课程设计（论文）-信号源电路模块的设计.doc

目录第章绪论21.1概述21.2设计任务、技术指标和要求2第2章方案选择与论证32.1设计方案的选择32.2整体设计思路4第3章max038的介绍63.1max038的主要特性63.2max038引脚及内部结构6第4章电路设计与元器件参数计算94.1输出电路的设计94.2信号发生部分104.3波形调整12第5章测试数据及结果分析15结论16致谢17参考文献18附录1信号源电路总体设计原理图19附录2pcb板图20摘要该波形发生器以max038函数发生器为核心，本系统能够产生正弦波、方波、三角波。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1hz20mhz的波形。后级采用集成运放来提高输出波形质量并增强带负载能力，最终得到所要求的输出波形，较好的满足大多数实验与检测的需求。关键词：波形产生器；频率计；max038第18页第章绪论1.1概述在现代电子技术的研究及应用领域。常常需要高精度且频率可调的信号源。max038是maxim公司开发的新一代专用函数信号发生芯片，它可以产生正弦波、方波和三角波等三种波形，而且频率和占空比独立可调。信号源的产生由max038和外围电路完成。此信号源电路模块具有可调范围大、精度高、信号稳定等特点，最终能够得到所要求的输出波形，较好的满足大多数实验与检测的需求。1.2设计任务、技术指标和要求设计一款基于max038的信号源电路模块，要求满足如下功能或指标：(1)能精密地产生三角波、方波、正弦波信号。(2)频率范围从5hz-5mhz，各种波形的输出幅度均为在0.5v2v(p-p)可调。(3)频率和占空比可单独调节，互不影响，方波占空比调整范围:15%85%可调。(4)波形失真小，正弦波失真度小于3，占空比非线性度低于2。(5)采用5v双电源供电，允许有5变化范围。第2章方案选择与论证2.1设计方案的选择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（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。（4）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。综合分析以上四种实现方法的性价比，我们决定采用单片集成芯片max038来设计信号源电路模块。频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高，因此在满足工作要求的前提下，性价比高的发生器是我们的首选。2.2整体设计思路本信号源电路模块是主要由max038芯片产生我们希望的正弦波、方波、三角波。它是本制作的核心，综合分析以上四种实现方法的性价比，采用单片集成芯片max038来设计信号源电路模块，频率范围可调。该信号发生器的主要技术指标如下：频率范围：5hz5mhz(3mhz以上波形有较大失真)；输出波形：正弦波、三角波和矩形波；占空比调整：15%85%；输出信号幅度：2v（p-p）；输出直流电平调节：-6v+6v；输出阻抗：50。由于以上参数符合信号源电路模块设计的基本要求，我们采用max038来实现正弦波、方波、三角波的输出以及波形频率的可调性。这就是本系统的设计思路。总设计框图如下图2-1：图2-1波形输出框图2.2.1输出电路部分设计方案方案一射极输出器这种电路的特点是电路简单，输出波形好，输入电阻高，输出电阻低，可对前级电路和负载起到隔离作用，同时带负载能力也强，虽然电压放大倍数近似为1，但电流放大倍数大，因此有一定功率输出能力。这种电路的缺点是由于三极管工作在甲类状态，因此效率低（低于50）。在要求高功率、高效率的情况下，不能满足要求，一般用于输出功率和效率要求低的场合。方案二bjt管ocl或otl功率放大电路这两种功率输出电路在选择合适的元器件和电源电压后可以设计出有较大功率输出，效率低于75的技术指标来。这两种电路的缺点是调整比较费事，bjt功率管及电路的对称性不容易做到，因此，在要求高功率、高效率的情况下、波形很难达到理想效果。方案三mosfet管功放电路mosfet功率管要求激励功率小，因此可直接由前置级驱动而无须再加推动级；输出功率大，输出漏级电流具有负温度系数，工作安全可靠，无须加保护措施，因此比bjt管功放电路简单。用大功率mosfet配对管模块tn9np10构成的ocl功放电路可实现：最大输出功率25w，效率65，带宽bw=20hz200hz，失真系数0.2的技术指标。方案四运放opa604和高速缓冲器buf634电路opa604是fet输入高保真运放ic，性能十分优越，低噪声10nv/hz，低失真率,如将opa604换成ad747视频运放ic，函数信号发生器能够输出更高的频率。功率输出级由buf634担任，这是一种高速缓冲器ic，在电路中起功率扩展的作用。2.2.2输出回路设计方案的选择为了提高电路的性能，使得噪声低、失真率低，本设计输出电路选择方案四，运放opa604和高速缓冲器buf634组成电路，以便使其工作更稳定，同时可进一步使得电路负载能力很强，功率得到扩展。opa604是fet输入高保真运放ic，性能十分优越，低噪声10nv/hz，低失真率,1khz时，仅为0.0003，高转换率25v/s，功率带宽为20mhz，电路中opa604的闭环电压增益gv=100k/10k=10，输出电压的幅度增至 20v（pp），有效值为7v左右。功率输出级由buf634担任，这是一种高速缓冲器ic，具有2000v/s的转换速率，输出电流达250ma，其电压增益为1，但负载能力很强，在电路中起到功率扩展。第3章max038的介绍3.1max038的主要特性max038是maxim公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器，在适当调整其外部控制条件时，它可以产生准确的高频方波、正弦波、三角波、锯齿波等信号，这些信号的峰峰值精确地固定在2v，频率从0.1hz20mhz连续可调，方波的占空比从10%90%连续可调。通过max038的a0、a1引脚上电平的不同组合，可以选择不同的输出波形类型。max038主要性能特点如下：（1）能精密地产生正弦波、矩形波(含方波)、三角波信号。（2）频率范围从0.1hz20mhz，最高可达40mhz，各种波形的输出幅度均为2v(p-p)。（3）占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围为1090。（4）波形失真小，正弦波失真度小于0.75，占空比调节时非线性度低于2。（5）采用5v双电源供电，允许有5变化范围，电源电流为80ma，典型功耗400mw，工作温度范围为070。（6）内设2.5v电压基准，可利用该电压设定fadj、dadj的电压值，从而实现频率微调和占空比调节。（7)低阻抗定压输出，输出电阻典型值0.1欧姆，具有输出过载/短路保护。（8)内部功能齐全，外围电路简单，使用方便。3.2max038引脚及内部结构（1）max038采用20脚双列直插式封装。各管脚排列如图3-1所示图3-1max038引脚图（2）各引脚功能说明如下1、ref基准电源2.50v输出；2、6、9、11、18gnd接地；(5个地内部不相连，需外部连接)3、a0波形选择输入，兼容ttl/coms电平；4、a1波形选择输入，兼容ttl/coms电平；5、cosc外接振荡电容器cosc；7、dadj脉冲波占空比调节输入；8、fadj振荡频率调节(电压输入)；10、iin振荡频率参考电流输入；12、pdo相位检测器输出，如果不使用相位检测器则接地；13、pdi相位检测器同步信号输入，如果不用相位检测器则接地；14、sync同步脉冲输出，由dgnd至dv+间的电压作基准，允许用外部信号同步内部振荡器，兼容ttl/coms电平如果不用则悬空；15、dgnd数字电路部分接地开路时则禁止sync或未使用sync；16、dv+数字电路+5v电源输入端，如果不用sync可悬空；17、v+电源+5v输入端；19、out信号输出端；20、v-电源-5v输入端。（3）max038工作原理max038的内部框图如下图所示。主要包括主振器，主振控制器，2.50v基准电压源，正弦波形成器，方波形器，比较器，多路选择器，输出级和相位检测器。在cosc与com之间接上振荡电容cr，利用恒定电流iin向cr充电和放电，即可形成振荡，产生一个三角波和两个矩形波。图中，振荡器输出的 三角波经正弦波形成器变换成等幅，低失真的正弦波。多路模拟开关则从输入的正弦波，三角波和矩形波中选择一种，作为输出。波形种类由地址a0，a1的逻辑电平来设定。与此同时，三角波还经过比较器从sync端输出，可作为外部振荡器的同步信号。第4章电路设计与元器件参数计算4.1输出电路的设计为了得到更大的输出幅度，加有一级电压放大级，由运放opa604担任。opa604是fet输入高保真运放ic，性能十分优越，低噪声10nv/hz，低失真率,1khz时，仅为0.0003，高转换率25v/s，功率带宽为20mhz，电路中opa604的闭环电压增益gv=100k/10k=10，输出电压的幅度增至20v（pp），有效值为7v左右。如将opa604换成ad747视频运放ic，函数信号发生器能够输出更高的频率。功率输出级由buf634担任，这是一种高速缓冲器ic，具有2000v/s的转换速率，输出电流达250ma，其电压增益为1，但负载能力很强，在电路中起功率扩展的作用。图4-1输出电路的原理图输出信号的幅度由电位器rp3调节，为了更精确地调节输出信号幅度，在电位器后加有衰耗电路，由波段开关sa3将输出分为1，0.1，0.01三档。图4-2输出信号幅度电路原理图4.2信号发生部分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。这部分电路框图如下图4-3：图4-3波形产生原理框图本系统采用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5hz5mhz，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、功率输出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（3），a1（4）控制，其编码如表4-1所示。其中x表示任意状态。1为高电平，0为低电平。表4-1a0和a1的编码a0a1waveformx1sina wave 正弦波00square wave 矩形波10triangle wave 三角波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ufadj0v时，输出频率f0=f（10.2915ufadj）。由波段开关sa2选择不同的cf值，将整个输出信号分为六个频段。（1）5hz-50hz（2）50hz-500khz（3）500hz-5khz（4）5khz-50khz（5）50khz-500khz（6）500khz-5mhz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。各种波形的占空比若固定为50，就需将max038的脚7dadj端接地。max038的各种输出波形的幅度均为2v（pp），为了得到更大的输出幅度，加有一级电压放大级，由运放opa604担任。opa604是fet输入高保真运放ic，性能十分优越，低噪声10nv/hz，低失真率,1khz时，仅为0.0003，高转换率25v/s，功率带宽为20mhz，电路中opa604的闭环电压增益gv=100k/10k=10，输出电压的幅度增至20v（pp），有效值为7v左右。如将opa604换成ad747视频运放ic，函数信号发生器能够输出更高的频率。功率输出级由buf634担任，这是一种高速缓冲器ic，具有2000v/s的转换速率，输出电流达250ma，其电压增益为1，但负载能力很强，在电路中起功率扩展的作用。输出信号的幅度由电位器rp3调节，为了更精确地调节输出信号幅度，在电位器后加有衰耗电路，由波段开关sa3将输出分为1，0.1，0.01三档。4.3波形调整4.3.1输出频率的调整输出频率调整方式分为粗调和细调两种方法：粗调取决于iin引脚的输入电流iin，cosc引脚的电容量cf(对地)以及fadj引脚上的电压。当vfadj=0v时，输出的中心频率f0为：fo(mhz)=iin(a)cosc(pf)。当iin在10400a这个范围变化时，电路可以获得最佳的工作性能。对于固定频率工作，可设置iin接近于100a并选择一个适当的电容值。电容的取值范围可以在100f20pf，但必须用短的引线使电路的分布电容减到最小。在cosc引脚以及他的引线的周围用一个接地平面以减小其他杂散信号对这个支路的耦合。频率的细调是在fadj引脚施加一个2.4v范围的电压，可使输出频率的调节范围为f=(0.31.7)f0(即f070f0)。max038的输出频率还可以由一个电压源vin与一个固定的电阻rin串联来控制，输出频率f0为：f0(mhz)=vinrincf(pf)。改变vin就可调整输出频率f0，例如当rin为25k并且vin在0.55v变化时，f0可在0.1hz20mhz范围内调整。接在ref(+2.5v)和fadj之间的可变电阻rf还提供了一个方便的人工调整频率的方法。rf的取值如下：rf=(vref-vfadj)250a。例如，如果vref取-2.0v(+58.3偏移)，则rf=+2.5-(-2.0)250a=18k。如图4-4所示为5hz5mhz函数信号发生电路图4-4输出频率调整电路图该电路为5hz5mhz函数发生器电路，可以根据需要从输出的方波、正弦波和三角波中任选一种输出波形。集成电路max038为专用函数发生器，通过电流输入端iin的电流大小设定振荡频率，用电阻把基准电压变换成电流，用流经fadj端的电流微调频率。电路中的频率范围设定为以10为倍数进行。定时电容在75pf10f范围内进行切换。考虑到5mhz时连线分布电容对工作电容的影响。电路中增加一个50pf的ctc半可变电容与75pf工作电容并联，以便对高频进行校准。频率设定电位器pr1采用10圈线绕电阻。电路的特点是结构简单，可调元件少，工作可靠。目前广泛应用的函数发生器芯片是icl8038(国产5g8038)，他的主要技术指标是最高振荡频率仅为100khz，而且三种输出波形从不同的引脚输出，使用很不方便。max038是icl8038的升级产品，他的最高振荡频率可达40mhz，而且由于在芯片内采用了多路选择器，使得三种输出波形可通过编程从同一个引脚输出，输出波形的切换时间可在0.3s内完成，使用更加方便。4.3.2占空比的调节dadj引脚上的电压值的变化控制波形的占空比。通常vdadj=0v时，则占空比为50。若vdadj在2.3v范围变化将引起输出波形占空比在1585的变化(在1585范围内改变占空比，对输出频率的影响最小)。接在ref(+2.5v)和dadj之间的可变电阻rd提供了一个方便的人工调整占空比的方法。rd的取值如下：rd=(vref-vdadj)250a。例如，如果vdadj取-1.5v(23占空比)，则rd=+2.5-(-1.5)250a=16k。dadj引脚还可以用来减小正弦波的失真。未调整(vdadj=0v)的占空比是502，而偏离准确的50时将产生偶次谐波，这时加一个调整电压(典型值为小于100mv)到dadj，就可以减小失真，如图4-5所示，调整r6可以使正弦波失真最小，从而得到理想的波形。图4-5占空比精密调整电路第5章测试数据及结果分析1周期性波形测试周期性波形包括频率可调的正弦波、方波、三角波。用示波器来测试波形的频率，如表5-1所示。表5-1波形频率测试数据档位电容iin频率幅度1c175pf5hz-50hz2c21000pf50hz-500khz3c30.01uf500hz-5khz4c40.1uf5khz-50khz5c51uf50khz-500khz6c610uf500khz-5mhz2数据分析说明从数据中可看出，由于通用电路板本身结构的限制，影响了整个电路的布局和走线，从而引入了一定的躁声和干扰。3稳定性问题欲使max038长时间地在正常温度范围内产生一个频率稳定的输出电压，必须采取以下措施：(1)决定频率的外接电阻和电容器的温度特性要好，否则将会降低器件的性能；(2)外部电源应稳定；(3)应选用高精度的金属膜电阻，误差在1或更好的；(4)电容器必须选用温度系数低的npo陶瓷电容器。在cosc引脚上的电压是一个在0-1v之间变化的三角波，不宜使用电解电容，但如果使用了这种电容，则负端必须接cosc，而正端接gnd。结论通过这次毕业设计，让我受到了一次应用所学的专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼。使我在综合知识的选用方面，