高精度正弦全自動(dòng)激勵(lì)信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.引言

　　在許多工程測(cè)量中，都需要某種固定頻率的正弦信號(hào)作為激勵(lì)源，如利用模擬傳感器的輸出情況對(duì)所研制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)單元進(jìn)行功能的驗(yàn)證：或者進(jìn)行采集量程的標(biāo)定工作等。在這些情況下，直接采用一個(gè)性能優(yōu)越的信號(hào)發(fā)生器固然可以滿足工作要求，但是這又帶來(lái)了新的問題，一方面信號(hào)發(fā)生器是外配儀器，增加了系統(tǒng)的成本，另一方面也不便于自動(dòng)化測(cè)量。利用D/A轉(zhuǎn)換器加高階濾波器的方式也可實(shí)現(xiàn)以上功能要求，但是在windows操作平臺(tái)下，對(duì)軟件技術(shù)提出了更高的要求。本文在科研項(xiàng)目的研究工作中恰好遇到了這樣一個(gè)問題，在信號(hào)的檢測(cè)與標(biāo)定工作中需要一個(gè)120Hz、峰值從0.01V到10V可調(diào)的、失真小于1%的高精度正弦激勵(lì)信號(hào)。本文采用常規(guī)的電路實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能。

2.原理與實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)述

　　本科研項(xiàng)目是基于PC-104總線的某型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要一個(gè)用于飛機(jī)振動(dòng)校準(zhǔn)的激勵(lì)信號(hào)給定單元。經(jīng)仔細(xì)分析技術(shù)指標(biāo)的要求，該單元需要一個(gè)幅值從0.01伏到10伏可調(diào)，且給定幅值穩(wěn)定、波形失真小、頻率為120Hz的交流信號(hào)源，幅值給定以0.01伏為一個(gè)間隔。如果我們利用磚碼稱重的原理，能很快地完成這一功能。顯然，信號(hào)激勵(lì)中只需要小數(shù)點(diǎn)后兩位，即正弦信號(hào)峰值變化范圍從10mV到10V，它有一位整數(shù)位、兩位小數(shù)位。如果我們集中實(shí)現(xiàn)一個(gè)120Hz的高精度正弦波振蕩器，然后從中取5伏、4伏、2伏、和l伏的“磚碼”信號(hào)，可以通過電子開關(guān)組合，再用加法器形成l伏到10伏之間的任意一個(gè)峰值，類似地用0.5伏、0.4伏、0.2伏和0.1伏的“磚碼”信號(hào)可以形成0.1伏到0.9伏的正弦信號(hào)，用0.05伏、0.04伏、0.02伏和0.01伏的“砝碼”信號(hào)可以形成0.01伏到0.09伏的正弦信號(hào)，這三組“砝碼”信號(hào)組合在一起則可以給出峰值從0.01伏到10伏、幅值變化臺(tái)階為0.01伏的任一峰值的正弦激勵(lì)信號(hào)，完全可以滿足工程的需要。

　　根據(jù)上述分析，我們?cè)O(shè)計(jì)出如圖1所示的硬件框圖。在圖1中，正弦波信號(hào)源選用MAX038芯片，其輸出正弦波頻率可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，該芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證向外提供失真度小于1%的正弦信號(hào)；為了提高信號(hào)的比例精度，所有的分壓電阻全部定制，阻值精度可達(dá)千分之一；運(yùn)放選用低漂移運(yùn)放LM124；電子開關(guān)選用高性能的MAX4536的4路單刀單擲開關(guān)；另外，考慮到電子開關(guān)導(dǎo)通后有幾十歐姆的壓降，為了減小其影響，在加法器中反饋電阻與累加電阻均選擇為幾十千歐左右，進(jìn)一步削弱電子開關(guān)導(dǎo)通電阻在比例加法器中的影響。由于以上措施的作用，可以大幅度提高電路在實(shí)際使用中的性能。

　　在圖1所示電路中，電子開關(guān)為譯碼后控制，一位控制碼控制一路開關(guān)，因此電子開關(guān)的控制共需要12個(gè)數(shù)字量輸出接口，這在筆者所采用的嵌入式系統(tǒng)中是不允許的，因?yàn)闆]有這么多的資源，為了進(jìn)一步滿足系統(tǒng)的要求，采用單并轉(zhuǎn)換技術(shù)，用三片4位移位寄存器CT1194串聯(lián)組成一個(gè)12位的移位寄存器，框圖如圖2所示。

　　圖1中，12個(gè)電子開關(guān)共有4096種組合，其每種組合對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定大小的正弦交流信號(hào)，這些電子開關(guān)的控制，雖然需要12個(gè)I/O口，但只要借助于圖2的串入并出移位寄存器，我們通過數(shù)據(jù)口DATA1和時(shí)鐘口CLK兩個(gè)輸出口可以把4096種組合的任意一種送到Q1到Q12上，從而用兩個(gè)I/O口實(shí)現(xiàn)了12路電子開關(guān)的控制。而在筆者所用的PC-104的I/O卡中，其外擴(kuò)I/O口是用8255實(shí)現(xiàn)的，由于8255的C口具有位控功能〈位置位或位清零〉，則從C口中任取兩位作為移位寄存器的數(shù)據(jù)端口和時(shí)鐘端口，在12個(gè)脈沖上升沿作用下，可以將任意一個(gè)12位二進(jìn)制數(shù)送到Q1到Q12口，從而完成對(duì)電子開關(guān)的期望控制，在圖l中Vout處得到所希望幅值大小的定頻正弦波。

3.實(shí)現(xiàn)過程

　　為了獲得激勵(lì)信號(hào)所需要的幅值，本單元使用PC.104的I/

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