MAX038在精密频率合成波形发生器中的应用
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针对现有的中低价商品波形发生器普遍存在功能单 一 、输出频率不稳不准 、调节困难 、可靠性较低等不足 ,本 文在侧重考虑输出质量的前提下设计了一套改进方案 :使 用专用芯片 MAX038 作为波形信号产生器件 、利用锁相 环频率合成(以下简称频率合成) 技术输出频率稳定而精 确的信号 、利用 D/ A 变换技术实现输出信号的自动频率 范围选择(即在设计范围内 ,输出频率连续可变 ,无需选择 频率范围) ,以较低的成本很好地弥补了这些不足 。
表 1 A0 , 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
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. 5 V 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 ;鉴相器使得内部振荡器可以被 外部信号同步 ,从而很容易使芯片构成频率合成器环路中 的压控振荡器 。
图 4 AD7541 引脚定义
AD7541A 与由 MAX412 及其外围器件一起构成电 压 - 电流转换电 路[4] , 产 生 2 ～ 750 μA 的 IIN 电 流 , 对 MAX038 的输出频率进行粗调 ,并可以实现输出频率范围 自动切换 。
Keywords :waveform generator ;MA X038 ; PLL f requency synt hesize ; p rogramme co nt rol ;DAC
波形发生器(或称信号发生器) 作为一种基本仪器 ,广 泛应用于各种领域 , 提供参数 ( 波形种类 、幅度 、频率 、相 位 、占空比等) 可变的高质量输出信号以满足测试需要 。
图 2 MA X038 引脚定义
REF :芯片内部 2 . 5 V 参考电压输出 ; GND :模拟地 ; A0 ,A1 :输出波形选择 , T TL/ 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 ; S YNC : 同 步 信 号 输 出 , 允 许 内 部 振 荡 器 与 外 信 号 同步 ; D GND ,DV + :内部数字电路电源 ; V + ,V - : MAX038 供电电源端 ( + 5 V , - 5 V) ; OU T :波形输出 。 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 1) ,经内部缓冲器缓冲后输出 。
《现代电子技术》2007 年第 1 期总第 240 期
(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 T TL 兼容的独立同步信号 SN YC ( 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 2 ,各引脚功能 简述如下 :
2 硬件主要芯片原理介绍 2. 1 MA X038 性能特点和工作原理[3]
(1 ) 输 出 频 率 范 围 : 0 . 1 ～ 20 M Hz , 最 高 可 达 40 M Hz ;
(2) 可产生正弦波 、方波 、三角波 、锯齿波及脉冲波 ;
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
HU Yu
( Guilin University of Elect ronic Technology , Guilin ,541004 ,China)
Abstract :A waveform generator is one of t he inst rument s mo st in use in elect ro nic design ,teaching and scientific research. If a low co st waveform generating circuit p rovides excellent stabilizatio n and p recisio n ,it will be o bvio usly wide used in t he as2 pect s above. In t hese designs ,choo sing an IC chip MA X038 ,a set of special cont rol software and so me particular hardware en2 viro nment can p roduce a low co st ,multif unction ,p recisio n f requency synt hesized wavefo rm generato r which will p rovide a f re2 quency outp ut adjusted continuo usly. Acco rding to t he f unctio ns and st ruct ure feat hers of MA X038 ,additio nal co nt rol soft2 ware ,DAC circuit and digital auto f requency range switch circuit are designed to avoid t ro ubleso me manual switches and im2 p recise outp ut f requency of mo st ot her generators. This p rovides a kind of reference design for low and middle f requency wave2 form generators.
通信设备
胡 煜 :MA X038 在精密频率合成波形发生器中的应用
MAX038 在精密频率合成波形发生器中的应用
胡 煜
(桂林电子科技大学 广西 桂林 541004)
摘 要 :波形发生器是电子设计以及教学 、科研中应用最广泛的仪器之一 。如果能用相对简单的实现方式和较少的成 本产生具有优秀稳定度和精确度的常用波形 ,无疑将在这些领域中得到广泛的应用 。在设计中应用芯片 MAX038 ,辅以控 制软件和特别的外围电路设计 ,就能实现一个低成本 、多功能 、高精度 、输出频率连续可调的频率合成式波形发生器 。根据 MAX038 的功能和结构特点 ,设计了控制程序和外围数模转换电路实现自动频率范围切换 ,避免了一般波形发生器需要手 动切换频率范围且输出频率不够精确等弊病 ,对中低频波形发生器的设计有一定参考价值 。
通信与信息技术
芯片输出的占空比可以由 DADJ 端调整 ,如果 DADJ 端接地 ,则输出占空比为 50 %。
芯片输出频率 f o 由 COSC 端对地的振荡电容 CF 容 量 、FADJ 端的控制电压值 V FADJ 以及 IIN 端的输入电流 I IN 决定 :
当 V FADJ = 0 V 时 , f 0 ( M Hz) = I IN (μA) / CF (p F) 当 CF 和 I IN 固定时 , f o = f 0 (1 - 0 . 291 5 V FADJ ) 芯片内振荡器的输出频率分粗调和精调两级控制 。 I IN 和 CF 的变化对输出频率影响较大 ,用于粗调 ; 而 V FADJ 用于精调 ,当他在允许的 - 2. 4～2 . 4 V 范围之间变化时 , 最多只能使输出频率变化 ±70 %。 本电路设计中 , CF 被固定取 30 p F 。粗调参数 IIN 交 给单片机程序控制的 12 位 DAC 芯片 AD7541A 处理 ; 精 调参数 V FADJ 则交给频率合成器 MC145151 经由 MAX427 构成的有源环路滤波器产生 ,环路锁定时 ,输出频率 f o = N f r 。这种方案的优点是波形发生器可以自动切换输出 频率范围 ,从设计的最低频率到最高频率都可以连续输 出 ,并且工作更可靠 ,输出频率的锁定也更迅速 。 2. 2 MC145151 基本工作原理 MC145151 是本设计中频率合成器部分的核心 。他 包含图 1 中的鉴相器 PD 和程序分频器 ÷N 。本设计中的 参考频率 f r = 1 k Hz 由 MC145151 对 8 . 192 M Hz 晶体振 荡器频率 8192 分频得到 。同时 ,MC145151 提供一个分频 范围为 3～16 383 (受单片机程序控制) 的 14 b 程序分频器 和鉴相器 PD 。MC145151 和外围环路滤波器 L F 以及由 MAX038 构成的压控振荡器 VCO 构成一个完整的频率合 成器 ,保证了输出频率的稳定和精确 。 MC145151 的 28 脚还提供了一个锁定指示端 LD ,通 过外接 L ED 可以直观地看出环路是否锁定 ,是否出现故 障而导致失锁 ,如图 3 所示 。
4 096种电平组合 (受单片机程序控制) 从 OU T1 ,OU T2 输 出和 VREF 相关的 4 096 种电压 。
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通信设备
胡 煜 :MA X038 在精密频率合成波形发生器中的应用
要分别供电 ,防止数模干扰 。PCB 板焊接面上要用大面积 低阻抗地层将模拟地和数字地分别连接 ,再在一点上使用 磁珠电感将两地相连 。
表 1 A0 , 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
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. 5 V 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 ;鉴相器使得内部振荡器可以被 外部信号同步 ,从而很容易使芯片构成频率合成器环路中 的压控振荡器 。
图 4 AD7541 引脚定义
AD7541A 与由 MAX412 及其外围器件一起构成电 压 - 电流转换电 路[4] , 产 生 2 ～ 750 μA 的 IIN 电 流 , 对 MAX038 的输出频率进行粗调 ,并可以实现输出频率范围 自动切换 。
Keywords :waveform generator ;MA X038 ; PLL f requency synt hesize ; p rogramme co nt rol ;DAC
波形发生器(或称信号发生器) 作为一种基本仪器 ,广 泛应用于各种领域 , 提供参数 ( 波形种类 、幅度 、频率 、相 位 、占空比等) 可变的高质量输出信号以满足测试需要 。
图 2 MA X038 引脚定义
REF :芯片内部 2 . 5 V 参考电压输出 ; GND :模拟地 ; A0 ,A1 :输出波形选择 , T TL/ 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 ; S YNC : 同 步 信 号 输 出 , 允 许 内 部 振 荡 器 与 外 信 号 同步 ; D GND ,DV + :内部数字电路电源 ; V + ,V - : MAX038 供电电源端 ( + 5 V , - 5 V) ; OU T :波形输出 。 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 1) ,经内部缓冲器缓冲后输出 。
《现代电子技术》2007 年第 1 期总第 240 期
(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 T TL 兼容的独立同步信号 SN YC ( 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 2 ,各引脚功能 简述如下 :
2 硬件主要芯片原理介绍 2. 1 MA X038 性能特点和工作原理[3]
(1 ) 输 出 频 率 范 围 : 0 . 1 ～ 20 M Hz , 最 高 可 达 40 M Hz ;
(2) 可产生正弦波 、方波 、三角波 、锯齿波及脉冲波 ;
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
HU Yu
( Guilin University of Elect ronic Technology , Guilin ,541004 ,China)
Abstract :A waveform generator is one of t he inst rument s mo st in use in elect ro nic design ,teaching and scientific research. If a low co st waveform generating circuit p rovides excellent stabilizatio n and p recisio n ,it will be o bvio usly wide used in t he as2 pect s above. In t hese designs ,choo sing an IC chip MA X038 ,a set of special cont rol software and so me particular hardware en2 viro nment can p roduce a low co st ,multif unction ,p recisio n f requency synt hesized wavefo rm generato r which will p rovide a f re2 quency outp ut adjusted continuo usly. Acco rding to t he f unctio ns and st ruct ure feat hers of MA X038 ,additio nal co nt rol soft2 ware ,DAC circuit and digital auto f requency range switch circuit are designed to avoid t ro ubleso me manual switches and im2 p recise outp ut f requency of mo st ot her generators. This p rovides a kind of reference design for low and middle f requency wave2 form generators.
通信设备
胡 煜 :MA X038 在精密频率合成波形发生器中的应用
MAX038 在精密频率合成波形发生器中的应用
胡 煜
(桂林电子科技大学 广西 桂林 541004)
摘 要 :波形发生器是电子设计以及教学 、科研中应用最广泛的仪器之一 。如果能用相对简单的实现方式和较少的成 本产生具有优秀稳定度和精确度的常用波形 ,无疑将在这些领域中得到广泛的应用 。在设计中应用芯片 MAX038 ,辅以控 制软件和特别的外围电路设计 ,就能实现一个低成本 、多功能 、高精度 、输出频率连续可调的频率合成式波形发生器 。根据 MAX038 的功能和结构特点 ,设计了控制程序和外围数模转换电路实现自动频率范围切换 ,避免了一般波形发生器需要手 动切换频率范围且输出频率不够精确等弊病 ,对中低频波形发生器的设计有一定参考价值 。
通信与信息技术
芯片输出的占空比可以由 DADJ 端调整 ,如果 DADJ 端接地 ,则输出占空比为 50 %。
芯片输出频率 f o 由 COSC 端对地的振荡电容 CF 容 量 、FADJ 端的控制电压值 V FADJ 以及 IIN 端的输入电流 I IN 决定 :
当 V FADJ = 0 V 时 , f 0 ( M Hz) = I IN (μA) / CF (p F) 当 CF 和 I IN 固定时 , f o = f 0 (1 - 0 . 291 5 V FADJ ) 芯片内振荡器的输出频率分粗调和精调两级控制 。 I IN 和 CF 的变化对输出频率影响较大 ,用于粗调 ; 而 V FADJ 用于精调 ,当他在允许的 - 2. 4～2 . 4 V 范围之间变化时 , 最多只能使输出频率变化 ±70 %。 本电路设计中 , CF 被固定取 30 p F 。粗调参数 IIN 交 给单片机程序控制的 12 位 DAC 芯片 AD7541A 处理 ; 精 调参数 V FADJ 则交给频率合成器 MC145151 经由 MAX427 构成的有源环路滤波器产生 ,环路锁定时 ,输出频率 f o = N f r 。这种方案的优点是波形发生器可以自动切换输出 频率范围 ,从设计的最低频率到最高频率都可以连续输 出 ,并且工作更可靠 ,输出频率的锁定也更迅速 。 2. 2 MC145151 基本工作原理 MC145151 是本设计中频率合成器部分的核心 。他 包含图 1 中的鉴相器 PD 和程序分频器 ÷N 。本设计中的 参考频率 f r = 1 k Hz 由 MC145151 对 8 . 192 M Hz 晶体振 荡器频率 8192 分频得到 。同时 ,MC145151 提供一个分频 范围为 3～16 383 (受单片机程序控制) 的 14 b 程序分频器 和鉴相器 PD 。MC145151 和外围环路滤波器 L F 以及由 MAX038 构成的压控振荡器 VCO 构成一个完整的频率合 成器 ,保证了输出频率的稳定和精确 。 MC145151 的 28 脚还提供了一个锁定指示端 LD ,通 过外接 L ED 可以直观地看出环路是否锁定 ,是否出现故 障而导致失锁 ,如图 3 所示 。
4 096种电平组合 (受单片机程序控制) 从 OU T1 ,OU T2 输 出和 VREF 相关的 4 096 种电压 。
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
通信设备
胡 煜 :MA X038 在精密频率合成波形发生器中的应用
要分别供电 ,防止数模干扰 。PCB 板焊接面上要用大面积 低阻抗地层将模拟地和数字地分别连接 ,再在一点上使用 磁珠电感将两地相连 。
