低功耗多通道差動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

陳燕婷

摘要：脈沖發(fā)生器的輸出信號(hào)存在著多種不良現(xiàn)象，比如功耗大、協(xié)調(diào)困難等，所以設(shè)計(jì)低功耗多通道差動(dòng)脈沖信號(hào)具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)的低功耗多通道差脈動(dòng)信號(hào)發(fā)生器主要包括脈沖發(fā)生模塊、主控模塊及電源模塊構(gòu)成，電路較為簡(jiǎn)單，并且能夠有效解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)輸出線(xiàn)號(hào)頻率、脈寬及幅值的調(diào)節(jié)。之后通過(guò)實(shí)際應(yīng)用得到，實(shí)驗(yàn)和理論分析的結(jié)果相同，能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求，并且功能消耗較低。

關(guān)鍵詞：低功耗；多通道；差動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)生器

中圖分類(lèi)號(hào)：TN782 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0122-02

信號(hào)發(fā)生器一般指的是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，能夠產(chǎn)生某種周期波形時(shí)間信號(hào)，輸出信號(hào)的幅度及頻率都能夠調(diào)節(jié)，被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)測(cè)試、儀表及通信等方便。信號(hào)發(fā)生器的性能影響了測(cè)量結(jié)果，能夠決定結(jié)果是否正確。目前信號(hào)發(fā)生器較為重視輸出頻率、信號(hào)及幅度的完善，對(duì)于一些特殊的場(chǎng)合，比如導(dǎo)彈的研制、超寬帶通信技術(shù)等，要求脈沖信號(hào)較窄。因?yàn)槊}沖信號(hào)的參數(shù)和其他信號(hào)不同，普通信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)滿(mǎn)足不了實(shí)際工程需求，那么就要設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗、多通道差動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)生器。

1 低功耗多通道差動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)生器的組成

本文中所設(shè)計(jì)的低功耗多通道差脈動(dòng)信號(hào)發(fā)生器分別由硬件系統(tǒng)、微控制器及電源組成，系統(tǒng)的整體主要是靠著電源進(jìn)行供電，通過(guò)主控模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間的協(xié)調(diào)及控制。電源模塊能夠?yàn)橹骺啬K提供電源，并且還能夠?qū)χ骺啬K中的脈沖幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，主控模塊自身具有控制電平，驅(qū)動(dòng)模塊自身具有能夠調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)，之后將脈沖信號(hào)通過(guò)輸出電極輸出，主控模塊能夠協(xié)調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定的工作，從而使脈沖信號(hào)滿(mǎn)足條件需求。

1.2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)控制設(shè)備為外置且獨(dú)立的數(shù)據(jù)控制盒，通過(guò)串行電纜連接電腦，數(shù)據(jù)輸出端和隔離盒相互連接。數(shù)據(jù)控制設(shè)備為波形存儲(chǔ)和播放設(shè)備，主控制器有三個(gè)功能，分別為：（1）通過(guò)多種形式對(duì)信號(hào)波形播放進(jìn)行控制；（2）通過(guò)串行接口接收控制參數(shù)、信號(hào)波形及其他命令；（3）在永久存儲(chǔ)器中保存控制參數(shù)及波形數(shù)據(jù)。

硬件設(shè)備還包括永存器、緩存器、串行口、波形播放器。永存器的主要功能能夠永遠(yuǎn)的保存波形數(shù)據(jù)和控制參數(shù)，在數(shù)據(jù)控制盒通電的時(shí)候，能夠自動(dòng)調(diào)出控制參數(shù)和波形數(shù)據(jù)，傳送到波形播放器中；緩存器的主要功能就是接收字符，將字符通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后傳送到波形播放器中；串行口的主要功能就是根據(jù)相關(guān)規(guī)定接收波形數(shù)據(jù)和控制參數(shù)，之后將其傳送到緩存器中；波形播放器包括兩個(gè)雙口RAM，右邊的連接單片機(jī)，其主要功能就是接收永存器及緩存器中的數(shù)據(jù)；左邊的連接掃描儀，其主要功能就是輸出信號(hào)波。

后端處理模塊的主要功能就是實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)加減及脈沖信號(hào)的濾波，此模塊使用的硬件主要包括運(yùn)算放大器。一般運(yùn)算放大器的電壓能夠接收放大器的正端口，此電路板的輸入電壓性能不穩(wěn)定，不能夠直接被使用，那么可以通過(guò)非常用的電壓與運(yùn)放端口進(jìn)行連接。其中的芯片選擇線(xiàn)性電源，其的優(yōu)點(diǎn)就是輸出電壓具有較高的穩(wěn)定度，并且能夠通過(guò)輸出端電阻調(diào)節(jié)輸出電壓值[1]。

1.3 微控制器模塊的設(shè)計(jì)

微控制器模塊的主要目的就是為了能夠通過(guò)脈沖控制器發(fā)出能夠滿(mǎn)足發(fā)生器需求的脈沖信號(hào)，將不同的低功耗產(chǎn)品功耗和性能進(jìn)行對(duì)比，本文使用專(zhuān)門(mén)為低功耗所設(shè)計(jì)的單片機(jī)CC5214F521作為控制器，單片機(jī)中具有十六位高性能的CPU，并且功能消耗較低，還有硬件乘法器、RAM、比較寄存器及轉(zhuǎn)換器。雖然在工作過(guò)程中的消耗并不是最小的，但是其體積較小，并且芯片的內(nèi)部具有無(wú)線(xiàn)通信模塊，能夠和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)兩者的通信，對(duì)脈沖發(fā)生器中的性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

1.4 電源的設(shè)計(jì)

低功耗多通道差動(dòng)脈信號(hào)發(fā)生器供電的額定電壓要求是3.7V，因?yàn)椴煌娐穼?duì)電壓有著不同的需求，那么就將電源分為兩部分，分別為通過(guò)穩(wěn)壓模塊提供穩(wěn)定電壓及通過(guò)可調(diào)電壓提供幅值電壓，這兩部分電源模塊對(duì)電流及電源穩(wěn)定性具有不同的要求。穩(wěn)壓模塊的主要目的就是向主控模塊工作過(guò)程中提供穩(wěn)定的電壓，本文中所設(shè)計(jì)的發(fā)生器的主控電壓為3.3V，所以可以使用低功耗集成電壓，其具有較寬的輸入電壓范圍，并且輸出電流較大，具有較小的靜態(tài)電流，功能的消耗較低。可調(diào)電壓模塊的主要目的就是向發(fā)生器提供能夠調(diào)節(jié)的幅值電壓，因?yàn)槊}沖發(fā)生器所需求的幅值電壓能夠調(diào)節(jié)的范圍比較快，并且對(duì)電壓能夠調(diào)節(jié)的精度還有一系列的要求，所以本文中所設(shè)計(jì)的可調(diào)幅值電壓使用的是可調(diào)輸出升壓穩(wěn)壓模塊[2]。

2 低功耗多通道差動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用分析

2.1 發(fā)生器的低功耗測(cè)試

通過(guò)上述描述可以了解到，本文設(shè)計(jì)的低功耗多通道差動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)生器中使用的主要器件都是低功耗的，并且每個(gè)元器件的靜態(tài)電流都非常小，在低功耗的模式下，主控信號(hào)的工作電流也非常低，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出來(lái)，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中及靜態(tài)過(guò)程中的電流和輸出脈沖、脈寬是為正比的，并且后端的負(fù)載和其有著密切的聯(lián)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以了解到，系統(tǒng)在工作過(guò)程中的電流在1.5mA以下，以此實(shí)現(xiàn)了發(fā)生器的低功耗設(shè)計(jì)。

2.2 脈沖的輸出波形

圖1所示是脈沖輸出及輸入波形的關(guān)系，通過(guò)圖1a可以看出來(lái)，在A0控制端添加控制曲線(xiàn)2的波形，不僅能夠使輸入電平為低電平，還能夠使D1的輸出電平為低電平。在A1中添加控制曲線(xiàn)1的波形，那么D2的輸出波形脈寬和頻率和控制曲線(xiàn)1的波形脈寬、頻率都是3.3V。圖1b表示D1和D2的差動(dòng)輸出波形，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，負(fù)極性的脈沖極性的脈寬及脈沖頻率和A1相結(jié)合，以此決定電平的控制。如果在A0添加C中的電平，在A2中添加控制曲線(xiàn)1的電平，那么D1和D2的差動(dòng)輸出波形就是圖1c、d，也就是正極性的脈沖極性，并且其中的脈寬和脈沖頻率和A0與電平具有密切的聯(lián)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們可以看出來(lái)，輸出脈沖的脈寬、頻率及極性的控制能夠通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)端的輸入電平進(jìn)行控制，并且輸出脈沖幅值的控制能夠通過(guò)升壓電路及輸出電平兩者的占空比實(shí)現(xiàn)[3]。

通過(guò)上述實(shí)現(xiàn)可以看出來(lái)，本文中設(shè)計(jì)的低功耗多通道差動(dòng)脈信號(hào)發(fā)生器中的電路能夠?qū)崿F(xiàn)其參數(shù)的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的范圍主要包括：能夠調(diào)節(jié)的幅值電壓范圍為1.7-10V，能夠調(diào)節(jié)的精度主要為0.1V；能夠調(diào)節(jié)的脈寬范圍為20-5000μs，能夠調(diào)節(jié)的精度為5μs；能夠調(diào)節(jié)的頻率范圍為10-1000Hz，能夠調(diào)節(jié)的精度為1Hz；輸出的脈沖極性也是能夠調(diào)節(jié)的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文的主要工作就是以目前脈沖發(fā)生器中的問(wèn)題及不足，設(shè)計(jì)了具有低功耗及多通道差動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)生器，本文中所設(shè)計(jì)的發(fā)生器幅值能夠通過(guò)可控升降壓穩(wěn)定電路生成電源，從而對(duì)幅值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且能夠控制輸出端的開(kāi)端，從而對(duì)其中的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)輸出端的開(kāi)關(guān)占空比及控制的頻率，對(duì)脈沖信號(hào)的頻率及脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且發(fā)生器在運(yùn)行及靜態(tài)過(guò)程中消耗的功能較低，體積較小，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了本文中的發(fā)生器能夠滿(mǎn)足低功耗及多通道的需求。

參考文獻(xiàn)

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