基于max038的多功能信号发生器的设计(编辑修改稿)

基于max038的多功能信号发生器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

）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） Flash ROM 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 江南大学学士学位论文 6 时钟频率 024MHz 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 ． 12345678910123456178192021234256278293013234536738940T2/EX2RxD/INT0/1T0/15WR/D7XTAL2GNDRST64P2./A10P0./AD011EA/VPLROGPSEN9353756/A64/A433VCAT89C52 图 32 AT89C52芯片外观及引脚 多功能信号 发生器 的设计 7 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 33 所示： 图 33 内部时钟方式电路原理图 电路中的电容 C C3 典型值为 30177。 10 pF． 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 ． RC 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 34 所示 ． 图 34 R、 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 ． 江南大学学士学位论文 8 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 177。 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： 200 PPM／ ℃ ． 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 177。 20 mA 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 31 所示 表 31 输入代码和输出波形对应关系表 A0 A1 波形 X 1 正弦波 0 0 矩形波 1 0 三角波 多功能信号 发生器 的设计 9 芯片引脚 MAX038 芯片的各个引脚的功能表如 表 32 所示： 表 32 MAX038 各引脚功能表 引脚号 名 称 功 能 1 REF 2． 50 V带隙基准电压输出端 2 GND 地 3 A0 波形选择输入端， TTL／ CMOS兼容 4 A1 波形选择输入端， TTL／ CMOS兼容 5 COSC 外部电容连接端 6 GND 地 7 DADJ 占空比调整输入端 8 FADJ 频率调整输入 端 9 GND 地 10 Iin 用于频率控制的电流输入端 11 GND 地 12 PDO 相位检波器输出端 ． 如果不用相位检波器则接地 13 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 14 SYNC TTL／ CMOS兼容的同步输出端 15 DGND 数字地 ． 让他开路使 SYNC无效，或是 SYNC不用 16 DV+ 数字 +5 V电源 ． 如果 SYNC不用则让他开路 17 V+ +5 V电源 18 GND 地 19 OUT 正弦波、方波或三角波输出端 20 V 5 V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 36 所示： 江南大学学士学位论文 10 主振器主 振 控制器基 准 电压源正弦波形成器方波 形成器比较器相位 检测器多路 选择器172056COSCGNDFADJ8710CIRRR250VA1VREFV+5V+正弦三角波方波A0A1输出级3419+5V1516DV+OUTRLCLSYNCPD0114123918GNDOSCABDGND 图 36 MAX038 内部 原理 图 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，该范围同样包含 256 级步进间 隔，IIN 端的步进间隔再次细分为 256 级步进间隔，从而在粗调的基础上实现微调 ． 频段调节控制 固定一个 CF 值，当 IIN 端的电流从 2uA 到 750uA 的变化时，对应产生一个频段的频率范围 ． 经实验调整，我们选择了一系列的 CF 如 图 37 所示，并确定了各 CF 所对应的频段和频率范围 f1f2 由于系统通过 DAC 控制 IIN 端电流和 FADJ 端电压，将各频段的频率范围划分为 65536 级间隔，因此各频段的输出误差为 ( 1 2) / 65 53 6f f f   （ 31） 多功能信号 发生器 的设计 11 0 . 111 01 0 01 K1 0 K1 0 M1 0 0 M1 0 0 K1 M1 0 011 0 1 0 0 0I I N电 流1 0 0 n f1 0 n f1 n f1 0 0 n f3 3 p f1 0 0 p f3 3 p f1 0 p f 图 37 输出频率与 IIN 电流及振荡电容 CF 的关系 此外，由于相邻频段之间存在着频率重叠现象，并且考虑到各个频段对应的误差大小有所差异，因此设定各频段的实际起止频率围： f3～ f4，以便获得最小的误差 [5]． 在 5 脚 COCS 和 6 脚 GND 接上电容 CF以后， 10 脚 IIN 是频率控制的电流输入端，利用恒定电流 IIN向电容 CF充电和放电，便可形成振荡 ． IIN是受 8 脚 FADJ 和 7 脚 DADJ 端电压的控制，振荡频率由下式确定 ． 02 . 5IN REFF IN F IN FI VF C R C R C   （ 32） 因为我们要求的频率范围在 0． 2Hz～ 10MHz，分四个频段来满足要求，在每个频段上连续可调，由芯片内部参数可知道，当 IIN=2μA~5μA 时， CF的容量范围可以在 10pF~10μF时，芯片有较好的性能 ． 因此可知 ： REFIN INVR I （ 33） 当 IIN=2μA 时， 0 52IN VRMA   （ 34） 当 IIN=750μA 时， VRKA   （ 35） 为了使数字控制能够使 IIN=2μA~750μA 实现，我们在 D/A 转换模块使用图 2． 5 所示的电阻连接方法 ． 当数字量为 00H 时， VOUTb 输出为 0V 时 MAX038 的 10 脚 IIN 有 2μA的电流输入 ． 当数字量为 FFH 时， VOUTb 输出为基准电压 2． 50V． MAX038 的 10 脚 IIN有 750μA 的电流输入 ． 江南大学学士学位论文 12 频率、幅值、占空比控制 MAX038 的核心部分是一个电流控制的振荡器，通过恒定电流对外部电容 CF 充电和放电，获得三角波、方波和正弦波信号输出 ． 充放电电流由流进 MAX038 的 IIN 引脚的电流控制，由加在引脚 DADJ、 FADJ 上的电压调整 ． 电 路的振荡频率为： 0 ( 1 0 . 2。