波形发生器

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波形发生器


摘要：本设计采用了单片高频波形发生器专用芯片MAX038作为信号发生核心器件，配合单片机产生频率可调的正弦波、方波、三角形波以及各种波形和谐波的线性组合，任意波形的输出，具有频率调整范围宽，显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅值等功能，具有掉电存储功能，可存储掉电前用户设置和编辑对波形参数可以产生单次或多次特定波形，操作简单、直观等特点。

























设计与总结报告
一、        设计方案比较与论证
    根据题目要求提出以下几种设计方案：
    方案一：此方案以ICL8038为核心。ICL8038可以同时产生正弦波、方波、三角波或锯齿波等波形。ICL8038能进行频率电压控制，有扫频功能，配合单片机可以实现对频率的控制，且相同周期的波形的线性组合较为容易、方便，可以基本实现设计的要求。但是其调节方式不够灵活，频率占空比不能独立调节，且精度不是很高。图1是方案一的功能框图。







    方案二：以单片机为核心，配合D/A转换器直接产生正弦波、方波、三角波等波形，通过键盘等输入装置还可产生任意波形，且易于实现波形存储。但是对于普通单片机来说，产生较高频率的波形比较困难。对于本题目难以产生20KHz频率的波形。因此，此方案适用于产生较低频率的波形。方案二的功能框图见图2。






    方案三：以MAX038为波形发生器的核心，配合单片机控制，产生各种波形输出。MAX038是美国美信公司近年生产的单片信号发生器集成电路，能精密地产生三角波、锯齿波、正弦波、方波等信号，频率范围从0.1Hz~20MHz，最高可高达40MHz；各种波形输出幅度为2Vp-p ；占空比调节范围宽，最大可以达10%~90%；占空比和频率可以单独调节，互不影响；波形失真度小。MAX038具有波形选择输入端，易于与单片机接口。因而具有极为灵活的可编程性，使用方便、灵活。其功能框图如图3所示。


    鉴于以上三种设计方案的特点的分析比较，结合本次设计题目的要求，无论从信号频率的调节范围和精度，还是从控制的灵活方便方面来说，方案三均优于前两个方案，故本次设计采用方案三。
二、        工作原理及电路设计
    本系统的工作原理框图见图4，由图4可知，本系统电路由单片机、高频信号发生器、D/A转换器、输入键盘、显示模块及输出控制模块等部件组成。
    电路工作时，通过键盘的按键和开关选择各种输出波形或波形组合，并通过显示数码管加以显示具体的输出波形的频率和幅值。单片机通过各接口接受到键盘输入的指令后，对指令进行分析判断，并对各芯片发出相应的控制指令，各芯片根据单片机送来的控制信号确定输出方式和波形（基本波形或波形的组合），从而完成各种波形的输出。

1、        波形发生电路及输出电路
    本系统的波形发生由MAX038完成，MAX038是MAXIM公司生产的单片高频精密函数波形发生器，能够产生0.1Hz～20MHz的正弦波、矩形波和三角波，最高频率可达40MHz，具有高频特性好、频率范围宽、使用方便灵活的特点。
    MAX038主振荡器为三角波振荡器，可同时输出三角波及两相脉冲波，振荡频率由调频输入电压VFADJ、参考电流IIN及外接振荡电容器COSC的容量共同决定，脉冲波占空比可由VDADJ调节。正弦波变换电路将三角波变为正弦波，两相脉冲经比较器变成方波。输出波形由波形选择输入端A0 、A1的状态确定：A1=1、A0=1出正弦波；A1=0、A0=0时输出方波（脉冲波）；A1=0、A0=1时输出三角波（锯齿波）。IIN是灌入IIN端的电流，它受FADJ端电压的控制。振荡频率的计算公式为：  
                f=IIN/CF
    式中，IIN的允许变化范围是2～750μA，在10～400μA时性能最佳。CF的容量范围为20pF～100μF。通过改变FADJ端的电压可对频率进行粗细调节。假定VFADJ为0V，标称输出频率为f，在VFADJ保持恒定时，输出频率由下式确定：f1=f(1-0.2915VFADJ)，不作频率微调时，FADJ端与地之间须接12kΩ电阻。本电路设计通过DAC0832及LM324转换的电压值改变MAX038的FADJ端的电位从而改变IIN的灌入电流大小，达到改变MAX038输出波形频率的目的。MAX038波形发生电路如图5所示。



图5
    MAX038输出的信号波形通过数字电位器X9313以实现信号的幅度控制。通过运算放大器OP07可实现四个通道的分别输出或线性组合及谐波组合输出。
2、        控制单元和人机交互控制
    本系统的控制单元由AT89C52单片机来完成，控制面板上的功能按钮发出控制信号，单片机接受后处理并对各芯片送出参数，并送显示器显示。各芯片根据单片机送来的控制信号选定输出方式，从而完成一般波形发生、任意波形发生、波形组合的功能。实现输出模式选择由面板键盘控制。波形的各项参数皆由键盘设定，使用非常方便，并且这些参数可以由E2PROM2864所保存，掉电不会丢失数据，实现了掉电波形数据的保护。任意波形的的参数由用户直接从键盘输入，输入的参数为坐标方式，即需输入波形一个周期内各个采样点的幅值，同时给出波形的频率等参数。键盘控制电路如图6所示。


图6.
            
3、        控制面板显示
    为使控制简单快捷、操作简便、显示明了，本设计控制面板采用了10位数码管显示各种操作状态和参数。数码管由串入/并出8位移位寄存器74LS164驱动，仅需三根控制线即可完成对数码管的控制。10位数码管分成三组，第一组由4位组成，用于显示输出各种波形的频率，可通过面板上的按键对其进行设置和修改。第二组数码管由4位组成，用于显示输出波形的周期数和设置任意波形的X轴坐标，两种功能的显示通过面板上的开关加以切换。第三组的两位数码管用于显示设置任意波形的幅值。控制面板数码管显示电路见图7。       
图7  

三、软件设计
        根据图8的单片机控制系统图设计控制程序框图如图9所示：


图8
四、调试过程及结果
1．电源采用+12V、-12V和-5V的开关电源，由于电路中用到一个-5V的电源，这个电源用-12V经过7905三端稳压后得到。
2．DAC0832需要用到一个基准电压，这个基准电压是由LM336加在+12V电源上取出的，使用多圈电位器调节调整端，得到+5V的参考电压。
3．为了调试方便，主板上的芯片和外电路皆是由接插件连接。首先进行了硬件调试，从后级的运算电路逐次向前，分别是数字电位器、MAX038、运算放大器、DAC0832、单片机最小系统，各级工作基本正常后联机进行软件调试。过程中发现后级信号发生电路的纹波较大，这是电路板设计有缺陷的结果，电源和地线的内阻较大，个别导线过长也是一个重要原因，处理方法就是加滤波电容，增加导线以减小电源供电的内阻。
硬软件调试完毕基本实现了功能要求。

  
图9
五、所用的仪器设备清单
1．        DC4322 20MHz示波器
2．        FC1300 频率计
3．        UT53万用表
4．        单片机开发器及TOP151编程器
5．        TB1631函数发生器
6．        GB-9B毫伏表
六、小结
         短短的四天时间瞬间结束了。通过本次设计的方案选择到电路设计以及电路制作和软件设计，使我们参赛队员学到了很多书本上所不能学到的东西，锻炼了大家的设计能力，提高了实际动手能力，扩大了知识面，同时在理论上也得到了提高。在设计中我们也遇到了许多意想不到的问题，但是通过大家的团结协作和努力拼搏，最后终于解决了诸多问题，完成了设计任务。但是，我们感觉到本次设计还存在着一些不足，有待于我们今后进一步提高。