信号发生器报告.docx
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信号发生器报告
——信号发生器的制作与调试
学校:
江西农业大学
小组成员:
指导老师:
制作日期:
2011年5月27日至30日
摘要:
本系统能够按照要求产生正弦波或是方波,同时能够显示出所产生的波的类型、幅值(0-5V可调)。
函数信号的产生电路主要是由由MAX038及其外围电路组成,使用变阻器使频率在100Hz—100KHz范围可调。
波形的选择是通过单片机与一个按键完成。
输出或输入的频率由单片机完成自动频率检测并显示。
关键词:
波形产生器、频率计、MAX038、AT89S51、LCD12864。
方案选择与比较:
在现代电子学的各个领域,常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
函数信号发生器的实现方法通常有以下几种:
(1)用分立元件组成的函数发生器:
通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试。
(2)可以由晶体管、运放IC等通用器件制作,更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。
早期的函数信号发生器IC,如L8038、BA205、XR2207/2209等,它们的功能较少,精度不高,频率上限只有300kHz,无法产生更高频率的信号,调节方式也不够灵活,频率和占空比不能独立调节,二者互相影响。
(3)利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器:
能产生任意波形并达到很高的频率,但成本较高。
(4)利用单片集成芯片的函数发生器:
能产生多种波形,达到较高的频率,且易于调试。
鉴于此,美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生ICMAX038,它克服了
(2)中芯片的缺点,可以达到更高的技术指标,是上述芯片望尘莫及的。
MAX038频率高、精度好,因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。
在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上,MAX038都是优选的器件。
综合分析以上四种实现方案的优缺点、性价比及本次赛题的各指标要求,我们决定采用单片集成芯MAX038来设计函数发生器。
虽然用该集成块可产生的波形种类多、频率高、精度高,但元器件成本和技术要求也因此会有所提高,但仍然比专用直接数字合成DDS的芯片便宜多了,因此在满足工作要求的前提下,性价比和精度高的发生器是我们的首选。
一、整体设计思路
本函数信号发生器主要是由MAX038芯片产生我们所希望输出的正弦波、方波,它是本制作的核心。
有单片机控制波形的输出。
LCD-12864用于显示输出的频率等信息,也是由单片机控制的。
整体原理框架图如图1所示:
图1整体原理框架
硬件系统设计:
1.信号发生部分:
1、MAX038介绍
MAX038是Maxim公司推出的一种精密高频波形产生器件,可组成程控多波数字调频信号产生器,能产生准确的高频三角波、矩形波和脉冲波。
输出频率范围从0.1Hz~20MHz,可由内部的2.5V带隙电压基准及外部的电容和电阻矩阵控制;占空比可在较大的范围内由一个±2.3V的线性信号控制变化,便于进行脉冲宽度调制和产生锯齿波,占空比和频率控制是独立的。
输出波形可以通过在控制引脚上设置代码来选择,所有输出波形的峰值为±2V;MAX038具有输出阻抗、驱动能力大(可以驱动±20mA的电流)的特点。
2、MAX038的特性功能
MAX038的主要特性为:
0.1Hz~20MHz工作频率范围;三角波、正弦波、矩形波和脉冲波;独立的频率和占空比调整;350:
1频率扫描范围;15%~85%可控占空比;低阻抗输出缓冲器,0.1Ù;低失真正弦波,75%;低温度漂移,200ppm/℃;具有TTL/CMOS兼容的输出,可用来同步外部器件;±5V电源。
基于MAX038的这些特点,可采用多路开关接通电容和电阻来调整其外部基频,然后由DAC0832提供可在±2.3V和±2.4V变化的电压,使占空比在15%~85%范围内变化,频率在基频的±70%的范围内变化,从而得到所需的占空比和频率。
3、MAX038内部结构和工作原理
MAX038内部结构如图1所示,用一个张弛振荡器产生三角波和矩形波,三角波再由正弦形成电路转滤波,但仍在开关瞬间有0.1~0.3V的尖峰干扰,一般数字系统使用没有问题,但本系统有A/D转换电路,A/D转换对尖峰干扰特别敏感,所示为在示波器上观察到的第二级输出14.5V的0.1~0.3V的尖峰。
图2MAX038内部结构及基本工作电路
4、MAX038构成的信号发生器
在输出状态,此时的波形产生电路工作,它能产生我们所选择的波形并输出到外部电路,另一部分则送入计数器。
波形发生器的这部分电路是由MAX038及其外围电路完成的。
MAX038是一个精密高频波形产生器。
它能产生频率高达20MHz的正弦波、方波等脉冲信号,其压控振荡器的频率分粗调和细调两层控制。
另外MAX038还包括占空比调整电路、波形同步电路、相位检测电路、波形切换开关和电压基准源等电路,所需外部元件少,使用很方便。
本系统采用MAX038设计了输出三角波、方波和正弦波的函数信号发生器,频率范围为10Hz~1MHz,能够满足大多数实验与检测的需求。
整机电路由信号产生级、电压放大级和电源四部分组成。
信号产生级的核心器件为MAX038,它的输出波形有三种,由波形设定端A0、A1控制。
MAX038的输出频率f0由IIN,FADJ端电压和主振荡器COSC的外接电容器CF三者共同确定。
当UFADJ=0V时,输出频率f0=Iin/CF,Iin=Uin/Rin=2.5/Rin。
当UFADJ≠0V时,输出频率f0=f(1-0.2915UFADJ)。
由跳帽选择不同的CF值,将整个输出信号分为四个频段。
每频段频率的调节由电位器RP1和RP2完成。
RP1为粗调电位器,改变RP1数值,使振荡电容器CF的充电电流Iin改变,从而使频率改变。
RP2为细调电位器,它通过改变UFADJ的数值,使输出频率变化,它的变化范围较小,起微调作用。
2.信号频率和幅值调节:
1、AT89S51介绍
美国ATMEL公司的AT89S系列51单片机支持ISP功能,给单片机应用开发带来了极大方便。
现介绍一款简易型开发板的使用方法。
将该板插入DIP40封装的8051单片机插座处,通过廉价的ISP即可编程AT89S51,支持在线擦写,速度更快,非常方便。
AT89S51片内有两个独立的16位定时/计数器,两个外中断接口,一个串行通讯口,4k字节快闪擦写存储器(FLASHMEMORY),低功耗的闲置和掉电模式,内带有看门狗电路,在不附加任何外围电路的情况下,能实现大部分比较复杂的逻辑控制功能,对存储容量要求不高的实际应用,AT89S51确实是一种不可多得的高效能单片机。
内部原理图如图3。
图3AT89S51内部原理图
由AT89S51可构成单片机最小系统,其原理图如图4。
图4单片机最小系统
2、信号调频模块
信号的输出频率取决于注入引脚IIN的电流、COSC引脚的电容量(对地)以及引脚FADJ上的电压。
当VFADJ=0时,输出的基频F0由下式给出:
FADJ上的电压所对应的频率由下式给出:
式中:
Fx为要求输出的频率;F0为当VFADJ为0时的基频。
本系统使用两个82pF的电容并联接在MAX38的COSC端,该部分电容与1脚REF和10脚IIN的电阻一起组成基频F0的产生电路,通过调节1与10脚间的变阻器的阻值来调节产生的频率。
阻值为0的电阻是为电路提供一定的功率使用的。
信号输出端并未直接连接连接至下一部分电路,而是经过一个由比较器组成的集成运算放大器输出的,该运放将比较小的产生的信号进行方的,以便容易观察和用单片机测产生的波的频率。
接+5V的端子接有滤波电容,这样使得MAX038集成块工作稳定可靠。
其原理图如图5所示。
图5信号调频模块
3、信号调幅模块
由MAX038芯片构成的信号发生器输出的正弦波、方波,所有输出波形的峰值为±2V,为达到在1KΩ负载条件下,输出正弦波信号的电压峰-峰值VOPP在0到5V范围内可调,我们采用TH082单算放大器对输出幅值进行放大,输出连接到由LM358双运放构成的峰值检测电路,然后输出连接由ADC0804构成的模数转换电路,最后输出的数电由单片机进行读取并用LCD12864液晶显示器显示。
其原理图如图6.
图
图6信号调幅模块
4峰值检波电路的设计
如图7是一个二极管检波电路。
二极管VD是检波元件,C(220uF)和R(100K)是低通滤波器。
当输入的已调波信号较大时,二极管是断续工作的。
正半周时,二极管导通,对C充电;负半周和输入电压较小时,二极管截止,C对R放电。
在R两端得到的电压包含的频率成分很多,经过电容C滤除了高频部分,再经过隔直流电容C0的隔直流作用,在输出端就可得到还原的低频信号。
图7峰值检波电路
3.12864液晶显示模块
为便于直观的查看所产生的正弦波或方波的幅值、频率、步进值等信息,我们采用带字库的液晶显示模块12864来直接显示结果。
其原理图如图7所示。
图8LCD12864液晶显示原理图
4.正负5V和9V电源模块
因为本系统正常工作要有正负电源,所以我们设计制作了该电源模块。
原理图如图8所示:
图9正负5V和9V电源
二:
软件设计
开始,12864初始化,显示处理函数,定时器初始化,主函数在中断子程序中测出波形,幅度,频率,步进值等
三、性能指标:
1.信号发生器能产生正弦波、方波;
2.频率范围300Hz~~100KHz;
3.输出阻抗1KΩ,幅度0~~5V(P-P);
4.输出信号波形无明显失真,频率稳定度:
10(-4);
5.可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值
四、安装与调试
正确的调试系统才能使各模块电路正常工作,实现高精度,高稳定的显示。
1、调试设备
示波器
1台
用于检测实际频率
数字万用表
1个
电脑
1台
电烙铁及焊接工具
1套
电子实验箱
1台
单片机开发板
1块
电源
2个
5v9v
2、调试步骤
1.用直观法检查电路焊接是否正确,元器件极性是否正确。
插上芯片,接上电源,用电压法检查各芯片、各引脚电压是否正常。
2.用数字万用表测量各引脚之间是否连接正常,把其打到二极管档位,用两支表笔分别接触需要测量的引脚,如果万用表发出声音,则两引脚连接正常;如果万用表不响,则表示两点之间没有连上。
3.使用KeiluVision2编写程序,通过acr_fighter将程序下载到单片机开发板上的AT89S51芯片内。
4.连接好各硬件电路,观察各端口是否定义正确,数码管是否显示正常。
把程序下载到单片机内,观察是否正确运行工作,以及测量的结果和实际是否相符合
参考文献
1、华成英,童诗白主编.模拟电子技术技术.高等教育出版社.
2、阎石主编.数字电子技术技术.高等教育出版社.
3、张毅刚主编.单片机原理及应用.(第二版)哈尔滨工业大学出版社.
4、方勤等.模拟电子技术基础.高等教育出版社,2003
5、林占江编著.电子测量技术基础(第二版).电子工业出版社.
6、参考网站资料:
- 配套讲稿:
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