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PLL信号发生器的设计

PLL信号发生器的设计

【摘要】本设计以MAX038及锁相环技术为核心,设计了一个高精度多功能信号发生器。

该信号发生器,能产生1Hz～11.0592MHz的正弦波、方波和三角波信号。

频率的调节方式有两种，连续调节和按步进调节。

由MAX038结合电位器等外围电路即可实现对频率的连续调节。

步进调节部分又分为粗调和细调。

由AT89C52单片机通过D/A转换器对MAX038的控制实现频率的粗调，再结合锁相环模块电路（MC145151）即可实现频率步进的精确调节。

输出频率在不同的波段，频率步进值不同。

在信号输出端接一级运算放大电路来实现对信号输出幅度的调节。

该信号发生器频带宽，精度高,实现了输出信号在频率和幅值上的精确调整,可应用于各种电子测量和控制场合。

目录

引言1

第1章总体方案设计2

1.1方案设计与论证2

第2章硬件设计3

2.1、信号发生模块3

2.1.1、MAX038特性3

2.1.2、电路实现4

2.2单片机模块5

2.2.1芯片介绍5

2.2.2电路实现6

2.3运放模块6

2.3.1反相运算放大器7

2.3.2同相运算放大器7

2.4、D/A转换模块8

2.4.1芯片介绍8

2.4.2、电路实现11

2.5、锁相环模块11

2.5.1芯片介绍11

2.5.2、电路实现12

2.6、滤波模块13

第3章软件设计15

3.1、程序15

3.1.1、流程图15

3.1.2、源程序15

3.2、电路仿真16

第4章、硬件调试17

4.1制版17

4.2、硬件调试18

结束语20

致谢21

附录Ⅰ23

附录II24

附录III24

引言

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]：

（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。

结合锁相环技术，可以大大提高频率的稳定度，

（4）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器：

它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点，成为现代频率合成技术中的妓妓者。

具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号。

可编程和全数字化、控制灵活、方便。

但比较昂贵。

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来设计函数发生器。

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。

本设计基于实际使用中对信号发生器的具体要求，设计了一种以单片机和MAX038为核心的信号发生器。

在单片机控制的方式下进行频率、波形等参数设置和调整。

频率调节方式有两种模式，连续调节和按步进调节。

能输出正弦波、三角波、方波信号，输出频率范围宽（1HZ-11.0592M），通过更换对地电容来更换输出频段。

第1章总体方案设计

1.1方案设计与论证

方案一：

采用MCl45151、MAX038、DAC0832组成的电路如图1-1-1所示。

图1-1-1

MAX038是一个能产生1Hz～20MH2的低失真正弦波、三角波、锯齿波或矩形（脉冲）波的高频波形产生器，它只要少量的外部元件。

所需的输出波形可由在A0和A1输出端设置适当的代码来选择。

MAX038输出频率取决于注入IIN脚电流的大小、COSC脚的电容量（对地）和FADJ脚的电压。

输出的频率F0（MHz）与IIN（μA）成正比、与CF（pF）成反比。

Max038芯片内部提供了一个2.5V的基准电压源，将此引脚与电位器相连，并输入到Max038的IIN脚，改变电阻值既可以实现频率的连续调节。

应用单片机AT89C52产数字信号，接到DA0832的数字输入端。

DAC0832与运放741组合，产生离散可调电压值，将该电压接到一固定的5.1K电阻上，将步进电压转化为步进电流。

将此电流接到MAX038的IIN脚。

将MAX038的同位输出端SYNC与频率合成器145151的压控振荡器的输入端Fin连接，结合相关电路构成锁相环路，将频率锁定。

在输出端的一个宽频带低通滤波器可以以合理的保正让正弦波、方波及三角波通过，而限制由÷N电路产生的高频噪声。

优点：

可控制的频率范围广（从0．1Hz到20MH2），能产生准确的高频三角波、矩形波和脉冲波。

占空比控制容易，频率稳定度优于10-6。

低失真的正弦波（0．75％）。

缺点：

技术要求较高

方案二：

采用CPLD分频的74HC4046的电路采用CPLD分频的74HC4046的电路如图1-1-2所示。

图1-1-2采用CPLD分频的74HC4046的电路

利用晶振与CPLD芯片组成晶体振荡器，提供基准频率；CPLD编辑组成÷N分频电路，利用单片机改变控制其分频比。

利用CPLD编程特性，让其成为一个可编程的12位计数器和D触发器的组合成为可置数的÷N分频电路，让其为74HC4046集成锁相环输入正确的占空比为50％的波形。

优点：

能达到设计要求的中心频率8．2MH2的扫频电路，能产生准确的高频波形。

CPLD和单片机的使用让扫频电路的步进控制、频率的精确产生得以实现。

缺点：

74HC4046芯片在与CPLD组成的反馈控制回路中，如果分频比过高（经计算和实际验证不能大于100），否则将很难入锁，而我们需要至少576分频；而且随着分频比的升高，稳定时间也随之变长，根本不能达到85Hz的扫频频率。

方案三：

采用LPC2138开发板产生，LPC2138利用AD输出口程控可产生正弦波、方波、三角波,通过程序可实现频率变换。

优点：

可以直接通过程序控制频率，不许要复杂的外围电路。

缺点：

不能满足本函数信号发生器对频率范围的要求,而且在实现步进调制时,波形很容易失真。

根据上述三种方案的特点及设计要求,决定采取方案三来进行设计。

MAX038的整体性能比较好且外围电路更加简洁,性能稳定可靠、频率能达到设计任务、可调性好。

第2章硬件设计

2.1、信号发生模块

2.1.1、MAX038特性

　MAX038性能特点和工作原理[7][8]

（1）输出频率范围:

0.1～20MHz,最高可达40MHz;

（2）可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波及脉冲波;

（3）输出频率和占空比（15%～85%）独立可调;（4）低输出阻抗的输出缓冲器;

（5）备有TTL兼容的独立同步信号SNYC（方波输出,占空比固定为50%）,方便组建频率合成器系统;

（6）低温度漂移。

MAX038CPP采用20引脚DIP封装,MAX038CWP采用20引脚贴片SO封装。

引脚定义见图1-1-3各引脚功能简述如

REF:

芯片内部2.5V参考电压输出;

GND:

模拟地;

A0,A1:

输出波形选择,TTL/CMOS兼容;

COSC:

内部振荡器外接电容;

DADJ,FADJ:

输出频率、占空比调节;

IIN:

振荡频率控制器电流输入;

PDI,PDO:

内部鉴相器输入输出;

SYNC:

同步信号输出,允许内部振荡器与外信号同步;

DGND,DV+:

内部数字电路电源;

V+,V-:

MAX038供电电源端（+5V,-5V）;

OUT:

波形输出。

图2-1-1MAX038引脚定义

芯片内部的振荡器、比较器和波形变换电路产生正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波,通过选择控制端A0,A1的电平选择一种波形（A0,A1的控制电平与输出波形的关系见表2-1）经内部缓冲器缓冲后输出。

波形的振荡频率、占空比等可以由芯片外部参数控制。

同时,芯片内部还提供了一个2.5V的基准电压源和一个鉴相器。

基准电压源使得外部只需一个可变电阻即可改变内部振荡器的参数;输出的占空比可以由DADJ端口调整,如果DADJ端接地,则输出占空比为50%。

表2-1-1A0,A1的电平与输出波形的关系

A0

A1

输出波形

任意

高电平

正弦波

低电平

低电平

方波

高电平

低电平

三角波

MAX038输出频率取决于注入IIN脚电流的大小、COSC脚的电容量（对地）和FADJ脚的电压。

当VFADJ=0V时,输出的基波频率:

F0（MHz）=IIN（μA）÷CF（pF）式2-1-1

周期（t0）则为:

t0（μs）=CF（pF）÷IIN（μA）。

式2-1-2

式中,IIN为注入IIN脚的电流（2μA～750μA）,CF为COSC脚和地所接的电容值（20pF～100μF）。

IIN和CF的变化对输出频率影响较大,用于粗调;而VFADJ用于精调,当他在允许的-2.4～2.4V范围之间变化时最多只能使输出频率变化±70%。

2.1.2、电路实现

图2-1-2

（1）、波形切换

由表2-1-1可以知，改变A0、A1两引脚的值即可轻易改变输出波形的种类。

本设计中此二引脚值有由单片机中P1.3及P1.4两引脚控制。

程序实现如下：

unsignedcharcodeqiehuan[]={0x00,0x08,0x10};

结合按钮，不断循环调用数表，即可轻易改变输出波形。

（2）连续可调

Max038芯片内部还提供了一个2.5V的基准电压源（1脚），基准电压源使得外部只需一个可变电阻即可改变内部振荡器的参数。

将其与MAX038的IIN相连，既可实现频率的连续可调。

（接在REF脚和IIN脚之间的电阻,可提供一种产生IIN的简便方法,IIN=REF/RIN）。

F0（MHz）=VIN÷[RIN×CF（pF）]式（2-1-3）

R为REF与IIN间的电阻，R的变化范围大时，频率变化范围也大。

（3）步进可调

当COSC的对地电容固定时，当IIN按固定步进变化时，F0也将以固定步进变化。

因为频率范围很宽，因此不可能一直使用唯一的步进值。

本设计中采用更换COSC的对地电容的方法[9]，更换频率步进，具体如表2-1-2所示

表2-1-2

频率波段（K）

步进（K）

电容值（pF）

电容选择

0～178.2

1.35

4300

332+102

0～1425.6

10.8

530

500+33

0～2112

16

360

331+30

0～11404.8

86.4

66

33+33

（4）占空比

Max038芯片输出的占空比可以由DADJ调整,如果DADJ端接地,则输出占空比为50%。

本设计中使DADJ接地，即占空比为50%，因此使得输出的矩形波为标准的方波。

（5）稳定性问题

欲使MAX038长时间地在正常温度范围内产生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、电容的温度特性要好;

（2）外部电源应稳定;（3）应选用高精度的金属膜电阻,精度为1%或更高;（4）必须选用温度系数低的NPO陶瓷电容器。

2.2单片机模块

（实验室常见的单片机芯片有AT89C51,AT89C52两种，相比较而言AT89C52的响应速速更快，因此本设计中选用AT89C52。

）

图2-2-1，AT89C52引脚图

2.2.1芯片介绍

（1）、P0、P1、P2、P3口均为双向I/O口。

作为输出口，P0需要外部上拉电阻。

其他端口则不需要。

部分引脚含有第二功能[12]，如表2-2-1所示。

表2-2-1

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

RST:

复位输入。

晶振在工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN:

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

2.2.2电路实现

单片机的复位是靠外电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。

为了保证应用系统可靠地复位，通常是RST引脚保持10ms以上的高电平。

本系统具有上电复位功能。

电路连接如图3-6所示。

此电路仅用一个电容及一个电阻。

系统上电时，在RC电路充电过程中，由于电容两端电压不能跳变，故使RESET端电平呈高电位，系统复位。

经过一段时间，电容充电，使RESET端呈低电位，复位结束[3]。

图2-2-2

单片机的主要功能是提供DAC0832及MC145151的数字信号。

主要功能由按键实现，如图2-2-2所示。

程序实现如：

if（key1==0）；

通过类似的语句，不断进行键盘扫描，执行相应的子程序。

当按键一按下时，P2端口输出的数字信号加1，当按键2按下时，P2端口输出的数字信号加1，借助发光二极管也发生相应的变化。

当按键3按下时，切换输出的波形，当按键4按下时，切换输出的波段，当按键5、。

按下时，P2端口输出的数字信号被复位。

该模块的实现主要是靠程序。

仿真时应注意，端口输出是否需要加上拉电阻才可以使用，根据AT89C52的芯片介绍中可只，I/O端口中出了P0端口，其余I/O端口均有内部上拉电阻，但未免过于理想化，在接按钮时候，还是应该接上10K的上拉电阻，以防万一。

2.3运放模块

图2-3-1

C741、LF357及OP27的引脚排列如图2-3-1所示，不同的是，他们的电源电压不同，741及357均为±12V,OP27为±5v,741及适合与DAC0832搭配使用，OP27的精度较高，LF357的频带范围宽。

因此它们各自适用于不同的场合。

2.3.1反相运算放大器

图2-3-2

图2-3-2是反相放大器的原理图，下面分析输入电压与输出电压的关系。

根据输入端口电流为零的特性得：

i1=if（2-3-1）

又根据输入端口电压为零的特性得

=

=

（2-3-2）

由式（2-3-1）和式（2-3-2得输入、输出电压关系为

u0=-Rf/Ri*ui（2-3-3）

由式（2-3-3）可见，输出电压与输入电压成正比，极性相反，因此称为反相放大器。

反相放大器的增益只与外接电阻有关，因此可以实现高精度和高稳定性的增益值[10]。

2.3.2同相运算放大器

图2-3-3

如果输入电压加在运放的同相输入端，而在反相输入端引入负反馈，就构成了同相放大器。

如图图2-3-3所示。

根据理想的运放输入电压为零的特性并应用KVL得

，

（2-3-4）

再根据理想运放输入电流为零的特性得

if=i1（2-3-5）

由式（2-3-4）及式（2-3-5）得同相放大器输出电压与输入电压的关系

（2-3-6）

同相放大器是增益大于1的电压控制电压源，输出电压与输入电压极性相同。

如果RF=0，及R1=∞，则（2-3-6）电路变成：

U0=Ui（2-3-7）

即二者相等，故称为电压跟随器[10]。

MAX038的输出信号为恒定的2Vp-p,且输出电流不大,故输出至少要加一级放大电路,以提供足够的输出电压和电流。

输出放大电路是本信号发生器研制中难点之一。

因为系统输出信号的最大基频为11.0592MHz,波形输出电路高次谐波成分很高,所以要得到不失真的输出波形,要求放大器不但具有很高的频宽,还要有足够的输出电压转换速率。

所以采用一片LF357来进行电压放大（同相）[6],电路如2-3-4所示。

图2-3-4

2.4、D/A转换模块

2.4.1芯片介绍

（1）、DAC0832内部结构及引脚功能[11]

DAC0832的内部结构图集引脚图如图2-4-1所示，DAC0832由三大部分组成：

一个8位输入寄存器，一个8位DAC寄存器和一个8位D／A转换器组成。

图2-4-1DAC0832内部结构及引脚功能图

、8位输入寄存器。

它由8个D锁存器组成，用来作为输人数据的缓冲寄存器，它的8个数据输入可以直接和单片机的数据总路线相连。

LE1为其控制输入：

LE1=1时，D触发器接收信号；LE1=0时，为锁存状态。

、8位DAC寄存器。

它也由8个D锁存器组成。

8位输入数据只有经过DAC寄存器才能送到D／A转换器去转换。

它的控制端为LE2，当LE2＝1时输出跟随输入，而当LE2=0时为锁存状态。

DAC寄存器输出直接送到8位D／A转换器进行数模转换。

、8位D／A转换器。

8位D／A转换器是采用T型网络的D／A转换器。

它的输出是与数字量成正比例的电流，VREF为参考电压输入，Rfb为运算放大器的反馈电阻，引脚Rfb则是这个反馈电阻的一端，使用时接到运算放大器的输出端。

控制逻辑部分。

控制逻辑部分共有五个倍号来控制D／A转换器的工作：

D10～D17：

数字信号输入端，D17—MSBD10—LSB

ILE:

输入寄存器允许，高电平有效

:

片选信号，低电平有校，与ILE信号合起来共同控制

是否起作用。

：

写信号1，低电平有校，用来将数据总数的数据输入锁存于8位输入寄存器中，

有校时，必须使

和ILE同时有效。

：

写信号2，低电平有校，用来将锁存于8位输入寄存器中的数字传送到8位D/A寄存器锁存起来，此时

应有校。

:

传送控制信号，低电平有效，用来控制

是否起作用。

Iout1：

D/A输出电流1，当输入数字量全为1时，电流最大。

Iout2：

D/A输出电流2。

Rfb：

反馈电阻。

DAC0832为电流输出芯片，可外接运算放大器，将电流输出转换成电压输出，电阻Rfb是集成在内的运算放大器的反馈电阻，并将其一端引出片外，为在片外连接的运算放大器提供方便。

Vref:

基准电压，通过它将外加精度度的电压源接至T型电压网络，电压范围（-10V～+10V）,也可以直接向其他D/A转换器的电压输出端。

Vcc:

电源，电压范围（+5V～+15V）。

AGND:

模拟地。

DGND:

数字地。

（2）DAC0832的单极性和双极性输出

DAC0832是电流输出型数模转换器，需要电压输出时，可以简单地使用一个运算放大器连接成单极性，相应输出电路如图2-4-2（a）所示，若VBEF＝-5V，则电路的输出U0为0～5V。

当采用两个运算放大器可以连接成双极性输出，相应电路如图2-4-2（b）所示，若VBEF＝5V，电路的输出U0为-5～+5V。

图2-4-2（a）单极性输出；（b）双极性输出

（3）、DAC0832的工作方式

DAC0832转换器可以有三种工作方式，即直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

直通方式：

这时两个8位数据寄存器都处于数据接收状态，即了LE1和LE2都为1。

因此，ILE＝1，而

、

、

、

都为0，输入数据直接送到内部D／A转换器去转换。

这种方式可用于一些不带单片机或微机的控制系统中。

单缓冲方式：

这时两个8位数据寄存器中有一个处于直通方式（数据接收状态），而另一个则受单片机送来的控制信号控制。

双缓冲方式：

这时两个8位数据寄存器都不处于直通方式，单片机或其他微机必须送两次写信号才能完成一次D／A转换。

DAC0832时序图如图2-4-3所示。

图2-4-3DAC0832时序图

2.4.2、电路实现

图2-4-4

本设计中，采用单极性直通模式，因此ILE＝1，而

、

、

、

都为0。

运放选用741。

D1、D2是起输入保护作用的。

输入保护是指当输入端所加的电压过高时会损坏输入级的晶体管。

在输入端处接入两个反向并联的二极管，将输入电压限制在二极管的正向压降以下。

该模块是实现频率步进可调的关键之一，实现频率的粗调。

当AT89C52的P2端口输出的数字子信号加到DAC0832上时，741输出端口输出一固定电流，当数字信号变换时，输出电流也跟着变化，数字信号变化与数字信号变化成线性关系时，既可达到步进调频的目的。

2.5、锁相环模块

2.5.1芯片介绍

（1）、MC145151引脚介绍[8]

MCl4515是具有双模分频比、预置定频值的锁相环频率合成器集成电路。

适用于高频通信设备作频率合成器用。

它们的引脚功能见表2-5-1所列。

表2-5-1

引脚

符号

功能

引脚

符号

功能

1

Fin

压控振荡器高频信号输入端

16

N5

见11～15中的说明

2

Vss

接地线

17

N6

3

Vpo

电源电压输入端口（3～9）

18

N7

4

VpI

锁相检测状态信号输出端

19

N8

5

RA0

此三脚为一组3位二进制代码，用以决定基准频率的分频数

20

N9

6

RA1

21

T/R

发送接收偏离附加数值，当此脚为低电平时，将有一个附加数值856被加至N二进制数中