課程設(shè)計（論文）信號源電路模塊的設(shè)計

1、目錄第章緒論21.1概述21.2設(shè)計任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)和要求2第2章方案選擇與論證32.1設(shè)計方案的選擇32.2整體設(shè)計思路4第3章max038的介紹63.1max038的主要特性63.2max038引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)6第4章電路設(shè)計與元器件參數(shù)計算94.1輸出電路的設(shè)計94.2信號發(fā)生部分104.3波形調(diào)整12第5章測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析15結(jié)論16致謝17參考文獻(xiàn)18附錄1信號源電路總體設(shè)計原理圖19附錄2pcb板圖20摘要該波形發(fā)生器以max038函數(shù)發(fā)生器為核心，本系統(tǒng)能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波。同時還可以作為頻率計測頻率。函數(shù)信號的產(chǎn)生由max038和外圍電路完成，能產(chǎn)生1hz20mhz的波形

2、。后級采用集成運(yùn)放來提高輸出波形質(zhì)量并增強(qiáng)帶負(fù)載能力，最終得到所要求的輸出波形，較好的滿足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)與檢測的需求。關(guān)鍵詞：波形產(chǎn)生器；頻率計；max038第章緒論1.1概述在現(xiàn)代電子技術(shù)的研究及應(yīng)用領(lǐng)域。常常需要高精度且頻率可調(diào)的信號源。max038是maxim公司開發(fā)的新一代專用函數(shù)信號發(fā)生芯片，它可以產(chǎn)生正弦波、方波和三角波等三種波形，而且頻率和占空比獨(dú)立可調(diào)。信號源的產(chǎn)生由max038和外圍電路完成。此信號源電路模塊具有可調(diào)范圍大、精度高、信號穩(wěn)定等特點(diǎn)，最終能夠得到所要求的輸出波形，較好的滿足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)與檢測的需求。1.2設(shè)計任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)和要求設(shè)計一款基于max038的信號源電路模塊

3、，要求滿足如下功能或指標(biāo)：(1)能精密地產(chǎn)生三角波、方波、正弦波信號。(2)頻率范圍從5hz-5mhz，各種波形的輸出幅度均為在0.5v2v(p-p)可調(diào)。(3)頻率和占空比可單獨(dú)調(diào)節(jié)，互不影響，方波占空比調(diào)整范圍:15%85%可調(diào)。(4)波形失真小，正弦波失真度小于3，占空比非線性度低于2。(5)采用5v雙電源供電，允許有5變化范圍。第2章方案選擇與論證2.1設(shè)計方案的選擇在現(xiàn)代電子學(xué)的各個領(lǐng)域，常常需要高精度且頻率可方便調(diào)節(jié)的信號發(fā)生器。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。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)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)

4、和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。函數(shù)信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種：（1）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。（2）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)信號發(fā)生器ic產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器ic，如l8038、ba205、xr2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300khz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，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。（3）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，美國馬克西姆公司開發(fā)了新一代函數(shù)信號發(fā)生器icma

5、x038，它克服了（2）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)計上，max038都是優(yōu)選的器件。（4）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。綜合分析以上四種實(shí)現(xiàn)方法的性價比，我們決定采用單片集成芯片max038來設(shè)計信號源電路模塊。頻率越高、產(chǎn)生波形種類越多的發(fā)生器性能越好，但器件成本和技術(shù)要求也大大提高，因此在滿足工作要求的前提下，性價比高的發(fā)生器是我們的首選。2.2整體設(shè)計思路本信號源電路模塊是主要

6、由max038芯片產(chǎn)生我們希望的正弦波、方波、三角波。它是本制作的核心，綜合分析以上四種實(shí)現(xiàn)方法的性價比，采用單片集成芯片max038來設(shè)計信號源電路模塊，頻率范圍可調(diào)。該信號發(fā)生器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：頻率范圍：5hz5mhz(3mhz以上波形有較大失真)；輸出波形：正弦波、三角波和矩形波；占空比調(diào)整：15%85%；輸出信號幅度：2v（p-p）；輸出直流電平調(diào)節(jié)：-6v+6v；輸出阻抗：50。由于以上參數(shù)符合信號源電路模塊設(shè)計的基本要求，我們采用max038來實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、三角波的輸出以及波形頻率的可調(diào)性。這就是本系統(tǒng)的設(shè)計思路?？傇O(shè)計框圖如下圖2-1：圖2-1波形輸出框圖2.2.1輸出電

7、路部分設(shè)計方案方案一射極輸出器這種電路的特點(diǎn)是電路簡單，輸出波形好，輸入電阻高，輸出電阻低，可對前級電路和負(fù)載起到隔離作用，同時帶負(fù)載能力也強(qiáng)，雖然電壓放大倍數(shù)近似為1，但電流放大倍數(shù)大，因此有一定功率輸出能力。這種電路的缺點(diǎn)是由于三極管工作在甲類狀態(tài)，因此效率低（低于50）。在要求高功率、高效率的情況下，不能滿足要求，一般用于輸出功率和效率要求低的場合。方案二bjt管ocl或otl功率放大電路這兩種功率輸出電路在選擇合適的元器件和電源電壓后可以設(shè)計出有較大功率輸出，效率低于75的技術(shù)指標(biāo)來。這兩種電路的缺點(diǎn)是調(diào)整比較費(fèi)事，bjt功率管及電路的對稱性不容易做到，因此，在要求高功率、高效率的情況

8、下、波形很難達(dá)到理想效果。方案三mosfet管功放電路mosfet功率管要求激勵功率小，因此可直接由前置級驅(qū)動而無須再加推動級；輸出功率大，輸出漏級電流具有負(fù)溫度系數(shù)，工作安全可靠，無須加保護(hù)措施，因此比bjt管功放電路簡單。用大功率mosfet配對管模塊tn9np10構(gòu)成的ocl功放電路可實(shí)現(xiàn)：最大輸出功率25w，效率65，帶寬bw=20hz200hz，失真系數(shù)0.2的技術(shù)指標(biāo)。方案四運(yùn)放opa604和高速緩沖器buf634電路opa604是fet輸入高保真運(yùn)放ic，性能十分優(yōu)越，低噪聲10nv/hz，低失真率,如將opa604換成ad747視頻運(yùn)放ic，函數(shù)信號發(fā)生器能夠輸出更高的頻率。功

9、率輸出級由buf634擔(dān)任，這是一種高速緩沖器ic，在電路中起功率擴(kuò)展的作用。2.2.2輸出回路設(shè)計方案的選擇為了提高電路的性能，使得噪聲低、失真率低，本設(shè)計輸出電路選擇方案四，運(yùn)放opa604和高速緩沖器buf634組成電路，以便使其工作更穩(wěn)定，同時可進(jìn)一步使得電路負(fù)載能力很強(qiáng)，功率得到擴(kuò)展。opa604是fet輸入高保真運(yùn)放ic，性能十分優(yōu)越，低噪聲10nv/hz，低失真率,1khz時，僅為0.0003，高轉(zhuǎn)換率25v/s，功率帶寬為20mhz，電路中opa604的閉環(huán)電壓增益gv=100k/10k=10，輸出電壓的幅度增至 20v（pp），有效值為7v左右。功率輸出級由buf634擔(dān)任，

10、這是一種高速緩沖器ic，具有2000v/s的轉(zhuǎn)換速率，輸出電流達(dá)250ma，其電壓增益為1，但負(fù)載能力很強(qiáng)，在電路中起到功率擴(kuò)展。第3章max038的介紹3.1max038的主要特性max038是maxim公司生產(chǎn)的一個只需要很少外部元件的精密高頻波形產(chǎn)生器，在適當(dāng)調(diào)整其外部控制條件時，它可以產(chǎn)生準(zhǔn)確的高頻方波、正弦波、三角波、鋸齒波等信號，這些信號的峰峰值精確地固定在2v，頻率從0.1hz20mhz連續(xù)可調(diào)，方波的占空比從10%90%連續(xù)可調(diào)。通過max038的a0、a1引腳上電平的不同組合，可以選擇不同的輸出波形類型。max038主要性能特點(diǎn)如下：（1）能精密地產(chǎn)生正弦波、矩形波(含方波)

11、、三角波信號。（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2v(p-p)。（3）占空比調(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)范圍為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）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，從而實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)和占空比調(diào)節(jié)。（7)低阻抗定壓輸出，輸出電阻典型值0.1歐姆，具有輸出過載/短路保護(hù)。（8)內(nèi)部功能齊全，外圍電路簡單，使用方便。

12、3.2max038引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）max038采用20腳雙列直插式封裝。各管腳排列如圖3-1所示圖3-1max038引腳圖（2）各引腳功能說明如下1、ref基準(zhǔn)電源2.50v輸出；2、6、9、11、18gnd接地；(5個地內(nèi)部不相連，需外部連接)3、a0波形選擇輸入，兼容ttl/coms電平；4、a1波形選擇輸入，兼容ttl/coms電平；5、cosc外接振蕩電容器cosc；7、dadj脈沖波占空比調(diào)節(jié)輸入；8、fadj振蕩頻率調(diào)節(jié)(電壓輸入)；10、iin振蕩頻率參考電流輸入；12、pdo相位檢測器輸出，如果不使用相位檢測器則接地；13、pdi相位檢測器同步信號輸入，如果不用相位檢測器則

13、接地；14、sync同步脈沖輸出，由dgnd至dv+間的電壓作基準(zhǔn)，允許用外部信號同步內(nèi)部振蕩器，兼容ttl/coms電平如果不用則懸空；15、dgnd數(shù)字電路部分接地開路時則禁止sync或未使用sync；16、dv+數(shù)字電路+5v電源輸入端，如果不用sync可懸空；17、v+電源+5v輸入端；19、out信號輸出端；20、v-電源-5v輸入端。（3）max038工作原理max038的內(nèi)部框圖如下圖所示。主要包括主振器，主振控制器，2.50v基準(zhǔn)電壓源，正弦波形成器，方波形器，比較器，多路選擇器，輸出級和相位檢測器。在cosc與com之間接上振蕩電容cr，利用恒定電流iin向cr充電和放電，即

14、可形成振蕩，產(chǎn)生一個三角波和兩個矩形波。圖中，振蕩器輸出的 三角波經(jīng)正弦波形成器變換成等幅，低失真的正弦波。多路模擬開關(guān)則從輸入的正弦波，三角波和矩形波中選擇一種，作為輸出。波形種類由地址a0，a1的邏輯電平來設(shè)定。與此同時，三角波還經(jīng)過比較器從sync端輸出，可作為外部振蕩器的同步信號。第4章電路設(shè)計與元器件參數(shù)計算4.1輸出電路的設(shè)計為了得到更大的輸出幅度，加有一級電壓放大級，由運(yùn)放opa604擔(dān)任。opa604是fet輸入高保真運(yùn)放ic，性能十分優(yōu)越，低噪聲10nv/hz，低失真率,1khz時，僅為0.0003，高轉(zhuǎn)換率25v/s，功率帶寬為20mhz，電路中opa604的閉環(huán)電壓增益g

15、v=100k/10k=10，輸出電壓的幅度增至20v（pp），有效值為7v左右。如將opa604換成ad747視頻運(yùn)放ic，函數(shù)信號發(fā)生器能夠輸出更高的頻率。功率輸出級由buf634擔(dān)任，這是一種高速緩沖器ic，具有2000v/s的轉(zhuǎn)換速率，輸出電流達(dá)250ma，其電壓增益為1，但負(fù)載能力很強(qiáng)，在電路中起功率擴(kuò)展的作用。圖4-1輸出電路的原理圖輸出信號的幅度由電位器rp3調(diào)節(jié)，為了更精確地調(diào)節(jié)輸出信號幅度，在電位器后加有衰耗電路，由波段開關(guān)sa3將輸出分為1，0.1，0.01三檔。圖4-2輸出信號幅度電路原理圖4.2信號發(fā)生部分接通電源控制在輸出狀態(tài)，此時波形產(chǎn)生電路工作，它產(chǎn)生我們所選擇的波

16、形并輸出到外部電路，另一部分則送入計數(shù)器。波形發(fā)生器的這部分電路是由max038及其外圍電路完成的。max038是一個精密高頻波形產(chǎn)生器。它能產(chǎn)生頻率高達(dá)20mhz的正弦波、三角波、方波等脈沖信號，其壓控振蕩器的頻率分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩層控制。另外max038還包括占空比調(diào)整電路、波形同步電路、相位檢測電路、波形切換開關(guān)和電壓基準(zhǔn)源等電路，所需外部元件少，使用很方便。這部分電路框圖如下圖4-3：圖4-3波形產(chǎn)生原理框圖本系統(tǒng)采用max038設(shè)計了輸出三角波、方波和正弦波的函數(shù)信號發(fā)生器，頻率范圍為5hz5mhz，能夠滿足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)與檢測的需求。整機(jī)電路由信號產(chǎn)生級、電壓放大級、功率輸出級和電源四部分

17、組成。信號產(chǎn)生級的核心器件為max038，它的輸出波形有三種，由波形設(shè)定端a0（3），a1（4）控制，其編碼如表4-1所示。其中x表示任意狀態(tài)。1為高電平，0為低電平。表4-1a0和a1的編碼a0a1waveformx1sina wave 正弦波00square wave 矩形波10triangle wave 三角波max038的輸出頻率f0由iin，fadj端電壓和主振蕩器cosc的外接電容器cf三者共同確定。當(dāng)ufadj=0v時，輸出頻率f0=iin/cf，iin=uin/rin=2.5/rin。當(dāng)ufadj0v時，輸出頻率f0=f（10.2915ufadj）。由波段開關(guān)sa2選擇不同的c

18、f值，將整個輸出信號分為六個頻段。（1）5hz-50hz（2）50hz-500khz（3）500hz-5khz（4）5khz-50khz（5）50khz-500khz（6）500khz-5mhz每頻段頻率的調(diào)節(jié)由電位器rp1和rp2完成。rp1為粗調(diào)電位器，改變rp1數(shù)值，使振蕩電容器cf的充電電流iin改變，從而使頻率改變。rp2為細(xì)調(diào)電位器，它通過改變ufadj的數(shù)值，使輸出頻率變化，它的變化范圍較小，起微調(diào)作用。各種波形的占空比若固定為50，就需將max038的腳7dadj端接地。max038的各種輸出波形的幅度均為2v（pp），為了得到更大的輸出幅度，加有一級電壓放大級，由運(yùn)放opa6

19、04擔(dān)任。opa604是fet輸入高保真運(yùn)放ic，性能十分優(yōu)越，低噪聲10nv/hz，低失真率,1khz時，僅為0.0003，高轉(zhuǎn)換率25v/s，功率帶寬為20mhz，電路中opa604的閉環(huán)電壓增益gv=100k/10k=10，輸出電壓的幅度增至20v（pp），有效值為7v左右。如將opa604換成ad747視頻運(yùn)放ic，函數(shù)信號發(fā)生器能夠輸出更高的頻率。功率輸出級由buf634擔(dān)任，這是一種高速緩沖器ic，具有2000v/s的轉(zhuǎn)換速率，輸出電流達(dá)250ma，其電壓增益為1，但負(fù)載能力很強(qiáng)，在電路中起功率擴(kuò)展的作用。輸出信號的幅度由電位器rp3調(diào)節(jié)，為了更精確地調(diào)節(jié)輸出信號幅度，在電位器后加

20、有衰耗電路，由波段開關(guān)sa3將輸出分為1，0.1，0.01三檔。4.3波形調(diào)整4.3.1輸出頻率的調(diào)整輸出頻率調(diào)整方式分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種方法：粗調(diào)取決于iin引腳的輸入電流iin，cosc引腳的電容量cf(對地)以及fadj引腳上的電壓。當(dāng)vfadj=0v時，輸出的中心頻率f0為：fo(mhz)=iin(a)cosc(pf)。當(dāng)iin在10400a這個范圍變化時，電路可以獲得最佳的工作性能。對于固定頻率工作，可設(shè)置iin接近于100a并選擇一個適當(dāng)?shù)碾娙葜?。電容的取值范圍可以?00f20pf，但必須用短的引線使電路的分布電容減到最小。在cosc引腳以及他的引線的周圍用一個接地平面以減小其他雜

21、散信號對這個支路的耦合。頻率的細(xì)調(diào)是在fadj引腳施加一個2.4v范圍的電壓，可使輸出頻率的調(diào)節(jié)范圍為f=(0.31.7)f0(即f070f0)。max038的輸出頻率還可以由一個電壓源vin與一個固定的電阻rin串聯(lián)來控制，輸出頻率f0為：f0(mhz)=vinrincf(pf)。改變vin就可調(diào)整輸出頻率f0，例如當(dāng)rin為25k并且vin在0.55v變化時，f0可在0.1hz20mhz范圍內(nèi)調(diào)整。接在ref(+2.5v)和fadj之間的可變電阻rf還提供了一個方便的人工調(diào)整頻率的方法。rf的取值如下：rf=(vref-vfadj)250a。例如，如果vref取-2.0v(+58.3偏移)

22、，則rf=+2.5-(-2.0)250a=18k。如圖4-4所示為5hz5mhz函數(shù)信號發(fā)生電路圖4-4輸出頻率調(diào)整電路圖該電路為5hz5mhz函數(shù)發(fā)生器電路，可以根據(jù)需要從輸出的方波、正弦波和三角波中任選一種輸出波形。集成電路max038為專用函數(shù)發(fā)生器，通過電流輸入端iin的電流大小設(shè)定振蕩頻率，用電阻把基準(zhǔn)電壓變換成電流，用流經(jīng)fadj端的電流微調(diào)頻率。電路中的頻率范圍設(shè)定為以10為倍數(shù)進(jìn)行。定時電容在75pf10f范圍內(nèi)進(jìn)行切換?？紤]到5mhz時連線分布電容對工作電容的影響。電路中增加一個50pf的ctc半可變電容與75pf工作電容并聯(lián)，以便對高頻進(jìn)行校準(zhǔn)。頻率設(shè)定電位器pr1采用10

23、圈線繞電阻。電路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可調(diào)元件少，工作可靠。目前廣泛應(yīng)用的函數(shù)發(fā)生器芯片是icl8038(國產(chǎn)5g8038)，他的主要技術(shù)指標(biāo)是最高振蕩頻率僅為100khz，而且三種輸出波形從不同的引腳輸出，使用很不方便。max038是icl8038的升級產(chǎn)品，他的最高振蕩頻率可達(dá)40mhz，而且由于在芯片內(nèi)采用了多路選擇器，使得三種輸出波形可通過編程從同一個引腳輸出，輸出波形的切換時間可在0.3s內(nèi)完成，使用更加方便。4.3.2占空比的調(diào)節(jié)dadj引腳上的電壓值的變化控制波形的占空比。通常vdadj=0v時，則占空比為50。若vdadj在2.3v范圍變化將引起輸出波形占空比在1585的變化(在1

24、585范圍內(nèi)改變占空比，對輸出頻率的影響最小)。接在ref(+2.5v)和dadj之間的可變電阻rd提供了一個方便的人工調(diào)整占空比的方法。rd的取值如下：rd=(vref-vdadj)250a。例如，如果vdadj取-1.5v(23占空比)，則rd=+2.5-(-1.5)250a=16k。dadj引腳還可以用來減小正弦波的失真。未調(diào)整(vdadj=0v)的占空比是502，而偏離準(zhǔn)確的50時將產(chǎn)生偶次諧波，這時加一個調(diào)整電壓(典型值為小于100mv)到dadj，就可以減小失真，如圖4-5所示，調(diào)整r6可以使正弦波失真最小，從而得到理想的波形。圖4-5占空比精密調(diào)整電路第5章測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析1周

25、期性波形測試周期性波形包括頻率可調(diào)的正弦波、方波、三角波。用示波器來測試波形的頻率，如表5-1所示。表5-1波形頻率測試數(shù)據(jù)檔位電容iin頻率幅度1c175pf5hz-50hz2c21000pf50hz-500khz3c30.01uf500hz-5khz4c40.1uf5khz-50khz5c51uf50khz-500khz6c610uf500khz-5mhz2數(shù)據(jù)分析說明從數(shù)據(jù)中可看出，由于通用電路板本身結(jié)構(gòu)的限制，影響了整個電路的布局和走線，從而引入了一定的躁聲和干擾。3穩(wěn)定性問題欲使max038長時間地在正常溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定的輸出電壓，必須采取以下措施：(1)決定頻率的外接電阻和電容器的溫度特性要好，否則將會降低器件的性能；(2)外部電源應(yīng)穩(wěn)定；(3)應(yīng)選用高精度的金屬膜電阻，誤差在1或更好的；(4)電容器必須選用溫度系數(shù)低的npo陶瓷電容器。在cosc引腳上的電壓是一個在0-1v之間變化的三角波，不宜使用電解電容，但如果使用了這種電容，則負(fù)端必須接cosc，而正端接gnd。結(jié)論通過這次畢業(yè)設(shè)計，讓我受到了一次應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題的全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在綜合知識的選用