译文中文

高频信号发生器

作者：Micheal Duffy.

译者：信息工程系06级电子信息工程本科一班 魏辉

指导老师：余建坤

1 概述

MAX038是一种只需极少外围电路就能实现高频、高精度输出三角波、锯齿波、正弦波、方波和脉冲波的精密高频函数发生器芯片。内部提供的2.5V基准电压和一十外接电阻和电容可以控制输出频率范围在0.1Hz到20MHz。占空比可在较大的范围内由一个±2.3V的线性信号控制变化，便于进行脉冲宽度调制和产生锯齿波。频率调整和频率扫描可以用同样的方式实现。占空比和频率控制是独立的。

通过设置2个TTL逻辑地址引脚合适的逻辑电平，能设定正弦波，方波或三角波的输出。所有波形的输出都是峰一峰值为±2VP-P的信号。低阻抗输出能力可以达到士20mA。

TTL逻辑地址引脚SYNC从内部振荡器输出占空比固定为50%的信号，不受其它波占空比的影响，从而同步系统中其它振荡器。内部振荡器允许被连接着相位检波器输入端(PDI)的外部TTL时钟同步。

2 应用

精密函数信号发生器 压控振荡器 频率调制器 脉宽调制器 锁相环 频率合成器

FSK发生器（正弦波和方波）

3 性能

频率调节范围：0.1Hz到20MHz

三角波，锯齿波， 正弦波，方波和脉冲波 频率和占空比独立可调

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频率扫描范围： 350：1 可控占空比：15%到35% 低阻抗输出缓冲器：0.10欧 低失真正弦波：0.75% 低温度漂移：2OOppmrC

4 型号信息

型号 MAX038CPP MAX038CWP MAX038C／D MAX038EPP MAX038EWP 工作温度 0度 — +7度 0度 — +7度 0度 — +7度 -40度—+85度 -40度—+85度 引脚一封装 20plastic口 20SO Dice* 20plastic口 20SO 5 引脚图

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图1. 内部结构及其基本工作电路

6 详细说明

MAX038是一种高频函数信号发生器，它可以使用最少的外部元件而产生低失真正弦波，三角波，锯齿波，方波（脉冲波）。它的频率输出范围为0.1Hz到2OMHz或更高。输出波形的频率和占空比可以通过调节电流，电压或电阻来独立控制。通过设置AO和Al输入端适当的电平，用逻辑控制的方法来选择所需的输出波形。一个SYNC输出和一个相位检波器被用来简化跟踪一个外部的信号源所需的设计。

MAX038采用±5v双电源供电，电压允许变化±5%。基本的振荡器是一个交变地以恒流向电容充电和放电的张弛振荡器，可同时产生三角波和方波（图1）。充放电的电流是由流入IIN端的电流来控制的，并由加到FADJ和DADJ上的电压调制。流入IIN端的电流可由2uA变化到750uA，对任一cF值可产生大于两个数量级(1OO倍)的频率变化。在FADJ引脚上加±2.4V可改变±70%的标称频率（与VFADJ=0V时比较）。此方法可用于频率精确地控制。

占空比（输出波形为正时所占时间的百分比）可由加到DADJ引脚上±2.3V之间的电压来控制，其变化从10%变化到90%。这个电压改变了cF充、放电电流的比值，而

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维持频率近似不变。

REF引脚的2.5V基准电压可以用固定电阻简单地连接到IIN，FADJ，或DADJ引脚，也可用电位器从这些输入端接到REF端进行调整。FADJ和DADJ接地可以产生具有50%占空比的标称频率的信号。

输出频率反比于电容器cF，选择cF的值可以产生高于20MHz的频率。 一个正弦波形成电路把振荡器的三角波转变成具有等幅的低失真的正弦波。三角波正弦波和矩形波输入一个多路器。两根地址线从这3路波形中选用一个。不管是什么波形或频率，输出放大器都产生一个等幅的峰-峰值为2VP-P(±iv)的信号。

三角波被送到一个产生高速矩形波(SYNC)的比较器去，它可以用来同步其它的振荡器。SYNC电路具有单独的电源引线因而可以被禁止。

由基本振荡器产生的另两个90度相移的矩形波送到一个“异或”相位检波器的一边。相位检波器的输入端(PDI)可接到一个外部的振荡器。相位检波器的输出端(PDO)是一个可以直接连接到FADJ输入端的电流源，用一个外部的振荡器来同步MAX038。 6.1 波形选择

MAX038可以产生正弦波、矩形波或三角波形，TTL/CHOS逻辑地址引脚(AO和Al)用来设置波形。 A0 X 0 1 A1 1 0 0 输出波形 正弦波 方波 三角波 X=任意值

波形切换可以在任意时候进行，而不管输出信号的相位。切换时间小于0.3us．但是输出波形可能有延续0.5ps的过渡状态. 6.2 波形同步 (1) 输出频率

输出信号的频率由注入引脚IIN的电流Iin大小，COSC引脚屏蔽接的电容Cf大小以及引脚FADJ上的电压Vfadj决定的。

当VFADJ= OV时，基本输出频率F0由下式给出

Fo(MHz) =Iin(uA)÷cF（pF) [1] 其周期to为：

to(us)=cF (pF）÷Iin（uA） [2]

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其中：

IIN=流入IN引脚的电流(2uA到750uA) CF=连接着COSC引脚和地的电容(20pF->1OOuF)

例如：

0.5MHz= 1OOuA÷200pF

还有：

2us= 200pF÷1OOuA

要获得最佳性能，选择IIN在10-400uA间，即使选择Iin在2-750UA也可获得好的线性，建议不要电流超过这个范围。对于固定工作频率，使Iin大约为1OOUA，并选择一个适当的电容值。在这个电流下具有最小的温度系数，并且当改变占空比时，产生最小的频率偏移。

cF电容的范围可在20pF->100UF中选取，但是必须用短的引线使电路的分布电容减到最小，在cosc引脚以及它的引线的周围用一个接地平面以减小其他杂散信号对这个支路的耦合。振荡频率高于20MHz也是可能的，但是在这种条件下，波形失真会加剧。低频振荡的限制是由cF的漏电流和所需的输出频率准确所决定的。具有良好精度的最低工作频率通常用1OpF或更大的非极化电容来获得。

一个内部的闭环放大器迫使Iin流向虚拟地，并使输入偏置电压小于士2mV。IIN可以用一个电流源（Iin）或用一个电阻（Rin）串联所获得的电压(VIN)来产生。（一个接在REF引脚端和ⅡN引脚端的电阻RIN可提供产生Iin的便利方法：Iin=Vref/Rin）当使用串联电阻所产生的电压时，振荡频率计算公式为：

Fo(MHz)=Vin/[Rin X Cf(pF)] [3] 还有周期：

to (us)=Cf(pF) X Rin÷Vin [4]

当MAX038的输出频率是由一个电压源( ViN)与固定电阻(RIN)串联来控制时，如上面公式所示，输出频率是Vin的线性函数，振荡器的频率随Vin的调节而变化。举例来说，RIN =1Oko,VIN从20mV变化到7.5V，频率梅发生极大的变化（高达375:1）。选择RIN应使ViN保持在2uA至750uA这一范围之内。Iin的控制放大器的带宽限制了调制信号的最高频率，它的典型值为2MHz，

Iin引脚可以被用作求和点。由几个信号源电流相加或相减。这就允许输出频率是几个变量之和的函数。当Vin趋于0v时，由于IIN弓脚的偏移电压的影响，Iin的误差将增大。

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在供电10秒后，输出频率与堆终值将会有1%的误差。

(2) FADJ的输入

输出频率可以由引脚FADJ调制，它通过内部的锁相环，主要用于精细频率控制。一旦基本频率或者中心频率(Fo)由Iin来设置，它还可在引脚FADJ上重新设置不同于0v的电压VFADJ，电压VFADJ可以在-2.4V-+2.4V内变化，从而引起基频VFADJ= OV时的输出频率值）从1. 7-0. 3倍(即Fo±70%)的变化。电压VFADJ超过±2 4V，将引起不稳定和频率反斜率变化。

当输出频率偏离Fo时，在引脚FADJ上所需的电压为Dx（以%表示），用Dx表示V FADJ公式如下：

VFADJ= -0.0343x Dx [5] 其VADJ引脚的电压VFADJ变化范围为：-2.4V——2. 4V。

注：虽然IIN正比于基本频率或是中心频率(Fo)而VFADJ则是以百分比(%)线性相关地偏离Fo，VFADJ向某一方变化，相应于向加或减的方向偏离。

对于任何频率，引脚FADJ上的电压VFADJLb下式给出：

VFAnJ= (Fo - Fx) / (0.2915x Fo) [6]

其中：

Fx=输出频率

Fo=当VFADJ=OV时的频率

同样，采用周期来计算有：

V FADJ= 3.43x (tx - to)÷tx [7] 其中：

tx=输出周期

to=当VFADF=OV时的周期

反之，如果VFADJ是已知，则：

Fx= Fox(1 - L0.2915 x VFADJ]) [8] 而周期（tx）为：

tx= to÷（1 - [0.2915x VFADj]） [9]

(3) FADJ的调节

在引脚FADJ有一个由引脚V-提供的250UA的恒流源，而V-必须由电压源提供．V一通常是一个运算放大器的输出。在这里恒流源的温度系数变得不重要。对于偏移的手

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工调整，用一个电阻可以建立Vfadj，但是这时250UA恒流源的温度系数变得重要，这是由于外部电阻不能与内部的温度系数曲线匹配。使用外部电阻来调节VFADJ仅是手工操作的需要，使操作者能对误差进行校正。这一限定并不适用于当VFADJ是一个真正的电压源。

连接引脚REF (+2.5V)和引脚FADJ的可变电阻RF为手动建立频率偏移提供了一种方便的手段。

RF阻值为：

Rf=（VREF-VFADJ）÷250uA [10] VREF和VFADJ是有符号的数，所以使用时要注意正确的代数约定。例如，若VFADJ为-2. OV (+58. 3%的偏移)，则公式变为：

RF= (+2.5V -(-2.0V)) ÷250uA =4.5V÷250uA =18k0

(4) FADJ禁止

FADJ引脚端电路对输出频率增加了一个小的温度系数。对于临界开环应用，这可以用一个i2k0电阻（图2中的R1）FADJ引脚端连接到地（非腼F引脚）来禁止。通过引脚FADJ的-250M吸收电流会在这个电阻上产生-3V的电压，这会导致两种结果。第一种，FADJ电路仍处于线性区，但是从主振荡器分离，从而改进温度稳定性。第二种，振荡频率加倍，如果FADJ以这种方式被禁止，务必改正以上出现过的公式1-4和公式6-9.还有下面将要出现的公式12和14，将其中的Fo的值加倍或减半。虽然这种方{击加倍了频率的正常输出，但并不加倍频率上限。不要使FADJ开路或使电压小于-3. 5V。这样做可能造成集成电路内的晶体管饱和，从而导致不必要的频率和占空比的改变。

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图2. 正弦波输出和50%占空比操作电路；引脚SYNC和引脚FADJ禁止

FADJ虽被禁止，输出频率仍可由调节Iin改变。

(5) 频率扫描操作

通过在IIN引脚或FADJ引脚旌加不同程度的信号来扫描输出频率。IIN有—个更宽的范围，稍为缓慢的反应，更低的温度系数，并且要求一十单极性电流源，当扫描范围不到中心频率的70%时，FADJ可以被使用。它适用于锁相环和其他低偏差，高精度闭合环路控制，它使用一对地对称的扫描电压。

连接REF，电压源，FADJ或IIN之间的电阻网络是一个补偿扫描电压的简便方法。

(6) 占空比

DADJ引脚端上的电压控制波形的占空比（定义为输出波形为正时所占时间的百分数）。通常VDADJ=Ov．则占空比为50x（图2）。此电压从+2. 3V变化到-2. 3V将引起输出占空比从15%--85%变化，约电压变化1V可使占空比变化l5%。当电压超出-2.3V-+2. 3V范围时特使输出频率偏移或引起不稳定。

DADJ可以用来减少正弦波失真，未调整(VDADJ= OV)的占空比是50%±2%，而偏离准确的50%时引起偶次谐波的产生。通过加一个小的调整电压(通常小于±100 mv)到DADJ端，可以达到确切对称和失真减至最少(见图2）。用来产生特定占空比所需引

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脚DADJ上的电压可由下式给出：

VDADJ= (50% - dc)x 0.0575 [11] 或：

VDADJ= (0.5 -[tON÷to])x 5.75 [12] 其中：

VDADJ=引脚DADJ上的电压（注意极性）

dc=占空比（用%计算） tON=波形为高电平的时间

to=波形周期

反过来说，如果VDADJ是已知的．de及tON 分别为：

de= 50% - (VDADJx 17.4) [13] tON= tox (0.5 - [V DADJx 0.174]) [14]

(7) DADJ的调节

DADJ与FADJ类似，它有一个由引脚V-提供的250uA的恒流源，V-必须是电压源。这个电压源通常是一个运算放大器的输出，而且电流源的温度系数并不重要。为了手工调整占空比，可使用一个可变电阻来建立VDADJ.但这时250UA恒流源的温度系数变得重要，因为外部电阻不能与内部温度系数曲线匹配。使用外部电阻来调整VDADJ仅为了手工操作，这时操作可更正误差。当VDADJ是一个调准了的电压源时，这种方法不必使用。

连接引脚REF (+2. 5V)和引脚DADJ的电阻RD，提供了一个调节占空比的方便方法，RD的阻值为：

RD=(VREF -VDADJ)÷250uA [15] 请注意，式(14)中Vref和VDADJ两者都是带符号的，因此要注意其符号的使用，例如，若VDADJ为-1.5V(23%的占空比)，则式(14)变为：

RD= (+2.5V -(-1.5v)))÷250uA

= (4.0V÷250uA = 16k欧

在15%～85%范围内改变占空比对输出频率的影响最小，当25uA

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型操作特征）。

(8) 输出级

输出级能输出幅度为2VP.P的有关波形，对地对称，即对地电位而言则是-1V-+1V。输出阻抗小于0.1欧，可直接向50 pF的容性负载提供的驱动电流为±20mA。若负载电容CL>50 pF，则应通过电阻(典型值为50欧)或缓冲器接负载。

(9) 基准电压

REF是一个2.5Y稳定的能带隙基准电压，输出电流可达4mA，灌入电流是1OOMA。它主要是用来为引脚IIN提供稳定的电流或为引脚DADJ和引脚FADJ提供控制电压。当然它也可用于MAX038外部的其他应用。可以用1OOnF的旁路电容接引脚REF以减少噪声。

(10) 电阻和电容的选择

MAX038可以长时间地在温度范围内产生一个稳定的频率输出，但是如果不慎重选择决定基频的电阻电容，将会降低器件的功能。电阻选用精度为1%或更好的金属膜电阻，电容选用在整个温度范围内都是低温度系数的电容。NPD陶瓷电容.通常令人满意。

引脚cosc端上的电压是幅度为0v--1v的三角波。极化电容通常不推荐使用（因为它们离谱的温度依赖性和漏电流），但是如果使用这种电容，得将电容负极接到引脚cosc端，正极接地，大容量电容的选用对产生超低频来说是必要的，要小心选择，因为大电容的大漏电流及高电介质吸收将潜在地影响cF正常的充电和放电。如果可能的话，对于给定的频率，使用较低的IIN引脚电流，以减少电容的容量。

(11) SYNC输口

引脚SYNC是一个能用来同步外部电路的TTL/CHOS兼容输出端。SYNC输出是一个方波，其上升沿与正弦波或三角披上升通过0v的点重合。当选择了方波时，SYNC上升沿出现在输出方波正半周的中点，实际上超前输出信号90度。SYNC的占空比固定为50%并且由DADJ独立控制。因为SYNC是一个高速TTL输出口，它在引脚DGND和引脚Dv+上产生的高速瞬变电流会辐射能量至输出输出电路，使输出信号产生尖脉冲（这种尖脉冲在带宽小于1OOMHz的示波器上是根难看到的，）。集成电路插座的电感和电容会增大这种效应，因此引脚SYCN在使用时，不推荐用插座。引脚SYNC由单

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独的地和电源引脚(DGND和DV+)供电，可以通过开路引脚DV+使之被禁止。如果不需和外部电路同步，将DV+开路以断开SYNC从而抑制尖脉冲。

(12) 相位检测器 ① 内部相位检测器

MAX038包含一个TTL/ CHOS相位检测器，它可以用在锁相环(PLL)，使输出的振荡器波形与外部信号同步（见图3），外部信号源接到相位检波器输入端(PDI)，由PDO得到相位检测器输出。PDO是一个异或门输出，即便PDI接地，也能产生一个矩形电流脉冲串输出。PDO通常接到FADJ引脚，同时接一个电阻R PD并联一个电容Cpd到地。R PD控制相位检测器增益，而C PD衰减高频分量并在锁相环检波器中形成一个极点。

图3. 使用内部相位检测器的锁相器

PDO是一个矩形电流脉冲串，平均电流在0-500uA之间变化。当MAX038输出与PDI的相位正交时（相位差90度），它有50%的占空比。当相位差为180度时，占空比达到1OO%；相反，当相位差为0度时占空比为0。

相位检测器的增益KD由下式表达：

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KD=0.318x RPD（伏特/弧度） [16] 其中RPD=相位检测器增益设置电阻

当环路锁住时，输出信号与相位检测器接近相位正交，占空比为50%，PDO的平均电流为250uA（引脚FADJ的灌入电流。该电流由引脚FADJ和RPD分离，但总有250uA进入FADJ端，其余电流则在RFD上分流以产生VFADJ（双极性）。举例来说，随着相位差增加，PDO的占空比增大，平均电流也随之增加，RPD上的电压(还有VFADJ)在正极变得更大。这反过来又降低了振荡频率，减少相位差，从而保持锁相。RPD越大，则一定的相位差时V FADJ越大，锁相环增益越大，同步范围就越小。因为PDO输出的电流给C PD充电，所以V FADJ的变化率（锁相环带宽）和CPD成反比。

相位偏差（偏离相位正交）取决于锁相环(PLL)的开环增益和外部信号源振藉器的初始频率偏差。振荡器转折增益(Ko)是：

从公式[6]知：

Ka = 3.43xwo（弧度/秒） [18] 锁相环(PLL)系统环路增益(KV)是：

KV=KD x KO [19] 其中：

KD=检测器增益 KO=振荡器增益

结合环路滤波器的响应频率F (s)．开环传递函数T (s)为：

T(S)=KD x KO x F(s)÷s [20] 运用线性反馈分析技术，闭环传糖特性．H (S)与开环传递函数有如下关系：

H(s)=T（s)÷[l+T(s)] [21] 瞬态性能和锁相环(PLL)的频率响应取决于滤波嚣的特性的选择，F (S)。 当MAX038部相位检测器不用时．PDI与PDO应连接到地。当MAX038内部相位检铡器不用时，PDI与PDO应连接到地。

② 外部相位检测器

外部相位检测器可用于代替内部相位检测器。图4中所示的外部相位检测器与MAX038的内部相位检测器有着相同的功用，但选择÷N电路可以被放置在SYNC输出端与相位检测器之间，用于以一个要求的准确倍数来同步外部振荡器，由R4，R5，R6组成的电阻阿络设

置同步范围，而电容器C4设置捕捉范围。注意，这类型的相位检测器（或投有÷

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N电路）在跟踪外部振荡器的谐波的同时也会跟踪基频。在投有外部信号输入的情况下，这个电路具有不可预测性，这取决于外部直流输入水平。

图4显示的是一个频率相位检测器只跟踪外部振荡器的基频。在投有外部信号输入的情况下，频率相位检测器输出的是一个正的直流电压并且振荡器的最低频率LbR4，R5和R6设定。

图4. 使用外部相位检测器的锁相环

图5. 使用外部频率相位检测器的锁相环

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m7c8.html