通信基本电路课程设计-高频信号发生器的设计.doc
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1、河河河南南南理理理工工工大大大学学学 通通信信基基本本电电路路课课程程设设计计 高高频频信信号号发发生生器器的的设设计计 姓 名: 学 号: 0401030710 专业班级: 电信 04-7 班 指导老师: 所在学院: 电气工程与自动化学院 2007-12-30 河南理工大学课程设计 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.2 1 1 系系统统设设计计 2 1.1 系统原理 2 1.2 硬件设计 4 1.3 软件设计 4 1.4 PCB 制作 及系统测试结果 .8 1.5 MAX038 的基本性能 8 1.6 MAX038 的典型应用 8 1.7 MAX038 锁相技
2、术 10 1.8 MAX038 高额印刷电路板设计 .11 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11 3 3 结结束束语语 .13 4 4 总总结结和和体体会会 13 参参考考文文献献: .14 河南理工大学课程设计 2 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 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
3、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
4、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
5、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,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
6、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)。 河南理工大学课程设计 3 1 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
7、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
8、 1.2所示。 河南理工大学课程设计 4 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
9、.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
10、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
11、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, 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MC145151的 Fin端,分频后与 比较检出相位,与相位差有关的
12、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 河南理工大学课程设计 5 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定在 D13DO所
13、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。 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
14、图 4。 河南理工大学课程设计 6 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 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 CLK W AIT_ I: JB DAT,WAIT1 等待 DAT变为低电平 CLR CLK 再输出一 CLK脉冲
15、SETB CLK W AIT_ 2: JNB DAT,WAIT2 等待 DAT恢复高电平 (输入状态 ) MOV COUNT#8 AGAIN: MOV C。DATA OUT 输出 BIT7 MOV DAT,C CLR CLK 输出一 CLK脉冲 SETB CLK MOV A ,DATA OUT RL A 河南理工大学课程设计 7 MOV DATA OUT,A DATA OUT左移1位 NOP 短暂延时 NOP NOP DJNZ COUNT,AGAIN SETB DAT 恢复 DAT为高电平 RET b)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
16、写入时一直发送到收到BC7281 A响应信号; 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, BC7281 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: SEND IN: CLR CLK 发出一 CLK脉冲 SETB CLK W 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 CLK MOV COUNT#8 AGAIN: NOP 短暂延时 NOP NOP MOV A,DATA IN MOV C,DAT 读入一位 R
17、LC A MOV DATA_ IN,A CLR CLK 发出 CLK脉冲 河南理工大学课程设计 8 SETB CLK DJNZ COUNT,AGAIN RET 1.4 PCB制作 及系统测试结果 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
18、相连。高频电路布线还必须避免 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,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 M
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