基于單片機C8051F410的精確信號模擬電路設計

引言

　　在對某型發(fā)射裝置進行檢測時．需要提供三組以11.50伏為基準的精確直流電壓信號。為配合測試流程，這三組信號需要在不同的時段取18個不同的直流電壓值，幅度分布在9.33-12.13伏范圍之內(nèi)。原有的測試儀采用22個精密電阻組成的分壓器，配合波段開關選擇來產(chǎn)生這18種不同的精確直流電壓信號。這種設計方法價格昂貴，并且不能實現(xiàn)自動化檢測，需要通過手工撥動波段開關來實現(xiàn)測試步驟的轉換。為了實現(xiàn)對發(fā)射裝置的自動測試。采用微機技術設計了新型的檢測儀。新的檢查儀以CPU模塊為核心，通過程序控制D/A轉換器來產(chǎn)生這三組精確直流電壓信號，簡化了設計，降低了成本，實現(xiàn)了測試步驟的自動切換。但是在檢測儀的使用過程中發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)重測合格 （RTOK）現(xiàn)象，即檢測儀測定某件裝備不合格，但是更換儀器或重新開機后再對該裝備進行測試時結果良好．這種狀況嚴重影響裝備單位的使用和維護。后經(jīng)分析．認為主要是檢測儀中產(chǎn)生這三組精確信號的模擬電路存在工作點漂移問題，精度不高。電壓輸出不穩(wěn)定，從而導致測試狀態(tài)不正確。為了解決這個問題，本文基于C8051F410單片機。采用PWM調(diào)制技術和負反饋測量技術設計了～種新的精確信號模擬電路，有效抑制了工作點漂移問題提高了模擬電路輸出精度．解決了裝備維護使用工作中存在的實際問題。

　　1 電路結構及原理

　　電路設計采用了閉環(huán)控制結構，如圖l所示。電路以C8051F410單片機為核心．通過程序設定需要輸出電壓的初始參數(shù)，控制單片機內(nèi)部的可編程計數(shù)器陣列（PCA）產(chǎn)生適當占空比的PWM波形，經(jīng)二級信號放大電路和推挽式輸出電路放大后得到精確直流電壓信號。為了抑制-亡作點漂移并保證足夠的輸出精度，將輸出信號經(jīng)分壓后引回至C8051F410單片機，利用單片機內(nèi)部的數(shù)/模轉換器測量該電壓，并與初始設定參數(shù)相比較．通過程序調(diào)節(jié)PWM波形的占空比．從而得到具有高可靠性和較高精度的直流電壓輸出信號。

　　圖1電路結構框圖

　　本電路的基本思想就是利用單片機具有的PWM端口，在不改變PWM方渡周期的前提下．通過軟件的方法調(diào)整單片機的PWM控制寄存器來調(diào)整PWM的占空比，從而得到所需要的電壓信號。本電路所要求的單片機必須具有ADC端口和PWM端口這兩個必需條件，ADC的位數(shù)要求盡鼉高，單片機的工作速度要求盡量快。在調(diào)整輸出電壓前，單片機先快速讀取輸出電壓的大?。缓蟀言O定的輸出電壓與實際讀取到的輸出電壓進行比較，若實際電壓值偏小，則向增加輸出電壓的方向調(diào)整PWM的占空比：若實際電壓偏大，則向減小輸出電壓的方向調(diào)整PWM的占空比。經(jīng)選型發(fā)現(xiàn)，C8051F410單片機處理器最高運行時鐘可達 50MHz：具有6個PCM模塊．可實現(xiàn)PWM輸出；具有1個12位ADC模塊，滿足電壓測量精度要求。

　　2 硬件設計

　　整個電路的硬件設計主要包括C8051F410單片機的外圍電路設計、放大電路設計以及電壓反饋測量前置電路設計三個部分。如圖2所示。

　　圖2硬件電路示意圖

　　整個電路以C805IF410單片機為核心。C805IF410單片機具有P0、P1、和P2數(shù)字/模擬可配置的I/0 口，所有的數(shù)字和模擬資源都可以通過這三組24個I/O引腳使用。輸出一路精確模擬信號，需要設置—個引腳作為PWM輸出口，一個作為ADC輸入口。在這里，我們設置PO.1為PWM輸出口，P0.2為ADC輸人口。

　　C8051F410單片機外圍電路設計主要包括在線調(diào)試和下載電路、外部參考電壓電路和濾波電路設計。本文利用單片機提供的C2調(diào)試接口設計了在線調(diào)試和下載電路．如圖2左上側電路所示．通過計算機串口實現(xiàn)單片機的快速編程和系統(tǒng)在線調(diào)試。圖2下右側為外部參考電壓電路璉接到單片機的Vref引腳．為單片機ADC等模塊提供2．048伏電壓參考．可通過電位器進行調(diào)校。

　　放大電路包括二級電壓放大電路和推挽式功率輸出電路兩個部分．如圖2右側電路所示。二級信號放大電路和推挽式輸出電路均為經(jīng)典電路，在此不再贅述。

　　電壓反饋測量前置電路如圖2右側上部所示，實質為分壓電路。由于設定C8051F410單片機參考電壓為2．048伏，而輸出電壓最大值為12伏左右，因此選擇電阻R15=4.3K，R16=20K，電位器Pv1標稱電阻為5K，并可通過調(diào)節(jié)電位器來改變電壓倍數(shù)。