DZ104多用信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DZ104多用信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì),dz104,多用,信號(hào)發(fā)生器,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- I -多用信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)摘要信號(hào)發(fā)生器在動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域有重要的作用。各種波形曲線(xiàn)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(chēng)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。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是是由基礎(chǔ)的非正弦信號(hào)發(fā)生電路和正弦波形發(fā)生電路組合而成。本設(shè)計(jì)應(yīng)用晶體管、運(yùn)放IC 等通用器件制作了簡(jiǎn)單易行的一套信號(hào)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(shè)計(jì)中在原有方波，三角波和正弦波的電路基礎(chǔ)上增加一級(jí)放大器，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)和，輸出阻抗為 50Ω。試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)調(diào)試可以正確顯示所需要的波形，并利用仿真軟件Maltose 畫(huà)出電路圖，做出 PCB 布線(xiàn)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(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)，二者又互相影響。最后簡(jiǎn)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(shè)計(jì)的多功能信號(hào)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(shí)現(xiàn)頻段選擇和頻段內(nèi)頻率微調(diào)，同時(shí)還可以作為頻率計(jì)測(cè)頻率。函數(shù)信號(hào)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(jī)完成，輸出或輸入頻率經(jīng)74HC390 分頻后，由單片機(jī)完成自動(dòng)頻率檢測(cè)顯示。該信號(hào)發(fā)生器克服了上述信號(hào)發(fā)生器的不足。關(guān)鍵詞 信號(hào)發(fā)生器；運(yùn)算放大器；ICMAX038 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)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(xué)學(xué)士學(xué)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(hào)發(fā)生器在現(xiàn)代科技中的運(yùn)用 ............................................11.1.2 信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展前景 .....................................................................41.2 信號(hào)發(fā)生器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 ........................................................................51.3 設(shè)計(jì)要求指標(biāo) ............................................................................................6第 2 章 理論 概述 ................................................................................................72.1 2.1 信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案 ......................................................................72.2 電路設(shè)計(jì) ....................................................................................................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(shè)計(jì)和元件器選擇 ......................................................................153.1 電路圖設(shè)計(jì) ..............................................................................................153.2 元器件及參數(shù)選擇 ..................................................................................163.2.1 方波信號(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生器的制作 ..............................................................................204.1 一種新型的信號(hào)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(diǎn) .......................................................................214.1.3 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ...............................................................................214.2 主要參數(shù)的確定 ......................................................................................224.3 制作過(guò)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(jī)聯(lián)調(diào) ...........................................................................................254.4 本章小結(jié) ..................................................................................................26哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- IV -結(jié)論 ....................................................................................................................28致謝 ....................................................................................................................29參考文獻(xiàn) ............................................................................................................30附錄 A ................................................................................................................31附錄 B ................................................................................................................36哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 1 -第 1 章 緒論1.1 課題背景信號(hào)發(fā)生器又稱(chēng)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。各種波形曲線(xiàn)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(chēng)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。1.1.1 多用信號(hào)發(fā)生器在現(xiàn)代科技中的運(yùn)用現(xiàn)代科技的進(jìn)步以計(jì)算機(jī)的進(jìn)步為代表，不斷創(chuàng)新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，正以不可逆轉(zhuǎn)之勢(shì)從各個(gè)層面上影響著各行各業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，今天的測(cè)控儀器行業(yè)同樣經(jīng)歷著一場(chǎng)翻天覆地的變革。一方面，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為新型的信號(hào)發(fā)生器儀器產(chǎn)生提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，主要表現(xiàn)在：1.微處理器和DSP（digital signal processing）技術(shù)的快速進(jìn)步以及其性能價(jià)格比不斷上升大大改變了傳統(tǒng)電子行業(yè)的設(shè)計(jì)思想和觀(guān)念，原來(lái)許多由硬件完成的功能今天能夠依靠軟件實(shí)現(xiàn)。2.面向?qū)ο蠹夹g(shù)、可視化程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言在軟件領(lǐng)域?yàn)楦嘁子谑褂?、功能?qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)提供了可能性。另一方面，傳統(tǒng)的測(cè)控儀器越來(lái)越滿(mǎn)足不了科技進(jìn)步的要求，主要表現(xiàn)在：1.現(xiàn)代測(cè)控要求儀器不僅僅能單獨(dú)測(cè)量到某個(gè)量，而更希望它們之間能夠互相通信，實(shí)現(xiàn)信息共享，從而完成對(duì)被測(cè)各系統(tǒng)的綜合分析、評(píng)估,得出準(zhǔn)確判斷。傳統(tǒng)儀器在這方面顯然存在嚴(yán)重不足，甚至根本不可能實(shí)現(xiàn)。2.對(duì)于復(fù)雜的被測(cè)系統(tǒng)，面對(duì)各個(gè)廠(chǎng)家的不同測(cè)試設(shè)備，使用者需要的知識(shí)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(jì)算機(jī)的測(cè)試儀器逐漸變得現(xiàn)實(shí)，其出現(xiàn)和廣泛使用對(duì)測(cè)控儀器產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)影響。對(duì)于復(fù)雜的被測(cè)系統(tǒng)，面對(duì)各個(gè)廠(chǎng)家的不同測(cè)試設(shè)備，使用者需要的知識(shí)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 2 -鑒于上述原因，基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試儀器逐漸變得現(xiàn)實(shí)，其出現(xiàn)和廣泛使用對(duì)測(cè)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(hào)發(fā)生是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化模塊硬件結(jié)合起來(lái)，用戶(hù)可以通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測(cè)控能力相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)儀器的功能運(yùn)作。儀器的內(nèi)部功能劃分應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件（如GPIB、VXI、RS2232 、DAQ ）和重復(fù)使用源碼庫(kù)函數(shù)的軟件結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā),源碼庫(kù)函數(shù)為用戶(hù)構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。當(dāng)用戶(hù)的測(cè)試要求變化時(shí)，可以方便地由用戶(hù)自己來(lái)增減硬軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿(mǎn)足現(xiàn)有系統(tǒng)的測(cè)試要求。所以，虛擬儀器是由用戶(hù)自己定義、自由組合的計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件以及完成系統(tǒng)功能所需附件，而這在由供應(yīng)商定義、功能固定、獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器上是達(dá)不到的。電子測(cè)量?jī)x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(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為動(dòng)力。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展直接導(dǎo)致了虛擬儀器在PXI 和VXI 兩個(gè)領(lǐng)域中得到了快速發(fā)展，它們成為未來(lái)儀器行業(yè)的兩大主流產(chǎn)品。給定計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和必要的儀器硬件之后，構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于應(yīng)用軟件。基于軟件在虛擬儀器中的作用，美商國(guó)家儀器公司（Na2tional Inst rumens，簡(jiǎn)稱(chēng)NI）提出了“軟件即儀器”（The software is the inst rumens）的口號(hào)，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(gè)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(hù)只需連接各個(gè)邏輯框即可構(gòu)成程序。它還以圖形方式提供了大量的顯示和分析程序庫(kù)，利用軟件平臺(tái)可大大縮短虛擬儀器控制軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且用戶(hù)可以建立自己的措施方案。大致說(shuō)來(lái)，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個(gè)階段，而這三個(gè)階段又可以說(shuō)是同步進(jìn)行的。第一階段：利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)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(xiàn)前進(jìn)。由于GPIB 總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的確立，計(jì)算機(jī)和外界通信成為可能，因而用戶(hù)可以用計(jì)算機(jī)控制儀器，而隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能價(jià)格比的不斷上升，用計(jì)算機(jī)控制測(cè)控儀器成為一種趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，這些用戶(hù)得到了越來(lái)越多的關(guān)于計(jì)算機(jī)控制儀器的軟件，并且這些軟件易學(xué)易用。最新的軟件包括寫(xiě)前儀器驅(qū)動(dòng)庫(kù)、數(shù)據(jù)分析函數(shù)庫(kù)、圖形接口函數(shù)庫(kù)等。用戶(hù)可以利用這些強(qiáng)有力的軟件來(lái)增強(qiáng)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 3 -而不是限于儀器的固定功能之上。實(shí)際上，只需要把傳統(tǒng)儀器通過(guò)GPIB或RS2232同計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，這些新增功能就能運(yùn)轉(zhuǎn)良好。因而，用戶(hù)可將大量的獨(dú)立儀器同計(jì)算機(jī)相連形成用戶(hù)自己設(shè)計(jì)的虛擬儀器。在儀器銷(xiāo)售市場(chǎng)上也發(fā)生了巨大的變化，通用的數(shù)字式儀器銷(xiāo)售量猛增，而專(zhuān)用的傳統(tǒng)儀器銷(xiāo)售量大幅度下降。用戶(hù)意識(shí)到有了計(jì)算機(jī)和數(shù)字化設(shè)備，他們就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)字化，從而對(duì)他們的數(shù)據(jù)做特定分析處理并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。畢竟，臺(tái)式計(jì)算機(jī)的處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般儀器處理功能。第二階段：開(kāi)放式的儀器構(gòu)成。為滿(mǎn)足虛擬儀器市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的需求，這時(shí)在儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步：一是插入式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理卡（plug2in PC DAQ）；二是VXI 儀器總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的確立。這些新的技術(shù)使儀器的構(gòu)成得以開(kāi)放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶(hù)定義和供應(yīng)商定義儀器功能的區(qū)別。儀器設(shè)計(jì)者們與用戶(hù)一樣，企圖盡可能地提高效率和重復(fù)使用很多技術(shù)。儀器生產(chǎn)商建立了他們自己設(shè)計(jì)的內(nèi)在標(biāo)準(zhǔn)，使得他們的位微處理器、存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)里的標(biāo)準(zhǔn)件，這樣使得計(jì)算機(jī)成為一個(gè)構(gòu)建虛擬儀器的理想平臺(tái)。許多特殊功能鍵A/D、D/A、數(shù)字I/O、時(shí)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(xiàn)相連。眾所周知，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)也有擴(kuò)展槽，所以用戶(hù)可將這些模塊化的插卡直接插在擴(kuò)展槽內(nèi)。傳統(tǒng)的儀器相關(guān)軟件都是固化在內(nèi)部ROM內(nèi)，這些軟件也只針對(duì)專(zhuān)門(mén)儀器，雖然其中許多代碼都是從其他儀器設(shè)計(jì)商的軟件模塊中得來(lái)的。而在虛擬儀器中，專(zhuān)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(chǔ)存在硬盤(pán)和軟盤(pán)上的，可以安裝在任何計(jì)算機(jī)上。當(dāng)然，多個(gè)虛擬儀器可以共存于一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。而且，某個(gè)特定的儀器在一段時(shí)間內(nèi)可以獨(dú)享計(jì)算機(jī)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(gè)儀器有其獨(dú)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(jìn)步，使得它的構(gòu)建具備了開(kāi)放性和更大的靈活性，得到了更加廣泛的應(yīng)用。第三階段虛擬儀器框架得到了廣泛認(rèn)同和采用。軟件領(lǐng)域面向?qū)ο蠹夹g(shù)把任何用戶(hù)構(gòu)建虛擬儀器需要知道的東西封裝起來(lái)，虛擬儀器將成為一種主流技術(shù)。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域已產(chǎn)生，幾個(gè)虛擬儀器平臺(tái)已經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。發(fā)展到這一階段,人們也認(rèn)識(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵。美商國(guó)家儀器公司總結(jié)了這些觀(guān)點(diǎn)并提出了一句口號(hào)“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(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，它廣泛應(yīng)用于教學(xué)及科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)中。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器性?xún)r(jià)比低，功能少且模式固定。近年來(lái)，隨著哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 4 -虛擬儀器（virtual instruments, 簡(jiǎn)稱(chēng)VI）技術(shù)的發(fā)展，誕生了虛擬信號(hào)發(fā)生器，但其發(fā)生信號(hào)類(lèi)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(hào)，對(duì)信號(hào)的控制功能還有局限性，無(wú)法滿(mǎn)足各種實(shí)驗(yàn)的廣泛需要。本設(shè)計(jì)以聲卡作為信號(hào)DSA通道，充分利用 Lab-VIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供的豐富資源，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，共有18個(gè)子VI，進(jìn)一步完善了虛擬信號(hào)發(fā)生器的功能，能產(chǎn)生10種常用信號(hào)。該信號(hào)發(fā)生器對(duì)波形及數(shù)據(jù)文件具有處理功能，對(duì)輸出通道具有選擇控制功能，同時(shí)可以利用通用函數(shù)信號(hào)發(fā)生子VI進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的仿真。1.1.2 信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展前景信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)已成為儀器領(lǐng)域的一個(gè)基本儀器，是技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果。今天，它的應(yīng)用已經(jīng)遍及各行各業(yè)。很多測(cè)量工程師現(xiàn)在都在使用虛擬儀器,即:用計(jì)算機(jī)控制一臺(tái)GPIB或RS2232儀器，通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕上的圖形化前面板操作儀器，這與操作一臺(tái)物理的儀器沒(méi)有區(qū)別。計(jì)算機(jī)能夠模仿遠(yuǎn)處的物理設(shè)備，整個(gè)過(guò)程給你一個(gè)感覺(jué)：你不在儀器旁邊，卻在遠(yuǎn)處虛擬地操作著這臺(tái)儀器。另外的一種情況是將一個(gè)圖形化儀器前置面板放在計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)連接著一塊插入式數(shù)據(jù)采集卡和一個(gè)VXI 功能模塊，而不連接 GPIB 儀器。這時(shí)，儀器本身沒(méi)有前置面板，因而你不能將它作為一臺(tái)獨(dú)立的儀器來(lái)使用。因而，計(jì)算機(jī)成了這個(gè)儀器系統(tǒng)的一個(gè)組件，計(jì)算機(jī)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(méi)有任何功能模塊連接在計(jì)算機(jī)上，雖然計(jì)算機(jī)上同樣有前置軟面板，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)文件和網(wǎng)絡(luò)得到數(shù)據(jù)，對(duì)它進(jìn)行分析處理，或者它不用外部的真實(shí)數(shù)據(jù)，而是計(jì)算機(jī)處理一些“自己”的數(shù)據(jù)對(duì)一個(gè)物理過(guò)程或某個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行仿真。儀器技術(shù)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,而今正沿著總線(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化編程平臺(tái)的圖形化和硬件模塊的即插即用方向進(jìn)步。以開(kāi)放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善，建立在VXI 技術(shù)上的各種先進(jìn)儀器將會(huì)層出不窮。儀器技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的推廣應(yīng)用也是十分普及，不僅在電子測(cè)量領(lǐng)域、過(guò)程控制領(lǐng)域，包括人們生活的其它許多領(lǐng)域，利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測(cè)量與控制系統(tǒng)的例子也很多。我國(guó)目前還基本處于傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)進(jìn)軍。結(jié)合我們的實(shí)際情況,我們必須走引進(jìn)與自行開(kāi)發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進(jìn)國(guó)外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)、部分產(chǎn)品,吸收最新成果技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測(cè)試技術(shù)軟硬件，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平之間的差距。隨著電信技術(shù)的發(fā)展，高性能的信號(hào)發(fā)生器對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試起著至關(guān)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 5 -重要的作用。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)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(shí)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，利用多用途專(zhuān)用芯片直接數(shù)字合成設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器成本太高。本文提出基于單片機(jī)與技術(shù)的多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，主要采用性?xún)r(jià)比較高的系列器件，即滿(mǎn)足信號(hào)發(fā)生器性能要求又降低成本。1.2 信號(hào)發(fā)生器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀儀器技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的推廣應(yīng)用也是十分普及，不僅在電子測(cè)量領(lǐng)域、過(guò)程控制領(lǐng)域，包括人們生活的其它許多領(lǐng)域，利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測(cè)量與控制系統(tǒng)的例子也很多。我國(guó)目前還基本處于傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)進(jìn)軍。結(jié)合我們的實(shí)際情況，我們必須走引進(jìn)與自行開(kāi)發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進(jìn)國(guó)外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)、部分產(chǎn)品,吸收最新成果技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測(cè)試技術(shù)軟硬件，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平之間的差距。為了共享測(cè)試系統(tǒng)資源，越來(lái)越多的用戶(hù)正在轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)，它使得不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品通過(guò)通訊總線(xiàn)使用共同的協(xié)議進(jìn)行通訊?，F(xiàn)在，各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在不同行業(yè)均有一定應(yīng)用；工業(yè)以太網(wǎng)也有望進(jìn)入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用前景廣闊；Internet已經(jīng)深入各行各業(yè)乃至千家萬(wàn)戶(hù)。嵌入式智能儀器設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的需求將越來(lái)越廣泛。為此，NI等公司已開(kāi)發(fā)了通過(guò)web瀏覽器觀(guān)測(cè)嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過(guò)internet操作儀器設(shè)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的測(cè)試設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資?，F(xiàn)在，有關(guān)mcn（measurement and control networks）方面的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。由此可見(jiàn)，mcn網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在電信技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能的信號(hào)發(fā)生器對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)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(shí)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，利用多用途專(zhuān)用芯片直接數(shù)字合成設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器成本太高。本文提出基于單片機(jī)與技術(shù)的多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，主要采用性?xún)r(jià)比較高的系列器件，即滿(mǎn)足信號(hào)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(xiàn)和聯(lián)網(wǎng)總線(xiàn)，虛擬儀器可面向高中低端的不同應(yīng)用。目前，全球有成千上萬(wàn)臺(tái)測(cè)控設(shè)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(lèi)的生產(chǎn)、教學(xué)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 6 -國(guó)防等，甚至進(jìn)入家庭自動(dòng)化管理。由于可充分利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊的相關(guān)技術(shù)，遠(yuǎn)程調(diào)控的虛擬儀器有望取代測(cè)量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類(lèi)儀器。1.3 設(shè)計(jì)要求指標(biāo)基于簡(jiǎn)單成本低而且能夠輸出至少三種波形的設(shè)計(jì)要求，所以，本信號(hào)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下 [1]：1.輸出為方波、三角波和正弦波三種波形，用開(kāi)關(guān)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(hào)頻率和電壓幅值功能。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 7 -第 2 章 理論概述2.1 信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是是由基礎(chǔ)的非正弦信號(hào)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(duì)各個(gè)波形的發(fā)生進(jìn)行分析，并且提出幾種方案，從而達(dá)到在合成電路時(shí)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(yùn)放 IC 等通用器件制作，更多的則是用專(zhuān)門(mén)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，L8038 、BA205、XR2207/2209 等，它們的功能較少，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(chēng)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 [2]。方案四：利用專(zhuān)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。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(jiǎn)單易行，在知識(shí)和設(shè)備有限的條件下，可選擇方案二進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。2.2 原理電路2.2.1 方波發(fā)生器圖 2-1 為用運(yùn)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(yùn)放的反相輸出端，因此積分電路fR起延遲和負(fù)反饋?zhàn)饔?[3]。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 8 -圖 2-1 方波發(fā)生電路如圖 2-1 所示，設(shè)在接通電源的時(shí)刻，電容器兩端電壓 ，輸0?Cu出電壓 ，則加到運(yùn)放同相輸出端的電壓為ZOUu?（2-1）ZPFURu??21式中， 。此時(shí) 通過(guò) 向 C 充電，使運(yùn)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(shí)刻， 上升到略高于 ， 由高電平跳到低電平，即變?yōu)?tuP。 時(shí)， ，同時(shí) 通過(guò) 向 C 充電，使ZU?ZOZPFU?ZO?f運(yùn)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(shí)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(fù)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(huà)出 與 的波形如圖 2-2 所示。CO哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 9 -圖 2-2 輸入輸出波形由波形可知， 從 時(shí)刻的 [4]下降到 時(shí)刻Cu1t ZZFUR??)(21 2t的 ，再上升到 時(shí)刻的 ，所需的時(shí)間就是一個(gè)振蕩周期 ，ZFU?3FUOT在 到 這段時(shí)間， 的變化規(guī)律是簡(jiǎn)單 RC 電路充放電規(guī)律，其常數(shù)1t2為 ，初始值為 （ 時(shí)刻） ，終值為 （t→∞） ，故Rf Z1tZ?（2-2）CRtZC feu/)(1]([???在 時(shí)， ，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(shí)間相等，故 是方波。其振蕩周期為Ou（2-5）)ln(1213tTf??若選取適當(dāng)?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(hào)波形的關(guān)系 [5]可知，當(dāng) RC 積分哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 10 -電路的輸入信號(hào)為方波時(shí)，輸出信號(hào)就是三角波，由此可得，利用方波信號(hào)發(fā)生器和 RC 積分電路就可以組成三角波信號(hào)發(fā)生器。三角波信號(hào)發(fā)生器的電路組成如圖 2-3 所示 [6]。圖中的運(yùn)算放大器 組成方波信號(hào)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(hào)發(fā)生器2A輸出的方波。圖中 等還可構(gòu)成同相滯回比較器， 和 、C 等組成1 24R反相積分電路。信號(hào)輸入積分電路，在積分電路的輸出端得到三角波信號(hào)。積分電路的輸出端除了輸出三角波信號(hào)外，并通過(guò)電阻 R1 將三角波信號(hào)反饋到滯回電壓比較器的輸入端，將三角波信號(hào)整形變換成方波信號(hào)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(shí)，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(shí)電容被充電，顯然)0()(??COu（2-7）??tRdRttTZ4041??于是 線(xiàn)性下降， 也下降，直到 時(shí)， 略低于o1Pu1?1Pu，即 略低于零時(shí)， 從 突跳到 ，同時(shí) 也跳)0(1?Nup1OZUZ?1P變到更低的值（比零低的多） ?？梢?jiàn)，在 前的一瞬間， ，1t 0?，而從流過(guò) 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(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 11 -因 （2-9）ZOCURtut211)(?故 （2-10）)(14tC???于是 線(xiàn)性上升， 也上升。直到 時(shí)， 略大于零， 從Ou1P2tPu1Ou突跳到 ?？梢?jiàn)，在 前的一瞬間， ， ，則ZU?Z2t?01?ZU1212)(Rt?故 （2-11）ZOURtu21)(在 以后電路周而復(fù)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(guò)程，并且可以具體的畫(huà)出三角波的波形圖，三角波信號(hào)發(fā)生器的電路組成是方波信號(hào)發(fā)生器輸出的方波，當(dāng)方波信號(hào)輸入積分電路 RC 的時(shí)候，則在積分電路的輸出端得到三角波信號(hào)。因此，可以畫(huà)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(shí)間常數(shù)相等，積分電路輸出電壓 上升和下降的幅度和時(shí)間相o等，上升和下降的斜率的絕對(duì)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(dāng) 時(shí)，有Tt?21tt?哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)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(shí)，應(yīng)先調(diào)整 或 ,使其峰值達(dá)到所需2要的值，然后再調(diào)整 或 C，使頻率 能滿(mǎn)足要求。4RTf0?2.2.3 正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器又稱(chēng)文氏電橋振蕩器 [7]，如圖 2-5 所示，其中 A 放大器由同相運(yùn)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(luò)由 RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成 [7]，由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗 Ri 很大，輸出阻抗 Ro 很小，其對(duì) F 網(wǎng)絡(luò)的影響可以忽略不計(jì)，從圖 2-5（a）有哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)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(shí)部為 1，即 ，得到起振條件 。13?RAv 3vA對(duì)圖 2-5（b）所示同相運(yùn)放， ，須滿(mǎn)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(luò)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(bǔ)償。但 A 比 3 大得多了會(huì)導(dǎo)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(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)所提出的幾種設(shè)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 14 -第 3 章 電路設(shè)計(jì)及元件器選擇為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，將在原有方波，三角波和正弦波的電路基礎(chǔ)上增加一級(jí)放大器，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)和，輸出阻抗為 50Ω。3.1 電路圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(zhǔn)確輸出所需要的方波信號(hào)。圖 3-2 中同時(shí)加入了同樣型號(hào)的放大器來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，可以準(zhǔn)確輸出三角波和正弦波信號(hào)。圖 3-1 方波波形發(fā)生電路哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)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(hào)發(fā)生器電路元器件及參數(shù)選擇1．運(yùn)算放大器的選擇：根據(jù)指標(biāo)要求，這里主要考慮雙電源、通用、無(wú)需調(diào)零型的運(yùn)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(dāng)滿(mǎn)足 時(shí)，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(wàn)歐之間，圖f f中， 為電位器。2fR哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 16 -設(shè) C＝ 0.33μF，當(dāng) ＝0 時(shí)，應(yīng)有 ，由此2fRHzCRffo20)(1??可得 ，當(dāng) 最大時(shí)，應(yīng)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(wàn)歐之間，為實(shí)現(xiàn)4R54R5輸出電壓可調(diào)， 應(yīng)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(hào)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(jìn)行積分得來(lái)的，所以只需在方波電路原基礎(chǔ)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(gè)波形發(fā)生器整合做出一個(gè)完整的信號(hào)發(fā)生器如上圖 3-3 所示。圖 3-3 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電路圖 [12]哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 17 -利用仿真軟件 Multiuse 畫(huà)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試，可以很方便的在仿真模式下觀(guān)測(cè)電路下設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器的具體工作流程，并加以多方面的調(diào)試?？梢岳?Protel 軟件將電路畫(huà)出，生成 PCB 板模式，進(jìn)行布局和布線(xiàn)。做出一個(gè)信號(hào)發(fā)生器。PCB圖如圖 3-5 所示。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 18 -圖 3-5 PCB 制成圖如上圖輸出結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)圖。第二節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)所需要的元器件選擇和參數(shù)的具體確定，并在最后對(duì)電路進(jìn)行了仿真測(cè)試做出了信號(hào)發(fā)生器的電路圖，同時(shí)在仿真模式下用Protel 軟件將電路做出生成 PCB 版式進(jìn)行布線(xiàn)和布局，做出一個(gè)信號(hào)發(fā)生器。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 19 -第 4 章 信號(hào)發(fā)生器的制作4.1 一種新型的信號(hào)發(fā)生器由于方案三的合理性、優(yōu)越性和先進(jìn)性這里我們將方案二和方案三進(jìn)行比較，這里主要介紹基于方案三的一種新型信號(hào)發(fā)生器的工作原理和過(guò)程。用高精度集成芯片國(guó)產(chǎn) MX038 作為核心制作函數(shù)信號(hào)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(gòu)成一臺(tái)多波形的高頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，也可以單獨(dú)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(hào)發(fā)生器，是目前較為理想的信號(hào)產(chǎn)生集成芯片。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中有十分廣泛的用途。發(fā)生器可以有晶體管，運(yùn)放集成電路等通用期間制作，更多的是用專(zhuān)門(mén)的函數(shù)信號(hào)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(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。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(duì)芯片，波形的控制性能以及用戶(hù)的使用方便性等方面有很大的提高，因此廣泛應(yīng)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(zhǔn)電壓輸出端；哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 20 -2、6、9、11、18 腳為模擬地；3、4 腳為波形設(shè)定端；邏輯關(guān)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(hào)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(fù)電源端節(jié)-5V 電源。4.1.2 芯片內(nèi)部電路的特點(diǎn)對(duì)于三角波、方波、正弦波三種信號(hào)，其信號(hào)產(chǎn)生電路的核心期間為MAX038，三種輸出波形有波形設(shè)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(gòu)圖MAX038 芯片結(jié)構(gòu)電路圖如圖 4-2 所示：圖 4-2 MAX038 芯片結(jié)構(gòu)圖 [14]哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 21 -芯片內(nèi)部有一個(gè) 2.5V 的基準(zhǔn)電壓源。該基準(zhǔn)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(shè)定 8 腳電壓，進(jìn)行頻率微調(diào)；3.可設(shè)定 7 腳電壓，進(jìn)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(shí)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(jì)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(gè)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(hào)，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(cè)電路、波形切換開(kāi)關(guān)和電壓基準(zhǔn)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(shí)物制作電路本系統(tǒng)采用 MAX038 設(shè)計(jì)了輸出三角波、方波和正弦波的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，頻率范圍為 10Hz～1MHz ，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)的需求。Lin 管腳電流范圍在 10～400μA 時(shí)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(lái)決定：A1A0＝10 或 11 時(shí)，輸出正弦波；A1A0＝00 時(shí)，輸出方波；A1A0＝01 時(shí)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(shí)間。輸出頻率由 Lin 引腳的電流、SOSC 引腳的對(duì)地電容量和 FADJ 的電壓來(lái)決定。當(dāng) FADJ 引腳接地時(shí)，輸出頻率由公式給出：哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)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?yàn)槲覀円箢l率范圍在 1HZ～1MH Z,分六個(gè)頻率來(lái)滿(mǎn)足要求，在每個(gè)頻段上連續(xù)可調(diào)，有芯片內(nèi)部參數(shù)知道，當(dāng) =10μA～400μA 時(shí)，INCF 容量范圍在 20PF～100μF 時(shí)，芯片性能最佳。由此，由上可知 INREFIV?（4-3）（2）當(dāng) =10μA 時(shí)， ；當(dāng) 時(shí)，IN ?A250K1.?I A40??IN就是說(shuō)，當(dāng) 在 250KΩ～6.25 KΩ 時(shí)，性能最佳，??A6.25K40.?VRIN IN為了調(diào)整方便，用一個(gè)固定電阻 和一個(gè)精密多圈電位器 來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，還可以改變[8] 腳端的電壓來(lái)對(duì)頻率進(jìn)行細(xì)調(diào)。當(dāng) 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)輸出VFADJ0?頻率為 ，當(dāng) ～ 時(shí)，輸出頻率的變化率為±70%，對(duì)0fVFADJ4.2??.?應(yīng)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(gè) 250 的恒定輸入，因此在 端和 FADJ 端?REV