函数发生器设计

摘要
本设计系统为一高性能信号发生器。由稳压供电模块、信号发生模块、参数调整模块和信息显示模块组成。信号发生模块核心电路主要由MAX038芯片构成的信号发生源，能产生正弦波、方波、三角波等三种信号，并可通过调整电流、电压或电阻来分别地控制输出频率和占空比的大小，输出频率为：10 Hz～1M Hz。同时自带高功率多路输出直流稳定电源，可直接使用220V交流市电供电。通过显示电路可实时显示信号类型、幅度、频率和频率步进值等相关的信息。本信号发生器具有输出频率范围广、信号和峰值稳定、使用方便、可操作性强等特点。

一、方案论证与比较

稳压电源部分：
方案一：采用普通单路或者双路直流稳压电源供电。本方案优点为电路设计简单，便于实现，只需通过78XX或者79XX系列稳压管即可实现，能满足大部分电路的电源要求。
方案二：采用多路输出直流稳压电源供电，包括±5V，±12V以及一个1.25～37V可调输出电压。由于具有多路直流稳压输出，本方案能同时独立为多路用电模块供电，互不影响，供电范围涵盖目前几乎所有的电子元件。
分析：信号发生器电路复杂，各电子元件所需的工作电压不尽相同，故本系统采用方案二。

信号发生部分：
方案一：采用IC555与RC组成多谐振荡器。该方案电路简单，容易实现，但只能输出正弦波一种波形，且波形不稳定，频率不高，达不到题目要求。故不采用。
方案二：采用LM566积分-施密特触发电路型的单片集成VCO (压控振荡器)电路。其本质就是一个调频器，只需调整输入LM566的电压便可实现输出波形频率的变化，失真度较低，价格便宜。但其只能输出波形与三角波两种波形，需别接电路才能输出正弦波。因此也不采用。
方案三：采用集成函数发生器芯片ICL8038。ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，它也是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。但其输出最高频率仅为30kHz，无法达到题目要求，所以也不宜使用。
方案四：采用MAX038精密波形产生器。MAX038能产生0.1 Hz～20 MHz准确的高频正弦波、三角波、方波。输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制。完全达到题目要求。由于该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，这样可极大地简化电路的结构，减少电路板的面积，便于电子元件安装，同时操作简单，调试方便。
分析：综上所述，本系统采用方案四。

二、       系统设计方案及实现方框

系统总体方框图
本系统由稳压供电模块、信号发生模块、参数调整模块和信息显示模块四个部分组成。其结构框图如图1所示。 

 



三、       电路设计与理论计算

(1)稳压电源供电部分
由于本系统中选用的电子元件各工作电压不尽相同，为了能保证所有的电子元件能正常工作，故制作多路输出直流稳压电源供电，包括±5V，±12V以及一个1.25～37V可调输出电压。电路如图2。 


 



(2)信号发生部分
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，他能产生准确的高频正弦波、三角波、方波。输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制。所需的输出波形可由在A0和A1输入端设置适当的代码来选择。其性能特点如下：
(1) 0.1 Hz～20 MHz工作频率范围；
(2) 15％～85％可变的占空比；
(3) 低阻抗输出缓冲器：0.1；
(4) 低失真正弦波：0.75％；
(5) 低温度漂移：200 ppm／℃。
MAX038引脚排列如图3所示，各引脚功能见表1。信号发生部分核心电路图如图4。 






(3)参数调整部分

1、波形类型
MAX038可以产生正弦波、方波或三角波。具体的输出波形由地址A0和A1的输入数据进行设置，如表2所示。波形切换可通过程序控制在任意时刻进行，而不必考虑输出信号当时的相位。
2、波形频率
输出频率调整方式分为粗调和精调两种方法：
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=0 V时，输出的中心频率f0为：
 

。由此可知，当电流IIN固定时，电容量CF越小，输出频率f0越大。频率的精调是在FADJ引脚施加一个±2.4 V范围的电压，可使输出频率的调节范围为f=(0.3～1.7)f0(即f0±70％f0)。经过多次测试得出：当IIN在10～400μA这个范围变化时，电路可以获得最佳的工作性能。在此，我们把电流IIN定在20μA。要想达到10Hz的频率，则CF的值应为：
CF(PF)=20(μA)/ 10×10-6(MHz)
CF=2.2μF
要想达到1MHz的频率，则CF的值应为：
CF(PF)=20(μA)/ 10×10-6(MHz)
   CF=1nF
为了便于操作，我们把所接的电容分为五个档(见表3)，再经过精调即可实现精准的步进值。 

 


四、       系统测试与分析

    (1)测试方法
直接由交流220V市电供电，通过万用表逐一测试直流稳压供电模块各输出端的直流电压值；用示波器测量输出信号波形类型与频率；分别在带动1KΩ和50Ω负载的条件下，测量信号的峰—峰值。并将所测量所得的数据与系统自带显示部分所显示的数据进行比较。
(2)测试数据
1、供电部分
通过万用表多次测试所测出直流稳压供电模块各输出端误差在10%以下，能达到设计要求。
2、信号发生部分
通过调试，本系统能产生正弦波、方波、三角波等三种信号(见下图)，信号波形失真度小于5%，并且正弦波的电压峰—峰值最高可达到5V。完全达到设计要求。 

 


3、显示部分
在调试的同时，本系统显示部分能实时显示信号类型、幅度、频率和频率步进值等相关的信息，只是幅度与频率显示有少许误差。基本达到设计要求。

五、参考文献
1、《电子线路设计．实验．测试．》华中理工大学出版社
2、《电子设计应用》杂志社

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