函數(shù)發(fā)生器設計

摘要
本設計系統(tǒng)為一高性能信號發(fā)生器。由穩(wěn)壓供電模塊、信號發(fā)生模塊、參數(shù)調(diào)整模塊和信息顯示模塊組成。信號發(fā)生模塊核心電路主要由MAX038芯片構(gòu)成的信號發(fā)生源，能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等三種信號，并可通過調(diào)整電流、電壓或電阻來分別地控制輸出頻率和占空比的大小，輸出頻率為：10 Hz～1M Hz。同時自帶高功率多路輸出直流穩(wěn)定電源，可直接使用220V交流市電供電。通過顯示電路可實時顯示信號類型、幅度、頻率和頻率步進值等相關的信息。本信號發(fā)生器具有輸出頻率范圍廣、信號和峰值穩(wěn)定、使用方便、可操作性強等特點。

一、方案論證與比較

穩(wěn)壓電源部分：
方案一：采用普通單路或者雙路直流穩(wěn)壓電源供電。本方案優(yōu)點為電路設計簡單，便于實現(xiàn)，只需通過78XX或者79XX系列穩(wěn)壓管即可實現(xiàn)，能滿足大部分電路的電源要求。
方案二：采用多路輸出直流穩(wěn)壓電源供電，包括±5V，±12V以及一個1.25～37V可調(diào)輸出電壓。由于具有多路直流穩(wěn)壓輸出，本方案能同時獨立為多路用電模塊供電，互不影響，供電范圍涵蓋目前幾乎所有的電子元件。
分析：信號發(fā)生器電路復雜，各電子元件所需的工作電壓不盡相同，故本系統(tǒng)采用方案二。

信號發(fā)生部分：
方案一：采用IC555與RC組成多諧振蕩器。該方案電路簡單，容易實現(xiàn)，但只能輸出正弦波一種波形，且波形不穩(wěn)定，頻率不高，達不到題目要求。故不采用。
方案二：采用LM566積分-施密特觸發(fā)電路型的單片集成VCO (壓控振蕩器)電路。其本質(zhì)就是一個調(diào)頻器，只需調(diào)整輸入LM566的電壓便可實現(xiàn)輸出波形頻率的變化，失真度較低，價格便宜。但其只能輸出波形與三角波兩種波形，需別接電路才能輸出正弦波。因此也不采用。
方案三：采用集成函數(shù)發(fā)生器芯片ICL8038。ICL8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波四種不同的波形，它也是電壓控制頻率的集成芯片，失真度很低�？奢斎氩煌�的外部電壓來實現(xiàn)不同的頻率輸出。但其輸出最高頻率僅為30kHz，無法達到題目要求，所以也不宜使用。
方案四：采用MAX038精密波形產(chǎn)生器。MAX038能產(chǎn)生0.1 Hz～20 MHz準確的高頻正弦波、三角波、方波。輸出頻率和占空比可以通過調(diào)整電流、電壓或電阻來分別地控制。完全達到題目要求。由于該芯片內(nèi)采用了多路選擇器，使得三種輸出波形可通過編程從同一個引腳輸出，這樣可極大地簡化電路的結(jié)構(gòu)，減少電路板的面積，便于電子元件安裝，同時操作簡單，調(diào)試方便。
分析：綜上所述，本系統(tǒng)采用方案四。

二、       系統(tǒng)設計方案及實現(xiàn)方框

系統(tǒng)總體方框圖
本系統(tǒng)由穩(wěn)壓供電模塊、信號發(fā)生模塊、參數(shù)調(diào)整模塊和信息顯示模塊四個部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 

 



三、       電路設計與理論計算

(1)穩(wěn)壓電源供電部分
由于本系統(tǒng)中選用的電子元件各工作電壓不盡相同，為了能保證所有的電子元件能正常工作，故制作多路輸出直流穩(wěn)壓電源供電，包括±5V，±12V以及一個1.25～37V可調(diào)輸出電壓。電路如圖2。 


 



(2)信號發(fā)生部分
MAX038是MAXIM公司生產(chǎn)的一個只需要很少外部元件的精密高頻波形產(chǎn)生器，他能產(chǎn)生準確的高頻正弦波、三角波、方波。輸出頻率和占空比可以通過調(diào)整電流、電壓或電阻來分別地控制。所需的輸出波形可由在A0和A1輸入端設置適當?shù)拇�碼來選擇。其性能特點如下：
(1) 0.1 Hz～20 MHz工作頻率范圍；
(2) 15％～85％可變的占空比；
(3) 低阻抗輸出緩沖器：0.1；
(4) 低失真正弦波：0.75％；
(5) 低溫度漂移：200 ppm／℃。
MAX038引腳排列如圖3所示，各引腳功能見表1。信號發(fā)生部分核心電路圖如圖4。 






(3)參數(shù)調(diào)整部分

1、波形類型
MAX038可以產(chǎn)生正弦波、方波或三角波。具體的輸出波形由地址A0和A1的輸入數(shù)據(jù)進行設置，如表2所示。波形切換可通過程序控制在任意時刻進行，而不必考慮輸出信號當時的相位。
2、波形頻率
輸出頻率調(diào)整方式分為粗調(diào)和精調(diào)兩種方法：
粗調(diào)取決于IIN引腳的輸入電流IIN、COSC引腳的電容量CF(對地)以及FADJ引腳上的電壓。當VFADJ=0 V時，輸出的中心頻率f0為：
 

。由此可知，當電流IIN固定時，電容量CF越小，輸出頻率f0越大。頻率的精調(diào)是在FADJ引腳施加一個±2.4 V范圍的電壓，可使輸出頻率的調(diào)節(jié)范圍為f=(0.3～1.7)f0(即f0±70％f0)。經(jīng)過多次測試得出：當IIN在10～400μA這個范圍變化時，電路可以獲得最佳的工作性能。在此，我們把電流IIN定在20μA。要想達到10Hz的頻率，則CF的值應為：
CF(PF)=20(μA)/ 10×10-6(MHz)
CF=2.2μF
要想達到1MHz的頻率，則CF的值應為：
CF(PF)=20(μA)/ 10×10-6(MHz)
   CF=1nF
為了便于操作，我們把所接的電容分為五個檔(見表3)，再經(jīng)過精調(diào)即可實現(xiàn)精準的步進值。 

 


四、       系統(tǒng)測試與分析

    (1)測試方法
直接由交流220V市電供電，通過萬用表逐一測試直流穩(wěn)壓供電模塊各輸出端的直流電壓值；用示波器測量輸出信號波形類型與頻率；分別在帶動1KΩ和50Ω負載的條件下，測量信號的峰—峰值。并將所測量所得的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)自帶顯示部分所顯示的數(shù)據(jù)進行比較。
(2)測試數(shù)據(jù)
1、供電部分
通過萬用表多次測試所測出直流穩(wěn)壓供電模塊各輸出端誤差在10%以下，能達到設計要求。
2、信號發(fā)生部分
通過調(diào)試，本系統(tǒng)能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等三種信號(見下圖)，信號波形失真度小于5%，并且正弦波的電壓峰—峰值最高可達到5V。完全達到設計要求。 

 


3、顯示部分
在調(diào)試的同時，本系統(tǒng)顯示部分能實時顯示信號類型、幅度、頻率和頻率步進值等相關的信息，只是幅度與頻率顯示有少許誤差�；�本達到設計要求。

五、參考文獻
1、《電子線路設計．實驗．測試．》華中理工大學出版社
2、《電子設計應用》雜志社