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1.前言 信號發(fā)生器既可以構成獨立的信號源，也可以是高性能網(wǎng)絡(luò )分析儀、頻譜儀及其它自動(dòng)測試設備的組成部分。信號發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)是多種高性能儀器的支撐技術(shù)，因為它能夠提供高質(zhì)量的精密信號源及掃頻源，可使相應系統的檢測過(guò)程大大簡(jiǎn)化，降低檢測費用并極大地提高檢測精度。但是目前的產(chǎn)品體積大，精度低，無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)對精度和便攜性要求高的波形發(fā)生器的需求。 AD760是AD公司開(kāi)發(fā)的一種具有自校正功能的16/18位DAC器件，片內帶有電壓基準，雙緩沖寄存器和輸出放大器。特別是在采用AD760的18位數據輸入時(shí)能夠獲得很高的精度。本文針對高精度波形發(fā)生器的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行了以AD760為核心的波形發(fā)生器的軟硬件系統設計。 2.系統結構及功能 2.1總體結構 高精度波形發(fā)生器分為上層應用軟件和下層軟硬件兩大部分。其中上層軟件提供人機交互界面即操作員控制臺，用于選擇波形，生成波形數據,以及串口通訊控制和人機通訊；下層硬件為I/O控制器，由CPU，DAC，計數器，定時(shí)器等模塊組成(可以考慮模塊的擴展)，主要是用于對上層波形數據的接收，存儲，同時(shí)可以單獨使用，通過(guò)CPU向DAC發(fā)送所需波形數據。如下圖所示： 3.單片機設計部分 3.1 硬件設計 波形發(fā)生器由以下部分組成： 1.波形存儲器：存儲各種波形數據。 2.波形發(fā)生器：將波形存儲器中的波形數據轉換成模擬信號輸出，D/A轉換器和放大器組成。 3.控制器：接收輸入波形的數據,并將波形數據寫(xiě)入波形存儲器;及控制其他部分工作。 硬件設計如下圖所示，設計時(shí)考慮盡量采用最少硬件來(lái)完成，縮小儀器的體積，使其達到便攜的要求。為使儀器的精度也達到要求，在設計時(shí)著(zhù)重注意了以下幾個(gè)方面： 硬件設計流程圖 DAC溫度飄：影響信號精度的重要原因來(lái)自DAC器件的溫度漂移，其中內部基準10V±0.01V,DAC的增益漂移為25PPM/℃,用AD587L外部基準電壓更換內部基準，可使PPM=5/℃，DAC增益漂移=10 PPM/℃�？刂骗h(huán)境的溫度變化如果小于1℃，可將因為溫度漂移而受影響的精度控制在0.001%以?xún)�。所以在使用時(shí)應使信號發(fā)生器系統盡量處于一個(gè)相對恒定溫度環(huán)境中。 電源噪聲：要保證精度達到10V±0.003%的要求，即最低精度要達30uV,因而對電源噪聲要求極高，要求電源噪聲越小越好，因而模擬電源采用直流電池組，數字電源與模擬電源采用光偶隔離。 PCB布線(xiàn)：數字、模擬分離、大面積的模擬零電位鋪地，模擬信號線(xiàn)盡量采用粗線(xiàn)。在印制板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當退耦電容。 硬件系統主要由單片機，D/A轉換器件AD760，存儲器，和通訊接口芯片SP3223E。單片機采用的是美國CYGNAL公司的C8051F310，該芯片有16Kflash存儲器，采用高速、流水線(xiàn)結構的8051兼容的CIP-51內核，與標準的8051結構相比指令執行速度有很大的提高。在一個(gè)標準的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個(gè)系統指令周期，最大系統時(shí)鐘頻率為12-24MHz。而對于CIP-51內核，70%的指令的執行時(shí)間為1或2個(gè)系統時(shí)鐘周期，只有4條指令的執行時(shí)間大于系統時(shí)鐘周期。C8051F310的工作電壓是3V，本身帶有串行通訊口，但是其電平為T(mén)TL電平，需要轉換為RS232標準電平后才能和PC機通訊，所以串口通訊接口采用SP3223芯片。 A/D轉換器采用18位AD公司的AD760AQ，該芯片具有自校準功能，自校準后，性能達到了以下指標： 1.內部基準電壓：10V±0.01V?25PPM/℃ 2.單極性電壓輸出（內含運放）：0～10V 3.輸出電流：0～5mA 4.輸出建立典型時(shí)間：10us AD760內部功能及管腳分布如下圖所示。其中的7"14腳具有雙重功能：當采用字節加載模式，AD760的7"14腳分別是D15"D8,D7"D0的輸入腳；當采用串行輸入加載模式時(shí)，它的12腳為18/16位選擇，13腳為MSB/LSB選擇（即決定是MSB（高位）在前還是LSB（低為）在前），14腳為SIN，串行數據輸入腳。本論文采用的18位的串行輸入模式。 AD760內部功能及管腳分布如下圖 AD760采用的是18位串行模式，與單片機接口只要3根線(xiàn)，其中的SIN為D/A轉換數據串行輸入，CS為時(shí)鐘信號，LDAC為控制信號，具體的工作時(shí)序如下： AD760串行傳輸方式時(shí)序圖 4. PC機軟件設計方案 上層軟件是基于Windosw2000平臺用VC編寫(xiě)可視化人機交互界面的軟件，完成的功能包括允許用戶(hù)編輯、繪制所需波形、設置輸出信號的幅度、頻率，通過(guò)RS232 口將數據送給單片機，也可對波形進(jìn)行顯示，存儲。如下圖所示： 程序流程圖 用戶(hù)在計算機上輸入數據點(diǎn)或描述波形的表達式，由軟件實(shí)現對輸入波形的量化處理，得到波形數據，經(jīng)計算機轉換成任意波形發(fā)生器硬件所要求的格式，存入波形數據存儲器中。在控制電路的控制下，地址發(fā)生器以一定的速率、方式把波形數據存儲區中的波形數據送給DA芯片，經(jīng)轉換產(chǎn)生量化的數字電壓波形，再經(jīng)過(guò)濾波等信號處理，由功放送出用戶(hù)所需要幅值和頻率的模擬信號。 工作時(shí)，通過(guò)人機對話(huà)選擇波形,選擇適當的工作參數,由單片機選擇存在存儲區中的相應波形文件,經(jīng)AD760輸出相應的波形。波形的編輯與修改由計算機完成,然后通過(guò)接口傳輸給便攜儀器。初始設定一系列波形后,波形發(fā)生器部分可作為便攜儀器獨立使用。此后還可通過(guò)計算機編輯,增刪波形,再由串口寫(xiě)入波形發(fā)生器的存儲單元。 5.性能指標測試 用FLUKE 8842A臺式數字多用表對系統的精度指標進(jìn)行測試，具體如下：?模擬電源是用了兩個(gè)12v的直流電池串聯(lián)經(jīng)過(guò)DC-CD轉換后輸出的15v電源，數字電源是5v直流。同樣為了讓AD760的溫度趨于穩定，在10分中后測量。測試數據為：輸出波形的波峰值為9.9981v；波谷值為0.18mv；波形的頻率為800Hz。第二次測試，得到的數據和第一次的有略微的差異，分析可能的原因是和電池的電量減少有關(guān)系。噪聲的測定值：其中給出的值已經(jīng)是減去了調零時(shí)的初值。電源的負極0：0.21-0.22mv。電源的＋～0：0.24mv。AD760的25腳（參考電壓輸入）為：0.21mv－0.22mv。此時(shí)ad760的23腳（信號輸出）為0.25mv。實(shí)驗數據表明，精度大于0.0025％。各項指標達到了原始的設計要求。 結束語(yǔ) 本文所設計的高精度波形發(fā)生器，通過(guò)軟硬件結合的方法，簡(jiǎn)化了硬件設備，實(shí)現了波形參數的獨立變化，通過(guò)VC編寫(xiě)的軟件人機交互性強，操作方便。波形參數（幅度、頻率，周期）可以在一定的范圍內可控制變化，通用性好，具有較強的移植性和很高的性?xún)r(jià)比。對于不同的需求，可以使用具有支持熱插拔的1394和USB接口來(lái)代替RS232接口。 |
