毕业设计 MAX038信号发生器

目 录 摘要 关键字 第一章高频信号发生器 1.1 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 结构和原理 1.2 控制和管理方框图 1. 3 小结 第二章 MAX038 函数信号发生器 2.1MAX038 的性能特点 2.2MAX038 的工作原理 2.2.1 管脚功能 2.2.2 内部结构及原理 2. 3MAX038 构成的高频精密函数波形发生器 2.3.1 正弦波发生器 2.3.2 高频函数发生器 2.4 小结 第三章频率合成器 MC145151 3.1 频率合成器 3.1.1 频率和成器的原理 3.1.2 锁相合成器 3.1.3 锁相环的基本原理 3.1.4 环路滤波器 3.2 小结 第四章 MAX7541 及跟随器 4.1 概述 4.2 引脚和内部结构 4.3MAX7541 的输入与输出 4.4 跟随器 第五章 频率计 5.1 频率计定义 5.2 系统组成 5.2.1 方框图和工作原理 5.2.2 处理方法 5.3 1611 功能介绍 5.4 小结 第六章直流稳压电源 6.1 概述 6.2 电路图 1 第七章放大电路和衰减电路 7.1MAX442 的管脚 7.2 放大电路 7.3 衰减电路 7.4 小结 总结 参考文献 致谢 附图 2 前 言 信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功 能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。本文介绍一种由单片集成电路 MAX038 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的简易信号发生器，该仪器电路结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号 发生器，但满足一般的实验要求是不成问题的。 函数信号发生器能产生多种波形的装置.MAX038 是美国马克希姆(MAXIN)公司新研制的单 片高频精密函数波形发生器与 ICL8038 想比,它具有高频特性好,频率范围很宽,频率与占空比能 单独调节,功能全,调节方式更加灵活等优点.可广泛用于高频精密函数波形发生器,频率市制器,脉 宽 调 制 器 ,. 锁 相 环 ,. 频 率 合 成 器 , 调 频 发 生 器 等 领 域 . 其成本低、体积小、便于携带等特点，亦可作为电子产品维修人员的重要随身设备之一。 3 第一章 MAX038 的高频信号发生器 一.概述 信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功 能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。本文介绍一种由单片集成电路 MAX038 设计的简易信号发生器，该仪器电路结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号 发生器，但满足一般的实验要求是不成问题的。 MAX038 较早期的函数发生器专用集成电路 ICL8038 在整体性能上有了很大的提高，外围 电路也更加简洁。主要指标：频率范围 0.3Hz　10MHz；总波形失真率小于 1%。 1. 1 电路结构 本设计中采用功能很强的大规模数字频率合成器 MC145151 和多波形宽频率范围信号发生 器 MAX038 等新器件产生波形和频率，控制与管理电路部分使用单片机 80C31 和 27128、8155、8279 和 MAX7541 等外围芯片以及键盘显示电路。图 4 和图 5 所示分别为频率与波 形产生电路和控制管理电路的简化功能框图。 4 图1.1 一种数字频率合成器波形产生部分的功能框图 图 1.1.a 是一种数字频率合成的波形产生器。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。在本电路中，用于粗调的控制电压（电流）由一个 12位的 DAC 产生，使输出频率近似等于 N倍基准频率。而细调电压则由数字锁相电路 MC145151 和环路滤波器 MAX427 产生，由锁相 反馈环将频率 fo = Nfr 锁定。这种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的优点是频率合成器工作更可靠，锁定更迅速。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，所需外部元件极少，使用很方便。 2.2 控制和管理方框图 控制和管理电路由 80C31 单片机及外围电路组成。其主要功能是：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。电路中的 27128 EPROM 用于储存程序，8279 和一些附属电路用 于对键盘和显示电路的管理，可编程 I/O接口电路 8155 提供 14 路接口对MC145151进行控制。 另 外 还 利 用 8155 的 可 编 程 计 数 器 和 MC145151 的÷R 计数器，两次对晶体振荡器产生的 4096kHz 振荡信号分频，这样可以更灵活地 提供基准频率。在本设计中，对应高频档和低频档 8155 的计数器分别设置为 4 和 400次分频， ÷R 计数器均设置为 1024次分频，由此获得 1kHz 和 10Hz 基准频率。 图为控制和管理方框图 5 2.3 特点 本设计的特点是全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠。利用单片机控制管理，使频率 设置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便。数字频率合成技术使输出频率准确和稳定， 频率分辨率为基准频率 10Hz或 1kHz；由于晶体振荡器具有很性，锁相环具有很好的短期时间 稳定性，两者好的长期时间稳定相结合可在设计要求的频率范围 100Hz～16383kHz 内获得近似 于晶体振荡器的频率稳定度，这是本方案最重要的特点。另外，电路产生的信号波形很好，其中 正弦信号的失真度仅为 0.75％。对于小型通用信号产生器而言，这是一个比较理想的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。 第二章ＭＡＸ０３８函数信号发生器 MAX038 是美国马克希姆(MAXIN)公司新研制的单片高频精密函数波形发生器与 ICL8038 想比,它具有高频特性好,频率范围很宽,频率与占空比能单独调节,功能全,调节方式更加灵活等优 点.可广泛用于高频精密函数波形发生器,频率市制器,脉宽调制器,.锁相环,.频率合成器,调频发生 器等领域. 1MAX038 的 性 能 特 点 ● 能产生精确的高频正弦波，矩形波，三角波和锯齿波。输出既能人式设定，又可由微机控制。 ● 频率范围为 0.1Hz　 20MHz（最高可达 40 MHz），单波段扫频范围 fmax fmin>350╱ 。 ● 独 立 的 工 作 频 率 和 脉 冲 占 空 比 调 节 功 能 ， 占 空 比 调 节 范 围 15% 　 85% 。 ● 低阻抗定压输出，输出电阻典型值 0.1　，输出电压 2VP-P，具有输出过载 /短路保护。 ● 较 低 的 温 度 频 率 漂 移 率 ， 典 型 值 200ppm/℃ 。 ● 输 出 正 弦 波 失 真 度 ： 0.75% 。 ● 内部功能齐全，外围电路简单，使用方便。 ２.２ＭＡＸ０３８的工作原理 ２.２.１管脚功能 图为 MAX038 的管脚图 6 MAX038 为 20 脚标准双列直插式或小型扁平封装，内部结构框图见图 1。引脚功能说明如 下：1．基准电源输出；2、6、9、11、18．接地；3．波形选择输入，兼容 TTL/COMS 电平；4．波 形选择输入，兼容 TTL/COMS 电平；5．外接振荡电容器 COSC；7．脉冲波占空比调节输入； 8．振荡频率调节(电压输入)；10．振荡频率参考电流输入；12．相位检测器输出，如果不使用 相位检测器则接地；13．相位检测器同步信号输入，如果不用相位检测器则接地；14．同步脉 冲输出，兼容 TTL/COMS 电平；15．数字电路部分接地；16．数字电路+5V 电源输入端，如果 不用外同步则悬空；17．电源+5V 输入端；19．信号输出端；20．电源-5V 输入端。 表 1 波形设定 2.2.2 内部结构及工作原理 MAX038 主振荡器为三角波振荡器，可同时输出三角波及两相脉冲波，振荡频率由调频输 入电压 VFADJ、参考电流 IIN 及外接振荡电容器 COSC 的容量共同决定，脉冲波占空比可由 VDADJ 调节。正弦波变换电路将三角波变为正弦波，两相脉冲经比较器变成方波。输出波形由波 形选择输入端A0 、A1 的状态确定：A1=1、A0=?资笔?出正弦波；A1=0、A0=0时输出方波（脉冲 波）；A1=0、A0=1时输出三角波（锯齿波）。另外，如果将 13 脚输入的外同步信号经内部相位 检测器与振荡频率进行相位比较，相差信号从 12 脚输出再反馈到 8 脚可构成锁相环，实现外同 步。MAX038 的主要特性参数列于下表。 MAX038 的主要特性参数 目录 符号 参数值 最小，特殊，最大值 单位 频率特性 最大可调频率 F0 CF<15Pf ,IIN=500 20.0 40.0 MHz 控频可调电流 Iin电压 IIN VFADJ=0V 2.50 750 μA VFADJ=-3V 1.25 375 mA Iin电压 VIN ± 1.0 ±2.0 mV 频率温度关系 ΔF0/ 0C VFADJ=0V 600 F0/0C VFADJ=-3V 200 Ppm/oC A0 A1 输出波形 × 1 正弦波 0 1 矩形波 1 0 三角波 7 频率电压关系 ΔF0/ F0 ΔV+ V-=-5V,V+=4.75to5.25V ±0.4±2.00 ΔF0/ F0 ΔV- V+=5V,V-=-4.75to5.25V ±0.2 ±1.00  ％/V 输出级 电压峰峰值 VOUT ± 4 mV 输出阻抗 ROUT 0.1 0.2 Ω 输出短路电流 IOUT :输出短路 40 mA 方波信号输出（RL=100Ω） 幅度 Vout 1.9 2.0 2.1 Vp-p 上升时间 tR 10 % to 90% 12 ns 下降时间 tF 90 %to 10% 12 ns 占空比 dc VDADJ=0V,DC=ton/t*100% 47 50 53 ％ 三角波输出（RL=100Ω） 幅度 VOUT 1.9 2.0 2.1 Vp-p 非线性度 F0=100kHz,5 %to95% 0.5 ％ 占空比 dc VDADJ=0V（note1） 47 50 53 ％ 方波输出（RL=100Ω） 幅度 VOUT 1.9 2.0 2.1 Vp-p 最大失真度 占空比调节到 50% 0.75 占空比不调节 1.50 ％ 信号输出 输出低电平 VOL ISINK=3.2mA 0.3 0.4 V 输出高电平 VOH ISOURCE=400μA 2.8 3.5 V 上升时间 tR 10 %to90% RL=3k ,CL=15pF 10 ns 下降时间 TF 90%to10% RL=3k ,CL=15pF 10 ns 占空比 dcSYNC 50 ％ 占空比调节 DADJ 端输入电 流 IDADJ 190 250 320 μA DADJ 端电压范 围 VDADJ ±2.3 V 占空比可调范围 dc -2.3V≤VDADJ≤2.3V 15 85 ％ 8 DADJ 的非线性 度 dc/VDADJ -2V≤VDADJ≤2V 24 ％ DADJ 的非线性 度 F0/VDADJ -2V≤VDADJ≤2V ±2.5 ± 8 ％ DADJ 最大可调 频率 FDC 2 MHz 频率细调 FADJ 输入电流 IFADJ 190 250 320 μA FADJ 电压范围 VFADJ ± 2.4 V 频率可调比 F0 -2.4V≤VFADJ≤2.4 ±70 % F0/VFADJ -2V≤VFADJ≤2V ±0.2 % 用 FADJ 调节占空 比 dc/VFADJ -2V≤VFADJ≤2V ±2 % FADJ 最大可调频 率 FF 2 MHz 基准电压 输出电压 VREF IREF=0 2.48 2.50 2.52 V 温度关系 VREF/oC 20 Ppm/oc 负载关系 VREF/IREF 0mA≤IREF≤4mA(source) 1 2 mVmA -100 A≤IREF≤0 A(sink) 1 4 线性关系 VREF/V+ 4.75V≤V+≤5.25V 1 2 mV/V 逻辑输入 输入低电平 VIL 0.8 V 输入高电平 VIH 2.4 V 输 入 电 流 （A0，A1） IIL,IIH VA0,VA1=VIL,VIH ± 5 μA 输入电流（PDI） IIL,IIH VPDI=VIL,VIH ±25 μA 电源提供 正电源 V+ 4.75-5.25 V SYNC 电源 DV+ 4.75 5.25 V 负电源 V- -4.75 -5.25 V 正向电流 I+ 35 45 mA SYNC端电流 IDV+ 1 2 mA 反向电流 I- 45 55 mA 9 １、振荡器和电流发生器 在 COSC 与 COM端之间接上振荡电容Ｃ F 之后，利用恒定电流 IIN向Ｃ F充电和放电，即 可形成振荡。振荡器输出一个三角波和两个矩形波形。IIN 是 VREF端灌入 IIN端的电流，它受 FADJ或DADJ端电位控制。振荡频率的计算公式为 f＝IIN/CF （1） IIN 在 10-400μA 时，MAX038 性能最佳，因 MAX038 输出信号频率范围在 O.1HZ－ 2OMHZ 内，因此 CF 的选择范围可在 20pF－100uF 之间。 ２、2.50V基准电压源 2.50Ｖ基准电压源有三个作用：（1）向振荡频率控制器提供 IIN；（2）给 FADJ端提供电 压，以调节占空比。采用内基准时在Ｖ REF 与 IIN端之间接电阻 RIN（宜选取 12.5KΩ－500Ｋ Ω，将 IIN 控制在 10~400μA 之间）。则式 1变为 f=VREF/(RIN×CF) 若采用外部基准电压，应将外部电压源 VIN 与限流电阻 RIN 相串联，接至 IIN端。并且用 VIN代替式（２）中 VREF。改变VIN 能大幅度调节振荡器３频率调节。 3、频率调节 改变 FADJ端电位。能对频率进行精细调节。例如 VREF＝0V时，标称输出频率为 f‘。当 VREF 以-2.4V变化到 2.4V时，输入频率 f‘＝0.3-1.7f。输出频率计算机公式为 f=(1-0.2915VREF)f （3） 若手动调节频率时，可在 VREF-FADJ端之间接一只可变电位器 RF。因 FADJ端以-250μA 的 恒定电流流入 V-端，所以其阻值应由下式确定 RF= (VREF-VFADJ)/ 250×10 -6 （4） 当不作频率调节时，可在 FADJ端接 12KΩ 电阻接地，达到禁用的目的，而此时频率只能 由 RIN 粗调。 4、占空比的调节 改变DADJ端电位即可控制波形的占空比。当VDADJ＝0V时，D＝50％，VDADJ 在±2.3 之 间变化，就可将占空比控制 10％在 90％之间，即占空比的变化率为-17.4％／V。占空比的计算 公式为 D=（50＋17.4VDADJ）％ （5） （5）手动调节时，需在 VREF到DADJ端之间接可调电阻 RD。因DADJ端有-250μA 的电 10 流流入Ｖ－端，所以 RD 的确定由下式确定 RD= (VREF-VDADJ )/ 250×10 -6 （6） 在调节占空比时应尽量避免输出频率发生变化，因为仅当 D＝15％－85％且 IIN＝25－250μ Ａ时，对 f 的影响最小。 5、正弦波变换器及波形选择开关 振荡器输出的三角波经正弦波变换器变换成等幅，低失真的正弦波。波形选择开关是用来实 现正弦波、三角波及矩形波的相互切换，而波形选择开关是由波形设定端的高、低逻辑电平来控 制，见表 1。三角波还经比较器 2从 SYNC端输出，可作外部振荡器的同步信号。 6、输出级 图为 MAX038 的管脚图能输出幅度为 2Ｖ的各种波形，对GND而言则是－1到 1V。输出阻 抗小于 0.1Ω，可向 50pF 的容性负载提供±20mＡ的电流。当负载电容CL＞50pF，OUT端可通过 50Ω 电阻或缓冲器接负载。 图２.２.２为ＭＡＸ０３８的内部结构 11 ２.３MAX038构成的高频精密波形发生器 1、正弦波发生器 如图 6所示，C1、C2为±5V电源的退耦电容，均采用1μF的陶瓷电容。C4是振荡电容，C3 用来滤除V端的噪声电压，RP为频率调节电位器。由表⑴可知，将AI置于高电平，就可在 OUT 端输出正弦波，图 a所示电路，OUT端就经R2输出占空比为 50%、幅度为 2V的正弦波 (a)为由 MAX038 组成的正弦波发生器 2、高频函数发生器 12 （ b）为 MAX038 构 成的高频函数发生器 如图 b所市，S为双刀三掷开关，R1、R2采用金属膜电阻，RP2、RP3选用精密多圈电位器。 RP1为频率粗调电位器，RP2为频率微调电位器，RP3是占空比调节电位器。通过开关 S的控制， 就可在 OUT端实现输出正弦波、三角波、矩形波的切换. 2.4 小结 MAX038还可以构成的锁相环电路。锁相环是一种可以实现频率跟踪的自动控制电路等应用 中。它的频率范围大，失真小。是信号发生器的主要构成的器件。 第三章 频率合成器ＭＣ１４５１５１和跟随器 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源。尤其是随着通信事 业的发展，频道的分布日趋密集，要求有高精度、高稳定度的通信频率。用常规的信号发生器无 法满足要求。为解决这个难题，人们提出频率合成器的方案。 3.1 频率和成器 3.1.1 频率合成器的原理 频率合成是指对一个高精度高稳定度的标准信号频率，经过一系列算术运算，产生有相同稳定 度和精确度的大量离散频率的技术。虽然只要求对频率进行算术运算，但是由于需要大量有源和 无源器件，使频率合成系统相当复杂，这项技术一直发展缓慢。直至电子技术高度发展的今天， 微处理器和大规模集成电路大量使用，频率合成技术才有迅速发展，并得到广泛应用。 3.1.2 锁相频率合成器 频率合成器有多种方法实现，其中利用锁相环的相位锁定特性，获得与基准频率成一定倍 数的新频率的电路，称为锁相频率合成器。由于锁相环具有良好的窄带滤波特性，输出的波形纯 净，并且在环路锁定后输出频率的温度稳定度和时间稳定度与基准频率相同。这些优点使其成为 当前最主要的频率合成器，尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来，使频率合 成器实现更方便，性能更好。 锁相频率合成器的原理框图如图 1 所示。其基准频率通常由相对频稳度为 10-6的晶体振荡器 产生，经M倍分频后提供适当的基准频率。虚线框中的电路是频率合成器的核心部分--锁相环， 它由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器等组成。系统输出信号的频率为 fo = (N/ M) fi。改变分频比 N或M，可方便地获得大量离散频率的输出信号。 13 图３.１.２锁相频率合成器原理框图 3.1.3缩相环的基本原理 锁相环是一个实现相位自动锁定的控制系统，可分为模拟锁相环和数字锁相环，它们 都包括三个基本的组成部分：鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。它们可 和÷N 电路构成一个闭合的相位反馈控制电路，这里以模拟锁相环例，简要介绍其工作原理。 鉴相器是一个相位比较电路，其核心是一个乘法器，它把输入信号 ui(t)与输出信号 uo(t)的相位进行比较，产生与两信号的相位差对应的误差电压 ud(t)，实现相位－电压的转换。为 了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 方便，设压控振荡器的自由振荡角频率 ωo’为参考频率，则输入信号角频率 ωi和压控振 荡器的实际振荡频率 ωo可分别表示为： ωi =ωo ＇+ dθi(t) / dt (1) ωo = ωo＇+ dθo(t) / dt (2) 式中 θi(t)、θo(t)分别是输入信号和输出信号的瞬时相位。设输入信号 ui(t) = Uicos[ ωo＇t +θi(t)]，输出信号 uo(t) = Uocos[ ωo＇t +θo(t) +Φo]，其中 Φo为输出信号的初始相位，为分析方便 设 Φo = 90°。将 ui(t)和 uo(t)相乘并滤掉高频分量后，误差电压与相位差的关系可表示为： ud(t) = Kdsinθe(t) (3) 式中 Kd为鉴相器的鉴相灵敏度，由鉴相器的增益和输入输出信号的幅度决定 Kd = KmUiUo/ 2 ， θe(t)= θi(t) –θo(t) 为 输 入 信 号 与 输 出 信 号 的 瞬 时 相 位 差 。 由于鉴相特性呈正弦函数,在±90°之间 θe(t)为单值对应关系。而实际上要求 θe(t)的范围小于 ±30°，这时，sinθe(t)≈θe(t)，则鉴相特性近似为线性函数： ud(t) = Kdθe(t) 图３.１.３模拟乘法器作为鉴相器 14 3.1.4环路滤波器 由 MAX427 构成的环路滤波器是一个低通滤波器，其作用是滤除误差电压中的高频分量和 噪声，通常采用有源比例积分滤波器。在运放的开环增益很高时，这种滤波器的性能是非常理想 的。 图３.１.４环路滤波器 ３.2总结 MC145151 是一个标准的 CMOS逻辑数字电路，包括的主要部件为数字鉴相器、锁定检测器、 14位÷N 计数器等，它们可完成频率合成的基本功能。此外，芯片还有晶体振荡器和 14位基准分 频器（÷R 计数器）电路，由一个 3位译码器从八种分频比中选择出恰当的值 , 产生锁相环的基 准频率，即 fr = fi / R 。鉴相器输出的差分信号经过由 MAX427 构成的低通滤波器后，对 MAX038 的压控振荡器进行锁定。 第四章 ＭＡＸ７５４１及跟随器 美国美信公司生产的 MX7541 系列器件是一种 12位并行高速 D/A转换器,此芯片可方便地 应用于精密仪器的输出控制系统中.文中介绍了该芯片的基本参数和主要特性. 关键词:D/A MX7541 ４.１概述 MAX7541 是美国 MAXIM 公司生产的高速高精密 12位数字模拟转换器芯片,由于 MX7541 转换器件的功耗特别低,而且其线性失真可低达 0.012%,因此该 D/A转换器芯片特别适合于精密 度模拟数据的获得和控制.此外,由于 MX7541 器件内部的带有激光制作的精密晶片电阻和温度补 偿电路以及 NMOS开关因而可充分保证MX7541 的所有输入均与 CMOS 和 TTL 电平兼容. ４.２引脚和内部结构 （1）VREF DAC转换器的电压在±25V 之间. 15 （2）RFB反馈电阻接入端,在双极模式时与外置运算放大器相连. （3）OUT1 OUT2 电流输出,I1+I2 为常数. （4）BIT1～BIT12 数字量输出 BIT1 为最高位 （5）VDD 电压输入范围在+1.7-+5v （6）GND 数字地 ４.３ＭＡＸ７５４１的输入与输出 MX7541有两种输出方式，即单极性输出和双极性输出两种方式 16 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Num ber Re visionSize B Da te: 20-Apr-2004 Sheet of File : E:\Exam ples\Circuit Sim ula tion\My Design3.ddbDrawn By : R? 10K R? 10K R? 10K R? 20k R? 20K R? 20K R? 20K R? 20K OUT2 OUT1 BTI1 BTI2 BTI3 BTIN Vref Rfb 10K 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Num ber RevisionSize B Date: 20-Apr-2004 Sheet of File : E:\Exam ples\Circuit Sim ula tion\My Design3.ddbDrawn By : VCC RFD VrefVir OUT1 +15V OUT2 4 15～ BIT1 BIT12 1 2 3 4 8 U?A MAX4225 R? 100K R1POT vout GND 数据 C? 0.01uF 图为单极性输出 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Num ber RevisionSize B Date: 20-Apr-2004 Sheet of File: E:\Exam ples\Circuit Simulation\My Design3.ddbDrawn By : R? 20K VCC RFD VrefVir 数据 OUT1 GND +15V vout OUT2 R1POT 4 15～ BIT1 R? 100K BIT12 1 2 3 4 8 U?A MAX412 C? 0.01uF R? 10K R? 20K 4 5 3 12 2 U?A MAX412 R? 5K 图为双极性输出 4.4跟随器 有 MAX427组成的信号跟随器，其输入阻抗高，输出阻抗小，大大提高了电路的稳定。 第五章 频率计 摘要：本设计是以 89c2051 为核心的单片机设计，在单片机设计中应用单片机的数字运算和控 17 制功能实现了量程的自动切换，满足了时间要求和精度要求。 关键字: 89C2051,频率计,分频, 5.1频率计定义 频率计为一秒时间内信号变化的次数。数字频率计就是在一秒标准时间内测出信号变化的次 数，然后以数字的形式显示出来。 5.2系统的组成 5.2.1方框图和工作原理 频率计是以 89c2051 、信号预处理电路、串行通信电路、测量数据显示电路和系统软件所组成, 其中信号预处理电路包含待测信号预处理（低频滤波、高频补偿、高压衰减）、放大、波形变换、波 形整形和分频电路。系统硬件框图如图 1 所示。信号预处理电路中的放大器实现对待测信号的放 大,降低对待测信号的幅度要求;波形变换和波形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换 成可被单片机接受的 TTL/ CMOS兼容信号; 分频电路用于扩展单片机的频率测量范围。 系统软件包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动转换模块。 图1 　系统硬件框图 5.2.2处理方法 本频率计的设计以 AT89C2051 单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成待测信号频 率的测量。单片机 AT89C2051 内部具有 2 个 16位定时/计数器，定时/计数器的工作可以由编程 来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成为定时器时，每个机器周期加 1（使 用 12MHz 的时钟时，每 1us 加 1），这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计 数器时，在相应的外部引脚发生从 1到 0 的跳变时计数器加 1，这样在计数闸门的控制下可以用 18 来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从 1到 0 的跳变至少 需要 2 个机器周期（24 个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的 1/24（使用 12MHz 的时 钟时，最大计数速率为 500kHz）。定时/计数器的工作由响应的运行控制位 TR 控制，当 TR 置 1，定时/计数器开始计数；当 TR清 0，停止计数。 为提高频率稳定度，本电路采用 24M温度补偿晶振，其最大计数为 1M，本频率计测频范 围为 1Hz到 10M,以 500kHz 为分界，待测信号经放大、变换、整形后，一路直接送AT89C2051 的 P3.5口，一路经 128：1（562 为 64：1，又经 74HC74 二分频）的分频电路后，送 P3.4口,测频 时，首先 T0 为计数器，T1 为定时器，控制闸门时间为 1秒，1S后，将寄存器数值 128倍运算 后，判断值大于 500k时，经变换处理后送显示，小于 500k时，变 T0 为定时，T1 为计数，如 此处理，即能提高测量范围，又提高了测量精度，且巧妙的实现量程的自动切换，闸门时间 1S 采用硬件及软件结合方法实现，计数值用三字节存放，经十六进制到 BCD码的变换后送显示。 5.3 1161 功能介绍 1161 芯片内部包含一个 1.6s 的看门狗电路，当一个软件或硬件的误操作引起系统的暂停时， 1.6s 的看门狗芯片可将系统恢复到默认状态。74HC164 与 74LS145 是译码器，单片机系统将数据 传送到 74HC164 的 A、B 输入端口经过译码，从 Q0~Q7端输出，分别为数码管提供电平，当数 码管管脚为高电平它所对应的显示段，将会显示。单片机经内部程序输出另一组数据传送到 74LS145 的输入端，经译码，将数据转变成二进制数据，从输出端输出，传送给数码管的 COM 端，当传送给数码管的数据为 0时，数码管将不会显示，当为 1时，数码管将根据 74HC164 提 供的高低电平显示数据。此时，二极管 D1将被点亮，当译码器 74HC164 产生溢出后，D1灭， D2被点亮。 1161 为基于微控器的系统提高了完整的存储和监控方案，运用低功耗 CMOSE技术，在片 内集成了带硬件存储写保护的串行 EEPROM（16K），节能型系统电源监控电路和一个看门狗 定时电路。当一个软件或硬件的误操作，一起系统的暂停和挂起时，1.6秒的看门狗电路可将系 统恢复到默认状态，1161 的定时监控 SDA线，这样不需要增加 PC板的跟踪功能。第 2 脚输出 高电平的复位信号，第 7 脚输出低电平的复位信号。 WP 写保护 E2PRON 就实现写保护 只读 将该管脚接地或悬空 可以对器件进行读写操 作串行时钟 串行输入输出资料时 该脚用于输入时钟。 19 SCL：串行时钟，串行输入输出数据时，该脚用于时钟。 REST：复位 I/O口。该脚为开漏输出脚。可用作复位触发输入。 SDA：串行数据地址，用于所以数据得发送和接受。SDA还可以作为看门狗定时器控制器。 VCC：电源 GND：接地 NC：空脚 5.4 小结 数字频率计的精度高，具有自动检测功能，是频率显示的最近仪器，这里用力组成函数 信号发生器的显示部分大大提高了信号发生器的精确度。 第六章直流稳压电源 随着半导休工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线 路简单，使用方便，工作可靠和通用性等优点，因此在各种电子设备中就用十普遍，基本上取 代了由分立元件构成的稳压电路。集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行 选择。对于大多数的电子仪器，设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。而在这 种类型的器件中，又以三端工稳压器应用最为广泛。 W7800，W7900 系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。 W7800 系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有 5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V 七档 次，输出电流最大可达 1.5A。同类型 78M 系列稳压器的输出电流为 0.5A。78L 系列稳压器的输 出电流为 0.1A。若要求负极性输出电压，则可选用 W7900 系列稳压器。 我们这里选用的是如果所示正，负极双电压输出电路，U01为+5V，U02为-5V，所以我们先 用的是 W7805 和 W7905 系列三端稳压器。这时我的 UI为单电压的两倍。 20 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Num ber RevisionSize B Date: 20-Apr-2002 Sheet of File: D:\Program Files\Design Explorer 99 SE\频 1.DDB率前Drawn By : Vin2 GN D 1 -5V 3 U? 7905 Vin1 GN D 3 +5V 2 U? 7805 C? 100uF C? 100uF C? 100uF C? 100uF D? BRIDGE1 C? 0.1uF C? 0.1uF C? 0.33uF C? 0.33uF 直流稳压电源 第七章 放大电路和衰减电路 外围放大电路是由 MAX422 构成的，MAX442 是一个高速双通道，140MHz（带宽）视频 放大的放大器，如图所示。它经过MAX038 输出幅度为 2V 的波形后再经MAX442 放大后输出。 7.1 MAX422的管脚 MAX442，1、3 脚分别为两个同相输入端，是由 8 脚的电平来决定，5 脚为反相输入端，2 脚接地，4 脚、7 脚分别接正电源和负电源。 21 1 2 3 4 5 6 7 8 MAX442 IN0 GND IN1 V- IN- VOUT V+ A0 MAX422 的管脚图 7.2 放大电路 在输出端需要将电路的输出阻抗设计为 50Ω，所以在信号被放大之后需将电路设计成可以 衰减的电路，如图所示，上接MAX442 输出端，这样就可以得到一些幅度比较小得信号源，通 过调节 10K 的电位器就可调节输出幅度。一般不会将幅度调至 0，所以在 10K 电位器下接一个 51 的电阻。 22 C11 0.1μF -5V R6 51Ω R7 51Ω R8 51Ω C12　 0.1μF +5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20REF GND A0 A1 COSC GND GND GND GND DGND SYNCDADJ FADJ Iin PDI PDO OUT V- V+ DV+ MAX038 C2 0.1μF C7 0.1μF C1 82pF R10 50Ω R11 50Ω R5 10K R4 10K R12 3.3K R1 20K R2 20K R3 20K C10 0.1μF R9 50Ω + C4 4.7μF + C6 4.7μF + C8 4.7μF C9 0.1μF C3 0.1μF C5 0.1μF 1 2 3 4 5 6 7 8IN0 IN1 GND V- V+ IN- VOUT A0 REF +5V A0 A1 DADJ FADJ Iin -5V OUT +5V DV+ GND SYNC PDI PDO MAX442 C11 0.1μF -5V R6 51Ω R7 51Ω R8 51Ω C12　 0.1μF +5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20REF GND A0 A1 COSC GND GND GND GND DGN D SYN CDADJ FADJ Iin PDI PDO OUT V- V+ DV+ MAX038 C2 0.1μF C7 0.1μF C1 82pF R10 50Ω R11 50Ω R5 10K R4 10K R12 3.3K R1 20K R2 20K R3 20K C10 0.1μF R9 50Ω + C4 4.7μF + C6 4.7μF + C8 4.7μF C9 0.1μF C3 0.1μF C5 0.1μF 1 2 3 4 5 6 7 8IN0 IN1 GND V- V+ IN- VO UT A0 REF +5V A0 A1 DADJ FADJ Iin -5V OUT +5V DV+ GN D SYN C PDI PDO MAX442 图为外围放大电路 7.3 衰减电路 图所示电路，输出阻抗始终为（240+60.4）//60.4=（2.49K+51）//51=50Ω。将开关 1打在左 边，开关 2 打在左边，输出信号将不会被衰减；当开关 1 打在右边时，衰减倍数为 （240+60.4）/60.4≈5倍；将开关 2打在右边，衰减倍数为（2.49K+51）/51≈50倍。同时将开关 1、2打在右边时，衰减倍数为 5*50=250倍。 NPN 和 PNP型三极管组成功率放大器，二极管 4148 是为了防止交越失真。 PNP 和 NPN型三极管的选型很重要，带宽必须大于输入信号的带宽，带宽越宽，性能越好。 放大管的功率也要求符合电路要求，因电路要求输出频率为 10MHz 的信号，因此，我们选型号 为 BD329型NPN、BD329型 PNP 三极管，带宽为 100M，功率为 15W，这样便符合电路要求。通 常会在功率管上加散热片，以免烧坏功率管。 衰减电路是为了能更好的控制输出信号，将输出信号控制在几毫伏到十几伏之间，更有 效的选择信号。 23 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Num ber RevisionSize B Date: 13-Apr-2002 Sheet of File : C:\Docum ents and Settings\xuy g.SONGJC\ \ \Backup of 8038 .DDB桌面王津 原理路框Drawn By : 51 10K 51 4148 4148 10/2W 10/2W 10K 10K 100 100 240 1/2W 60.4 1/2W 60.4 2.49K 1/2W 51 1/2W 51 PTC 1K 2nF 0.1μF 4007 4007 1 2 3 4J1 J2 +15V -15V 图为衰减电路 7.4 小结 MAX422 所构成的放大电路能让MAX038 的输出幅度变大，衰减电路是为了能更好的控制 输出信号，将输出信号控制在几毫伏到十几伏之间，更有效的选择信号。 24 总 结 经过这段时间的搜集和整理，用 MAX038 构成的高频函数信号基本已经设计完成。这个 设计的最大优点就是采用数字频率合成器，大部分使用数字电路，这样使输出信号更稳定，使 输出信号频率稳定度和晶体振荡器的相当。本设计要求使用单片机进行控制，用键盘设置波形和 频率，并用 LED 显示。输出信号的频率分成两档：高档频率为 25 Khz~16383kHZ,按基准频 率 1KHZ 为单位；低档频率范围为 100HZ~16380KHZ按基准频率 10HZ 为单位设置。另外，电路 产生的信号波形很好，其中正弦波信号失真度仅不 0.75%。对于小型通用信号发生器而言，这是 一个比较理想的设计方案。 致谢 感谢学校在毕业之际给我们一个可能让我们把所有的知识总结起来的机会，通过这次毕业 设计，使我对以前所学的知识有了一个整体上的概括，也让我们具体了解到了每个元件在电路 中的具体作用，了解到了它的功能，结构。 这次设计不仅使我们的理论知识得到了充实也让我们了解到怎么样才能去设计出一个好的 产品出来，怎么样才能让这个产品更完善。然而在这次设计中，我们的指导老师为了我们解答了 很多疑难问题，这对我们在设计中可以向前发展提供了一个前题，如果没有这些指导老师，我 们遇到不懂的就不能及时得到解答，这样我们的设计就无法进行下，所以在这次设计中我们的 指导老师是不个重要的角色。在这我要再次的谢谢您们在这次的毕业设计中给我们带来的帮助， 还有你们的支持。 此致！ 参　考　文　献 25 1[ 1 ]程守洙,江之永主编. 普通物理学(第5 版) [ M ]. 北京: 高等教育出版社,1998. 2[ 2 ]王新贤主编,通用电路速查手册.(2002).山东:科学技术出版社,2003 3[ 3 ]马文蔚改编. 物理学(第3 版) [ M ]. 北京:高等教育出版社,1993. [ 4 ]吴百诗主编. 大学物理(修订本) [ M ]. 西安:西安交通大学出版社,1994. 26