高频信号发生器的设计

1、高高频频信信号号发发生生器器的的设设计计 O O 引引 言言.21 1 系系统统设设计计 .21.1 系统原理 .21.2 硬件设计 .41.3 软件设计 .41.4 PCB 制作 及系统测试结果 .81.5 MAX038 的基本性能 .81.6 MAX038 的典型应用 .81.7 MAX038 锁相技术 .101.8 MAX038 高额印刷电路板设计 .112 2 稳稳定定高高频频信信号号发发生生器器锁锁相相环环式式频频率率合合成成器器.113 3 结结束束语语 .134 4 总总结结和和体体会会 .13参参考考文文献献： .141高高频频信信号号发发生生器器的的设设计计摘摘 要要：介绍了

2、 两种高频信号发生器设计介绍一种性能优良的高频信号发生器，对其产生信号的频率、占空比等技术指标进行了分析讨论，给出了它在电子技术中相应的典型应用实例。它产生的信号波形清晰频率、相位和幅度稳定失真度低价比高，具有较高的实用价值。另一种键控式的采用单片机对高频函数发生电路进行程序控制的高频信号发生器的设计方案。此方案能产生方波、正弦波和三角波等信号；采用数字频率合成器，使输出信号频稳度和晶体振荡器的相当；并用键盘设置波形和频率，由LED显示。输出信号的频率分成 1 MHz16 MHz和8 kHz999 kHz两挡。关关键键词词：高频信号发生器；键控；单片机 ；芯片O O 引引 言言高频信号发生器是

3、可以用来对收音机、录音机、电视机等家用电器的元器件性能进行测试和调试的一种能产生高频调幅调频信号的专用仪器。不仅可测试晶体管放大器的频带，调试收音机选频网络中的中频信号，观察电感、电容器的高频特性，还可统调整个收音机中、短波段频率范围。目前实验室所使用的低频信号发生器，其最高输出频率一般小于1 MHz。例如：集成函数波形发生器一般都采用扫频信号发生器ICL8038或集成函数发生器 5G8038，它们都只能产生 300 kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求，不能满足高速电路调试的需要，而购买一台高频信号发生器价格

4、又相当昂贵。因此有必要研制一种低价格、高性能的高频信号发生器。本文所介绍的高频信号发生器能输出8kHz16 MHz的方波、正弦波和三角波等信号，频率与占空比能单独调节；采用了数字频率合成器，使输出信号频稳度和晶体振荡器的相当。用户通过键盘输入所需的波形与频率数值，同时LED(发光二极管 )显示电路将这些参数显示出来。此设计既能满足一般高速电路调试的需要，又可作为一般实验室的基本配置。电子技术的发展，使得性能稳定的信号发生电路得到了广泛应用其中低频、中频信号发生电路结构简单，经济，可靠，应用范围广阔，而高频信号发生电路的频率稳定度、温度稳定性较差。随着集成芯片Ic制造工艺的发展和电路结构的更新，

5、高性能的集成芯片得到了迅速发展，使得集成芯片在波形发生、信号处理、电视技术、测量技术、通信技术、信息运算、多媒体技术以及一般的电子电路设计等领域得到了非常广泛的应用，并极大地促进了相关领域的迅速发展。本文分析讨论了高性能的高频信号发生器在电子技术中的应用，给出了相应的典型应用实例 (以MAX038为例)。21 1系系统统设设计计1.1 系统原理整个系统的结构框图如图 1.1所示，其中包括高频函数发生器、数字频率合成器、 DA转换器、单片机、键盘和数字显示电路及接口、低通滤波器共6个模块。本设计采用高频函数发生器和数字频率合成器产生波形及频率。控制和管理电路由单片机及 DA转换模块组成。其主要功

6、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，控制函数发生器和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。低通滤波器主要用于滤除函数发生电路输出波形的高频干扰。图1.1下面具体介绍这几个模块。a)键盘显示电路及单片机控制系统：控制和管理后面的信号发生电路。b)数字频率合成器 J：选用间接式，即采用锁相环路、频率电压转换电路(鉴频器)等方法，对压控振荡器和标准频率进行比较，从而用误差电压控制输出信号。其优点是因从振荡电路直接输出，所以能提高信噪比；但本振噪声往往会增大。本系统采用数字频率合成器，使输出信号频稳度和晶体振荡器的相当。c)DA转换器：实际上

7、有两个环节，即先将数字量转换为模拟电流，这是由DA转换器实现的；再利用运算放大器来完成模拟电流到模拟电压的转换。d)高频函数发生器：结构框图如图 1.2所示。3图1.2 高频函数发生器结构框图基准电压源提供 25 V基准电压，主要用来为振荡频率控制器提供一个稳定电流，也可用做其他模块的基准。其基本振荡器是一个张弛振荡器，同时产生三角波和方波 (A和B)。三角波分为两路：一 直接送至多路模拟开关，另一路送人正弦波形成电路。正弦波形成电路把三角波转变成一个具有等幅的低失真的正弦波，送往多路模拟开关以供选择。方波(A和B)是一对内部差动矩形波信号，经差动比较器形成双极性矩形波信号。三角波、矩形波和正

8、弦波输入到多路模拟开关，用两根地址线作为这3种波形的选择线。e)低通滤波器：用来抑制高频噪声干扰。1.2 硬件设计键盘显示电路运用 4个LED显示和l6个按键。显示电路用 4个七段LED数码管显示波形选择和 3位频率数值，将最低位小数点用做单独指示灯，指示频率的单位是 kHz还是MHz。键盘按键安排如下：数字键 09，设定键 (#SET)，正弦波、方波、三角波输出选择的功能键，输出频率选择kHz、MHz按键，总共l6个键。键盘显示接口芯片采用北京市比高公司的BC7281A，是LED数码管及键盘接口专用控制芯片。它采用2线高速串行接口，只占用单片机 3个IO端口；并且能同时控制多达 l6位LED

9、数码管以及 64个键，符合设计的要求。控制系统采用 ATMEL公司的单片机芯片。数字频率合成器采用功能强大的大规模数字频率合成器MC145151来实现频率合成的功能。 MC145151是一个标准的 CMOS逻辑数字电路，包括的主要部件有数字鉴相器、锁定检测器、l4位计数器等。此外，芯片还有晶体振荡器和 l4位基准分频器 (尺计数器 )电路，由一个 3位译码器从 8种分频比中选择出恰当的值，产生锁相环的基准频率，即 =AR。鉴相器输出的差分信号经过由功放 MAX427构成的低通滤波器后，对高频函数发生器的压控振荡器进行锁定。DA转换器选用 AD公司的 AD7541，它特别适合于精密模拟数据的获得

10、和控制。高频函数发生器采用美信公司的MAX038芯片，其工作频率范围为 8 kHz 16 MHz，使用5 V电源。振荡频率由外接电容的电容量和输人电流大小决定，占空比的调整也可通过相应引脚的电压值改变。输出波形由两条地址线的输人数据决定，选择输出波形为正弦波、方波或三角波。数字频率合成器 MC145151的RA2、RA1和RA0端开路，相当于输入高电平，4 值被设定为 8 192。振荡频率 8192 MHz，经 分频后可得到 1 kHz的鉴相频率 。单片机由 P0和P2口输出的 l4位数据D13DO被送到MC145151的N13NO端，以设定 值。函数发生电路的同步信号 OUT2送到MC145

11、151的Fin端，分频后与 比较检出相位，与相位差有关的信号经它的PDV和PDR输出，并经运算放大器 MAX427变换为25 V的信号后，送函数发生器的FADJ端。由于函数发生器与 MC145151组成了频率锁相环 PLL，输出频率被锁定在N厂R，因此函数发生电路的输出频率可在8 kHz16383 MHz范围内调整，调整增幅为 1 kHz。单片机同时将 D13D2送到DA转换器MX7541的BIT1一BIT12端进行DA转换，输出信号经运放 MAX412变换成2 A750 A的电流信号，然后送到函数发生器的输人端作为频率粗调信号，以将输出频率调到频率锁相环的捕捉范围，然后再由锁相环将输出频率锁

12、定在D13DO所设定的频率。函数发生器的输出端接一个50 MHz的低通滤波器，从而使 16 MHz以内的正弦波、方波和三角波信号顺利地通过滤波器输出。1.3 软件设计本文主要的软件设计有：通过键盘显示控制芯片BC7281A的键盘输人及LED 显示，主要涉及到 BC7281A的时序、控制及寄存器的使用，包括信号发生器的频率数值、频段选择、波形选择的键盘输人和LED显示，以及单片机对送给频率合成器 MC145151和DA转换器AD7541的频率译码及输出。程序流程见图1.3。5图1.3 程序流程在应用 BC7281A芯片时，其时序非常重要。下面分字节写入和读出叙述BC7281A的时序，其时序图见图

13、 4。 图1.4 BC7281A时序图a)字节写入：包括指令字节和数据字节。传送开始时，首先需要建立握手信6号，而 BC7281A则在收到单片机的握手脉冲后在 DAT线上输出一低电平，表示准备好，可以接收它的数据。单片机须在l5 s之内给出下一个 CLK脉冲，同时要注意数据传送时的数据保持时间。一个字节写入 BC7281 A的汇编程序如下 (要发送数据存于 DATAOUT)：SEND_OUT：CLR CLK 在CLK输出一脉冲SETB CLKW AIT_ I：JB DAT，WAIT1 等待 DAT变为低电平CLR CLK 再输出一 CLK脉冲SETB CLKW AIT_ 2：JNB DAT，W

14、AIT2 等待 DAT恢复高电平 (输入状态 )MOV COUNT#8AGAIN：MOV C。DATA OUT 输出 BIT7MOV DAT，CCLR CLK 输出一 CLK脉冲SETB CLKMOV A ，DATA OUTRL AMOV DATA OUT，A DATA OUT左移1位NOP 短暂延时NOPNOPDJNZ COUNT，AGAINSETB DAT 恢复 DAT为高电平RETb)读出数据：其过程与写入数据时相似，不同的是，数据读出时单片机仅发送一个单一握手脉冲，而不像写入时一直发送到收到BC7281 A响应信号；7当8个数据位均读出以后，它还必须再发出一CLK脉冲表示接收完毕，BC

15、7281 A才能从输出状态转成输入状态，准备接收下一指令。从BC7281A读出一个字节汇编程序 (接收到的数据存于 DATAIN)如下：SENDIN：CLR CLK 发出一 CLK脉冲SETB CLKW AIT3：JB DAT，WAIT3 等待DAT低电平响应信号CLR CLK 再发出一 CLK脉冲，准备接收数据SETB CLKMOV COUNT#8AGAIN：NOP 短暂延时NOPNOPMOV A，DATA INMOV C，DAT 读入一位RLC AMOV DATA_ IN，ACLR CLK 发出 CLK脉冲SETB CLKDJNZ COUNT，AGAINRET1.4 PCB制作 及系统测试

16、结果本设计制作的 PCB(印制电路板 )为1016 mm699 mm的双层板。高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须的，也是降低干扰的有效手段。由于信号发生器电路速度较高，且模拟和数字电路混合，因此在电路设计和 PCB布局上都有所讲究。首先，函数发生器的模拟电源和数字电源端必须分开，在供电时要分别供电。其次，PCB上要用低阻地平面分别将模拟地和数字地连接，再在某一点上将两地相连。高频电路布线还必须避免8信号线近距离平行走线所引入的交叉干扰，但是同一层内的平行走线实在无法避免，所以在 PCB反面大面积敷设地线来降低干扰，即“铺铜”。测试实例如下：a)由键盘输入 #SET键，

17、进行参数设定；依次输入波形选择方波、频率数值l6、频段选择 MHz。示波器上能稳定显示相应的波形，图形如图5所示。显示的周期读数是 0061 s，即频率为 1639 MHz，误差分别仅为00015s、039 MHz，即246 。b)输入波形选择三角波、频率数值 l6、频段选择 MHz示波器上显示相应的波形如图 6所示。此时示 波器上显示的周期是 0062s，即频率为1613 MHz，误差分别仅为 0000 5s、013 MHz，即08。c)输人波形选择正弦波、频率数值 370、频段选择 kHz，示波器上显示相应的波形如图 7所示。此时示波器上显示的周期是 270 ms，即频率为37037 kH

18、z，误差分别仅为 0002 7 ms、037 kHz，即009 。d)若输入超出 8 kHz一16 MHz，输人20 MHz，示波器没有输出， PCB上红灯闪烁 3次后熄灭，此时可按 #SET键重新开始操作。1.5 MAX038的基本性能MAX038是高频率、高精度函数信号发生器。配用很少的外部元器件它就可以产生精确、高频率的三角波、锯齿波、正弦波、方波、脉冲波形等信号。利用内部 25 v电压作参考配以外部的电阻及电容可实现输出频率01 m一20 Mm ，占空比可调节范围为 15一85，且占空比和频率的调节可以独立控制；通过设置两个吼兼容的选择管脚，还可实现不同波形的输出信号输出具备低阻抗缓冲

19、、低失真度 (075)和低温度漂移。兼容的 SYNC管脚连接一个内部振荡器，输出 5 占空比的不同波形信号，可作为本系统其它器件的同步信号。它被广泛应用于高精度函数信号发生、电压控制振荡、频率调制、脉冲宽度调制、锁相环、 FSK发生器、频率台成等相关领域。1.6 MAX038的典型应用MAX038基本的应用接法如图 2.11所示，管脚 是内部25 V电压参考；管脚是模拟地；管脚 (A0)和(AI)是两个订 L兼容的不同波形选择管脚；管脚 内连振荡器，外连电容 (15 pF100 F，参与振荡 )；管脚 是占空比调节端；管脚 是频率调节端；管脚 是控制频率的电流输人端；管脚是相位检测输出，不用时

20、该端可接地；管脚是相位检测参考时钟输人端(相位检测不用时该端可接地 )；管脚(sYNC)是TFLCMOS输出，不用时该端可不连接：管脚 是数字地；管脚 12是数字电路 (通常采用 +5v，l nF陶瓷电容高额退耦 )供电输入端；管脚 (SYNC)不用时该端可不连接；管脚是模拟电路正电源 (通常+5 v)供电输入端；管脚 是模拟电路负电源(通常一5 v)供电输入端；管脚 是函数信号输出端若负载是较大的容性负载通常加一个 5On的隔离电阻 R 。9图2.l MAX038基本的应用接法(1)不同波形的选择不同波形的选择如表l所示，X表示0和1(CMOS)皆可；调节占空比可在下述波形基础上获得脉冲、锯

21、齿等波形(图2.1中输出信号波形为正弦波 )。表2.1l 波形选择A0A1波形X1正弦波00方波10三角波(2)输出信号的频率 R计算输出信号的频率 由注入管脚 的电流 、管脚(cost)到地的电容 和加在管脚 (FADJ)上的电压决定。其中电流 可在2-750 A范围内取值，最佳性能取范围为 10-400 A；电容 可在20pF一100txF范围内取值，最好选取漏电流小的非极性电容。电压 在一24器件电路DEVICE AND CIRCUITV一+24V范围内变化，会引起输出信号的频率R 的变化。 (3)外电阻、电容 c 的选择外电阻、电容 c直接决定着输出信号频率随时问、温度的稳定性能，其选

22、择非常重要。电阻通常选择金属膜电阻，等级至少为1；电容 C常选择低温度系数的非极性陶瓷电容；如果要获得一个较低频率的信号，只有选择较大10容值的极性电容 c 时，必须使电容的正极接地，负极接管脚(COSC)，此时，极性电容所具有的漏电流的因素会影响电容的充放电过程，从而导致信号波形质量变差，这时，根据输出信号的频率 计算公式，应尽可能地使用小电流 以减小电容 的容值，改善波形质量。1.7 MAX038锁相技术MAX038内部有一个 TIICMOS相位检测器，能构成锁相环 PLL电路(如图2.2所示)，这样可用外部信号同步 MAX038的输出信号，且性能稳定。图 2中外部信号连接相位检测器的输人

23、端PDl(管脚16)；相位检测器的输出端PDO(管脚12)独立或门输出一个矩形波电流，其频率与输出信号相同，通常相位检测器的输出端 PDO经过RC(R 和C )滤波后连接到 FADJ(管脚)和一个电阻Rm，其中电阻 Rm另一端接地，电阻 R 的阻值决定了相位检测器的增益；相位图2.2 MAX038锁相环PLL电路器件与电路 DEVlCE AND CIRCUIT检测器的输出端 PDO输出的矩形波电流可在0500 A变化，其占空比在 0100变化(外部信号与 MAX038输出信号的相位差为 时，其占空比为 0；相位差为 90。时，其占空比为 50；相位差为180时，其占空比为 100)。电路的锁相

24、原理：相位检测器的输出端PDO(管脚8)输出的矩形波电流一部分流入 FADJ，一部分流入电阻 Rm。现在假使外部信号与 MAX038输出信号的相位已锁定，因某种原因相位差增大，这将引起PDO电流增加，且占空比增加，则流入电阻 R即的电流增大，从而引起电压 肿，的增加 (电阻Rm阻值越大，电压 删的增加越大 )；电压 删的增加反过来使 MAX8输出信号的频11率减小，使得相位差减小，以维持已锁定相位。锁相环系统的增益K为Kv=K0K0 (6)式中： Kn为相位检测器增益，即 KD=0.318xR (vrad)； 为内部振荡器增益，即Kv=3.43W(rads)。当内部相位检测器不用时，相位检测器

25、的输入端PDI(管脚)和输出端PDO(管脚6)应该接地：还可利用外部相位检测器构成锁相环PLL电路，同样可做到用外部信号同步MAX038的输出信号1.8 MAX038高额印刷电路板设计采用多层印刷电路板 (最好使用 4层以上)布线技术和低阻抗的大面积布地，以保证电路的接地、屏蔽和隔离良好同时减小电路俸积；印刷板布线时，信号线尽可能短、直，不要布设 90。的拐角，尽可能使拐角圆滑，以减小寄生电容，特别是 COSC端(管脚)的电容C 接地(大面积地 )线要尽可能的短， 减小外信号在该点的耦台；信号传输线较长时采用微带线的设计技术，保证阻抗匹配。电路设计中尽量采用线性电源供电，并加接必要的滤波电路(

26、最好采用多个电容并联的形式，如 1 F的陶瓷或钽电容和 1 nF的陶瓷电容并联组合 )，有效减小电源纹渡，抑制电源干扰，从而提高电路信噪比，特别是使用SYNC端(管脚)时，必须注意在 DV+端(管脚12)和DGND端(管脚14)之问加接 l nF的陶瓷电容；安装时，不要使用 Ic插座，尽可能使用表面贴装器件，有效减小寄生的电抗，以获得较好的高频性能2 2 稳稳定定高高频频信信号号发发生生器器锁锁相相环环式式频频率率合合成成器器本设计考虑到要求的输出频率很高，且为了直观和方便输出调节，必须采用十进程控分频器，又尽可能采用近代集成度较高的一些芯片组成。这里实际使用了内部具有高集成度的含四级IACD

27、 十进程控分频及基准频率振荡器和鉴相器的锁相环集成电路 MC145163。为了能输出甚高频正弦波信号，压控振荡器采用压控集成电路 MC1648，高速固定前置分频器采用 MC12012，在这里只作为高速二分频用。使用可单电源工作的运算放大器I M358作为直流放大器，放大低通滤波器输出的直流压控电压， 以扩展压控振荡器的频率可变范围。可见本系统设计全部由集成电路组成，体现了技术的先进性，可方便地达到了设计需求的性能指标。本系统采用 MC1648作为I c压控振荡器，其最高振荡频率可达 225MHz。其使用比较简单，这里使用背靠背的一对变容二极管进行压控频率调节，是为了扩大输出频率线性控制范围。复

28、盖设计频段。实际电路中采用了振荡线圈分段接入，通过电子开关进行自动切换(可通过数字逻辑电路对程控开关判断自动产生波段切换信号，此略 )， 同时对低通滤波器输出的约 0-4伏的直流电压使用单电压供电的运算放大器 I M358进行直流放大到 O一13伏， 以加大12变容二极管电容可变化范围。采用 LED这二项措施可使全频复盖系数大于35倍。若要求输出调频信号， 可从Vmod in端加入调制音频信号，电位器的位置及信号大小决定调频的频偏大小，因此本系统非常方便地可用作调频无线电广播高频信号源。由于 MC145163的最高分频频率小于 80MHz，因此压控振荡器输出的高频信号必须先用高速前置分频器进行

29、预分频这里考虑到步长要求的限制， 只采用其中的二分频部分， 由于鉴相频率设计为 5kHz，采用固定高速二分频后可使输出频率间隔刚好为10kHz，从而与程控分频器十进置数和十进输出匹配。图3.1 锁相环高频十进频率合成器总图本锁相环式高频频率合成器由于采用了大规模集成电路，整体电路组合及环路参数设计变得很简单， 主要考虑二点，一是鉴相频率，二是环路滤波器。由于选用了含有四级 BCDN程控分频器而其最高输入频率允许为80MHz，故充分利用其内部分频器能够达到的最小输出频率问隔为10kHz，由于在压控振荡器之后巳引入了一级高速固定二分频器， 为了使输出频率问隔达到10kHz， 本设计中必须取鉴相频率

30、为 5kHz。这可通过设置 MC145163内部的参考频率分频器可使鉴相频率为 5kHz。在PLL中环路低通滤波器的设计十分重要，它影响到环路性能如捕捉时问及整机信噪比。若低通滤波器的时间常数大，截止频率低，则输出信噪比高，频谱纯，但环路入锁的捕捉时间就长，对于需要快速转换信道变频的使用场合应设计低通滤波器的截止频率较高些。对于本系统设计考虑是作为通用高频仪器或作调频广播信号源用，对捕捉时间要求不高，又由于要求能进行高频调频，故13低通滤波器的截止频率应取得较低 (这里设计中取小于 10Hz)。电路中采用无源比例积分低通滤波器， (见图3中由R1R2C1组成)结构简单，性能稳定， 调试方便。

31、图3中输出频率的预置是通过四位 BCD拨码开关实现， 若使用单片机对 MC145163进行并行程控，更可增加功能，例直接显示输出频率，并可进行多组输出频率的存储和调取，使用更加方便，直观。本锁相环式高频频率合成器的设计制作全部由集成电路组成，尤其选用了MC145163p锁相电路块，实现了输出频率能以直观方便的十进制方式改变，且最小频率间隔达到 10kHz， 由于采用了高频集成压控振荡器，本锁相式高频频率合成器的高频输出频率范围从2900MHz至9999MHz。频率点达到七千个，频率稳定度优于 5ppm，可为等幅正弦波，也可为调频波，扩大了应用范围。3 3 结结束束语语键控式高频信号发生器 设计的特点是控制和管理电路由单片机实现，使频率设置和波形选择等操作可用键盘输