多用信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多用信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì),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 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(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 Multi-functional Signal Generator Abstract Signal 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 不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印 - II - 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1課題背景 1 1.1.1 多用信號(hào)發(fā)生器在現(xiàn)代科技中的運(yùn)用 1 1.1.2信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展前景 4 1.2信號(hào)發(fā)生器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 5 1.3設(shè)計(jì)要求指標(biāo) 6 第2章 理論概述 7 2.1 2.1信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案 7 2.2電路設(shè)計(jì) 7 2.2.1方波發(fā)生器 7 2.2.2三角波發(fā)生器 9 2.2.3正弦波發(fā)生器 11 2.3本章小結(jié) 14 第3章 電路設(shè)計(jì)和元件器選擇 15 3.1電路圖設(shè)計(jì) 15 3.2元器件及參數(shù)選擇 16 3.2.1方波信號(hào)發(fā)生器電路元器件及參數(shù)選擇 16 3.2.2三角波和正弦波信號(hào)發(fā)生器電路元器件及參數(shù)選擇 17 3.3電路的仿真調(diào)試 17 3.4本章小結(jié) 19 第4章 信號(hào)發(fā)生器的制作 20 4.1一種新型的信號(hào)發(fā)生器 20 4.1.1芯片管腳功能 20 4.1.2芯片內(nèi)部電路的特點(diǎn) 21 4.1.3芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 21 4.2主要參數(shù)的確定 22 4.3制作過程 24 4.3.1電子電路的組裝 24 4.3.2電子電路的調(diào)試 25 4.3.3單元電路調(diào)試 25 4.3.4整機(jī)聯(lián)調(diào) 25 4.4本章小結(jié) 26 結(jié)論 28 致謝 29 參考文獻(xiàn) 30 附錄A 31 附錄B 36 千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - IV - 第1章 緒論 1.1課題背景 信號(hào)發(fā)生器又稱信號(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)，用戶可以通過友好的圖形界面來(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)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)，可以方便地由用戶自己來(lái)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(cè)試要求。所以，虛擬儀器是由用戶自己定義、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發(fā)時(shí)間，而且用戶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)展幾乎是直線前進(jìn)。由于GPIB 總線標(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)過近十年的發(fā)展，這些用戶得到了越來(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，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，用戶可將大量的獨(dú)立儀器同計(jì)算機(jī)相連形成用戶自己設(shè)計(jì)的虛擬儀器。在儀器銷售市場(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(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)超過一般儀器處理功能。第二階段：開放式的儀器構(gòu)成。為滿足虛擬儀器市場(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 儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立。這些新的技術(shù)使儀器的構(gòu)成得以開放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應(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)部的處理器總線相連。眾所周知，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)也有擴(kuò)展槽，所以用戶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)專門儀器，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)存在硬盤和軟盤上的，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)生器性價(jià)比低，功能少且模式固定。近年來(lái)，隨著虛擬儀器（virtual instruments, 簡(jiǎn)稱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)過程給你一個(gè)感覺：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)物理過程或某個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行仿真。儀器技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展,而今正沿著總線與驅(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)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)，主要采用性價(jià)比較高的系列器件，即滿足信號(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)越多的用戶正在轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行通訊?，F(xiàn)在，各種現(xiàn)場(chǎng)總線在不同行業(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。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等公司已開發(fā)了通過web瀏覽器觀測(cè)嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過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。現(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，mcn網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。 現(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)，主要采用性價(jià)比較高的系列器件，即滿足信號(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和聯(lián)網(wǎng)總線，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)，影響著人類的生產(chǎn)、教學(xué)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、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。 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，更多的則是用專門的函數(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，因此積分電路起延遲和負(fù)反饋?zhàn)饔肹3]。 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，輸出電壓，則加到運(yùn)放同相輸出端的電壓為 （2-1） 式中，。此時(shí)通過向C充電，使運(yùn)放反相輸入電壓由零逐漸上升。在以前，保持不變。在時(shí)刻，上升到略高于，由高電平跳到低電平，即變?yōu)椤r(shí)，，同時(shí)通過向C充電，使運(yùn)放反相輸入端電壓由零逐漸上升。在以前，保持不變。在時(shí)刻，下降到略低于，由低電平跳到高電平，即變?yōu)椋只氐皆紶顟B(tài)。如此周而復(fù)始，循環(huán)不已，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。 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)刻的，再上升到時(shí)刻的，所需的時(shí)間就是一個(gè)振蕩周期，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)為，初始值為（時(shí)刻），終值為（t→∞），故 （2-2） 在時(shí)， ，代入式（2-2）后可求得 （2-3） 同樣可求得 （2-4） 由于高低電平所占的時(shí)間相等，故是方波。其振蕩周期為 （2-5） 若選取適當(dāng)?shù)摹⒅?，使，則 于是振蕩頻率為： （2-6） 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)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，電容兩端的電壓為零，即略低于，，則積分電路輸出電壓。此時(shí)電容被充電，顯然 （2-7） 于是線性下降，也下降，直到時(shí)，略低于，即略低于零時(shí)，從突跳到，同時(shí)也跳變到更低的值（比零低的多）?？梢?，在前的一瞬間，，，而從流過和的電流相等，則，故 后，由于，故電容放電，其兩端電壓 （2-8） 因 （2-9） 故 （2-10） 于是線性上升，也上升。直到時(shí)，略大于零，從突跳到?？梢?，在前的一瞬間，，，則 故 （2-11） 在以后電路周而復(fù)始，循環(huán)不已，形成振蕩。 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(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，可以畫出和的波形，如圖2-4所示。 圖2-4 與波形 其中為方波，為三角波。之所以為三角波，是由于電容充放電的時(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： （2-12） 下面求振蕩周期。由于，而當(dāng)時(shí)，有 （2-13） 則 （2-14） 故 （2-15） 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)到所需要的值，然后再調(diào)整或C，使頻率能滿足要求。 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(yùn)放電路組成，因此， （2-16） （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 （2-17） 由自激振蕩條件[8]：T=AF=1有 （2-18） 所以上式分母中的虛部必須零，即 式（2-18）的實(shí)部為1，即 ，得到起振條件。 對(duì)圖2-5（b）所示同相運(yùn)放，，須滿足。 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。 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 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＝4.7kΩ，＝5.1kΩ。 3．、和C的選擇：當(dāng)滿足時(shí)，。 若不是很低，C可1μF以下，可選幾千歐到幾萬(wàn)歐之間，圖中，為電位器。 設(shè)C＝0.33μF，當(dāng)＝0時(shí)，應(yīng)有，由此可得，當(dāng)最大時(shí)，應(yīng)有由此可得68.4kΩ。 4．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)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。 3.2.2三角波和正弦波信號(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] 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(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。可以利用Protel軟件將電路畫出，生成PCB板模式，進(jìn)行布局和布線。做出一個(gè)信號(hào)發(fā)生器。PCB圖如圖3-5所示。 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)行布線和布局，做出一個(gè)信號(hào)發(fā)生器。 - 44 - 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，更多的是用專門的函數(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； 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 1 A1 1 0 0 4.1.3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] 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； 2.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： （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；CF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，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]電壓的控制，振蕩頻率由下式確定 （4-2） 則（1）因?yàn)槲覀円箢l率范圍在1HZ～1MHZ,分六個(gè)頻率來(lái)滿足要求，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)，CF容量范圍在20PF～100μF時(shí)，芯片性能最佳。 由此，由上可知 （4-3） （2）當(dāng)=10μA時(shí)，；當(dāng)時(shí)，就是說(shuō)，當(dāng)在250KΩ～6.25 KΩ時(shí)，性能最佳，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，這里為粗調(diào)電位器。 MAX038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)輸出頻率為，當(dāng)～時(shí)，輸出頻率的變化率為±70%，對(duì)應(yīng)頻率為0.3～1.7。 若保持恒定，則輸出頻率由式確定。 由于再FADJ端有一個(gè)250的恒定輸入，因此在端和FADJ端接可變電阻來(lái)調(diào)整，阻值得確定為 （4-4） 根據(jù)計(jì)算可以得出，當(dāng)=7.26KΩ～12.7 KΩ時(shí)，頻率細(xì)調(diào)為20%，即，故取標(biāo)稱值=5.6KΩ, =7.2 KΩ 占空比的調(diào)節(jié)及調(diào)整電阻的確定MAX038的占空比的調(diào)整有兩種方式，一種是利用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源調(diào)整，另一種是利用外加電源調(diào)整，為使電路簡(jiǎn)單，采用第一種調(diào)整方式。 占空比受控于[7]腳DADJ端。當(dāng)=0V時(shí)，占空比C=50%，當(dāng)=+2.3V～-2.3V時(shí)，D從10%變化到90%，這表明每伏電壓可使占空比變化17.4%。占空比D、脈沖寬度t的計(jì)算公式為% 可有一個(gè)2的固定電阻和一個(gè)16的多圈精密電阻串聯(lián)構(gòu)成，調(diào)節(jié)，使占空比在15%～85%內(nèi)變化。 4.3制作過程 根據(jù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)購(gòu)買元器件并進(jìn)行焊接。選取的原則就是：所用元器件盡量與理論推算所用的元器件相符，在價(jià)格、貨源允許的情況下盡量使用精密的元器件這樣可以減少整個(gè)電路的誤差。同時(shí)由于貨源的問題本設(shè)計(jì)并沒有采用精密多圈電位器而是采用一般的電位器這樣會(huì)造成一定的誤差但不大。 實(shí)際布局是根據(jù)PCB原理圖進(jìn)行的。由于采用專門的集成芯片，所以整個(gè)電路的元器件比較少，這樣有利于整個(gè)電路的布局。為了以后的檢查和修改，應(yīng)盡量使元器件之間的間隔較大，盡量減少導(dǎo)線的使用，并且盡量使用比較細(xì)的導(dǎo)線，最好使用專用的高溫導(dǎo)線。 4.3.1電子電路的組裝 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)中組裝電路通常采用焊接和在實(shí)驗(yàn)箱上插接兩種方式。焊接組裝可提高學(xué)生焊接技術(shù)，但器件可重復(fù)利用率低。在實(shí)驗(yàn)箱上組裝，元器件便于插接且電路便于調(diào)試，并可提高器件重復(fù)利用率。下面介紹在實(shí)驗(yàn)箱上用插接方式組裝電路的方法[16]。 1.集成電路的裝插 插接集成電路時(shí)首先應(yīng)認(rèn)清方向，不要倒插，所有集成電路的插八方向要保持一致，注意管腳不能彎曲。 2.元器件的位置 根據(jù)電路圖的各部分功能確定元器件在實(shí)驗(yàn)箱的插接板上的位置，并按信號(hào)的流同將元器件有順序地連接，以易于調(diào)試。 3.導(dǎo)線的選用和連接 導(dǎo)線直徑應(yīng)和插接板的插孔直徑相一致，過粗會(huì)損壞插孔，過細(xì)則與插孔接觸不良。為橙壹電路的方便，根據(jù)不同用途。導(dǎo)線可以選用不同的顏色。一般習(xí)慣是正電源用紅線，負(fù)電源用藍(lán)線，地線用黑線，信號(hào)線用其他顏色的線等。連接用的導(dǎo)線要求緊貼在插接板上，避免接觸不良。連線不允許跨接在集成電路上，一般從集成電路周圍通過，盡量做到橫平豎直，這樣便于查線和更換器件。 組裝電路時(shí)注意，電路之間要共地。正確的組裝方法和合理的布局，不僅使電路整齊美觀，而且能提高電路工作的可靠性，便于檢查和排除故障。 4.3.2電子電路的調(diào)試 通常有以下兩種調(diào)試電路的方法： 第一種是采用邊安裝邊調(diào)試的方法。把一個(gè)總電路按框圖上的功能分成若干單元電路分別進(jìn)行安裝和調(diào)試，在完成各單元電路調(diào)試的基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)大安裝和調(diào)試的范圍，最后完成整機(jī)調(diào)試。對(duì)于新設(shè)計(jì)的電路，此方法既便于調(diào)試，又可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。該方法適于課程設(shè)計(jì)中采用。 第二種方法是整個(gè)電路安裝完畢，實(shí)行一次性調(diào)試。這種方法適于定型產(chǎn)品。調(diào)試時(shí)應(yīng)注意做好調(diào)試記錄，準(zhǔn)確記錄電路各部分的測(cè)試數(shù)據(jù)和波形，以便于分析和運(yùn)行時(shí)參考。接入電路所要求的電源電壓，觀察電路中各部分器件有無(wú)異?，F(xiàn)象。如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，則應(yīng)立即關(guān)斷電源，待排除故障后方可重新通電。 4.3.3單元電路調(diào)試 在調(diào)試單元電路時(shí)應(yīng)明確本部分的調(diào)試要求。按調(diào)試要求測(cè)試性能指標(biāo)和觀察波形。調(diào)試順序按信號(hào)的流向進(jìn)行。這樣可以把前面調(diào)試過的輸出信號(hào)作為后一級(jí)的輸入信號(hào)，為最后的整機(jī)聯(lián)調(diào)創(chuàng)造條件。電路調(diào)試包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試，通過調(diào)試掌握必要的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象，然后對(duì)電路進(jìn)行分析、判斷、排除故障，完成調(diào)試要求。 4.3.4整機(jī)聯(lián)調(diào) 各單元電路調(diào)試完成后就為整機(jī)調(diào)試打下了基礎(chǔ)。整機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)應(yīng)觀察各單元電路連接后各級(jí)之間的信號(hào)關(guān)系。主要觀察動(dòng)態(tài)結(jié)果，檢查電路的性能和參數(shù)，分析測(cè)量的數(shù)據(jù)和波形是否符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)發(fā)現(xiàn)的故障和問題及時(shí)采取處理措施。電路故障的排除可以按下述8 種方法進(jìn)行： 信號(hào)尋跡法：尋找電路故障時(shí)，一般可以按信號(hào)的流程逐級(jí)進(jìn)行。從電路的輸入端加入適當(dāng)?shù)男盘?hào)。用示波器或電壓表等儀器逐級(jí)檢查信號(hào)在電路內(nèi)務(wù)部分傳輸?shù)那闆r，根據(jù)電路的工作原理分析電路的功能是否正常，如果有問題，應(yīng)及時(shí)處理。調(diào)試電路時(shí)也可從輸出級(jí)向輸入級(jí)倒推進(jìn)行，信號(hào)從最后一級(jí)電路的輸入端加入，觀察輸出端是否正常，然后逐 級(jí)將適當(dāng)信號(hào)加入前面一級(jí)電路輸入端，繼續(xù)進(jìn)行檢查。這里所指的“適當(dāng)信號(hào)”是指頻率、電壓幅值等參數(shù)應(yīng)滿足電路要求，這樣才能使調(diào)試順利進(jìn)行。 對(duì)分法：把有故障的電路分為兩部分，先檢測(cè)這兩部分中究竟是哪部分有故障，然后再對(duì)有故障的部分對(duì)分檢測(cè)，一直到找出故障為止。采用“對(duì)分法”可減少調(diào)試工作量。 分割測(cè)試法：對(duì)于一些有反饋的環(huán)形電路，如振蕩器、穩(wěn)壓器等電路，它們各級(jí)的工作情況互相有牽連，這時(shí)可采取分割環(huán)路的方法，將反饋環(huán)去掉，然后逐級(jí)檢查，可更快地查出故障部分。對(duì)自激振蕩現(xiàn)象也可以用此法檢查。 電容器旁路法：如遇電路發(fā)生自激振蕩或寄生調(diào)幅等故障，檢測(cè)時(shí)可用一只容量較大的電容器并聯(lián)到故障電路的輸入或輸出端，觀察對(duì)故障現(xiàn)象的影響，據(jù)此分析故障的部位。在放大電路中，旁路電容失效或開路，使負(fù)反饋加強(qiáng)，輸出量下降，此時(shí)用適當(dāng)?shù)碾娙莶⒙?lián)在旁路電容兩端，就可以看到輸出幅度恢復(fù)正常，也就可斷定旁路電容的問題．這種檢查可能要多處試驗(yàn)才有結(jié)果，這時(shí)要細(xì)心分析可能引起故障的原因。這種方法也用來(lái)檢查電源濾波和去耦電路的故障。 對(duì)比法：將有問題的電路的狀態(tài)，參數(shù)與相同的正常電路進(jìn)行逐項(xiàng)對(duì)比．此方法可以較快地從異常的參數(shù)中分析出故障 替代法：把已調(diào)試好的單元電路代替有故障或有疑問的相同的單元電路（注意共地），這樣可以很快判斷故障部位。有時(shí)元器件的故障不很明顯，如電容器漏電、電阻變質(zhì)，晶體管和集成電路性能下降等，這時(shí)用相同規(guī)格的優(yōu)質(zhì)元器件逐一替代實(shí)驗(yàn)，就可以具體地判斷故障點(diǎn)，加快查找故障點(diǎn)的速度，提高調(diào)試效率。 靜態(tài)測(cè)試法：故障部位找到后，要確定是哪一個(gè)或哪幾個(gè)元件有問題，最常用的就是靜態(tài)測(cè)試法和動(dòng)態(tài)測(cè)試法，靜態(tài)測(cè)試是用萬(wàn)用表測(cè)試電阻值、電容器漏電，電路是否斷路或短路，晶體管和集成電路的各引腳電壓是否正常等．這種測(cè)試是在電路不加信號(hào)時(shí)進(jìn)行的，所以叫靜態(tài)測(cè)試。通過這種測(cè)試可發(fā)現(xiàn)元器件的故障。 動(dòng)態(tài)測(cè)試法：當(dāng)靜態(tài)測(cè)試還不能發(fā)現(xiàn)故障原因時(shí)，可以采用動(dòng)態(tài)測(cè)試法．測(cè)試時(shí)在電路輸入端加上適當(dāng)?shù)男盘?hào)再測(cè)試元器件的工作情況，觀察電路的工作狀況，分析、判別故障原因。組裝電路要認(rèn)真細(xì)心，要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。安裝電路要注意布局合理．調(diào)試電路要注意正確使用測(cè)量?jī)x器，系統(tǒng)各部分要“共地”，調(diào)試過程中不斷跟蹤和記錄觀察的現(xiàn)象，測(cè)量的數(shù)據(jù)和波形。 4.4本章小結(jié) 本章主要講述了運(yùn)用MAX038芯片來(lái)制作信號(hào)發(fā)生器，同時(shí)對(duì)MAX038芯片的性能、特點(diǎn)和內(nèi)部電路，以及運(yùn)用方法進(jìn)行了全面的論述。同時(shí)根據(jù)實(shí)物電路，進(jìn)行內(nèi)部調(diào)試并按照設(shè)計(jì)要求做出具體的參數(shù)確定。最后研究了電路的組裝和調(diào)試。調(diào)試完成后，此信號(hào)發(fā)生器完成。 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可行的信號(hào)發(fā)生器，可以正確輸出設(shè)計(jì)指標(biāo)中要求的三種波形。 設(shè)計(jì)的第一章講述了信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)和其發(fā)展前景，并提出了設(shè)計(jì)指標(biāo)。 第二章中提出了四個(gè)設(shè)計(jì)方案并決定運(yùn)用方案二進(jìn)行實(shí)際制作，在第二章的第二節(jié)中設(shè)計(jì)了方波發(fā)生器電路、三角波和正弦波的發(fā)生器電路。并且分別對(duì)三種電路進(jìn)行了參數(shù)確定與論證比較。 第三章中設(shè)計(jì)了三種波的實(shí)物電路，在將二種發(fā)生器進(jìn)行整合合并之后做出了一個(gè)整體的信號(hào)發(fā)生器的實(shí)物電路，最后對(duì)電路進(jìn)行了仿真調(diào)試，得出仿真結(jié)果和PCB線路制成圖。 最后一章里面首先介紹了一種比較先進(jìn)的信號(hào)發(fā)生器（以MAX308芯片為核心制作的信號(hào)發(fā)生器），接著講述了電子電路的調(diào)試方法和具體制作方法。 本方案制作的信號(hào)發(fā)生器能很好完成設(shè)計(jì)指標(biāo)中的要求，但是結(jié)果顯示，它的功能較少，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)。 這種信號(hào)發(fā)生器的研究還處于發(fā)展新興階段，有待于進(jìn)一步改進(jìn)和研究。把信號(hào)發(fā)生和數(shù)據(jù)采集集成在一起，利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行控制和處理，并且在軟硬件的升級(jí)方面有很大的改善空間和靈活性。 致謝 值此論文完成之際，謹(jǐn)向?qū)熇罱ㄐ轮乱宰钫\(chéng)摯的感謝。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，李老師從學(xué)習(xí)、生活上給予我莫大的教誨和幫助，她淵博的知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)給了我很大的啟迪和引導(dǎo)。 系主任劉泊教授、實(shí)驗(yàn)室的老師們?cè)谡麄€(gè)的課題完成過程中也給予了我無(wú)私的關(guān)懷和幫助，指導(dǎo)學(xué)生完成大量的工作。主任劉泊教授為學(xué)生提供了良好的科研環(huán)境，并在百忙之中抽出時(shí)間對(duì)我的論文的完成給予了大量的指導(dǎo)，提出了寶貴修改意見。 另外，我還要特別感謝好友劉光祥和曹志平，他們的鼓勵(lì)和幫助為我提供了很大的前進(jìn)動(dòng)力。同時(shí)對(duì)各位幫助過我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝! 參考文獻(xiàn) 1 童詩(shī)白．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．高等教育出版社，1988 2 石雄等．DDS芯片AD9850的工作原理及其與單片機(jī)的接口．國(guó)外電子元器件，2001 3 關(guān)貞珍，霍曉靜，錢東平等．基于虛擬儀器的信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25(30) ：84~86 4 趙世強(qiáng)等編．電子電路EDA技術(shù)．西安電子科技大學(xué)出版社，2000 5 種蘭祥，閻麗張，首軍．基于計(jì)算機(jī)聲卡的多