DZ104多用信號發(fā)生器系統(tǒng)設計

DZ104多用信號發(fā)生器系統(tǒng)設計,dz104,多用,信號發(fā)生器,系統(tǒng),設計 哈爾濱理工大學學士學位論文- I -多用信號發(fā)生器設計摘要信號發(fā)生器在動態(tài)測試領域有重要的作用。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)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。函數(shù)信號發(fā)生器是是由基礎的非正弦信號發(fā)生電路和正弦波形發(fā)生電路組合而成。本設計應用晶體管、運放IC 等通用器件制作了簡單易行的一套信號發(fā)生器電路，可以正確輸出三角波、方波和正弦波等波形。設計中在原有方波，三角波和正弦波的電路基礎上增加一級放大器，以實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)和，輸出阻抗為 50Ω。試驗結(jié)果顯示，通過調(diào)試可以正確顯示所需要的波形，并利用仿真軟件Maltose 畫出電路圖，做出 PCB 布線圖。結(jié)果顯示，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立調(diào)節(jié)，二者又互相影響。最后簡單介紹了以 ICMAX038 集成芯片為核心采用 MCU 微處理器控制程控繼電器和數(shù)字電位器設計的多功能信號發(fā)生器。該發(fā)生器能夠輸出方波、正弦波和三角波并能實現(xiàn)頻段選擇和頻段內(nèi)頻率微調(diào)，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1Hz-20MHz 的波形。波形選擇由單片機完成，輸出或輸入頻率經(jīng)74HC390 分頻后，由單片機完成自動頻率檢測顯示。該信號發(fā)生器克服了上述信號發(fā)生器的不足。關鍵詞 信號發(fā)生器；運算放大器；ICMAX038 哈爾濱理工大學學士學位論文- II -Multi-functional Signal GeneratorAbstractSignal generator in the field of dynamic testing has an important role. Various wave curves can be used to express trigonometric equation. Can produce a variety of waveform, such as triangular wave, saw tooth, rectangle wave (including square), and the sine wave function of the circuit known as the signal generator. Function signal generator circuit in the experiments and test equipment in a very wide range of uses. Yes function signal generator from the basis of non-sinusoidal signal circuits and sine-a combination of a circuit. The design of transistors, Wan Fang IC devices such as GM produced a simple set of signal generator circuit; the output can be right triangle, square and sine wave, and so on. The design of the Original Square, triangular and sine-wave circuit on the basis of an increase in amplifiers to achieve the adjustable output voltage and output impedance of 50 Ω. The results showed that, through commissioning can correct the necessary waveforms and use simulation software Maltose draw schematics, PCB wiring pattern made. The results showed that less of their functions, accuracy is not high, only limit the frequency 300 kHz, unable to generate a higher frequency signal, the lack of regulation means a flexible, frequency and duty cycle can not be independent regulation, they also affect one another.The integrated chip design to ICMAX038 MCU used as the core microprocessor-controlled digital program-controlled relays and potential design of the multi-purpose signal generator can output square-wave, sine wave and triangular wave band and can achieve within the frequency band options and fine-tuning. The signal generator can produce sine, square, triangular wave. At the same time can be measured as the frequency of frequency. Function of the signal generated by the MAX038 and the completion of the external circuit, can produce 1 Hz-20MHz waveforms. Waveform choose from SCM completed, the output or input frequency by 74 HC390-frequency, SCM completed by frequency automatically detected.Keywords signal generator；operational amplifiers ； ICMAX038哈爾濱理工大學學士學位論文- III -目錄摘要 .......................................................................................................................IAbstract................................................................................................................II第 1 章 緒論 ........................................................................................................11.1 課題背景 ....................................................................................................11.1.1 多用信號發(fā)生器在現(xiàn)代科技中的運用 ............................................11.1.2 信號發(fā)生器的發(fā)展前景 .....................................................................41.2 信號發(fā)生器的國內(nèi)外現(xiàn)狀 ........................................................................51.3 設計要求指標 ............................................................................................6第 2 章 理論 概述 ................................................................................................72.1 2.1 信號發(fā)生器的設計方案 ......................................................................72.2 電路設計 ....................................................................................................72.2.1 方波發(fā)生器 .........................................................................................72.2.2 三角波發(fā)生器 .....................................................................................92.2.3 正弦波發(fā)生器 ...................................................................................112.3 本章小結(jié) ..................................................................................................14第 3 章 電路設計和元件器選擇 ......................................................................153.1 電路圖設計 ..............................................................................................153.2 元器件及參數(shù)選擇 ..................................................................................163.2.1 方波信號發(fā)生器電路元器件及參數(shù)選擇 .......................................163.2.2 三角波和正弦波信號發(fā)生器電路元器件及參數(shù)選擇 ...................173.3 電路的仿真調(diào)試 ......................................................................................173.4 本章小結(jié) ..................................................................................................19第 4 章 信號發(fā)生器的制作 ..............................................................................204.1 一種新型的信號發(fā)生器 ..........................................................................204.1.1 芯片管腳功能 ...................................................................................204.1.2 芯片內(nèi)部電路的特點 .......................................................................214.1.3 芯片內(nèi)部結(jié)構圖 ...............................................................................214.2 主要參數(shù)的確定 ......................................................................................224.3 制作過程 ..................................................................................................244.3.1 電子電路的組裝 ...............................................................................244.3.2 電子電路的調(diào)試 ...............................................................................254.3.3 單元電路調(diào)試 ...................................................................................254.3.4 整機聯(lián)調(diào) ...........................................................................................254.4 本章小結(jié) ..................................................................................................26哈爾濱理工大學學士學位論文- IV -結(jié)論 ....................................................................................................................28致謝 ....................................................................................................................29參考文獻 ............................................................................................................30附錄 A ................................................................................................................31附錄 B ................................................................................................................36哈爾濱理工大學學士學位論文- 1 -第 1 章 緒論1.1 課題背景信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領域中有著廣泛的應用。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)生器在電路實驗和設備檢測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） 、視頻信號或脈沖信號運載出去，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)學等領域內(nèi)，如高頻感應加熱、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。1.1.1 多用信號發(fā)生器在現(xiàn)代科技中的運用現(xiàn)代科技的進步以計算機的進步為代表，不斷創(chuàng)新的計算機技術，正以不可逆轉(zhuǎn)之勢從各個層面上影響著各行各業(yè)的技術進步，今天的測控儀器行業(yè)同樣經(jīng)歷著一場翻天覆地的變革。一方面，計算機技術的進步為新型的信號發(fā)生器儀器產(chǎn)生提供了現(xiàn)實基礎，主要表現(xiàn)在：1.微處理器和DSP（digital signal processing）技術的快速進步以及其性能價格比不斷上升大大改變了傳統(tǒng)電子行業(yè)的設計思想和觀念，原來許多由硬件完成的功能今天能夠依靠軟件實現(xiàn)。2.面向?qū)ο蠹夹g、可視化程序開發(fā)語言在軟件領域為更多易于使用、功能強大的軟件開發(fā)提供了可能性。另一方面，傳統(tǒng)的測控儀器越來越滿足不了科技進步的要求，主要表現(xiàn)在：1.現(xiàn)代測控要求儀器不僅僅能單獨測量到某個量，而更希望它們之間能夠互相通信，實現(xiàn)信息共享，從而完成對被測各系統(tǒng)的綜合分析、評估,得出準確判斷。傳統(tǒng)儀器在這方面顯然存在嚴重不足，甚至根本不可能實現(xiàn)。2.對于復雜的被測系統(tǒng)，面對各個廠家的不同測試設備，使用者需要的知識很多。這樣的儀器不僅使用頻率和利用率低，而且硬件存在冗余。鑒于上述原因，基于計算機的測試儀器逐漸變得現(xiàn)實，其出現(xiàn)和廣泛使用對測控儀器產(chǎn)生較為深遠影響。對于復雜的被測系統(tǒng)，面對各個廠家的不同測試設備，使用者需要的知識很多。這樣的儀器不僅使用頻率和利用率低，而且硬件存在冗余。哈爾濱理工大學學士學位論文- 2 -鑒于上述原因，基于計算機的測試儀器逐漸變得現(xiàn)實，其出現(xiàn)和廣泛使用對測控儀器產(chǎn)生較為深刻的影響。作為傳統(tǒng)儀器的革新產(chǎn)品，虛擬儀器的作用在今天已日漸普及。多用信號發(fā)生是指通過應用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化模塊硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像在操作自己定義、自己設計的一臺單個儀器一樣，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。與傳統(tǒng)儀器一樣，它同樣可以劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能塊。虛擬儀器以透明方式把計算機資源和儀器硬件的測控能力相結(jié)合,實現(xiàn)儀器的功能運作。儀器的內(nèi)部功能劃分應用程序?qū)⒖蛇x硬件（如GPIB、VXI、RS2232 、DAQ ）和重復使用源碼庫函數(shù)的軟件結(jié)合起來實現(xiàn)模塊間的通信、定時與觸發(fā),源碼庫函數(shù)為用戶構造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。當用戶的測試要求變化時，可以方便地由用戶自己來增減硬軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足現(xiàn)有系統(tǒng)的測試要求。所以，虛擬儀器是由用戶自己定義、自由組合的計算機平臺、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)功能所需附件，而這在由供應商定義、功能固定、獨立的傳統(tǒng)儀器上是達不到的。電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、帶GPIB接口的智能化儀器到全部可編程虛擬儀器的發(fā)展歷程，其中每次飛躍都是以計算機技術的進步為動力。由于計算機技術特別是計算機總線標準的發(fā)展直接導致了虛擬儀器在PXI 和VXI 兩個領域中得到了快速發(fā)展，它們成為未來儀器行業(yè)的兩大主流產(chǎn)品。給定計算機運算能力和必要的儀器硬件之后，構造和使用虛擬儀器的關鍵在于應用軟件?；谲浖谔摂M儀器中的作用，美商國家儀器公司（Na2tional Inst rumens，簡稱NI）提出了“軟件即儀器”（The software is the inst rumens）的口號，而其Lab2VIEW也不能不被提及，它提供了虛擬儀器的圖形編程環(huán)境，在這個軟件環(huán)境中提供的一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程模式，用戶只需連接各個邏輯框即可構成程序。它還以圖形方式提供了大量的顯示和分析程序庫，利用軟件平臺可大大縮短虛擬儀器控制軟件的開發(fā)時間，而且用戶可以建立自己的措施方案。大致說來，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個階段，而這三個階段又可以說是同步進行的。第一階段：利用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進。由于GPIB 總線標準的確立，計算機和外界通信成為可能，因而用戶可以用計算機控制儀器，而隨著計算機系統(tǒng)性能價格比的不斷上升，用計算機控制測控儀器成為一種趨勢。經(jīng)過近十年的發(fā)展，這些用戶得到了越來越多的關于計算機控制儀器的軟件，并且這些軟件易學易用。最新的軟件包括寫前儀器驅(qū)動庫、數(shù)據(jù)分析函數(shù)庫、圖形接口函數(shù)庫等。用戶可以利用這些強有力的軟件來增強自己儀器系統(tǒng)的功能，使它能夠分析和處理特定的數(shù)據(jù)，并顯示結(jié)果，哈爾濱理工大學學士學位論文- 3 -而不是限于儀器的固定功能之上。實際上，只需要把傳統(tǒng)儀器通過GPIB或RS2232同計算機連接起來，這些新增功能就能運轉(zhuǎn)良好。因而，用戶可將大量的獨立儀器同計算機相連形成用戶自己設計的虛擬儀器。在儀器銷售市場上也發(fā)生了巨大的變化，通用的數(shù)字式儀器銷售量猛增，而專用的傳統(tǒng)儀器銷售量大幅度下降。用戶意識到有了計算機和數(shù)字化設備，他們就可以實現(xiàn)信號數(shù)字化，從而對他們的數(shù)據(jù)做特定分析處理并顯示在計算機屏幕上。畢竟，臺式計算機的處理能力遠遠超過一般儀器處理功能。第二階段：開放式的儀器構成。為滿足虛擬儀器市場不斷增長的需求，這時在儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術進步：一是插入式計算機數(shù)據(jù)處理卡（plug2in PC DAQ）；二是VXI 儀器總線標準的確立。這些新的技術使儀器的構成得以開放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應商定義儀器功能的區(qū)別。儀器設計者們與用戶一樣，企圖盡可能地提高效率和重復使用很多技術。儀器生產(chǎn)商建立了他們自己設計的內(nèi)在標準，使得他們的位微處理器、存儲器、數(shù)據(jù)采集、分析、顯示的軟件等產(chǎn)品有利可圖。許多在儀器上通用的元器件就是計算機里的標準件，這樣使得計算機成為一個構建虛擬儀器的理想平臺。許多特殊功能鍵A/D、D/A、數(shù)字I/O、時間I/O 組件都是模塊化的功能塊，能夠直接插在儀器上與儀器內(nèi)部的處理器總線相連。眾所周知，現(xiàn)代計算機也有擴展槽，所以用戶可將這些模塊化的插卡直接插在擴展槽內(nèi)。傳統(tǒng)的儀器相關軟件都是固化在內(nèi)部ROM內(nèi)，這些軟件也只針對專門儀器，雖然其中許多代碼都是從其他儀器設計商的軟件模塊中得來的。而在虛擬儀器中，專用儀器的軟件也是使用模塊化的可重用代碼。但不像傳統(tǒng)儀器那樣，只限于單一特殊的ROM，虛擬儀器的功能軟件是以文件形式儲存在硬盤和軟盤上的，可以安裝在任何計算機上。當然，多個虛擬儀器可以共存于一臺計算機上。而且，某個特定的儀器在一段時間內(nèi)可以獨享計算機的顯示和控制部分，像傳統(tǒng)儀器一樣，但是很多虛擬儀器能夠共享顯示，盡管每個儀器有其獨特的硬件。正是由于第二階段虛擬儀器在軟硬件上的這些進步，使得它的構建具備了開放性和更大的靈活性，得到了更加廣泛的應用。第三階段虛擬儀器框架得到了廣泛認同和采用。軟件領域面向?qū)ο蠹夹g把任何用戶構建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來，虛擬儀器將成為一種主流技術。許多行業(yè)標準在硬件和軟件領域已產(chǎn)生，幾個虛擬儀器平臺已經(jīng)得到認可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標準工具。發(fā)展到這一階段,人們也認識到了虛擬儀器軟件框架才是數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的關鍵。美商國家儀器公司總結(jié)了這些觀點并提出了一句口號“軟件即儀器”。他們的軟件產(chǎn)品也創(chuàng)造了整體的儀器框架。信號發(fā)生器是一種常用的信號源，它廣泛應用于教學及科學研究實驗中。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器性價比低，功能少且模式固定。近年來，隨著哈爾濱理工大學學士學位論文- 4 -虛擬儀器（virtual instruments, 簡稱VI）技術的發(fā)展，誕生了虛擬信號發(fā)生器，但其發(fā)生信號類型較少。一般只有正弦、方波、三角波及鋸齒波等幾種常用基本信號，對信號的控制功能還有局限性，無法滿足各種實驗的廣泛需要。本設計以聲卡作為信號DSA通道，充分利用 Lab-VIEW開發(fā)平臺提供的豐富資源，采用模塊化的設計方法，共有18個子VI，進一步完善了虛擬信號發(fā)生器的功能，能產(chǎn)生10種常用信號。該信號發(fā)生器對波形及數(shù)據(jù)文件具有處理功能，對輸出通道具有選擇控制功能，同時可以利用通用函數(shù)信號發(fā)生子VI進行數(shù)學模型的仿真。1.1.2 信號發(fā)生器的發(fā)展前景信號發(fā)生器系統(tǒng)已成為儀器領域的一個基本儀器，是技術進步的必然結(jié)果。今天，它的應用已經(jīng)遍及各行各業(yè)。很多測量工程師現(xiàn)在都在使用虛擬儀器,即:用計算機控制一臺GPIB或RS2232儀器，通過計算機屏幕上的圖形化前面板操作儀器，這與操作一臺物理的儀器沒有區(qū)別。計算機能夠模仿遠處的物理設備，整個過程給你一個感覺：你不在儀器旁邊，卻在遠處虛擬地操作著這臺儀器。另外的一種情況是將一個圖形化儀器前置面板放在計算機上，計算機連接著一塊插入式數(shù)據(jù)采集卡和一個VXI 功能模塊，而不連接 GPIB 儀器。這時，儀器本身沒有前置面板，因而你不能將它作為一臺獨立的儀器來使用。因而，計算機成了這個儀器系統(tǒng)的一個組件，計算機的前置面板操作成了唯一的操作儀器的方式。還有一種情況就是沒有任何功能模塊連接在計算機上，雖然計算機上同樣有前置軟面板，計算機通過數(shù)據(jù)文件和網(wǎng)絡得到數(shù)據(jù)，對它進行分析處理，或者它不用外部的真實數(shù)據(jù)，而是計算機處理一些“自己”的數(shù)據(jù)對一個物理過程或某個項目進行仿真。儀器技術經(jīng)過十幾年的發(fā)展,而今正沿著總線與驅(qū)動程序標準化、硬/軟件模塊化編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用方向進步。以開放式模塊化儀器標準為基礎的虛擬儀器標準正日趨完善，建立在VXI 技術上的各種先進儀器將會層出不窮。儀器技術在發(fā)達國家的推廣應用也是十分普及，不僅在電子測量領域、過程控制領域，包括人們生活的其它許多領域，利用虛擬儀器實現(xiàn)復雜的測量與控制系統(tǒng)的例子也很多。我國目前還基本處于傳統(tǒng)儀器與計算機化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關的產(chǎn)品商家都在向中國這個巨大的市場進軍。結(jié)合我們的實際情況,我們必須走引進與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進國外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術、部分產(chǎn)品,吸收最新成果技術；另一方面，發(fā)展基于計算機的插卡式硬件模塊為主的測控技術，發(fā)展圖形化平臺的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計算機及測試技術軟硬件，縮短與國際先進水平之間的差距。隨著電信技術的發(fā)展，高性能的信號發(fā)生器對系統(tǒng)的測試起著至關哈爾濱理工大學學士學位論文- 5 -重要的作用。傳統(tǒng)的模擬信號發(fā)生器由于輸出波形單一，頻率及相位調(diào)節(jié)精度低，同時不能滿足現(xiàn)代復雜電子系統(tǒng)設計的要求，利用多用途專用芯片直接數(shù)字合成設計信號發(fā)生器成本太高。本文提出基于單片機與技術的多功能信號發(fā)生器的設計，主要采用性價比較高的系列器件，即滿足信號發(fā)生器性能要求又降低成本。1.2 信號發(fā)生器的國內(nèi)外現(xiàn)狀儀器技術在發(fā)達國家的推廣應用也是十分普及，不僅在電子測量領域、過程控制領域，包括人們生活的其它許多領域，利用虛擬儀器實現(xiàn)復雜的測量與控制系統(tǒng)的例子也很多。我國目前還基本處于傳統(tǒng)儀器與計算機化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關的產(chǎn)品商家都在向中國這個巨大的市場進軍。結(jié)合我們的實際情況，我們必須走引進與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進國外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術、部分產(chǎn)品,吸收最新成果技術；另一方面，發(fā)展基于計算機的插卡式硬件模塊為主的測控技術，發(fā)展圖形化平臺的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計算機及測試技術軟硬件，縮短與國際先進水平之間的差距。為了共享測試系統(tǒng)資源，越來越多的用戶正在轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡。工業(yè)現(xiàn)場總線是一個網(wǎng)絡通訊標準，它使得不同廠家的產(chǎn)品通過通訊總線使用共同的協(xié)議進行通訊?，F(xiàn)在，各種現(xiàn)場總線在不同行業(yè)均有一定應用；工業(yè)以太網(wǎng)也有望進入工業(yè)現(xiàn)場，應用前景廣闊；Internet已經(jīng)深入各行各業(yè)乃至千家萬戶。嵌入式智能儀器設備聯(lián)網(wǎng)的需求將越來越廣泛。為此，NI等公司已開發(fā)了通過web瀏覽器觀測嵌入式儀器設備的產(chǎn)品，使人們可以通過internet操作儀器設備。根據(jù)虛擬儀器的特性，人們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機網(wǎng)絡。利用網(wǎng)絡技術將分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網(wǎng)絡上得以共享，減少了設備重復投資?，F(xiàn)在，有關mcn（measurement and control networks）方面的標準已經(jīng)取得了一定進展。由此可見，mcn網(wǎng)絡化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景?，F(xiàn)在電信技術的飛速發(fā)展，高性能的信號發(fā)生器對系統(tǒng)的測試起著至關重要的作用。傳統(tǒng)的模擬信號發(fā)生器由于輸出波形單一，頻率及相位調(diào)節(jié)精度低，同時不能滿足現(xiàn)代復雜電子系統(tǒng)設計的要求，利用多用途專用芯片直接數(shù)字合成設計信號發(fā)生器成本太高。本文提出基于單片機與技術的多功能信號發(fā)生器的設計，主要采用性價比較高的系列器件，即滿足信號發(fā)生器性能要求又降低成本。綜上所述，基于不同的通訊總線和聯(lián)網(wǎng)總線，虛擬儀器可面向高中低端的不同應用。目前，全球有成千上萬臺測控設備中正在使用虛擬儀器，虛擬儀器正在深入各行各業(yè)，影響著人類的生產(chǎn)、教學、科學實驗、哈爾濱理工大學學士學位論文- 6 -國防等，甚至進入家庭自動化管理。由于可充分利用計算機、網(wǎng)絡和通訊的相關技術，遠程調(diào)控的虛擬儀器有望取代測量技術傳統(tǒng)領域的各類儀器。1.3 設計要求指標基于簡單成本低而且能夠輸出至少三種波形的設計要求，所以，本信號設計指標如下 [1]：1.輸出為方波、三角波和正弦波三種波形，用開關切換輸出；2.均為雙極性；3.輸出阻抗均為 50Ω；4.具有數(shù)字顯示輸出信號頻率和電壓幅值功能。哈爾濱理工大學學士學位論文- 7 -第 2 章 理論概述2.1 信號發(fā)生器的設計方案函數(shù)信號發(fā)生器是是由基礎的非正弦信號發(fā)生電路和正弦波形發(fā)生電路組合而成。下面我們將分別對各個波形的發(fā)生進行分析，并且提出幾種方案，從而達到在合成電路時使電路更加合理。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，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 ICMAX038，它克服了方案二中芯片的缺點，可以達到更高的技術指標，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)制器等電路的設計上，MAX038 都是優(yōu)選的器件 [2]。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)生任意波形并達到很高的頻率，但成本較高。以上四種方案中，方案二與方案三均為可行的方案。方案二簡單易行，在知識和設備有限的條件下，可選擇方案二進行信號發(fā)生器的設計。2.2 原理電路2.2.1 方波發(fā)生器圖 2-1 為用運算放大器、滯回比較器和 、C 積分電路組成的方波fR發(fā)生電路，輸出電壓經(jīng) 、C 反饋到運放的反相輸出端，因此積分電路fR起延遲和負反饋作用 [3]。哈爾濱理工大學學士學位論文- 8 -圖 2-1 方波發(fā)生電路如圖 2-1 所示，設在接通電源的時刻，電容器兩端電壓 ，輸0?Cu出電壓 ，則加到運放同相輸出端的電壓為ZOUu?（2-1）ZPFURu??21式中， 。此時 通過 向 C 充電，使運放反相)(21FOu1R輸入電壓 由零逐漸上升。在 以前， 保持不變。CN?PN?ZOu?在 時刻， 上升到略高于 ， 由高電平跳到低電平，即變?yōu)?tuP。 時， ，同時 通過 向 C 充電，使ZU?ZOZPFU?ZO?f運放反相輸入端電壓 由零逐漸上升。在 以前，CN PN?保持不變。在 時刻， 下降到略低于 ， 由低電平跳u?2t?NuuO到高電平，即變?yōu)?，又回到原始狀態(tài)。如此周而復始，循環(huán)不已，Z因此產(chǎn)生振蕩，輸出方波。根據(jù)上邊的分析，可以畫出 與 的波形如圖 2-2 所示。CO哈爾濱理工大學學士學位論文- 9 -圖 2-2 輸入輸出波形由波形可知， 從 時刻的 [4]下降到 時刻Cu1t ZZFUR??)(21 2t的 ，再上升到 時刻的 ，所需的時間就是一個振蕩周期 ，ZFU?3FUOT在 到 這段時間， 的變化規(guī)律是簡單 RC 電路充放電規(guī)律，其常數(shù)1t2為 ，初始值為 （ 時刻） ，終值為 （t→∞） ，故Rf Z1tZ?（2-2）CRtZC feu/)(1]([???在 時， ，代入式（2-2）后可求得2tF（2-3）)2ln(1ln11Rtff ??同樣可求得 （2-4）)l(12123 RCttf?由于高低電平所占的時間相等，故 是方波。其振蕩周期為Ou（2-5）)ln(1213tTf??若選取適當?shù)?、 值，使 ，則R2 47.0?FCRTf2于是振蕩頻率為：（2-6）CTff0?2.2.2 三角波發(fā)生器根據(jù) RC 積分電路輸入和輸出信號波形的關系 [5]可知，當 RC 積分哈爾濱理工大學學士學位論文- 10 -電路的輸入信號為方波時，輸出信號就是三角波，由此可得，利用方波信號發(fā)生器和 RC 積分電路就可以組成三角波信號發(fā)生器。三角波信號發(fā)生器的電路組成如圖 2-3 所示 [6]。圖中的運算放大器 組成方波信號1A發(fā)生器， 組成 RC 積分電路。該電路的工作原理是：方波信號發(fā)生器2A輸出的方波。圖中 等還可構成同相滯回比較器， 和 、C 等組成1 24R反相積分電路。信號輸入積分電路，在積分電路的輸出端得到三角波信號。積分電路的輸出端除了輸出三角波信號外，并通過電阻 R1 將三角波信號反饋到滯回電壓比較器的輸入端，將三角波信號整形變換成方波信號輸出。圖 2-3 三角波發(fā)生電路根據(jù)上圖可以看出在 t=0 時，比較器 輸出電壓為高電平，電容兩1A端的電壓為零，即 略低于 ， ，則積分電路輸出1puZOU?)0(10)(?Cu電壓 。此時電容被充電，顯然)0()(??COu（2-7）??tRdRttTZ4041??于是 線性下降， 也下降，直到 時， 略低于o1Pu1?1Pu，即 略低于零時， 從 突跳到 ，同時 也跳)0(1?Nup1OZUZ?1P變到更低的值（比零低的多） ?？梢?，在 前的一瞬間， ，1t 0?，而從流過 和 的電流相等，則 ，故ZOU112 21)(RORt21)(?后，由于 ，故電容放電，其兩端電壓?ZOu??1（2-8）???t ZCC tRUtud0 1414 )()()(哈爾濱理工大學學士學位論文- 11 -因 （2-9）ZOCURtut211)(?故 （2-10）)(14tC???于是 線性上升， 也上升。直到 時， 略大于零， 從Ou1P2tPu1Ou突跳到 ?？梢姡?前的一瞬間， ， ，則ZU?Z2t?01?ZU1212)(Rt?故 （2-11）ZOURtu21)(在 以后電路周而復始，循環(huán)不已，形成振蕩。2t根據(jù)分析，我們可以得知三角波形成的電路的形成過程，并且可以具體的畫出三角波的波形圖，三角波信號發(fā)生器的電路組成是方波信號發(fā)生器輸出的方波，當方波信號輸入積分電路 RC 的時候，則在積分電路的輸出端得到三角波信號。因此，可以畫出 和 的波形，如圖 2-4 所示。1Ou圖 2-4 與 波形1ouO其中 為方波， 為三角波。 之所以為三角波，是由于電容充1ouo放電的時間常數(shù)相等，積分電路輸出電壓 上升和下降的幅度和時間相o等，上升和下降的斜率的絕對值也相等。顯然，三角波 峰值為：ou（2-12）ZomUR12?下面求振蕩周期。由于 ，而當 時，有Tt?21tt?哈爾濱理工大學學士學位論文- 12 -（2-13）)(1421tCRUuZO????則 （2-14）ZZURt 122)( ?故 （2-15）2412)(tT則可以在調(diào)整三角波電路時，應先調(diào)整 或 ,使其峰值達到所需2要的值，然后再調(diào)整 或 C，使頻率 能滿足要求。4RTf0?2.2.3 正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器又稱文氏電橋振蕩器 [7]，如圖 2-5 所示，其中 A 放大器由同相運放電路組成，因此， （2-16）)1(2RVAdov??（a） （b）圖 2-5 正弦波發(fā)生電路F 網(wǎng)絡由 RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡組成 [7]，由于運算放大器的輸入阻抗 Ri 很大，輸出阻抗 Ro 很小，其對 F 網(wǎng)絡的影響可以忽略不計，從圖 2-5（a）有哈爾濱理工大學學士學位論文- 13 -RCjjRVFofv ???1（2-17）)1(3))(1( 2Cjjj ????由自激振蕩條件 [8]：T=AF=1 有（2-18）)1(32??CRjAFvv?所以上式分母中的虛部必須零，即 02?RC10???振 蕩 頻 率式（2-18 ）的實部為 1，即 ，得到起振條件 。13?RAv 3vA對圖 2-5（b）所示同相運放， ，須滿足 。12v??12R?以上分析表明：1.文氏電橋振蕩器的振蕩頻率 ，由具有選頻特性的 RC 串RC0?聯(lián)網(wǎng)絡決定。 2.圖 2-5 文氏電橋振蕩器的起振條件為 ，即要求放大器的電3?vA壓增益大于等于 3，略大于 3 的原因是由于電路中的各種損耗，致使幅度下降而給予補償。但 A 比 3 大得多了會導致輸出正弦波形變差。2.3 本章小結(jié)本章主要講述了信號發(fā)生器設計所提出的幾種設想方案，并根據(jù)方案分別研究了方波、三角波和正弦波三種波形的基本原理及發(fā)生電路。哈爾濱理工大學學士學位論文- 14 -第 3 章 電路設計及元件器選擇為了實現(xiàn)設計指標的要求，將在原有方波，三角波和正弦波的電路基礎上增加一級放大器，以實現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)和，輸出阻抗為 50Ω。3.1 電路圖設計設計的波形發(fā)生電路如圖 3-1 及 3-2 所示。圖 3-1 中增加了 MC4558CD 放大器 [8]。可以準確輸出所需要的方波信號。圖 3-2 中同時加入了同樣型號的放大器來滿足設計指標的要求，可以準確輸出三角波和正弦波信號。圖 3-1 方波波形發(fā)生電路哈爾濱理工大學學士學位論文- 15 -圖 3-2 三角波和正弦波發(fā)生電路3.2 元器件及參數(shù)選擇3.2.1 方波信號發(fā)生器電路元器件及參數(shù)選擇1．運算放大器的選擇：根據(jù)指標要求，這里主要考慮雙電源、通用、無需調(diào)零型的運放，可選擇 MC4558[10]。2． 和 的選擇： 和 一般在幾千歐到幾歐之間，這里選R21R2＝ 4.7kΩ， ＝5.1kΩ。13． 、 和 C 的選擇：當滿足 時，1ff 47.0)(21??R。])([)(21f ffo ???若 不是很低，C 可 1μF 以下， 可選幾千歐到幾萬歐之間，圖f f中， 為電位器。2fR哈爾濱理工大學學士學位論文- 16 -設 C＝ 0.33μF，當 ＝0 時，應有 ，由此2fRHzCRffo20)(1??可得 ，當 最大時，應有 由??kRf6.71f ff][?此可得 68.4kΩ。2f4．電源電壓的選擇：MC4558 的正常電源為 15V 左右。5．穩(wěn)壓二極管的選擇 [11]：考慮輸出電壓和電源電壓的要求，可選穩(wěn)壓二極管為 1N4740，其穩(wěn)壓值約為 10V。6． 和 的選擇： 和 一般在幾千歐到幾萬歐之間，為實現(xiàn)4R54R5輸出電壓可調(diào)， 應為可調(diào)電位器。由于輸入電壓為 10V，而輸出電壓要求最大為 5V，因此，可選 ＝10kΩ， ＝4.7kΩ 的電位器。45R3.2.2 三角波和正弦波信號發(fā)生器電路元器件及參數(shù)選擇由于三角波是由方波電路進行積分得來的，所以只需在方波電路原基礎上增加部分功能電路即可。大部分器件的選擇也是相同的。3.3 電路的仿真調(diào)試調(diào)試中，我們將第一節(jié)中的兩個波形發(fā)生器整合做出一個完整的信號發(fā)生器如上圖 3-3 所示。圖 3-3 函數(shù)信號發(fā)生器電路圖 [12]哈爾濱理工大學學士學位論文- 17 -利用仿真軟件 Multiuse 畫出電路圖，得出仿真結(jié)果如圖 3-4 所示。圖 3-4 仿真結(jié)果我們可以利用以上的仿真模式做出 PCB 電路圖并可以在實驗室進行準確的測試，可以很方便的在仿真模式下觀測電路下設計的信號發(fā)生器的具體工作流程，并加以多方面的調(diào)試。可以利用 Protel 軟件將電路畫出，生成 PCB 板模式，進行布局和布線。做出一個信號發(fā)生器。PCB圖如圖 3-5 所示。哈爾濱理工大學學士學位論文- 18 -圖 3-5 PCB 制成圖如上圖輸出結(jié)果完全符合設計要求。3.4 本章小結(jié)本章第一節(jié)主要講述了產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的電路設計圖。第二節(jié)對設計所需要的元器件選擇和參數(shù)的具體確定，并在最后對電路進行了仿真測試做出了信號發(fā)生器的電路圖，同時在仿真模式下用Protel 軟件將電路做出生成 PCB 版式進行布線和布局，做出一個信號發(fā)生器。哈爾濱理工大學學士學位論文- 19 -第 4 章 信號發(fā)生器的制作4.1 一種新型的信號發(fā)生器由于方案三的合理性、優(yōu)越性和先進性這里我們將方案二和方案三進行比較，這里主要介紹基于方案三的一種新型信號發(fā)生器的工作原理和過程。用高精度集成芯片國產(chǎn) MX038 作為核心制作函數(shù)信號發(fā)生器。MAX038 內(nèi)部含有精密帶隙電壓參考、鑒相器和 TTL 同步輸出，能以最少的外部元件構成一臺多波形的高頻函數(shù)信號發(fā)生器，也可以單獨用作電壓控制振蕩器、頻率調(diào)制器、脈寬調(diào)制器、鎖相環(huán)、頻率合成器及 FSK信號發(fā)生器，是目前較為理想的信號產(chǎn)生集成芯片。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中有十分廣泛的用途。發(fā)生器可以有晶體管，運放集成電路等通用期間制作，更多的是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器集成電路產(chǎn)生。早期的集成電路，如L8038、 BA205、XR2207/2209 等，他們功能叫少、精度也不高，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立調(diào)節(jié)，二者互相影響。MAX038 是美信公司生產(chǎn)的一種通用波形發(fā)生芯片，鄙夷前的函數(shù)發(fā)生器從頻率范圍，頻率精確度，對芯片，波形的控制性能以及用戶的使用方便性等方面有很大的提高，因此廣泛應用于波形的產(chǎn)生、壓控震蕩器、脈寬調(diào)節(jié)器、頻率合成器及 FSK 發(fā)生器等。4.1.1 芯片管腳功能管腳排列如圖 4-1 所示 [13]：19 1 7 8 10 6 5 18 12 16 15 14 13 4 3圖 4-1 芯片管腳圖1．腳 VREF 是 2.5V 基準電壓輸出端；哈爾濱理工大學學士學位論文- 20 -2、6、9、11、18 腳為模擬地；3、4 腳為波形設定端；邏輯關系如附表所示；5．腳外接振蕩電容器；7．腳 FADJ 頻率調(diào)節(jié)端；8．腳 DADJ 占空比調(diào)節(jié)端；10．腳頻率控制的電流輸入端；12．腳為相位比較器的輸入端；13．腳為相位比較器的輸出端；14．腳 SYNC 是同步輸入端；是內(nèi)部振蕩器與外部信號保持同步；15．腳為數(shù)字地；16．腳是 DV+數(shù)字電路的+5V 電源；17．V+為正電源端節(jié)+5V 電源；19．輸出端；20．V-為負電源端節(jié)-5V 電源。4.1.2 芯片內(nèi)部電路的特點對于三角波、方波、正弦波三種信號，其信號產(chǎn)生電路的核心期間為MAX038，三種輸出波形有波形設定端 A0，A1 控制其編碼如下表。其中×表示任意狀態(tài)，1 為高電平，0 為低電平。正弦波 矩形波 三角波A0 × 0 1A1 1 0 04.1.3 芯片內(nèi)部結(jié)構圖MAX038 芯片結(jié)構電路圖如圖 4-2 所示：圖 4-2 MAX038 芯片結(jié)構圖 [14]哈爾濱理工大學學士學位論文- 21 -芯片內(nèi)部有一個 2.5V 的基準電壓源。該基準電壓源的作用有：1.為 10 腳提供脈沖、放電流 ，以確定頻率值；IN2.可設定 8 腳電壓，進行頻率微調(diào)；3.可設定 7 腳電壓，進行占空比調(diào)節(jié)。4.2 主要參數(shù)的確定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 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、波形切換開關和電壓基準源等電路，所需外部元件少，使用很方便。波形產(chǎn)生電路如圖 4-3[15] 圖 4-3 實物制作電路本系統(tǒng)采用 MAX038 設計了輸出三角波、方波和正弦波的函數(shù)信號發(fā)生器，頻率范圍為 10Hz～1MHz ，能夠滿足大多數(shù)實驗與檢測的需求。Lin 管腳電流范圍在 10～400μA 時電路獲得最佳工作性能。輸出波形的選擇由邏輯地址引腳 A0 和 A1 的組合來決定：A1A0＝10 或 11 時，輸出正弦波；A1A0＝00 時，輸出方波；A1A0＝01 時輸出三角波；波形切換可在 0.3μs 內(nèi)完成，但輸出波形有 0.5μs 的延遲時間。輸出頻率由 Lin 引腳的電流、SOSC 引腳的對地電容量和 FADJ 的電壓來決定。當 FADJ 引腳接地時，輸出頻率由公式給出：哈爾濱理工大學學士學位論文- 22 -FCLin?0（4-1）式中，F(xiàn) 0 是輸出頻率，單位 MHz；Lin 是管腳輸入電流，單位μA；C F 是決定輸出頻率的串入電容值，單位 pF。頻率粗調(diào)在 5 腳和 8 腳接上電容 CF 以后，⑽腳是頻率控制的電流輸入端 ，IN利用恒定電流向電容 CF 充電和放電，使可形成振蕩。 是受端[8]和端[7]IN電壓的控制，振蕩頻率由下式確定 FINFIREFINCV5.20??（4-2 ）則（1）因為我們要求頻率范圍在 1HZ～1MH Z,分六個頻率來滿足要求，在每個頻段上連續(xù)可調(diào)，有芯片內(nèi)部參數(shù)知道，當 =10μA～400μA 時，INCF 容量范圍在 20PF～100μF 時，芯片性能最佳。由此，由上可知 INREFIV?（4-3）（2）當 =10μA 時， ；當 時，IN ?A250K1.?I A40??IN就是說，當 在 250KΩ～6.25 KΩ 時，性能最佳，??A6.25K40.?VRIN IN為了調(diào)整方便，用一個固定電阻 和一個精密多圈電位器 來調(diào)整，這6R5R里 為粗調(diào)電位器。5MAX038 的輸出波形的頻率不僅可以用改變 IIN 的大小來實現(xiàn)粗調(diào)，還可以改變[8] 腳端的電壓來對頻率進行細調(diào)。當 時，標準輸出VFADJ0?頻率為 ，當 ～ 時，輸出頻率的變化率為±70%，對0fVFADJ4.2??.?應頻率為 0.3 ～1.7 。0f若 保持恒定，則輸出頻率由式 確定。JV )2915.(0FADJXf?由于再 FADJ 端有一個 250 的恒定輸入，因此在 端和 FADJ 端?REV