基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能多路信號(hào)源

　　隨著測(cè)試設(shè)備的飛速發(fā)展，其性能狀況越來(lái)越受到人們的重視，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間要對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。主測(cè)試板作為測(cè)試設(shè)備上的重要部件，它的性能好壞起著重要作用。在對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，由于沒(méi)有專(zhuān)用的信號(hào)源，一般都是安裝在設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)。這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且更重要的是增加了修理成本，因此，迫切需要專(zhuān)用的測(cè)試設(shè)備。本信號(hào)源就是針對(duì)這一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。

　　2 信號(hào)源的設(shè)計(jì)要求

　　根據(jù)對(duì)多數(shù)測(cè)試設(shè)備修理試驗(yàn)工藝的分析，該信號(hào)源具體要求如下：

　　四路電壓信號(hào)：一路電壓范圍為-25 V～25 V的直流信號(hào)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(chǎn)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(hào)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(hào)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(hào)源，要求誤差為0.01 V。

　　四路模擬溫度信號(hào)。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 信號(hào)源硬件設(shè)計(jì)及工作過(guò)程

　　本系統(tǒng)的硬件部分以Atmel公司的AT89S51單片機(jī)為核心，其外圍電路主要包括：D／A轉(zhuǎn)換電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路、集電器模擬溫度電路、通信接口電路以及看門(mén)狗復(fù)位電路。其核心部分是D／A轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)算放大電路，其他電路都是圍繞D／A轉(zhuǎn)換功能完善系統(tǒng)、保證程序正常運(yùn)行而設(shè)計(jì)的。通信接口電路實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信；集電器模擬溫度電路實(shí)現(xiàn)四路溫度的模擬；看門(mén)狗復(fù)位電路監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)，在死機(jī)或“程序走飛”時(shí)可使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。圖1所示為系統(tǒng)硬件原理結(jié)構(gòu)框圖。

　　系統(tǒng)工作過(guò)程：上位機(jī)發(fā)送控制字(包括信號(hào)通道選擇和信號(hào)幅值大小)至下位機(jī)(單片機(jī))，下位機(jī)采集控制字后，由單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)所選信號(hào)通道以及信號(hào)幅值的大小。下位機(jī)產(chǎn)生信號(hào)后，通過(guò)串行總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)并顯示在上位機(jī)相應(yīng)的虛擬面板上。產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)板卡上的外接信號(hào)輸出端口傳輸?shù)綔y(cè)試設(shè)備相應(yīng)的通道上，模擬傳感器接收信號(hào)。如果測(cè)試設(shè)備接收后顯示的信號(hào)與板卡輸出的信號(hào)大小相一致，則認(rèn)為測(cè)試設(shè)備性能良好。

　　3.2 D／A轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)算放大電路

　　D／A轉(zhuǎn)換電路采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TLC5620。它是一款帶有串行控制的4路8位電壓輸出數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)。每一路均具有兩級(jí)緩沖器(輸入鎖存器(Latch)和DAC鎖存器)、一個(gè)輸出增益開(kāi)關(guān)，一個(gè)8位DAC電路以及一個(gè)電壓輸出電路。TLC5620的編程可通過(guò)對(duì)串行控制字中的RNG位置1或清零來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(guò)簡(jiǎn)單的3線串行總線可對(duì)TLC5620進(jìn)行控制，其11位的命令字由8位數(shù)據(jù)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(shù)值寫(xiě)入器件，然后DAC輸出通過(guò)LDAC端的控制同時(shí)更新。數(shù)字輸出端帶有施密特觸發(fā)器，因此，該電路具有較高的噪聲抑制性能。

　　TLC5620采用4個(gè)電阻串(resistor-string)來(lái)實(shí)現(xiàn)D／A轉(zhuǎn)換。每一個(gè)DAC的核心是一個(gè)帶有256抽頭的單電阻，它們對(duì)應(yīng)于0～255的數(shù)字代碼。每個(gè)電阻串的一端連接到GND，另一端由基準(zhǔn)輸入緩沖器的輸出饋電。通過(guò)使用電阻串保持單調(diào)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(jīng)過(guò)緩沖，所以DAC對(duì)于基準(zhǔn)源總是呈現(xiàn)為高阻狀態(tài)。

　　每一個(gè)DAC的輸出由一個(gè)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(shí)，DAC被復(fù)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(nèi)的0或1。

　　四路+25 V模擬信號(hào)采用寬電壓輸出的運(yùn)算放大器OPA551。該運(yùn)算放大器可輸出±30 v電壓，電流最大值200 mA，可滿(mǎn)足本系統(tǒng)要求。其余采用LM324，以節(jié)約成本。方波信號(hào)采用定時(shí)器的溢出中斷來(lái)產(chǎn)生。四路溫度的模擬采用數(shù)字電位器和繼電器實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)電位器阻值大小實(shí)現(xiàn)溫度變化，由繼電器的動(dòng)作切換開(kāi)閉溫度的模擬。D／A與運(yùn)算放大器電路如圖2所示。