畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于MAX038的多波形函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、目 錄摘 要iabstractii1.緒 論12.1 概述22.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)22.3 方案論證與比較22.4 max038芯片介紹32.5 芯片引腳42.6 系統(tǒng)框圖及原理62.7 頻段調(diào)節(jié)控制72.8 頻率、幅值、占空比控制92.9 輸出信號(hào)的放大處理102.10 本章小結(jié)103系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)113.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)113.2 單片機(jī)介紹及外圍電路113.3 頻率、占空比調(diào)節(jié)143.4 輸出信號(hào)的放大處理163.5 電源電路173.6 鍵盤設(shè)計(jì)183.7 本章小結(jié)184系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖194.1 主程序流程圖195. 系統(tǒng)分析總結(jié)與展望20致謝22參考文獻(xiàn)23附 錄251 單片機(jī)程序252

2、 系統(tǒng)完整電路圖281.緒 論在現(xiàn)代社會(huì)中，自動(dòng)化技術(shù)早已滲透到社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中。高精度、寬頻率、高穩(wěn)定性的信號(hào)發(fā)生器對(duì)于所屬整體系統(tǒng)性能的改善和提高起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的函數(shù)信號(hào)波形發(fā)生器如8098等等，通常由晶體管、運(yùn)放ic等分立元件制成。其發(fā)出的信號(hào)的穩(wěn)定性，信號(hào)的失真度，頻率的范圍大小，都不是很理想。于此相比，基于max038的多波形函數(shù)信號(hào)發(fā)生器具有信號(hào)輸出頻率高、波形穩(wěn)定、失真小、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。利用信號(hào)進(jìn)行儀器的控制已是自動(dòng)控制理論中的一個(gè)重要的手段。那么，一個(gè)幅度、頻率、穩(wěn)定性、占空比以及波形可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和完成更具有實(shí)際價(jià)值。只要將這個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)的設(shè)計(jì)思

3、路掌握好，不但可以融會(huì)貫通所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，還可以在今后的工作中作為參考，用來(lái)控制其他設(shè)備。多波形函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是電子實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)備之一，目前各類學(xué)校廣泛使用的是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，雖然功能齊全、性能指標(biāo)高，但價(jià)格較貴。本文介紹一種由馬克西姆公司max038設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器，該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，雖然性能指標(biāo)趕不上標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，但能滿足一般的實(shí)驗(yàn)要求。其成本低、體積小、便于攜帶等特點(diǎn)，亦可作為電子產(chǎn)品維修人員的隨身設(shè)備之一。基于max038的多波形函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，本課題的設(shè)計(jì)目的是充分運(yùn)用大學(xué)期間所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，結(jié)合現(xiàn)在正在使用的信號(hào)發(fā)生器的基本功能，完成一個(gè)基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全過(guò)程。通過(guò)max038來(lái)

4、產(chǎn)生一系列有規(guī)律的幅度和頻率可調(diào)的方波、三角波和正弦波，這樣的一個(gè)多波形函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在控制領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用范圍。本文主要分五大部分：緒論、系統(tǒng)概述和設(shè)計(jì)方案、硬件部分、軟件部分、總結(jié)。緒論首先對(duì)課題背景和所涉及的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行介紹；第一章對(duì)系統(tǒng)所要完成的功能進(jìn)行講解，確定系統(tǒng)的主要參數(shù)，第二章對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各部分組成進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹；第三章軟件部分，這部分重點(diǎn)介紹了主程序的流程圖及驅(qū)動(dòng)程序。最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)與展望。2系統(tǒng)概述和方案設(shè)計(jì)2.1 概述信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形

5、曲線均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波三種周期性波形，輸出信號(hào)頻率在0.1hz20mhz范圍內(nèi)可調(diào)，輸出信號(hào)頻率可分段調(diào)節(jié)：在0.1

6、hz1hz范圍內(nèi)步步進(jìn)間隔為0.11hz，在1hz10hz范圍內(nèi)步進(jìn)間隔為1hz，在10hz1khz范圍內(nèi)步進(jìn)間隔為10hz；在1khz20mhz范圍內(nèi)步進(jìn)間隔為1khz。輸出信號(hào)頻率值可通過(guò)鍵盤進(jìn)行設(shè)置；在1kw負(fù)載條件下，輸出正弦波信號(hào)的電壓峰-峰值在020v范圍內(nèi)可調(diào)；輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。2.3 方案論證與比較函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種： 方案一：用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。 方案二：可以由晶體管、運(yùn)放ic等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ic產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ic，如8038等，它們的功能較少

7、，精度不高，頻率上限只有300khz，無(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。 方案三：利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形，達(dá)到較高的頻率，且易于調(diào)試。鑒于此，美國(guó)馬克西姆公司開(kāi)發(fā)了新一代函數(shù)信號(hào)發(fā)生器icmax038，它克服了方案二中芯片的缺點(diǎn)，可以達(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)，是上述芯片望塵莫及的。max038頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ic。在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路的設(shè)計(jì)上，max038都是優(yōu)選的器件。 方案四：利用專用直接數(shù)字合成dds芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率。但成本較高

8、。通過(guò)對(duì)以上四種方案的比較，我們可以看出幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)：方案一：結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，制作容易，但是輸出信號(hào)有頻率線性度差、頻率穩(wěn)定度低、頻率分辨率低、頻率變換時(shí)間比較長(zhǎng)，相位噪聲大以及人機(jī)界面不友好等缺點(diǎn)。方案二：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在頻率分辨率、頻率變換時(shí)間、相位噪聲等方面都不如方案三。方案三：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但具有輸出頻率穩(wěn)定性高，頻率輸出線形度好、頻率分辨度高、波形正確，頻率變換時(shí)間小，相位噪聲小、人機(jī)界面好、易于控制等優(yōu)點(diǎn)、性能優(yōu)良。方案四：能產(chǎn)生任意波形且達(dá)到很高的頻率，但是成本較高?；谖覀兊倪x擇標(biāo)準(zhǔn)在滿足工作要求的前提下，性價(jià)比高的發(fā)生器是我們的首選。從上面的比較可以看出，方案一和方案二都有

9、各自較大的缺點(diǎn)，難以達(dá)到理想的設(shè)計(jì)要求。而方案四雖然能達(dá)到很好的要求，但是從價(jià)格方面考慮我們還是選擇方案三較好。2.4 max038芯片介紹max038是美國(guó)maxim（馬克希姆）公司應(yīng)市場(chǎng)的需求而研制的單片集成高頻精密函數(shù)發(fā)生器，具有較高的頻率特性、頻率范圍很寬、功能較全、單片集成化、外圍電路簡(jiǎn)單、使用方便靈活等特點(diǎn)。內(nèi)有主振蕩器、波形變換電路、波形選擇多路開(kāi)關(guān)、2.5v基準(zhǔn)電壓源、相位檢測(cè)器、同步脈沖輸出及波形輸出驅(qū)動(dòng)電路等。其主要優(yōu)點(diǎn)有：1)能精密地產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波信號(hào)。2)頻率范圍從0.1hz20mhz，最高可達(dá)40mhz，各種波形的輸出幅度均為2v3)占空

10、比調(diào)節(jié)范圍寬，占空比和頻率均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，二者互不影響，占空比最大調(diào)節(jié)范圍是1090。4)波形失真小，正弦波失真度小于0.75，占空比調(diào)節(jié)時(shí)非線性度低于2。5）采用5v雙電源供電，允許有5變化范圍，電源電流為80ma，典型功耗400mw，工作溫度范圍為070。6)低溫度漂移：200 ppm。7)低阻抗輸出緩沖器：0.1；8)內(nèi)設(shè)2.5v電壓基準(zhǔn)，可利用該電壓設(shè)定fadj、dadj的電壓值，實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)和占空比調(diào)節(jié)。2.5 芯片引腳圖2.5.1 max038引腳圖表2.5.1 max038引腳名稱及功能引腳號(hào)名 稱功 能1ref2.50 v帶隙基準(zhǔn)電壓輸出端2gnd地3a0波形選擇輸入端，ttlc

11、mos兼容4a1波形選擇輸入端，ttlcmos兼容5cosc外部電容連接端6gnd地7dadj占空比調(diào)整輸入端8fadj頻率調(diào)整輸入端9gnd地10iin用于頻率控制的電流輸入端11gnd地12pdo相位檢波器輸出端。如果不用相位檢波器則接地13pdi相位檢波器基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入端。如果不用相位檢波器則接地14syncttlcmos兼容的同步輸出端，可由dgnd至dv+間的電壓作為基準(zhǔn)15dgnd數(shù)字地。讓他開(kāi)路使sync無(wú)效，或是sync不用16dv+數(shù)字+5 v電源。如果sync不用則讓他開(kāi)路17v+5 v電源18gnd地19out正弦波、方波或三角波輸出端20v-5 v電源圖2.5.2 max

12、038內(nèi)部電路圖max038內(nèi)部還有正弦整形電路、比較器、復(fù)用器以及鑒相器電路，它們共同實(shí)現(xiàn)了正弦波、三角波、鋸齒波、矩形波和脈沖波的生成。鑒相器是作為鎖相環(huán)的備用單元，為異或門電路結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)一路來(lái)自內(nèi)部差動(dòng)矩形波osca和oscb，另外一路來(lái)自外部引腳pdi。鑒相器的輸出信號(hào)為電流，由pdo引腳輸出平均值變化范圍為。當(dāng)兩路輸入信號(hào)的相位差為時(shí)，輸出電流的占空比為50%，平均值為。如果構(gòu)成鎖相環(huán)路，則pdo和fadj相連，并且對(duì)地連接一個(gè)電阻，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)電容。決定鑒相器的靈敏度，用于濾除電流中的高頻成分。2.6 系統(tǒng)框圖及原理如圖2.6.1所示，采用單片機(jī)at89c52對(duì)主信號(hào)發(fā)生芯片進(jìn)

13、行智能控制，對(duì)max038產(chǎn)生的波形信號(hào)進(jìn)行頻率高低，占空比大小，幅度范圍的控制，以及產(chǎn)生波形選擇控制。 圖2.6.1 系統(tǒng)框圖max038的輸出頻率主要受振蕩電容cf ， iin 端電流和fadj 端電壓的控制，其中前二者與輸出頻率的關(guān)系如圖2.7.1 所示。選擇一個(gè)cf值，對(duì)應(yīng)iin 端電流的變化，將產(chǎn)生一定范圍的輸出頻率。另外，改變fadj 端的電壓，可以在iin 控制的基礎(chǔ)上，對(duì)輸出頻率實(shí)現(xiàn)微調(diào)控制。為實(shí)現(xiàn)輸出頻率的數(shù)控調(diào)整，在iin 端和fadj 端分別連接一個(gè)電壓輸出的dac。首先，通過(guò)dacb產(chǎn)生0v(00h)到2.5v(0ffh)的輸出電壓，經(jīng)電壓/ 電流轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生0a到7

14、48a的電流，疊加上網(wǎng)絡(luò)本身產(chǎn)生的2a電流，最終對(duì)iin 端形成2a到750a 的工作電流，使之產(chǎn)生相應(yīng)的輸出頻率范圍。dacb將此工作電流范圍分為256級(jí)步進(jìn)間隔，輸出頻率范圍也被分為256級(jí)步進(jìn)間隔。所以，iin端的電流對(duì)輸出頻率實(shí)現(xiàn)粗調(diào)。第二步，通過(guò)daca 在fadj端產(chǎn)生一個(gè)從- 2.3v(00h)到+ 2.3v(0ffh)的電壓范圍，該范圍同樣包含256級(jí)步進(jìn)間隔，iin 端的步進(jìn)間隔再次細(xì)分為256級(jí)步進(jìn)間隔，從而在粗調(diào)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)微調(diào)。圖2.7.1 輸出頻率與iin 電流及振蕩電容cf的關(guān)系2.7 頻段調(diào)節(jié)控制max038的輸出頻率和cf電容與iin 端的電流間的關(guān)系如表2.7

15、.1 所示。固定一個(gè)cf值，當(dāng)iin 端的電流從到的變化時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)頻段的頻率范圍。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，我們選擇了一系列的cf 如表2.7.1 所示，并確定了各cf所對(duì)應(yīng)的頻段和頻率范圍。由于系統(tǒng)通過(guò)dac 控制iin 端電流和fadj 端電壓，將各頻段的頻率范圍劃分為65536 級(jí)間隔，因此各頻段的輸出誤差為此外，由于相鄰頻段之間存在著頻率重疊現(xiàn)象，并且考慮到各個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的誤差大小有所差異，因此設(shè)定各頻段的實(shí)際起止頻率圍：f3f4，以便獲得最小的誤差。表2.7.1 輸出波形頻率范圍與cf的關(guān)系表頻段號(hào)cff1(2a)f2(750a)ff3f4110pf200khz65mhz1khz600khz1

16、0mhz21nf2khz650khz10hz6khz600khz3100nf20hz6.5khz0.1hz60hz6khz410f0.2hz65hz0.001hz0.2hz60hz在5腳cocs和6腳gnd接上電容以后，10腳iin是頻率控制的電流輸入端，利用恒定電流向電容充電和放電，便可形成振蕩。是受8腳fadj和7腳dadj端電壓的控制，振蕩頻率由下式確定。 (2.1)因?yàn)槲覀円蟮念l率范圍在0.2hz10mhz，分四個(gè)頻段來(lái)滿足要求，在每個(gè)頻段上連續(xù)可調(diào)，由芯片內(nèi)部參數(shù)可知道，當(dāng)時(shí)，的容量范圍可以在時(shí)，芯片有較好的性能。因此，有（2.1）式可知 (2.2)當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，為了使數(shù)字控制能夠

17、使實(shí)現(xiàn)，我們?cè)赿/a轉(zhuǎn)換模塊使用圖2.5所示的電阻連接方法。當(dāng)數(shù)字量為00h時(shí)，輸出為。max038的10腳iin有的電流輸入。當(dāng)數(shù)字量為ffh時(shí)，輸出為基準(zhǔn)電壓。max038的10腳iin有的電流輸入。用公式（2.1）（2.2）可以檢驗(yàn)，確定表2.7.1所列的電容值可滿足后面頻率產(chǎn)生要求。2.8 頻率、幅值、占空比控制max038的核心部分是一個(gè)電流控制的振蕩器，通過(guò)恒定電流對(duì)外部電容cf充電和放電，獲得三角波、方波和正弦波信號(hào)輸出。充放電電流由流進(jìn)max038的iin引腳的電流控制，由加在引腳dadj、fadj上的電壓調(diào)整。電路的振蕩頻率為：波形的占空比為：。當(dāng)時(shí)，iin可設(shè)為時(shí)，可設(shè)為，

18、對(duì)應(yīng)中心頻率為350:1的變化；當(dāng)時(shí)，調(diào)制頻偏為70%?？刂仆獠侩娙莩?、放電電流的比值，當(dāng)時(shí)，波形的占空比為50%；當(dāng)，占空比為10%90%。在fadj和dadj端口的內(nèi)部，設(shè)置了的下拉電源流，可簡(jiǎn)化外部電路設(shè)計(jì)，僅用電阻（連接引腳fadj和基準(zhǔn)電壓的可變電阻）和（連接引腳dadj和基準(zhǔn)電壓的可變電阻）就可以對(duì)頻偏和占空比進(jìn)行調(diào)整。iin引腳由內(nèi)部的運(yùn)放強(qiáng)制為虛地，故僅用電阻就能調(diào)整輸入電流，實(shí)現(xiàn)中心頻率的調(diào)節(jié)。的基準(zhǔn)電壓源主要用于提供電流和、電壓，其溫度系數(shù)典型值為20ppm/，負(fù)載電流小于。通過(guò)控制8選1模擬開(kāi)關(guān)cd4051來(lái)選擇的電容量，從而確定頻率范圍。本系統(tǒng)共有8個(gè)頻段供切換，輸出頻

19、率范圍與的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表2.8.1所示。表2.8.1 輸出頻率范圍與的對(duì)應(yīng)關(guān)系波段電容值頻率范圍120pf2mhz20mhz2100pf200khz2mhz31000pf20khz200khz40.01f2khz20khz50.1f200hz2khz61f20hz200hz710f2hz20hz8100f0.1hz2hzmax038內(nèi)部有一個(gè)的基準(zhǔn)電壓源，由ref引腳輸出?；鶞?zhǔn)電壓源由兩個(gè)lf353及電阻電容組成，分別組成放大倍數(shù)為1和1的緩沖器，因而得到的基準(zhǔn)電源。這個(gè)電壓源對(duì)整機(jī)的性能很重要，因?yàn)楦骺刂齐娐肪枰搮⒖驾斎?。在?yīng)用中，max038通?？梢詥为?dú)承擔(dān)函數(shù)信號(hào)輸出的功能，通過(guò)外部

20、的電阻和電容的調(diào)節(jié)，完成特定頻率和幅值的信號(hào)輸出。2.9 輸出信號(hào)的放大處理由于max038的輸出信號(hào)為恒定的2v（p-p），且輸出電流不高，所以必須在輸出級(jí)至少有一級(jí)放大電路來(lái)提供足夠的輸出電壓和電流，以滿足一般使用要求。以下是放大電路設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)考慮： 首先，放大電路要求具有很高的頻寬，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)最大基頻為20mhz，其三角波和矩形波的高次諧波成分很高，只有高寬頻才能得到不失真的輸出波形。 其次，高頻大信號(hào)放大要求放大電路有足夠的輸出電壓轉(zhuǎn)換速率。 另外，要帶動(dòng)低阻負(fù)載，放大電路的電流輸出能力也是個(gè)重要參數(shù)。要在1k負(fù)載上輸出5v信號(hào)，則放大器至少要有的連續(xù)電流輸出能力。2.10 本章小結(jié)

21、本章主要講述了基于max038芯片的多波形函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理，該方案能產(chǎn)生正弦波、三角波和方波。接著介紹了max038集成函數(shù)發(fā)生器芯片的性能與特點(diǎn)，并分析了改芯片的結(jié)構(gòu)組成和各模塊的功能。隨后介紹了由max038構(gòu)成的10hz100khz多功能信號(hào)源的設(shè)計(jì)過(guò)程。3系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)依據(jù)max038輸出頻率的數(shù)控調(diào)節(jié)原理，配合單片機(jī)控制，我們可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)整機(jī)由圖3.1.1所示的七大模塊組成，分別是電源產(chǎn)生電路，頻段選擇電路，按鍵電路，單片機(jī)外圍控制電路（包括信號(hào)的占空比，頻率，幅度控制電路）。圖3.1.1 總設(shè)計(jì)原理布局圖 基于max038 的單片機(jī)多波

22、調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生器主要由單片機(jī)at89c52、max038構(gòu)成，如圖3.1.1 所示。由at89c52 的p2.0 和p2.1控制選定波形，at89c52 通過(guò)產(chǎn)生控制電壓并以近似線性的規(guī)律來(lái)調(diào)制頻率和占空比。3.2 單片機(jī)介紹及外圍電路at89c52是51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，它是atmel公司生產(chǎn)的。at89c52是一個(gè)低電壓，高性能cmos型8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲(chǔ)單元。

23、at89c52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口。其將通用的微處理器和flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。at89c52有pdip、pqfp/tqfp及plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性 兼容mcs51指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫(1000次）flash rom 32個(gè)雙向i/o口 256x8bit內(nèi)部ram 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率0-24mhz 2個(gè)串行中斷 可編程uart串行通道 2個(gè)外部中斷源 共6個(gè)

24、中斷源 2個(gè)讀寫中斷口線 3級(jí)加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能at89c52中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體及電容c1， c2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容c1， c2雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，這里選擇使用石英晶體。也可以采用外部時(shí)鐘。采用外部時(shí)鐘的電路的情況時(shí)，外部時(shí)鐘脈沖接到xtal1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端

25、，xtal2則懸空。圖3.2.1 at89c52芯片外觀及引腳圖中的芯片是atmel公司的單片機(jī)芯片at89c52，工作在11.0592mhz頻率下，其p2.0引腳和max038的a0和a1相連，用于選擇輸出波形；key為單片機(jī)的外圍44鍵盤接口，它和單片機(jī)的p1.0p1.7連接，p1.0p1.3對(duì)應(yīng)于鍵盤的行14，p1.4p1.7對(duì)應(yīng)于鍵盤列的14。 圖3.2.2 單片機(jī)外圍硬件電路3.3 頻率、占空比調(diào)節(jié)max038的占空比的調(diào)整有兩種方式，一種時(shí)利用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源調(diào)整，另一種是利用外加電源調(diào)整，為使電路簡(jiǎn)單，采用第一種調(diào)整方式。在max038 的dadj端應(yīng)用一個(gè)2.3v2.3v 的電壓

26、控制信號(hào)， max038 的dadj引腳上的電壓可控制波形的占空比(定義為輸出波形為正時(shí)所占時(shí)間的百分?jǐn)?shù)），并且能夠改善正弦波的波形，可進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制和產(chǎn)生鋸齒波。當(dāng)接地（即）時(shí)，其占空比為50%，占空比的調(diào)整可采用max505的一片dac，輸出2.3v 范圍內(nèi)的電壓，占空比可在10%90%范圍內(nèi)改變，約每伏改變15%，當(dāng)電壓超過(guò)2.3v 將使頻率偏移或引起不穩(wěn)定。為產(chǎn)生一定占空比而加在dadj上的電壓為： (3.1)對(duì)雙極性輸出的d/a 轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電源為2.3v時(shí)，max505接受數(shù)據(jù)與占空比的關(guān)系式為： (3.2)其中：為dadj 引腳上的電壓，為占空比。這樣可完成激勵(lì)信號(hào)的占空比設(shè)置

27、。調(diào)整的充放電時(shí)間，在10%90%的范圍內(nèi)調(diào)整振蕩器輸出的三角波，最終產(chǎn)生失真的正弦波，鋸齒波和脈沖波。這三種波形同時(shí)送入混合器，由a0，a1選擇輸出。所以為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，關(guān)于占空比調(diào)節(jié)和頻率調(diào)整，可采用外部電位器調(diào)整控制。調(diào)節(jié)頻率調(diào)整電路的電位器，改變max038輸入端iin的電流大小，從而改變頻率值；調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)電路中的電位器，改變max038輸入端dadj的電壓大小，從而改變占空比。圖3.3.1中的芯片為maxim公司的信號(hào)發(fā)生芯片max038，其波形選擇引腳a0和a1與單片機(jī)的p2.0和p2.1引腳相連，在單片機(jī)的控制下輸出正弦波、矩形波和三角波3種不同的波形，波形的頻率和幅值可以通過(guò)外

28、部的可變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。out為max038的信號(hào)波形輸出，送至放大電路。max038在正弦波輸出時(shí)，輸出的信號(hào)頻率為。圖3.3.1 max038外圍硬件電路3.4 輸出信號(hào)的放大處理max038輸出波形的幅值為2 v(p-p)，最大輸出電流為20ma，輸出阻抗的典型值為0.1?？芍苯域?qū)動(dòng)100的負(fù)載。為了得到更大的輸出幅度和驅(qū)動(dòng)能力，就需要對(duì)波形信號(hào)作進(jìn)一步處理，圖3.4.1給出了一個(gè)波形輸出與驅(qū)動(dòng)電路。波形信號(hào)從max038的out端輸出后，可使其通過(guò)一個(gè)ad811進(jìn)行電壓放大。ad811為電流反饋型寬帶運(yùn)放，其帶寬增益積為140mhz，15v供電，增益為+10的情況下，-3db帶寬達(dá)100

29、mhz，非常適合本系統(tǒng)的放大要求，有12v的輸出擺幅，且輸出電流最大可達(dá)100ma，完全可以滿足峰峰值要求。后接buf634p起緩沖器的作用。圖3.4.1 輸出信號(hào)的放大驅(qū)動(dòng)電路3.5 電源電路根據(jù)整機(jī)要求，電源電路應(yīng)為信號(hào)產(chǎn)生電路提供5v電壓，其中5v電壓需要穩(wěn)壓輸出，為此選用了7815， 7915兩種三端集成穩(wěn)壓器，這種三端固定電壓輸出式集成穩(wěn)壓器，使用簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，且由于內(nèi)部具有過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，使整機(jī)的電源電路穩(wěn)定，性能可靠。外接9v交流電輸入，經(jīng)絕對(duì)值電路，然后濾波通過(guò)7805，7905產(chǎn)生5v的直流電壓。在中間串入7812和7912，則可以為波形放大驅(qū)動(dòng)電路提供12伏的工作電壓。電源

30、部分電路圖如圖3.5.1所示。圖3.5.1 電源電路圖3.6 鍵盤設(shè)計(jì)軟件需要實(shí)現(xiàn)的主要功能是檢測(cè)鍵盤的輸入，根據(jù)輸入結(jié)果選擇相應(yīng)的波形信號(hào)。鍵盤操作和對(duì)應(yīng)的輸出如下： 輸入按鍵0（第1行第1列），得到正弦波； 輸入按鍵1（第1行第2列），得到矩形波； 輸入按鍵2（第1行第3列），得到三角波；在圖4.1.1中，鍵碼為11對(duì)應(yīng)的是第1行第1列的按鍵；鍵碼為21對(duì)應(yīng)的是第1行第2列的按鍵；鍵碼為41對(duì)應(yīng)的是第1行第3列的按鍵。3.7 本章小結(jié)本章節(jié)著重介紹了如何通過(guò)硬件電路的組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)先前多波形函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。涉及的主要器件有max038、單片機(jī)89c52、放大器ad811、八一片選cd4

31、051和緩沖器buf634p。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖4.1 主程序流程圖圖4.1.1 主程序流程圖5. 系統(tǒng)分析總結(jié)與展望采用max038 芯片制作函數(shù)信號(hào)發(fā)生器隨設(shè)計(jì)思想不同，具有多種方法，本文只是其中一種可實(shí)現(xiàn)的方法。設(shè)計(jì)出的信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需調(diào)整，具有很高的性價(jià)比，體積也很小。和利用分離元件實(shí)現(xiàn)的發(fā)生器相比，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，這足以彌補(bǔ)它在某些方面的不足。同時(shí)該信號(hào)源設(shè)計(jì)尚存在的不足之處，主要有兩個(gè)方面，第一為缺乏頻率準(zhǔn)確顯示的手段，可以配備相應(yīng)的數(shù)字頻率計(jì)模塊，但如何將顯示的精度與信號(hào)源的頻段配合有待討論研究；第二為輸出級(jí)可配以顯示輸出幅度的儀表，并且放大電路有待進(jìn)一步改進(jìn)，使其具有

32、更強(qiáng)的輸出能力。由于使用了單片機(jī)作為電路的控制核心，整個(gè)波形發(fā)生器具有成本低，可靠性高，體積小巧、易于攜帶，功耗低，輸出波形優(yōu)良，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在此波形發(fā)生器輸出加入一個(gè)寬帶可變?cè)鲆娣糯笃骷纯烧{(diào)整輸出波形幅度，改變參考頻率的大小即可改變輸出信號(hào)的分辨率及頻率范圍，頻率范圍可以連續(xù)覆蓋1hz20mhz，分辨率可以做到10hz甚至1hz。對(duì)于低成本的小型波形發(fā)生器，這是max038的一個(gè)理想的應(yīng)用方案。由于此次實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器電路是模數(shù)混合電路，因此在電路設(shè)計(jì)和線路板布局上都有所研究。具體有： max038的模擬電源和數(shù)字電源需要分開(kāi)，在供電時(shí)要分別供電，即分別取自不同的電源，以防數(shù)字信號(hào)通過(guò)電源線干擾模擬部分；同樣模擬地和數(shù)字地的處理也要慎重，pcb板上要用低阻地平面分別將模擬地和數(shù)字地連接，然后在某一點(diǎn)上將兩地相連。在雙層板上，信號(hào)線要盡量布在焊接面，元件為地平面，這樣可以減少信號(hào)間的干擾，這一點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定尤為重要，因?yàn)橄到y(tǒng)性能受iin、fadj、dadj、cosc等引腳周圍的分布電容及信號(hào)環(huán)境的影響特別敏感，此外，這些引腳引線的長(zhǎng)度和面積還應(yīng)盡量短小由于不同結(jié)構(gòu)的電阻具有不同的寄生電容和寄生電感，因此在選擇電阻時(shí)，應(yīng)選用寄生電容和寄生電感小的電阻，推薦使用1%以上精度的金屬膜電阻。在高頻線路中，電源去耦是一