信号发生器（H题）
摘要
我们设计的信号发生器以89C52单片机为核心, 采用高频精密函数信号发生器专业集成块MAX038, 利用单片机对MAX038的实时程序控制可产生高频高精度的三角波、矩形波（含方波）、正弦波信号。输出波形失真小、漂移小、频率范围宽，整个系统稳定。我们设计的系统还包括键盘显示模块，数模转换部分，自动增益控制部分，功率放大部分，幅值转换部分，显示部分。
一 、题目分析
题目要求设计制作的信号发生器能够产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形并且输出信号频率在100Hz～100kHz范围内可调, 输出信号频率稳定度优于10-3；而我们用的MAX038集成了占空比调整电路、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,可以实现题目要求。
题目要求在一定负载条件下,输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在0～5V范围内可调，而且波形无失真。电压经过数模转换模块再线性放大通过单片机设置步进使电压在0～5V范围可调，MAX038输出正弦波失真度小于0.75％，占空比调节时非线性度低于2％，显然可以满足要求。
二、方案论证与比较
方案一：采用锁相环式频率合成器，利用PLL锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化，电路结构简单。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率都很难控制。利用DDS芯片可以产生任意波形，实现很宽的频率范围，稳定度和准确度均较高，步进也可以满足。但是它的输出频率受到奈奎斯特采样定理的限制，fomax≈0.4fsys。由于它内部有时钟倍乘器，可以不受外部输入时钟的限制，但要受到内部时钟和外部低通滤波器的限制。而且计算麻烦，电路复杂，编程困难。
方案二：采用集成函数发生器8038，它可同时产生正弦波、方波和三角波。用D/A转换器的输出来改变调整电压，也可以实现数控调整频率，但步长难以满足要求，且频率稳定度不高并且频带宽不能满足题目要求。
方案三：利用高频精密函数信号发生器专业集成块MAX038，它能精密地产生三角波、矩形波（含方波）、正弦波信号。频率范围从0.1HZ～20MHZ，最高可达40MHZ。通过编程实现频率步进，输出波形失真度小，稳定度和准确度高，且易于调试。
比较上述三种方案，采用方案三，系统框图如图1所示
三、主要电路的设计与参数的计算
1
图1
3.1信号产生模块
如图2所示：单片机通过P1.1和P1.2口实时控制输出波形，波段开关S选择不同的电容值，将整个输出信号分为不同的频段。MAX的输出频率fX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。Uin=C*Rin*fX,所以fX=Uin/C*Rin,当输入电压为0.01V(最小电压),输入电阻为100Ω的时,C= Uin/ Rin*fX,当最小步进为 100Hz,10Hz,1KHz电容C的取值分别为20pf,10pf, 2pf.这样信号源的输出频率在0.1HZ～20MHZ。并且通过单片机可以实现不同波形间的切换。
2
3.2 DAC转换模块
如图3所示：用单片机P0口控制两片DAC0832，U2调节频率输出U3调节点压输出，U2接OP07转换为电压控制MAX038输出频率，U3电压输入到LM324，LM324集成运放是4组独立的高增益的、内部频率补偿、输入偏置电流是温度补偿的、单位增益带宽是温度补偿的运算放大器，它既可以单电源使用，也可以双电源使用，电源电压可以从+5 V一直用到±15 V。在这里它提供双极性电压，将0832输出的正电压值转化为要得到的正、负电压值, 为AD603提供控制电压，使输出频率范围达到很宽；接AD603 根据增益与电压的关系,控制放大倍数。
图3
3.3增益控制模块
由于题目要求输出电压在0～5V范围内可调，而MAX038输出的最大电压峰峰值为2V，所以增益控制部分是必要的。增益和控制电压的关系为dB=40*Ui+10(dB)而放大倍数与增益的关系为20lgAv=dB,而输出电压Uo=2*Av,所以可得出Ui=(20lgUo/2-10)/4。由该式可以看出以dB为单位的对数增益和电压之间是线性的关系。因此单片机只要进行简单的线性计算就可以控制对数增益。
3.4幅值转换模块
AD8611为电流反馈型宽带运放，其单位增益带宽很宽且输出电流可达100mA，完全可满足题目峰峰值要求，外围电路也很简单。再采用真有效值转换芯片AD637输入电压有效值的范围为0-7V。经过AD637直接输出电压接7107显示电压，还可直接输出波形，失真小。电路原理图如图4所示：
3
四、系统软件部分
程序完成的主要操作包括：对各部分的状态控制、测量、数据处理、键盘操作及数码显示等几个功能模块。键盘扫描程序，反复判断是否有按键按下。利用74LS245驱动数码管显示频率，利用显示单元显示电压值。
主程序流程图如图示：
4
五、电路测试结果分析
5.1 调试方法和过程：分模块调试。
键盘显示模块调试将显示模块与单片机相连，编制一简单程序进行调试，并观察显示数码管的变化是否正确。通过这种方法可以看出显示模块能够正常工作。
DAC转换模块调试，利用单片机或数字实验箱向DAC0382提供数据测试。 信号产生模块调试，看是否能输出精度的三角波、矩形波（含方波）、正弦波信号如果能则正常。
显示模块调试，通过电压转换模块和幅值变换模块，如果能显示正确的电压则，这一单元正确。
各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调试好的模块连接在一起，加220V交流电在变压器两端，用单片机进行调试，对每一模块的功能进行检测。调试成功则证明整个系统能够正常工作。
5.2 测试仪器 PC机，GDM8145型数字万用表，TDS1002型双通道示波器，数字电路实验箱，模拟电子实验箱，频率计。
5.3 测量结果 指标测试 基本要求 发挥要求 实际实现性能 产生正弦波,方波, 三角波 实现 输出信号频率范围频率范围为10HZ～1MHZ 频率范围为10HZ～1MHZ 在100HZ～100KHZ 信号频率稳定度优 于0.001 达到 1KΩ负载下,正弦波50Ω负载下,正弦波Vpp分别在两个负载下能够实现Vpp在0～5V可调 在0～5V可调,步进间隔Vpp可调 0.1V 输出波形无失真 失真很小 输出信号的频率和电压电压可预置 通过键盘预置 实时显示输出信号的类不是很理想不能显示频率步型,幅度,频率和频率步进值 进值
5
六 误差分析
6.1 读数误差 由于人为原因，对数据的读取存在读数误差。 6.2 测试方法误差，由于误差的累计效应也会使有功功率计算值与理论值存在差异。
6.3 测试环境误差 受测试电网及场地影响，实时误差较大。 6.4 电路工艺误差 受经验及制板水平的制约，所得电路会与理论值存在差距，布线无法避免线路之间以及外界的电磁干扰，从而导致一定误差。
6.5元件参数误差 元件数量较多，因某个器件影响系统的测量精度，导致误差较大。
七、结论
本系统以89C52芯片和高频精密函数信号发生器专业集成块MAX038为核心部件，利用软件编程，实现了正弦波、方波和三角波三种周期性波形并且输出信号频率在100Hz～100kHz范围内可调，尽量做到线路简单，减小电磁干扰，由于水平有限，还有好多不足，还需要进一步完善。
6
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容