1.前言

信號(hào)發(fā)生器既可以構(gòu)成獨(dú)立的信號(hào)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(shè)備的組成部分。信號(hào)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?yàn)樗軌蛱峁└哔|(zhì)量的精密信號(hào)源及掃頻源，可使相應(yīng)系統(tǒng)的檢測過程大大簡化，降低檢測費(fèi)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，無法滿足用戶對精度和便攜性要求高的波形發(fā)生器的需求。

AD760是AD公司開發(fā)的一種具有自校正功能的16/18位DAC器件，片內(nèi)帶有電壓基準(zhǔn)，雙緩沖寄存器和輸出放大器。特別是在采用AD760的18位數(shù)據(jù)輸入時(shí)能夠獲得很高的精度。本文針對高精度波形發(fā)生器的開發(fā)，進(jìn)行了以AD760為核心的波形發(fā)生器的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1總體結(jié)構(gòu)

高精度波形發(fā)生器分為上層應(yīng)用軟件和下層軟硬件兩大部分。其中上層軟件提供人機(jī)交互界面即操作員控制臺(tái)，用于選擇波形，生成波形數(shù)據(jù)，以及串口通訊控制和人機(jī)通訊；下層硬件為I/O控制器，由CPU，DAC，計(jì)數(shù)器，定時(shí)器等模塊組成（可以考慮模塊的擴(kuò)展），主要是用于對上層波形數(shù)據(jù)的接收，存儲(chǔ)，同時(shí)可以單獨(dú)使用，通過CPU向DAC發(fā)送所需波形數(shù)據(jù)。如下圖所示：

3.單片機(jī)設(shè)計(jì)部分

3.1 硬件設(shè)計(jì)

波形發(fā)生器由以下部分組成：

1. 波形存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)各種波形數(shù)據(jù)。

2. 波形發(fā)生器：將波形存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，D/A轉(zhuǎn)換器和放大器組成。

3. 控制器：接收輸入波形的數(shù)據(jù)，并將波形數(shù)據(jù)寫入波形存儲(chǔ)器;及控制其他部分工作。

硬件設(shè)計(jì)如下圖所示，設(shè)計(jì)時(shí)考慮盡量采用最少硬件來完成，縮小儀器的體積，使其達(dá)到便攜的要求。為使儀器的精度也達(dá)到要求，在設(shè)計(jì)時(shí)著重注意了以下幾個(gè)方面：

硬件設(shè)計(jì)流程圖

DAC溫度飄：影響信號(hào)精度的重要原因來自DAC器件的溫度漂移，其中內(nèi)部基準(zhǔn)10V±0.01V，DAC的增益漂移為25PPM/℃，用AD587L外部基準(zhǔn)電壓更換內(nèi)部基準(zhǔn)，可使PPM=5/℃，DAC增益漂移=10 PPM/℃。控制環(huán)境的溫度變化如果小于1℃，可將因?yàn)闇囟绕贫苡绊懙木瓤刂圃?.001%以內(nèi)。所以在使用時(shí)應(yīng)使信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)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(dá)到10V±0.003%的要求，即最低精度要達(dá)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(shù)字電源與模擬電源采用光偶隔離。

PCB布線：數(shù)字、模擬分離、大面積的模擬零電位鋪地，模擬信號(hào)線盡量采用粗線。在印制板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)退耦電容。

硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)，D/A轉(zhuǎn)換器件AD760，存儲(chǔ)器，和通訊接口芯片SP3223E。單片機(jī)采用的是美國CYGNAL公司的C8051F310，該芯片有16Kflash存儲(chǔ)器，采用高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高［2］。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個(gè)系統(tǒng)指令周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12-24MHz。而對于CIP-51內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于系統(tǒng)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TTL電平，需要轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)電平后才能和PC機(jī)通訊，所以串口通訊接口采用SP3223芯片。

A/D轉(zhuǎn)換器采用18位AD公司的AD760AQ，該芯片具有自校準(zhǔn)功能，自校準(zhǔn)后，性能達(dá)到了以下指標(biāo)：

1. 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓：10V±0.01V 25PPM/℃

2. 單極性電壓輸出（內(nèi)含運(yùn)放）：0～10V

3. 輸出電流：0～5mA

4. 輸出建立典型時(shí)間：10us

AD760內(nèi)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(dāng)采用字節(jié)加載模式，AD760的7~14腳分別是D15~D8，D7~D0的輸入腳；當(dāng)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(shù)據(jù)輸入腳。本論文采用的18位的串行輸入模式。

AD760內(nèi)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(jī)接口只要3根線，其中的SIN為D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)串行輸入，CS為時(shí)鐘信號(hào)，LDAC為控制信號(hào)，具體的工作時(shí)序如下：

AD760串行傳輸方式時(shí)序圖

4. PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案

上層軟件是基于Windosw2000平臺(tái)用VC編寫可視化人機(jī)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(shè)置輸出信號(hào)的幅度、頻率，通過RS232 口將數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，也可對波形進(jìn)行顯示，存儲(chǔ)。如下圖所示：

程序流程圖

用戶在計(jì)算機(jī)上輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)或描述波形的表達(dá)式，由軟件實(shí)現(xiàn)對輸入波形的量化處理，得到波形數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成任意波形發(fā)生器硬件所要求的格式，存入波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的波形數(shù)據(jù)送給DA芯片，經(jīng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生量化的數(shù)字電壓波形，再經(jīng)過濾波等信號(hào)處理，由功放送出用戶所需要幅值和頻率的模擬信號(hào)。

工作時(shí)，通過人機(jī)對話選擇波形，選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鲄?shù)，由單片機(jī)選擇存在存儲(chǔ)區(qū)中的相應(yīng)波形文件，經(jīng)AD760輸出相應(yīng)的波形。波形的編輯與修改由計(jì)算機(jī)完成，然后通過接口傳輸給便攜儀器。初始設(shè)定一系列波形后，波形發(fā)生器部分可作為便攜儀器獨(dú)立使用。此后還可通過計(jì)算機(jī)編輯，增刪波形，再由串口寫入波形發(fā)生器的存儲(chǔ)單元。

5. 性能指標(biāo)測試

用FLUKE 8842A臺(tái)式數(shù)字多用表對系統(tǒng)的精度指標(biāo)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DC-CD轉(zhuǎn)換后輸出的15v電源，數(shù)字電源是5v直流。同樣為了讓AD760的溫度趨于穩(wěn)定，在10分中后測量。測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(diào)零時(shí)的初值。電源的負(fù)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(hào)輸出）為0.25mv。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，精度大于0.0025％。各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了原始的設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的高精度波形發(fā)生器，通過軟硬件結(jié)合的方法，簡化了硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了波形參數(shù)的獨(dú)立變化，通過VC編寫的軟件人機(jī)交互性強(qiáng)，操作方便。波形參數(shù)（幅度、頻率，周期）可以在一定的范圍內(nèi)可控制變化，通用性好，具有較強(qiáng)的移植性和很高的性價(jià)比。對于不同的需求，可以使用具有支持熱插拔的1394和USB接口來代替RS232接口。

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