多功能便攜式信號發生器設計

2011-06-25 09:39:30李燕杰杜紅棉

電視技術 2011年15期

原玢，李燕杰，祖靜，杜紅棉

（1.中北大學電子測試技術重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

函數信號發生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途，目前廣泛使用的是一些標準產品，雖然功能齊全、性能指標較高，但是價格較貴，而且許多功能用不上。本文設計了一種基于MSP430的簡易信號發生器，可輸出電壓、電荷兩種信號，便于攜帶，尤其適用于空間狹窄惡劣環境下進行簡單電荷放大器研制及測試電路調試。

1 系統總體設計

系統總體可以輸出6種波形，包括半正弦、正弦、三角波、鋸齒波、方波、脈沖信號，并且可調幅值和基線，儀器電壓輸出范圍為-10～＋10 V，電荷信號范圍-106～＋106PC。為實現儀器要求，設計中采用DDS原理，將波形數據存儲在單片機內部集成的閃存中，MSP430作為控制器，將數字信號轉換為相應的模擬信號輸出，避免了專用DDS芯片控制方式固定的缺點[1]。系統主要由波形生成控制電路、電源管理、信號處理電路、LCD液晶顯示和按鍵輸入5部分組成，如圖1所示。

2 系統軟、硬件設計

2.1 電池及電源管理模塊

儀器由電壓范圍為12～21 V容量2000 mAh的鋰電池組供電，最大輸出電流1 A，經過LM7815，LM7915穩壓塊為AD669提供＋15 V，-15 V的穩定電壓，再通過LP2985和LP2987穩壓芯片產生5 V，3.3 V電壓，為內部其他器件提供所需電壓值，同時在電源的接口端加入了可恢復性保險絲，避免系統在工作時誤接、短路等因素導致電路的損壞。同時儀器內部還設有電源電壓監視電路，提醒使用者及時充電[2]。

2.2 控制電路

波形由MSP430FG4618單片機AD669產生，AD669采用完全16位并行輸入數據，內部集成有經過激光調節的基準，且可使用外部基準，其輸出電壓范圍為單極性0～10 V（雙極性-10～＋10 V），輸出端可直接與負載連接。AD669芯片內采用二級鎖存，CS，L1控制一級鎖存器，LDAC控制第二級鎖存，消除了在多位DAC系統中由于DAC同時上升所產生的數據時滯誤差。本儀器中AD669采用雙極性配置，AD669的引腳CS，L1連接后對應單片機P9.3，AD669的LDAC引腳對應P4.6，使用芯片4050實現電平匹配，電路圖如圖2所示。在電路調試時，可通過調節電位器RP2和RP8進行偏移和增益的調節。

由于內部Flash存儲的數據是固定的，為保證幅值可調，AD669的基準必須是可變的，由單片機內部集成的2個12位DAC產生可變幅值和可變基準，然后通過運放實現幅值和基線的疊加。AD669在基準電源小于1.3 V時，線性誤差明顯增大，電路采用了分壓模塊進行分壓以保證精度[3]。

2.3 信號處理及電荷轉換電路

不同波形信號的頻率帶寬不一樣，選擇3個濾波器完成對相應頻譜特性周期信號的濾波。半正弦、正弦信號截止頻率1 kHz；三角波、鋸齒波信號截止頻率3 kHz，方波、脈沖信號截止頻率10 kHz[2]。按鍵設置波形完畢后，由單片機控制繼電器選通相應的濾波器。

2.4 人機交互電路

儀器通過按鍵（電壓/電荷、選單、增加、減小、方向、輸出）輸入控制信號，按鍵分別對應單片機的6個I/O口，按鍵動作時，端口產生一個上升沿，系統轉向執行相應的操作，為防止按鍵抖動，分別加入了0.1 μF的電容來進行消抖。

儀器使用亞斌電子的YB0802A實時顯示系統的工作狀態，可以顯示8×2個字符，帶LED背光。該液晶顯示屏電路簡單，價格便宜，并且易于操作[3]。YB0802A液晶的DB0DB7與單片機的P3.0～P3.7端口連接，P2.4端口與使能端相連，P4.0，P4.1端口分別與RS，R/W端口連接。VDD端口接＋5 V電源，VSS端口接地，V0接1 kΩ的滑動變阻器，可調節對比度[4]。

2.5 軟件流程圖及說明

儀器啟動后，首先進行內部程序以及端口的初始化狀態，然后進入等待狀態，檢測到相應的按鍵中斷后執行相應的操作，或輸出默認的波形，或改變相應波形參數后輸出，流程圖如圖3所示。通過設置相關寄存器以及跳躍波形點數的值改變波形的頻率及幅值[5]。

3 儀器性能測試

多功能便攜式信號發生器實物圖如圖4所示，儀器前面板包含液晶顯示屏、中斷按鍵，后面板包含電源開關、電池充電口、單片機程序燒寫口、信號輸出引線。

系統用Aglient廠54624A型100 MHz示波器來對信號的波形進行測試，測得信號發生器波形如圖5所示（由于篇幅限制，表中只列出少數特殊幾個點）。使用SAM?PO廠CN3165高精度頻率計對波形頻率進行檢測，該頻率計測量范圍為0.1 Hz～100 MHz，最高分辨力0.001 Hz，以正弦波為例，數據見表1，單位Hz。使用吉時利的KEITHLEY 2000型6位半數字萬能表來對儀器幅值和基線進行性能測試，其精確度在2 V，20 V時都為“±（0.8%＋15）”（表示相對誤差為±0.8%，末位數字偏移量為±15）。以正弦波為例，幅值和基線數據分別見表2～3，單位mV。測試結果表明，波形質量及幅值基線各項指標良好，在理論誤差范圍之內，誤差符合設計要求。只是幅值中位于10，100，1000 mV處誤差偏大，由于AD669的基準電源小于1.3 V時芯片性能下降所致。