示：

图3-3内部时钟方式电路原理图

电路中的电容C2、C3典型值为30±10pF．外接电容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性．同时，在系统中采12MHz的晶体振荡器来产生时钟脉冲．

3.1.2RC复位电路

复位是单片机初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元执行程序．除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动．

复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式．本设计采用了按键手动复位方式．该复位电路如图3-4所示．

图3-4R、C复位电路

开关闭合瞬间RST引脚获得高电平，单片机复位电路随着电容的C1的充电，RST引脚的高电平逐渐下降．RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作．

3.2信号产生模块

为达到本信号发生器所要求的各类波形信号，本设计采用MAX038作为信号产生芯片，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、同步脉冲输出及波形输出驱动电路等．其主要优点有：

（1）能精密地产生三角波、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2V

（3）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）低阻抗输出缓冲器：

0．1；

（7）低温度漂移：

200PPM／℃．对于所有输出波形来说，输出波形是以地为参考的对称波形，在低输出阻抗的情况下，输出电流可达到±20mA电流．在两个与TTL／CMOS信号输入匹配的地址引脚A1，A0上输入合适的代码信号，能够实现输出波形变换的控制，具体输入代码和输出波形的对应关系如表3-1所示

表3-1输入代码和输出波形对应关系表

波形

正弦波

矩形波

三角波

3.2.1芯片引脚

MAX038芯片的各个引脚的功能表如表3-2所示：

表3-2MAX038各引脚功能表

引脚号

名称

功能

REF

2．50V带隙基准电压输出端

GND

地

波形选择输入端，TTL／CMOS兼容

COSC

外部电容连接端

GND

地

DADJ

占空比调整输入端

FADJ

频率调整输入端

GND

地

Iin

用于频率控制的电流输入端

GND

地

PDO

相位检波器输出端．如果不用相位检波器则接地

PDI

相位检波器基准时钟输入端．如果不用相位检波器则接地

SYNC

TTL／CMOS兼容的同步输出端

DGND

数字地．让他开路使SYNC无效，或是SYNC不用

DV+

数字+5V电源．如果SYNC不用则让他开路

V+

+5V电源

GND

地

OUT

正弦波、方波或三角波输出端

V-

-5V电源

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0~550μA．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250μA．如果构成锁相环路，则PDO和FADJ相连，并且对地连接一个电阻RPD，同时并联一个电容CPD．RPD决定鉴相器的灵敏度，CPD用于滤除电流中的高频成分．其内部结构如图3-6所示：

图3-6MAX038内部原理图

3.2.2系统原理

MAX038的输出频率主要受振荡电容CF，IIN端电流和FADJ端电压的控制．选择一个CF值，对应IIN端电流的变化，将产生一定范围的输出频率[4]．另外，改变FADJ端的电压，可以在IIN控制的基础上，对输出频率实现微调控制．为实现输出频率的数控调整，在IIN端和FADJ端分别连接一个电压输出的DAC．首先，通过DACB产生0V（00H）到2．5V（0FFH）的输出电压，经电压/电流转换网络，产生0μA到748μA的电流，叠加上网络本身产生的2μA电流，最终对IIN端形成2μA到750μA的工作电流，使之产生相应的输出频率范围．DACB将此工作电流范围分为256级步进间隔，输出频率范围也被分为256级步进间隔．所以，IIN端的电流对输出频率实现粗调．第二步，通过DACA在FADJ端产生一个从-2．3V（00H）到+2．3V（0FFH）的电压范围，该范

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