1 引言

隨著測試設備的飛速發展，其性能狀況越來越受到人們的重視，經過一段時間要對測試設備進行檢測。主測試板作為測試設備上的重要部件，它的性能好壞起著重要作用。在對其進行性能測試時，由于沒有專用的信號源，一般都是安裝在設備上進行試驗。這不僅費時費力，而且更重要的是增加了修理成本，因此，迫切需要專用的測試設備。本信號源就是針對這一問題而設計的。

2 信號源的設計要求

根據對多數測試設備修理試驗工藝的分析，該信號源具體要求如下：

四路電壓信號：一路電壓范圍為-25 V～25 V的直流信號源，精度要求為：0 V～1 V的誤差為±0.1V，1 V～25 V的誤差為±0.05 V，-25 V～0 V的誤差為±0.15 V；其中一路產生幅值為0 V～25 V的方波，幅值誤差為±0.2 V，頻率誤差為1 Hz；

一路電壓范圍為-100 mV～100 mV的直流信號源，要求誤差為±0.5 mV；

一路電壓范圍為-0.5 V～0.5 V的直流信號源，要求誤差為±0.005 V；

一路電壓范圍為0 V～5 V的直流信號源，要求誤差為0.01 V。

四路模擬溫度信號。

3 系統硬件設計

3.1 信號源硬件設計及工作過程

本系統的硬件部分以Atmel公司的AT89S51單片機為核心，其外圍電路主要包括：D／A轉換電路、電壓轉換電路、運算放大電路、集電器模擬溫度電路、通信接口電路以及看門狗復位電路。其核心部分是D／A轉換電路和運算放大電路，其他電路都是圍繞D／A轉換功能完善系統、保證程序正常運行而設計的。通信接口電路實現上位機與下位機的數據通信；集電器模擬溫度電路實現四路溫度的模擬；看門狗復位電路監控程序的運行狀態，在死機或“程序走飛”時可使系統自動恢復到正常工作狀態。圖1所示為系統硬件原理結構框圖。

系統工作過程：上位機發送控制字（包括信號通道選擇和信號幅值大小）至下位機（單片機），下位機采集控制字后，由單片機程序實現所選信號通道以及信號幅值的大小。下位機產生信號后，通過串行總線將數據發送到上位機并顯示在上位機相應的虛擬面板上。產生的信號通過板卡上的外接信號輸出端口傳輸到測試設備相應的通道上，模擬傳感器接收信號。如果測試設備接收后顯示的信號與板卡輸出的信號大小相一致，則認為測試設備性能良好。

3.2 D／A轉換電路和運算放大電路

D／A轉換電路采用美國德州儀器公司生產的TLC5620。它是一款帶有串行控制的4路8位電壓輸出數／模轉換器（DAC）。每一路均具有兩級緩沖器（輸入鎖存器（Latch）和DAC鎖存器）、一個輸出增益開關，一個8位DAC電路以及一個電壓輸出電路。TLC5620的編程可通過對串行控制字中的RNG位置1或清零來實現，其輸出電壓的最大值可以是外部參考電壓的1～2倍。其輸入／輸出電路均為射極跟隨器。

通過簡單的3線串行總線可對TLC5620進行控制，其11位的命令字由8位數據位、2位DAC選擇位以及1位RNG位組成。DAC寄存器是雙緩沖的，將完整的新數值寫入器件，然后DAC輸出通過LDAC端的控制同時更新。數字輸出端帶有施密特觸發器，因此，該電路具有較高的噪聲抑制性能。

TLC5620采用4個電阻串（resistor-string）來實現D／A轉換。每一個DAC的核心是一個帶有256抽頭的單電阻，它們對應于0～255的數字代碼。每個電阻串的一端連接到GND，另一端由基準輸入緩沖器的輸出饋電。通過使用電阻串保持單調性，線性度取決于電阻元件的一致性和輸出緩沖器的性能。由于輸入端經過緩沖，所以DAC對于基準源總是呈現為高阻狀態。

每一個DAC的輸出由一個可控增益放大器緩沖，它可以被配置為×1或×2的增益。上電時，DAC被復位為全“0”。每一路的輸出電壓可由下式給出：

V0（DACA～DACD）=REF×（CODE／255）×（1+RNG）

其中，CODE的范圍為0～255。RNG位是串行控制字內的0或1。

四路+25 V模擬信號采用寬電壓輸出的運算放大器OPA551。該運算放大器可輸出±30 v電壓，電流最大值200 mA，可滿足本系統要求。其余采用LM324，以節約成本。方波信號采用定時器的溢出中斷來產生。四路溫度的模擬采用數字電位器和繼電器實現。調節電位器阻值大小實現溫度變化，由繼電器的動作切換開閉溫度的模擬。D／A與運算放大器電路如圖2所示。

3.3 系統通信模塊設計

通信模塊采用CAN總線和RS-232總線模塊實現，其電路圖如圖3所示。

RS-232電平轉換器可以將輸入的±5 V電源電壓轉換為RS-232輸出電平所需的±10 V電壓。CAN收發器選用PCA82C250。PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，可提供對CAN總線上數據的差動發送和接收功能。

作為上位機的PC通過其串行接口發送數據，產生RS-232電平信號，由電平轉換電路將RS-232電平信號轉換成單片機所能接受的TTL／CMOS電平信號，并傳到協議轉換單元的單片機，單片機將接收到的數據打包、轉換后，通過CAN收發器發送至CAN總線。掛在CAN總線上的下位機節點收到數據后，根據控制命令做出相應動作。上位機與下位機通信示意圖如圖4所示。

4 系統軟件設計

本系統軟件設計分為兩部分：上位機采用Lab-Windows／CVI為開發平臺，下位機以g6E為平臺，采用匯編語言編寫。從功能上軟件設計可分為：系統初始化程序、主程序、串口中斷及定時器中斷程序。雙機通信協議約定如下：

aa+55+功能位+數據位+校驗位

其中，前兩個字節為前導碼，第三個字節為控制命令，單片機根據此字節進行相應處理。第四個字節為具體控制數據，最后為校驗數據。根據此協議，上位機每次發5個字節。下位機接收到有效的前導碼后進行相應的動作。

5 結束語

本測試信號源已投入使用，系統運行可靠、性能穩定，體現了良好的實用性與較高的性價比，完全能夠滿足各種測試環境的要求。

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