MAX038信号发生器

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第一章高频信号发生器
1.1电路结构和原理
1.2控制和管理方框图
1.3小结
第二章MAX038函数信号发生器
2.1MAX038的性能特点
2.2MAX038的工作原理
2.2.1管脚功能
2.2.2内部结构及原理
2.3MAX038构成的高频精密函数波形发生器
2.3.1正弦波发生器
2.3.2高频函数发生器
2.4小结
第三章频率合成器MC145151
3.1频率合成器
3.1.1频率和成器的原理
3.1.2锁相合成器
3.1.3锁相环的基本原理
3.1.4环路滤波器
3.2小结
第四章MAX7541及跟随器
4.1概述
4.2引脚和内部结构
4.3MAX7541的输入与输出
4.4跟随器
第五章频率计
5.1频率计定义
5.2系统组成
5.2.1方框图和工作原理
5.2.2处理方法
5.3 1611功能介绍
5.4小结
第六章直流稳压电源
6.1概述
6.2电路图
第七章放大电路和衰减电路
7.1MAX442的管脚
7.2放大电路
7.3衰减电路
7.4小结
总结
附图
前言
信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。

本文介绍一种由单片集成电路MAX038设计的简易信号发生器，该仪器电路结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但满足一般的实验要求是不成问题的。

函数信号发生器能产生多种波形的装置.MAX038是美国马克希姆(MAXIN)公司新研制的单片高频精密函数波形发生器与ICL8038想比,它具有高频特性好,频率范围很宽,频率与占空比能单独调节,功能全,调节方式更加灵活等优点.可广泛用于高频精密函数波形发生器,频率市制器,脉宽调制器,.锁相环,.频率合成器,调频发生器等领域.
其成本低、体积小、便于携带等特点，亦可作为电子产品维修人员的重要随身设备之一。

第一章MAX038的高频信号发生器
一.概述
信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能
齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。

本文介绍一种由单片集成电路MAX038设计的简易信号发生器，该仪器电路结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但满足一般的实验要求是不成问题的。

MAX038较早期的函数发生器专用集成电路ICL8038在整体性能上有了很大的提高，外围电路也更加简洁。

主要指标：频率范围0.3Hz10MHz；总波形失真率小于1%。

1.1电路结构
本设计中采用功能很强的大规模数字频率合成器MC145151和多波形宽频率范围信号发生器MAX038 等新器件产生波形和频率，控制与管理电路部分使用单片机80C31和27128、8155、8279和MAX7541等外围芯片以及键盘显示电路。

图4和图5所示分别为频率与波形产生电路和控制管理电路的简化功能框图。

图1.1 一种数字频率合成器波形产生部分的功能框图
图1.1.a是一种数字频率合成的波形产生器。

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。

在本电路中，用于粗调的控制电压（电流）由一个12位的DAC产生，使输出频率近似等于N倍基准频率。

而细调电压则由数字锁相电路MC145151和环路滤波器MAX427产生，由锁相反馈环将频率f o = N f r锁定。

这种方案的优点是频率合成器工作更可靠，锁定更迅速。

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，所需外部元件极少，使用很方便。

2.2控制和管理方框图
控制和管理电路由80C31单片机及外围电路组成。

其主要功能是：对键盘输入的波形和频率选择等数据进行译码，计算出相应的控制参数，控制频率合成器输出正确的信号，并将其频率和波形参数用LED显示出来。

电路中的27128 EPROM 用于储存程序，8279和一些附属电路用于对键盘和显示电路的管理，可编程I/O接口电路8155提供14路接口对MC145151进行控制。

另外还利用8155的可编程计数器和MC145151的÷R计数器，两次对晶体振荡器产生的4096kHz 振荡信号分频，这样可以更灵活地提供基准频率。

在本设计中，对应高频档和低频档8155的计
数器分别设置为4和400次分频，÷R计数器均设置为1024次分频，由此获得1kHz和10Hz基准频率。

图为控制和管理方框图
2.3特点
本设计的特点是全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠。

利用单片机控制管理，使频率设置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便。

数字频率合成技术使输出频率准确和稳定，频率分辨率为基准频率10Hz或1kHz；由于晶体振荡器具有很性，锁相环具有很好的短期时间稳定性，两者好的长期时间稳定相结合可在设计要求的频率范围100Hz～16383kHz内获得近似于晶体振荡器的频率稳定度，这是本方案最重要的特点。

另外，电路产生的信号波形很好，其中正弦信号的失真度仅为0.75％。

对于小型通用信号产生器而言，这是一个比较理想的设计方案。

第二章ＭＡＸ０３８函数信号发生器
MAX038是美国马克希姆(MAXIN)公司新研制的单片高频精密函数波形发生器与ICL8038想比,它具有高频特性好,频率范围很宽,频率与占空比能单独调节,功能全,调节方式更加灵活等优点.可广泛用于高频精密函数波形发生器,频率市制器,脉宽调制器,.锁相环,.频率合成器,调频发生器等领域.
1MAX038的性能特点
●能产生精确的高频正弦波，矩形波，三角波和锯齿波。

输出既能人式设定，又可由微机控制。

●频率范围为0.1Hz20MHz（最高可达40 MHz），单波段扫频范围fmax╱fmin>350。

●独立的工作频率和脉冲占空比调节功能，占空比调节范围15%85%。

●低阻抗定压输出，输出电阻典型值0.1，输出电压2VP-P，具有输出过载/短路保护。

●较低的温度频率漂移率，典型值200ppm/℃。

●输出正弦波失真度：0.75%。

●内部功能齐全，外围电路简单，使用方便。

２.２ＭＡＸ０３８的工作原理
２.２.１管脚功能
图为MAX038的管脚图
MAX038为20脚标准双列直插式或小型扁平封装，内部结构框图见图1。

引脚功能说明如下：1．基准电源输出；2、6、9、11、18．接地；3．波形选择输入，兼容TTL/COMS电平；4．波形选择输入，兼容TTL/COMS电平；5．外接振荡电容器COSC；7．脉冲波占空比调节输入；8．振荡频率调节(电压输入)；10．振荡频率参考电流输入；12．相位检测器输出，如果不使用相位检测器则接地；13．相位检测器同步信号输入，如果不用相位检测器则接地；14．同步脉冲输出，兼容TTL/COMS电平；15．数字电路部分接地；16．数字电路+5V电源输入端，如果不用外同步则悬空；17．电源+5V输入端；19．信号输出端；20．电源-5V输入端。

表1 波形设定
2.2.2内部结构及工作原理
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=?资笔?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）。

另外，如果将13脚输入的外同步信号经内部相位检测器与振荡频率进行相位比较，相差信号从12脚输出再反馈到8脚可构成锁相环，实现外同步。

MAX038的主要特性参数列于下表。

MAX038的主要特性参数
目录符号参数值最小，特殊，最大值单位
频率特性
最大可调频率F0 CF<15Pf ,IIN=50020.0
40.0 MHz
A0 A1 输出波形
× 1 正弦波
0 1 矩形波
1 0 三角波
％/V 三角波输出（R L=100Ω）
占空比调节
逻辑输入
１、振荡器和电流发生器
在COSC与COM端之间接上振荡电容ＣF之后，利用恒定电流IIN向ＣF充电和放电，即可形成振荡。

振荡器输出一个三角波和两个矩形波形。

IIN是VREF端灌入IIN端的电流，它受FADJ或DADJ端电位控制。

振荡频率的计算公式为
f＝I IN/C F （1）
IIN在10-400μA时，MAX038性能最佳，因MAX038输出信号频率范围在O.1HZ－2OMHZ 内，因此CF的选择范围可在20pF－100uF之间。

２、2.50V基准电压源
2.50Ｖ基准电压源有三个作用：（1）向振荡频率控制器提供IIN；（2）给FADJ端提供电压，以调节占空比。

采用内基准时在ＶREF与IIN端之间接电阻RIN（宜选取12.5KΩ－500ＫΩ，将IIN控制在10~400μA之间）。

则式1变为
f=V REF/(R IN×C F)
若采用外部基准电压，应将外部电压源VIN与限流电阻RIN相串联，接至IIN端。

并且用VIN代替式（２）中VREF。

改变VIN能大幅度调节振荡器３频率调节。

3、频率调节
改变FADJ端电位。

能对频率进行精细调节。

例如VREF＝0V时，标称输出频率为f‘。

当VREF以-2.4V变化到2.4V时，输入频率f‘＝0.3-1.7f。

输出频率计算机公式为
f=(1-0.2915V REF)f （3）
若手动调节频率时，可在VREF-FADJ端之间接一只可变电位器RF。

因FADJ端以-250μA 的恒定电流流入V-端，所以其阻值应由下式确定
RF= (V REF-V FADJ)/ 250×10-6（4）当不作频率调节时，可在FADJ端接12KΩ电阻接地，达到禁用的目的，而此时频率只能由RIN粗调。

4、占空比的调节
改变DADJ端电位即可控制波形的占空比。

当VDADJ＝0V时，D＝50％，VDADJ在±2.3之间变化，就可将占空比控制10％在90％之间，即占空比的变化率为-17.4％／V。

占空比的计
算公式为
D=（50＋17.4V DADJ）％（5）
（5）手动调节时，需在VREF到DADJ端之间接可调电阻RD。

因DADJ端有-250μA的电流流入Ｖ－端，所以RD的确定由下式确定
RD= (V REF-V DADJ )/ 250×10-6 （6）
在调节占空比时应尽量避免输出频率发生变化，因为仅当D＝15％－85％且IIN＝25－250μＡ时，对f的影响最小。

5、正弦波变换器及波形选择开关
振荡器输出的三角波经正弦波变换器变换成等幅，低失真的正弦波。

波形选择开关是用来实现正弦波、三角波及矩形波的相互切换，而波形选择开关是由波形设定端的高、低逻辑电平来控制，见表1。

三角波还经比较器2从SYNC端输出，可作外部振荡器的同步信号。

6、输出级
图为MAX038的管脚图能输出幅度为2Ｖ的各种波形，对GND而言则是－1到1V。

输出阻抗小于0.1Ω，可向50pF的容性负载提供±20mＡ的电流。

当负载电容CL＞50pF，OUT端可通过50Ω电阻或缓冲器接负载。

图２.２.２为ＭＡＸ０３８的内部结构
２.３MAX038构成的高频精密波形发生器
1、正弦波发生器
如图6所示，C1、C2为±5V电源的退耦电容，均采用1μF的陶瓷电容。

C4是振荡电容，C3用来滤除V端的噪声电压，RP为频率调节电位器。

由表⑴可知，将AI置于高电平，就可在OUT端输出正弦波，图a所示电路，OUT端就经R2输出占空比为50%、幅度为2V的正弦波
(a)为由MAX038组成的正弦波发生器
2、高频函数发生器
（b）为MAX038构成
的高频函数发生器
如图b所市，S为双刀三掷开关，R1、R2采用金属膜电阻，RP2、RP3选用精密多圈电位器。

RP1为频率粗调电位器，RP2为频率微调电位器，RP3是占空比调节电位器。

通过开关S的控制，就可在OUT端实现输出正弦波、三角波、矩形波的切换.
2.4小结
MAX038还可以构成的锁相环电路。

锁相环是一种可以实现频率跟踪的自动控制电路等应用中。

它的频率范围大，失真小。

是信号发生器的主要构成的器件。

第三章频率合成器ＭＣ１４５１５１和跟随器
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源。

尤其是随着通信事业的发展，频道的分布日趋密集，要求有高精度、高稳定度的通信频率。

用常规的信号发生器无法满足要求。

为解决这个难题，人们提出频率合成器的方案。

3.1频率和成器
3.1.1频率合成器的原理
频率合成是指对一个高精度高稳定度的标准信号频率，经过一系列算术运算，产生有相同稳定度和精确度的大量离散频率的技术。

虽然只要求对频率进行算术运算，但是由于需要大量有源和无源器件，使频率合成系统相当复杂，这项技术一直发展缓慢。

直至电子技术高度发展的今天，微处理器和大规模集成电路大量使用，频率合成技术才有迅速发展，并得到广泛应用。

3.1.2锁相频率合成器
频率合成器有多种方法实现，其中利用锁相环的相位锁定特性，获得与基准频率成一定倍数的新频率的电路，称为锁相频率合成器。

由于锁相环具有良好的窄带滤波特性，输出的波形纯净，并且在环路锁定后输出频率的温度稳定度和时间稳定度与基准频率相同。

这些优点使其成为当前最主要的频率合成器，尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来，使频率合成器实现更方便，性能更好。

锁相频率合成器的原理框图如图1所示。

其基准频率通常由相对频稳度为10-6的晶体振荡器产生，经M倍分频后提供适当的基准频率。

虚线框中的电路是频率合成器的核心部分--锁相环，它由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器等组成。

系统输出信号的频率为f o = (N/ M) f i。

改变分频比N或M，可方便地获得大量离散频率的输出信号。

图３.１.２锁相频率合成器原理框图
3.1.3缩相环的基本原理
锁相环是一个实现相位自动锁定的控制系统，可分为模拟锁相环和数字锁相环，它们都包括三个基本的组成部分：鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。

它们可和÷N电路构成一个闭合的相位反馈控制电路，这里以模拟锁相环例，简要介绍其工作原理。

鉴相器是一个相位比较电路，其核心是一个乘法器，它把输入信号u i(t)与输出信号u o(t)的相位进行比较，产生与两信号的相位差对应的误差电压u d(t)，实现相位－电压的转换。

为了分
析方便，设压控振荡器的自由振荡角频率ωo’为参考频率，则输入信号角频率ωi和压控振荡器的实际振荡频率ωo可分别表示为：
ωi =ωo ＇+ dθi(t) / d t (1)
ωo = ωo＇+ dθo(t) / d t(2)
式中θi(t)、θo(t)分别是输入信号和输出信号的瞬时相位。

设输入信号u i(t) = U i cos[ ωo＇t +θi(t)]，输出信号u o(t) = U o cos[ ωo＇t +θo(t) +Φo]，其中Φo为输出信号的初始相位，为分析方便设Φo = 90°。

将u i(t)和u o(t)相乘并滤掉高频分量后，误差电压与相位差的关系可表示为：
u d(t) = K d sinθe(t) (3)
式中K d为鉴相器的鉴相灵敏度，由鉴相器的增益和输入输出信号的幅度决定K d= K m U i U o/ 2，θe(t)=θi(t) –θo(t)为输入信号与输出信号的瞬时相位差。

由于鉴相特性呈正弦函数,在±90°之间θe(t)为单值对应关系。

而实际上要求θe(t)的范围小于±30°，这时，sinθe(t)≈θe(t)，则鉴相特性近似为线性函数：
u d(t) = K dθe(t)
图３.１.３模拟乘法器作为鉴相器
3.1.4环路滤波器
由MAX427构成的环路滤波器是一个低通滤波器，其作用是滤除误差电压中的高频分量和噪声，通常采用有源比例积分滤波器。

在运放的开环增益很高时，这种滤波器的性能是非常理想的。

图３.１.４环路滤波器
３.2总结
MC145151是一个标准的CMOS逻辑数字电路，包括的主要部件为数字鉴相器、锁定检测器、14位÷N计数器等，它们可完成频率合成的基本功能。

此外，芯片还有晶体振荡器和14位基准分频器（÷R计数器）电路，由一个3位译码器从八种分频比中选择出恰当的值, 产生锁相环的基准频率，即f r = f i/ R 。

鉴相器输出的差分信号经过由MAX427构成的低通滤波器后，对MAX038的压控振荡器进行锁定。

第四章ＭＡＸ７５４１及跟随器
美国美信公司生产的MX7541系列器件是一种12位并行高速D/A转换器,此芯片可方便地
应用于精密仪器的输出控制系统中.文中介绍了该芯片的基本参数和主要特性.
关键词:D/A MX7541
４.１概述
MAX7541是美国MAXIM公司生产的高速高精密12位数字模拟转换器芯片,由于MX7541转换器件的功耗特别低,而且其线性失真可低达0.012%,因此该D/A转换器芯片特别适合于精密度模拟数据的获得和控制.此外,由于MX7541器件内部的带有激光制作的精密晶片电阻和温度补偿电路以及NMOS开关因而可充分保证MX7541的所有输入均与CMOS和TTL电平兼容.
频率计为一秒时间内信号变化的次数。

数字频率计就是在一秒标准时间内测出信号变化的次数，然后以数字的形式显示出来。

5.2系统的组成
5.2.1方框图和工作原理
频率计是以89c2051 、信号预处理电路、串行通信电路、测量数据显示电路和系统软件所组成,其中信号预处理电路包含待测信号预处理（低频滤波、高频补偿、高压衰减）、放大、波形变换、波形整形和分频电路。

系统硬件框图如图 1 所示。

信号预处理电路中的放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求;波形变换和波形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/ CMOS兼容信号; 分频电路用于扩展单片机的频率测量范围。

系统软件包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动转换模块。

图1 系统硬件框图
5.2.2处理方法
本频率计的设计以AT89C2051单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。

单片机AT89C2051内部具有2个16位定时/计数器，定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。

在构成为定时器时，每个机器周期加1（使用12MHz的时钟时，每1us加1），这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。

在构成为计数器时，在相应的外部引脚发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。

外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的1/24（使用12MHz的时钟时，最大计数速率为500kHz）。

定时/计数器的工作由响应的运行控制位TR控制，当TR置1，定时/计数器开始计数；当TR清0，停止计数。

为提高频率稳定度，本电路采用24M温度补偿晶振，其最大计数为1M，本频率计测频范围为1Hz到10M,以500kHz为分界，待测信号经放大、变换、整形后，一路直接送A T89C2051的P3.5口，一路经128：1（562为64：1，又经74HC74二分频）的分频电路后，送P3.4口,测频时，首先T0为计数器，T1为定时器，控制闸门时间为1秒，1S后，将寄存器数值128倍运算后，判断值大于500k时，经变换处理后送显示，小于500k时，变T0为定时，T1为计数，如此处理，即能提高测量范围，又提高了测量精度，且巧妙的实现量程的自动切换，闸门时间1S 采用硬件及软件结合方法实现，计数值用三字节存放，经十六进制到BCD码的变换后送显示。

5.3 1161功能介绍
1161芯片内部包含一个1.6s的看门狗电路，当一个软件或硬件的误操作引起系统的暂停时，1.6s的看门狗芯片可将系统恢复到默认状态。

74HC164与74LS145是译码器，单片机系统将数据传送到74HC164的A、B输入端口经过译码，从Q0~Q7端输出，分别为数码管提供电平，当数码管管脚为高电平它所对应的显示段，将会显示。

单片机经内部程序输出另一组数据传送到74LS145的输入端，经译码，将数据转变成二进制数据，从输出端输出，传送给数码管的COM 端，当传送给数码管的数据为0时，数码管将不会显示，当为1时，数码管将根据74HC164提供的高低电平显示数据。

此时，二极管D1将被点亮，当译码器74HC164产生溢出后，D1灭，D2被点亮。

1161为基于微控器的系统提高了完整的存储和监控方案，运用低功耗CMOSE技术，在片内集成了带硬件存储写保护的串行EEPROM（16K），节能型系统电源监控电路和一个看门狗定时电路。

当一个软件或硬件的误操作，一起系统的暂停和挂起时，1.6秒的看门狗电路可将系统恢复到默认状态，1161的定时监控SDA线，这样不需要增加PC板的跟踪功能。

第2脚输出高电平的复位信号，第7脚输出低电平的复位信号。

WP 写保护E2PRON 就实现写保护只读将该管脚接地或悬空可以对器件进行读写操
作串行时钟串行输入输出资料时该脚用于输入时钟。

SCL：串行时钟，串行输入输出数据时，该脚用于时钟。

REST：复位I/O口。

该脚为开漏输出脚。

可用作复位触发输入。

SDA：串行数据地址，用于所以数据得发送和接受。

SDA还可以作为看门狗定时器控制器。

VCC：电源
GND：接地
NC：空脚
5.4小结
数字频率计的精度高，具有自动检测功能，是频率显示的最近仪器，这里用力组成函数信号发生器的显示部分大大提高了信号发生器的精确度。

第六章直流稳压电源
随着半导休工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。

由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单，使用方便，工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中就用十普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。

集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行选择。

对于大多数的电子仪器，设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。

而在这种
图所示电路，输出阻抗始终为（240+60.4）//60.4=（2.49K+51）//51=50Ω。

将开关1打在左边，开关2打在左边，输出信号将不会被衰减；当开关1打在右边时，衰减倍数为（240+60.4）/60.4≈5倍；将开关2打在右边，衰减倍数为（2.49K+51）/51≈50倍。

同时将开关1、2打在右边时，衰减倍数为5*50=250倍。

NPN和PNP型三极管组成功率放大器，二极管4148是为了防止交越失真。

PNP和NPN型三极管的选型很重要，带宽必须大于输入信号的带宽，带宽越宽，性能越好。

放大管的功率也要求符合电路要求，因电路要求输出频率为10MHz的信号，因此，我们选型号为BD329型NPN、BD329型PNP三极管，带宽为100M，功率为15W，这样便符合电路要求。

通常会在功率管上加散热片，以免烧坏功率管。

衰减电路是为了能更好的控制输出信号，将输出信号控制在几毫伏到十几伏之间，更有效
总结
经过这段时间的搜集和整理，用MAX038构成的高频函数信号基本已经设计完成。

这个设计的最大优点就是采用数字频率合成器，大部分使用数字电路，这样使输出信号更稳定，使输出信号频率稳定度和晶体振荡器的相当。

本设计要求使用单片机进行控制，用键盘设置波形和频率，并用LED显示。

输出信号的频率分成两档：高档频率为25 Khz~16383kHZ,按基准频率1KHZ为单位；低档频率范围为100HZ~16380KHZ按基准频率10HZ为单位设置。

另外，电路产生的信号波形很好，其中正弦波信号失真度仅不0.75%。

对于小型通用信号发生器而言，这是一个比较理想的设计方案。

21。