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1.前言 信號發生器既可以構成獨立的信號源，也可以是高性能網絡分析儀、頻譜儀及其它自動測試設備的組成部分。信號發生器的關鍵技術是多種高性能儀器的支撐技術，因為它能夠提供高質量的精密信號源及掃頻源，可使相應系統的檢測過程大大簡化，降低檢測費用并極大地提高檢測精度。但是目前的產品體積大，精度低，無法滿足用戶對精度和便攜性要求高的波形發生器的需求。 AD760是AD公司開發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位數據輸入時能夠獲得很高的精度。本文針對高精度波形發生器的開發，進行了以AD760為核心的波形發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，同時可以單獨使用，通過CPU向DAC發送所需波形數據。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，設計時考慮盡量采用最少硬件來完成，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，在設計時著重注意了以下幾個方面： 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/℃。控制環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%以內。所以在使用時應使信號發生器系統盡量處于一個相對恒定溫度環境中。 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：數字、模擬分離、大面積的模擬零電位鋪地，模擬信號線盡量采用粗線。在印制板的各個關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。在一個標準的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系統指令周期，最大系統時鐘頻率為12-24MHz。而對于CIP-51內核，70%的指令的執行時間為1或2個系統時鐘周期，只有4條指令的執行時間大于系統時鐘周期。C8051F310的工作電壓是3V，本身帶有串行通訊口，但是其電平為TTL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，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，其中的SIN為D/A轉換數據串行輸入，CS為時鐘信號，LDAC為控制信號，具體的工作時序如下： AD760串行傳輸方式時序圖 4. PC機軟件設計方案 上層軟件是基于Windosw2000平臺用VC編寫可視化人機交互界面的軟件，完成的功能包括允許用戶編輯、繪制所需波形、設置輸出信號的幅度、頻率，通過RS232 口將數據送給單片機，也可對波形進行顯示，存儲。如下圖所示： 程序流程圖 用戶在計算機上輸入數據點或描述波形的表達式，由軟件實現對輸入波形的量化處理，得到波形數據，經計算機轉換成任意波形發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，經轉換產生量化的數字電壓波形，再經過濾波等信號處理，由功放送出用戶所需要幅值和頻率的模擬信號。 工作時，通過人機對話選擇波形,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,然后通過接口傳輸給便攜儀器。初始設定一系列波形后,波形發生器部分可作為便攜儀器獨立使用。此后還可通過計算機編輯,增刪波形,再由串口寫入波形發生器的存儲單元。 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行測試，具體如下：?模擬電源是用了兩個12v的直流電池串聯經過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系。噪聲的測定值：其中給出的值已經是減去了調零時的初值。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ad760的23腳（信號輸出）為0.25mv。實驗數據表明，精度大于0.0025％。各項指標達到了原始的設計要求。 結束語 本文所設計的高精度波形發生器，通過軟硬件結合的方法，簡化了硬件設備，實現了波形參數的獨立變化，通過VC編寫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價比。對于不同的需求，可以使用具有支持熱插拔的1394和USB接口來代替RS232接口。 |
