多用信号发生器系统设计
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哈尔滨理工大学学士学位论文多用信号发生器设计摘要信号发生器在动态测试领域有重要的作用。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。函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。本设计应用晶体管、运放IC等通用器件制作了简单易行的一套信号发生器电路,可以正确输出三角波、方波和正弦波等波形。设计中在原有方波,三角波和正弦波的电路基础上增加一级放大器,以实现输出电压的可调和,输出阻抗为50。试验结果显示,通过调试可以正确显示所需要的波形,并利用仿真软件Maltose画出电路图,做出PCB布线图。结果显示,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,二者又互相影响。最后简单介绍了以ICMAX038集成芯片为核心采用MCU微处理器控制程控继电器和数字电位器设计的多功能信号发生器。该发生器能够输出方波、正弦波和三角波并能实现频段选择和频段内频率微调,同时还可以作为频率计测频率。函数信号的产生由MAX038和外围电路完成,能产生1Hz-20MHz的波形。波形选择由单片机完成,输出或输入频率经74HC390分频后,由单片机完成自动频率检测显示。该信号发生器克服了上述信号发生器的不足。关键词 信号发生器;运算放大器;ICMAX038 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 . 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不要删除行尾的分节符,此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题背景11.1.1 多用信号发生器在现代科技中的运用11.1.2信号发生器的发展前景41.2信号发生器的国内外现状51.3设计要求指标6第2章 理论概述72.1 2.1信号发生器的设计方案72.2电路设计72.2.1方波发生器72.2.2三角波发生器92.2.3正弦波发生器112.3本章小结14第3章 电路设计和元件器选择153.1电路图设计153.2元器件及参数选择163.2.1方波信号发生器电路元器件及参数选择163.2.2三角波和正弦波信号发生器电路元器件及参数选择173.3电路的仿真调试173.4本章小结19第4章 信号发生器的制作204.1一种新型的信号发生器204.1.1芯片管脚功能204.1.2芯片内部电路的特点214.1.3芯片内部结构图214.2主要参数的确定224.3制作过程244.3.1电子电路的组装244.3.2电子电路的调试254.3.3单元电路调试254.3.4整机联调254.4本章小结26结论28致谢29参考文献30附录A31附录B36千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1课题背景信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。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。例如在通信、广播、电视系统中,都需要射频(高频)发射,这里的射频波就是载波,把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去,就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内,如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等,都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。1.1.1 多用信号发生器在现代科技中的运用现代科技的进步以计算机的进步为代表,不断创新的计算机技术,正以不可逆转之势从各个层面上影响着各行各业的技术进步,今天的测控仪器行业同样经历着一场翻天覆地的变革。一方面,计算机技术的进步为新型的信号发生器仪器产生提供了现实基础,主要表现在:1.微处理器和DSP(digital signal processing)技术的快速进步以及其性能价格比不断上升大大改变了传统电子行业的设计思想和观念,原来许多由硬件完成的功能今天能够依靠软件实现。2.面向对象技术、可视化程序开发语言在软件领域为更多易于使用、功能强大的软件开发提供了可能性。另一方面,传统的测控仪器越来越满足不了科技进步的要求,主要表现在:1.现代测控要求仪器不仅仅能单独测量到某个量,而更希望它们之间能够互相通信,实现信息共享,从而完成对被测各系统的综合分析、评估,得出准确判断。传统仪器在这方面显然存在严重不足,甚至根本不可能实现。2.对于复杂的被测系统,面对各个厂家的不同测试设备,使用者需要的知识很多。这样的仪器不仅使用频率和利用率低,而且硬件存在冗余。鉴于上述原因,基于计算机的测试仪器逐渐变得现实,其出现和广泛使用对测控仪器产生较为深远影响。对于复杂的被测系统,面对各个厂家的不同测试设备,使用者需要的知识很多。这样的仪器不仅使用频率和利用率低,而且硬件存在冗余。鉴于上述原因,基于计算机的测试仪器逐渐变得现实,其出现和广泛使用对测控仪器产生较为深刻的影响。作为传统仪器的革新产品,虚拟仪器的作用在今天已日渐普及。多用信号发生是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样,从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。与传统仪器一样,它同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能块。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合,实现仪器的功能运作。仪器的内部功能划分应用程序将可选硬件(如GPIB、VXI、RS2232 、DAQ)和重复使用源码库函数的软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发,源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时,可以方便地由用户自己来增减硬软件模块,或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。所以,虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能所需附件,而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。电子测量仪器经历了由模拟仪器、带GPIB接口的智能化仪器到全部可编程虚拟仪器的发展历程,其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力。由于计算机技术特别是计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在PXI 和VXI 两个领域中得到了快速发展,它们成为未来仪器行业的两大主流产品。给定计算机运算能力和必要的仪器硬件之后,构造和使用虚拟仪器的关键在于应用软件。基于软件在虚拟仪器中的作用,美商国家仪器公司(Na2tional Inst rumens,简称NI)提出了“软件即仪器”(The software is the inst rumens)的口号,而其Lab2VIEW也不能不被提及,它提供了虚拟仪器的图形编程环境,在这个软件环境中提供的一种像数据流一样的编程模式,用户只需连接各个逻辑框即可构成程序。它还以图形方式提供了大量的显示和分析程序库,利用软件平台可大大缩短虚拟仪器控制软件的开发时间,而且用户可以建立自己的措施方案。大致说来,虚拟仪器发展至今,可以分为三个阶段,而这三个阶段又可以说是同步进行的。第一阶段:利用计算机增强传统仪器的功能。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。由于GPIB 总线标准的确立,计算机和外界通信成为可能,因而用户可以用计算机控制仪器,而随着计算机系统性能价格比的不断上升,用计算机控制测控仪器成为一种趋势。经过近十年的发展,这些用户得到了越来越多的关于计算机控制仪器的软件,并且这些软件易学易用。最新的软件包括写前仪器驱动库、数据分析函数库、图形接口函数库等。用户可以利用这些强有力的软件来增强自己仪器系统的功能,使它能够分析和处理特定的数据,并显示结果,而不是限于仪器的固定功能之上。实际上,只需要把传统仪器通过GPIB或RS2232同计算机连接起来,这些新增功能就能运转良好。因而,用户可将大量的独立仪器同计算机相连形成用户自己设计的虚拟仪器。在仪器销售市场上也发生了巨大的变化,通用的数字式仪器销售量猛增,而专用的传统仪器销售量大幅度下降。用户意识到有了计算机和数字化设备,他们就可以实现信号数字化,从而对他们的数据做特定分析处理并显示在计算机屏幕上。毕竟,台式计算机的处理能力远远超过一般仪器处理功能。第二阶段:开放式的仪器构成。为满足虚拟仪器市场不断增长的需求,这时在仪器硬件上出现了两大技术进步:一是插入式计算机数据处理卡(plug2in PC DAQ);二是VXI 仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放,消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。仪器设计者们与用户一样,企图尽可能地提高效率和重复使用很多技术。仪器生产商建立了他们自己设计的内在标准,使得他们的位微处理器、存储器、数据采集、分析、显示的软件等产品有利可图。许多在仪器上通用的元器件就是计算机里的标准件,这样使得计算机成为一个构建虚拟仪器的理想平台。许多特殊功能键A/D、D/A、数字I/O、时间I/O 组件都是模块化的功能块,能够直接插在仪器上与仪器内部的处理器总线相连。众所周知,现代计算机也有扩展槽,所以用户可将这些模块化的插卡直接插在扩展槽内。传统的仪器相关软件都是固化在内部ROM内,这些软件也只针对专门仪器,虽然其中许多代码都是从其他仪器设计商的软件模块中得来的。而在虚拟仪器中,专用仪器的软件也是使用模块化的可重用代码。但不像传统仪器那样,只限于单一特殊的ROM,虚拟仪器的功能软件是以文件形式储存在硬盘和软盘上的,可以安装在任何计算机上。当然,多个虚拟仪器可以共存于一台计算机上。而且,某个特定的仪器在一段时间内可以独享计算机的显示和控制部分,像传统仪器一样,但是很多虚拟仪器能够共享显示,尽管每个仪器有其独特的硬件。正是由于第二阶段虚拟仪器在软硬件上的这些进步,使得它的构建具备了开放性和更大的灵活性,得到了更加广泛的应用。第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来,虚拟仪器将成为一种主流技术。许多行业标准在硬件和软件领域已产生,几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段,人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。美商国家仪器公司总结了这些观点并提出了一句口号“软件即仪器”。他们的软件产品也创造了整体的仪器框架。信号发生器是一种常用的信号源,它广泛应用于教学及科学研究实验中。传统的信号发生器性价比低,功能少且模式固定。近年来,随着虚拟仪器(virtual instruments, 简称VI)技术的发展,诞生了虚拟信号发生器,但其发生信号类型较少。一般只有正弦、方波、三角波及锯齿波等几种常用基本信号,对信号的控制功能还有局限性,无法满足各种实验的广泛需要。本设计以声卡作为信号DSA通道,充分利用Lab-VIEW开发平台提供的丰富资源,采用模块化的设计方法,共有18个子VI,进一步完善了虚拟信号发生器的功能,能产生10种常用信号。该信号发生器对波形及数据文件具有处理功能,对输出通道具有选择控制功能,同时可以利用通用函数信号发生子VI进行数学模型的仿真。1.1.2信号发生器的发展前景信号发生器系统已成为仪器领域的一个基本仪器,是技术进步的必然结果。今天,它的应用已经遍及各行各业。很多测量工程师现在都在使用虚拟仪器,即:用计算机控制一台GPIB或RS2232仪器,通过计算机屏幕上的图形化前面板操作仪器,这与操作一台物理的仪器没有区别。计算机能够模仿远处的物理设备,整个过程给你一个感觉:你不在仪器旁边,却在远处虚拟地操作着这台仪器。另外的一种情况是将一个图形化仪器前置面板放在计算机上,计算机连接着一块插入式数据采集卡和一个VXI 功能模块,而不连接GPIB 仪器。这时,仪器本身没有前置面板,因而你不能将它作为一台独立的仪器来使用。因而,计算机成了这个仪器系统的一个组件,计算机的前置面板操作成了唯一的操作仪器的方式。还有一种情况就是没有任何功能模块连接在计算机上,虽然计算机上同样有前置软面板,计算机通过数据文件和网络得到数据,对它进行分析处理,或者它不用外部的真实数据,而是计算机处理一些“自己”的数据对一个物理过程或某个项目进行仿真。仪器技术经过十几年的发展,而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善,建立在VXI 技术上的各种先进仪器将会层出不穷。仪器技术在发达国家的推广应用也是十分普及,不仅在电子测量领域、过程控制领域,包括人们生活的其它许多领域,利用虚拟仪器实现复杂的测量与控制系统的例子也很多。我国目前还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态,世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我们的实际情况,我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面,大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术、部分产品,吸收最新成果技术;另一方面,发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术,发展图形化平台的软件产品,充分利用我们现有的计算机及测试技术软硬件,缩短与国际先进水平之间的差距。随着电信技术的发展,高性能的信号发生器对系统的测试起着至关重要的作用。传统的模拟信号发生器由于输出波形单一,频率及相位调节精度低,同时不能满足现代复杂电子系统设计的要求,利用多用途专用芯片直接数字合成设计信号发生器成本太高。本文提出基于单片机与技术的多功能信号发生器的设计,主要采用性价比较高的系列器件,即满足信号发生器性能要求又降低成本。1.2信号发生器的国内外现状仪器技术在发达国家的推广应用也是十分普及,不仅在电子测量领域、过程控制领域,包括人们生活的其它许多领域,利用虚拟仪器实现复杂的测量与控制系统的例子也很多。我国目前还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态,世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我们的实际情况,我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面,大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术、部分产品,吸收最新成果技术;另一方面,发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术,发展图形化平台的软件产品,充分利用我们现有的计算机及测试技术软硬件,缩短与国际先进水平之间的差距。为了共享测试系统资源,越来越多的用户正在转向网络。工业现场总线是一个网络通讯标准,它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通讯。现在,各种现场总线在不同行业均有一定应用;工业以太网也有望进入工业现场,应用前景广阔;Internet已经深入各行各业乃至千家万户。嵌入式智能仪器设备联网的需求将越来越广泛。为此,NI等公司已开发了通过web浏览器观测嵌入式仪器设备的产品,使人们可以通过internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性,人们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起,使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享,减少了设备重复投资。现在,有关mcn(measurement and control networks)方面的标准已经取得了一定进展。由此可见,mcn网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。 现在电信技术的飞速发展,高性能的信号发生器对系统的测试起着至关重要的作用。传统的模拟信号发生器由于输出波形单一,频率及相位调节精度低,同时不能满足现代复杂电子系统设计的要求,利用多用途专用芯片直接数字合成设计信号发生器成本太高。本文提出基于单片机与技术的多功能信号发生器的设计,主要采用性价比较高的系列器件,即满足信号发生器性能要求又降低成本。综上所述,基于不同的通讯总线和联网总线,虚拟仪器可面向高中低端的不同应用。目前,全球有成千上万台测控设备中正在使用虚拟仪器,虚拟仪器正在深入各行各业,影响着人类的生产、教学、科学实验、国防等,甚至进入家庭自动化管理。由于可充分利用计算机、网络和通讯的相关技术,远程调控的虚拟仪器有望取代测量技术传统领域的各类仪器。1.3设计要求指标基于简单成本低而且能够输出至少三种波形的设计要求,所以,本信号设计指标如下1:1.输出为方波、三角波和正弦波三种波形,用开关切换输出;2.均为双极性;3.输出阻抗均为50;4.具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。第2章 理论概述2.1信号发生器的设计方案函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。下面我们将分别对各个波形的发生进行分析,并且提出几种方案,从而达到在合成电路时使电路更加合理。方案一: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。方案二: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,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。方案三: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器ICMAX038,它克服了方案二中芯片的缺点,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2。方案四: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。以上四种方案中,方案二与方案三均为可行的方案。方案二简单易行,在知识和设备有限的条件下,可选择方案二进行信号发生器的设计。2.2 原理电路2.2.1方波发生器图2-1为用运算放大器、滞回比较器和、C积分电路组成的方波发生电路,输出电压经、C反馈到运放的反相输出端,因此积分电路起延迟和负反馈作用3。图2-1 方波发生电路如图2-1所示,设在接通电源的时刻,电容器两端电压,输出电压,则加到运放同相输出端的电压为 (2-1)式中,。此时通过向C充电,使运放反相输入电压由零逐渐上升。在以前,保持不变。在时刻,上升到略高于,由高电平跳到低电平,即变为。时,同时通过向C充电,使运放反相输入端电压由零逐渐上升。在以前,保持不变。在时刻,下降到略低于,由低电平跳到高电平,即变为,又回到原始状态。如此周而复始,循环不已,因此产生振荡,输出方波。 根据上边的分析,可以画出与的波形如图2-2所示。图2-2 输入输出波形由波形可知,从时刻的4下降到时刻的,再上升到时刻的,所需的时间就是一个振荡周期,在到这段时间,的变化规律是简单RC电路充放电规律,其常数为,初始值为(时刻),终值为(t),故 (2-2)在时, ,代入式(2-2)后可求得 (2-3)同样可求得 (2-4)由于高低电平所占的时间相等,故是方波。其振荡周期为 (2-5)若选取适当的、值,使,则于是振荡频率为: (2-6)2.2.2三角波发生器根据RC积分电路输入和输出信号波形的关系5可知,当RC积分电路的输入信号为方波时,输出信号就是三角波,由此可得,利用方波信号发生器和RC积分电路就可以组成三角波信号发生器。三角波信号发生器的电路组成如图2-3所示6。图中的运算放大器组成方波信号发生器,组成RC积分电路。该电路的工作原理是:方波信号发生器输出的方波。图中等还可构成同相滞回比较器,和、C等组成反相积分电路。信号输入积分电路,在积分电路的输出端得到三角波信号。积分电路的输出端除了输出三角波信号外,并通过电阻R1将三角波信号反馈到滞回电压比较器的输入端,将三角波信号整形变换成方波信号输出。 图2-3 三角波发生电路根据上图可以看出在t=0时,比较器输出电压为高电平,电容两端的电压为零,即略低于,则积分电路输出电压。此时电容被充电,显然 (2-7)于是线性下降,也下降,直到时,略低于,即略低于零时,从突跳到,同时也跳变到更低的值(比零低的多)。可见,在前的一瞬间,而从流过和的电流相等,则,故后,由于,故电容放电,其两端电压 (2-8)因 (2-9)故 (2-10)于是线性上升,也上升。直到时,略大于零,从突跳到。可见,在前的一瞬间,则故 (2-11)在以后电路周而复始,循环不已,形成振荡。根据分析,我们可以得知三角波形成的电路的形成过程,并且可以具体的画出三角波的波形图,三角波信号发生器的电路组成是方波信号发生器输出的方波,当方波信号输入积分电路RC的时候,则在积分电路的输出端得到三角波信号。因此,可以画出和的波形,如图2-4所示。图2-4 与波形其中为方波,为三角波。之所以为三角波,是由于电容充放电的时间常数相等,积分电路输出电压上升和下降的幅度和时间相等,上升和下降的斜率的绝对值也相等。显然,三角波峰值为: (2-12)下面求振荡周期。由于,而当时,有 (2-13)则 (2-14)故 (2-15)则可以在调整三角波电路时,应先调整或,使其峰值达到所需要的值,然后再调整或C,使频率能满足要求。2.2.3正弦波发生器正弦波发生器又称文氏电桥振荡器7,如图2-5所示,其中A放大器由同相运放电路组成,因此, (2-16)(a) (b)图2-5 正弦波发生电路F网络由RC串并联网络组成7,由于运算放大器的输入阻抗Ri很大,输出阻抗Ro很小,其对F网络的影响可以忽略不计,从图2-5(a)有 (2-17)由自激振荡条件8:T=AF=1有 (2-18)所以上式分母中的虚部必须零,即 式(2-18)的实部为1,即 ,得到起振条件。对图2-5(b)所示同相运放,须满足。以上分析表明:1.文氏电桥振荡器的振荡频率,由具有选频特性的RC串联网络决定。 2.图2-5文氏电桥振荡器的起振条件为,即要求放大器的电压增益大于等于3,略大于3的原因是由于电路中的各种损耗,致使幅度下降而给予补偿。但A比3大得多了会导致输出正弦波形变差。2.3本章小结 本章主要讲述了信号发生器设计所提出的几种设想方案,并根据方案分别研究了方波、三角波和正弦波三种波形的基本原理及发生电路。第3章 电路设计及元件器选择为了实现设计指标的要求,将在原有方波,三角波和正弦波的电路基础上增加一级放大器,以实现输出电压的可调和,输出阻抗为50。3.1电路图设计设计的波形发生电路如图3-1及3-2所示。图3-1中增加了MC4558CD放大器8。可以准确输出所需要的方波信号。图3-2中同时加入了同样型号的放大器来满足设计指标的要求,可以准确输出三角波和正弦波信号。 图3-1 方波波形发生电路 图3-2三角波和正弦波发生电路3.2元器件及参数选择3.2.1方波信号发生器电路元器件及参数选择1运算放大器的选择:根据指标要求,这里主要考虑双电源、通用、无需调零型的运放,可选择MC455810。2和的选择:和一般在几千欧到几欧之间,这里选4.7k,5.1k。3、和C的选择:当满足时,。若不是很低,C可1F以下,可选几千欧到几万欧之间,图中,为电位器。设C0.33F,当0时,应有,由此可得,当最大时,应有由此可得68.4k。4电源电压的选择:MC4558的正常电源为15V左右。5稳压二极管的选择11:考虑输出电压和电源电压的要求,可选稳压二极管为1N4740,其稳压值约为10V。6和的选择:和一般在几千欧到几万欧之间,为实现输出电压可调,应为可调电位器。由于输入电压为10V,而输出电压要求最大为5V,因此,可选10k,4.7k的电位器。3.2.2三角波和正弦波信号发生器电路元器件及参数选择由于三角波是由方波电路进行积分得来的,所以只需在方波电路原基础上增加部分功能电路即可。大部分器件的选择也是相同的。3.3电路的仿真调试调试中,我们将第一节中的两个波形发生器整合做出一个完整的信号发生器如上图3-3所示。图3-3 函数信号发生器电路图12利用仿真软件Multiuse画出电路图,得出仿真结果如图3-4所示。 图3-4 仿真结果我们可以利用以上的仿真模式做出PCB电路图并可以在实验室进行准确的测试,可以很方便的在仿真模式下观测电路下设计的信号发生器的具体工作流程,并加以多方面的调试。可以利用Protel软件将电路画出,生成PCB板模式,进行布局和布线。做出一个信号发生器。PCB图如图3-5所示。 图3-5 PCB制成图如上图输出结果完全符合设计要求。3.4本章小结本章第一节主要讲述了产生方波、三角波和正弦波的电路设计图。第二节对设计所需要的元器件选择和参数的具体确定,并在最后对电路进行了仿真测试做出了信号发生器的电路图,同时在仿真模式下用Protel软件将电路做出生成PCB版式进行布线和布局,做出一个信号发生器。- 44 -第4章 信号发生器的制作4.1一种新型的信号发生器由于方案三的合理性、优越性和先进性这里我们将方案二和方案三进行比较,这里主要介绍基于方案三的一种新型信号发生器的工作原理和过程。用高精度集成芯片国产MX038作为核心制作函数信号发生器。MAX038内部含有精密带隙电压参考、鉴相器和TTL同步输出,能以最少的外部元件构成一台多波形的高频函数信号发生器,也可以单独用作电压控制振荡器、频率调制器、脉宽调制器、锁相环、频率合成器及FSK信号发生器,是目前较为理想的信号产生集成芯片。函数信号发生器在电路实验和设备检测中有十分广泛的用途。发生器可以有晶体管,运放集成电路等通用期间制作,更多的是用专门的函数信号发生器集成电路产生。早期的集成电路,如L8038、BA205、XR2207/2209等,他们功能叫少、精度也不高,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。MAX038是美信公司生产的一种通用波形发生芯片,鄙夷前的函数发生器从频率范围,频率精确度,对芯片,波形的控制性能以及用户的使用方便性等方面有很大的提高,因此广泛应用于波形的产生、压控震荡器、脉宽调节器、频率合成器及FSK发生器等。4.1.1芯片管脚功能管脚排列如图4-1所示13: 19 1 7 8 10 6 5 18 12 16 15 14 13 4 3 图 4-1芯片管脚图1脚VREF是2.5V基准电压输出端;2、6、9、11、18脚为模拟地;3、4脚为波形设定端;逻辑关系如附表所示;5脚外接振荡电容器;7脚FADJ频率调节端;8脚DADJ占空比调节端;10脚频率控制的电流输入端;12脚为相位比较器的输入端;13脚为相位比较器的输出端;14脚SYNC是同步输入端;是内部振荡器与外部信号保持同步;15脚为数字地;16脚是DV+数字电路的+5V电源;17V+为正电源端节+5V电源;19输出端;20V-为负电源端节-5V电源。4.1.2芯片内部电路的特点对于三角波、方波、正弦波三种信号,其信号产生电路的核心期间为MAX038,三种输出波形有波形设定端A0,A1控制其编码如下表。其中表示任意状态,1为高电平,0为低电平。正弦波矩形波三角波 A0 0 1 A1 1 0 04.1.3芯片内部结构图MAX038芯片结构电路图如图4-2所示:图4-2 MAX038芯片结构图14芯片内部有一个2.5V的基准电压源。该基准电压源的作用有:1.为10脚提供脉冲、放电流,以确定频率值;2.可设定8脚电压,进行频率微调;3.可设定7脚电压,进行占空比调节。4.2主要参数的确定接通电源控制在输出状态,此时波形产生电路工作,它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、三角波、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。波形产生电路如图4-315 图4-3 实物制作电路本系统采用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10Hz1MHz,能够满足大多数实验与检测的需求。Lin管脚电流范围在10400A时电路获得最佳工作性能。输出波形的选择由逻辑地址引脚A0和A1的组合来决定:A1A010或11时,输出正弦波;A1A000时,输出方波;A1A001时输出三角波;波形切换可在0.3s内完成,但输出波形有0.5s的延迟时间。输出频率由Lin引脚的电流、SOSC引脚的对地电容量和FADJ的电压来决定。当FADJ引脚接地时,输出频率由公式给出: (4-1)式中,F0是输出频率,单位MHz;Lin是管脚输入电流,单位A;CF是决定输出频率的串入电容值,单位pF。频率粗调在5脚和8脚接上电容CF以后,脚是频率控制的电流输入端,利用恒定电流向电容CF充电和放电,使可形成振荡。是受端8和端7电压的控制,振荡频率由下式确定 (4-2)则(1)因为我们要求频率范围在1HZ1MHZ,分六个频率来满足要求,在每个频段上连续可调,有芯片内部参数知道,当=10A400A时,CF容量范围在20PF100F时,芯片性能最佳。由此,由上可知 (4-3)(2)当=10A时,;当时,就是说,当在250K6.25 K时,性能最佳,为了调整方便,用一个固定电阻和一个精密多圈电位器来调整,这里为粗调电位器。MAX038的输出波形的频率不仅可以用改变IIN的大小来实现粗调,还可以改变8脚端的电压来对频率进行细调。当时,标准输出频率为,当时,输出频率的变化率为70%,对应频率为0.31.7。若保持恒定,则输出频率由式确定。由于再FADJ端有一个250的恒定输入,因此在端和FADJ端接可变电阻来调整,阻值得确定为 (4-4)根据计算可以得出,当=7.26K12.7 K时,频率细调为20%,即,故取标称值=5.6K, =7.2 K占空比的调节及调整电阻的确定MAX038的占空比的调整有两种方式,一种是利用内部基准电压源调整,另一种是利用外加电源调整,为使电路简单,采用第一种调整方式。占空比受控于7脚DADJ端。当=0V时,占空比C=50%,当=+2.3V-2.3V时,D从10%变化到90%,这表明每伏电压可使占空比变化17.4%。占空比D、脉冲宽度t的计算公式为%可有一个2的固定电阻和一个16的多圈精密电阻串联构成,调节,使占空比在15%85%内变化。4.3制作过程根据设计的指标购买元器件并进行焊接。选取的原则就是:所用元器件尽量与理论推算所用的元器件相符,在价格、货源允许的情况下尽量使用精密的元器件这样可以减少整个电路的误差。同时由于货源的问题本设计并没有采用精密多圈电位器而是采用一般的电位器这样会造成一定的误差但不大。实际布局是根据PCB原理图进行的。由于采用专门的集成芯片,所以整个电路的元器件比较少,这样有利于整个电路的布局。为了以后的检查和修改,应尽量使元器件之间的间隔较大,尽量减少导线的使用,并且尽量使用比较细的导线,最好使用专用的高温导线。4.3.1电子电路的组装 电子技术基础课程设计中组装电路通常采用焊接和在实验箱上插接两种方式。焊接组装可提高学生焊接技术,但器件可重复利用率低。在实验箱上组装,元器件便于插接且电路便于调试,并可提高器件重复利用率。下面介绍在实验箱上用插接方式组装电路的方法16。 1.集成电路的装插 插接集成电路时首先应认清方向,不要倒插,所有集成电路的插八方向要保持一致,注意管脚不能弯曲。 2.元器件的位置 根据电路图的各部分功能确定元器件在实验箱的插接板上的位置,并按信号的流同将元器件有顺序地连接,以易于调试。 3.导线的选用和连接 导线直径应和插接板的插孔直径相一致,过粗会损坏插孔,过细则与插孔接触不良。为橙壹电路的方便,根据不同用途。导线可以选用不同的颜色。一般习惯是正电源用红线,负电源用蓝线,地线用黑线,信号线用其他颜色的线等。连接用的导线要求紧贴在插接板上,避免接触不良。连线不允许跨接在集成电路上,一般从集成电路周围通过,尽量做到横平竖直,这样便于查线和更换器件。 组装电路时注意,电路之间要共地。正确的组装方法和合理的布局,不仅使电路整齐美观,而且能提高电路工作的可靠性,便于检查和排除故障。 4.3.2电子电路的调试 通常有以下两种调试电路的方法: 第一种是采用边安装边调试的方法。把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路分别进行安装和调试,在完成各单元电路调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围,最后完成整机调试。对于新设计的电路,此方法既便于调试,又可及时发现和解决问题。该方法适于课程设计中采用。 第二种方法是整个电路安装完毕,实行一次性调试。这种方法适于定型产品。调试时应注意做好调试记录,准确记录电路各部分的测试数据和波形,以便于分析和运行时参考。接入电路所要求的电源电压,观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象,则应立即关断电源,待排除故障后方可重新通电。 4.3.3单元电路调试在调试单元电路时应明确本部分的调试要求。按调试要求测试性能指标和观察波形。调试顺序按信号的流向进行。这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后的整机联调创造条件。电路调试包括静态和动态调试,通过调试掌握必要的数据、波形、现象,然后对电路进行分析、判断、排除故障,完成调试要求。 4.3.4整机联调 各单元电路调试完成后就为整机调试打下了基础。整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系。主要观察动态结果,检查电路的性能和参数,分析测量的数据和波形是否符合设计要求,对发现的故障和问题及时采取处理措施。电路故障的排除可以按下述8 种方法进行: 信号寻迹法:寻找电路故障时,一般可以按信号的流程逐级进行。从电路的输入端加入适当的信号。用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内务部分传输的情况,根据电路的工作原理分析电路的功能是否正常,如果有问题,应及时处理。调试电路时也可从输出级向输入级倒推进行,信号从最后一级电路的输入端加入,观察输出端是否正常,然后逐 级将适当信号加入前面一级电路输入端,继续进行检查。这里所指的“适当信号”是指频率、电压幅值等参数应满足电路要求,这样才能使调试顺利进行。 对分法:把有故障的电路分为两部分,先检测这两部分中究竟是哪部分有故障,然后再对有故障的部分对分检测,一直到找出故障为止。采用“对分法”可减少调试工作量。 分割测试法:对于一些有反馈的环形电路,如振荡器、稳压器等电路,它们各级的工作情况互相有牵连,这时可采取分割环路的方法,将反馈环去掉,然后逐级检查,可更快地查出故障部分。对自激振荡现象也可以用此法检查。 电容器旁路法:如遇电路发生自激振荡或寄生调幅等故障,检测时可用一只容量较大的电容器并联到故障电路的输入或输出端,观察对故障现象的影响,据此分析故障的部位。在放大电路中,旁路电容失效或开路,使负反馈加强,输出量下降,此时用适当的电容并联在旁路电容两端,就可以看到输出幅度恢复正常,也就可断定旁路电容的问题这种检查可能要多处试验才有结果,这时要细心分析可能引起故障的原因。这种方法也用来检查电源滤波和去耦电路的故障。 对比法:将有问题的电路的状态,参数与相同的正常电路进行逐项对比此方法可以较快地从异常的参数中分析出故障 替代法:把已调试好的单元电路代替有故障或有疑问的相同的单元电路(注意共地),这样可以很快判断故障部位。有时元器件的故障不很明显,如电容器漏电、电阻变质,晶体管和集成电路性能下降等,这时用相同规格的优质元器件逐一替代实验,就可以具体地判断故障点,加快查找故障点的速度,提高调试效率。 静态测试法:故障部位找到后,要确定是哪一个或哪几个元件有问题,最常用的就是静态测试法和动态测试法,静态测试是用万用表测试电阻值、电容器漏电,电路是否断路或短路,晶体管和集成电路的各引脚电压是否正常等这种测试是在电路不加信号时进行的,所以叫静态测试。通过这种测试可发现元器件的故障。动态测试法:当静态测试还不能发现故障原因时,可以采用动态测试法测试时在电路输入端加上适当的信号再测试元器件的工作情况,观察电路的工作状况,分析、判别故障原因。组装电路要认真细心,要有严谨的科学作风。安装电路要注意布局合理调试电路要注意正确使用测量仪器,系统各部分要“共地”,调试过程中不断跟踪和记录观察的现象,测量的数据和波形。4.4本章小结本章主要讲述了运用MAX038芯片来制作信号发生器,同时对MAX038芯片的性能、特点和内部电路,以及运用方法进行了全面的论述。同时根据实物电路,进行内部调试并按照设计要求做出具体的参数确定。最后研究了电路的组装和调试。调试完成后,此信号发生器完成。结论本文设计了一种简单可行的信号发生器,可以正确输出设计指标中要求的三种波形。设计的第一章讲述了信号发生器的发展趋势和其发展前景,并提出了设计指标。第二章中提出了四个设计方案并决定运用方案二进行实际制作,在第二章的第二节中设计了方波发生器电路、三角波和正弦波的发生器电路。并且分别对三种电路进行了参数确定与论证比较。第三章中设计了三种波的实物电路,在将二种发生器进行整合合并之后做出了一个整体的信号发生器的实物电路,最后对电路进行了仿真调试,得出仿真结果和PCB线路制成图。最后一章里面首先介绍了一种比较先进的信号发生器(以MAX308芯片为核心制作的信号发生器),接着讲述了电子电路的调试方法和具体制作方法。本方案制作的信号发生器能很好完成设计指标中的要求,但是结果显示,它的功能较少,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。这种信号发生器的研究还处于发展新兴阶段,有待于进一步改进和研究。把信号发生和数据采集集成在一起,利用网络对其进行控制和处理,并且在软硬件的升级方面有很大的改善空间和灵活性。致谢值此论文完成之际,谨向导师李建新致以最诚挚的感谢。很长时间以来,李老师从学习、生活上给予我莫大的教诲和帮助,她渊博的知识和丰富的实践经验以及严谨务实的工作作风给了我很大的启迪和引导。系主任刘泊教授、实验室的老师们在整个的课题完成过程中也给予了我无私的关怀和帮助,指导学生完成大量的工作。主任刘泊教授为学生提供了良好的科研环境,并在百忙之中抽出时间对我的论文的完成给予了大量的指导,提出了宝贵修改意见。另外,我还要特别感谢好友刘光祥和曹志平,他们的鼓励和帮助为我提供了很大的前进动力。同时对各位帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢! 参考文献1 童诗白模拟电子技术基础高等教育出版社,19882 石雄等DDS芯片AD9850的工作原理及其与单片机的接口国外电子元器件,20013 关贞珍,霍晓静,钱东平等基于虚拟仪器的信号采集与分析系统,河北农业大学学报,2002,25(30) :84864 赵世强等编电子电路EDA技术西安电子科技大学出版社,20005 种兰祥,阎丽张,首军基于计算机声卡的多
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