低功耗多通道差動脈沖信號發(fā)生器設(shè)計及應(yīng)用研究

陳燕婷

摘要：脈沖發(fā)生器的輸出信號存在著多種不良現(xiàn)象，比如功耗大、協(xié)調(diào)困難等，所以設(shè)計低功耗多通道差動脈沖信號具有重要的意義。本文設(shè)計的低功耗多通道差脈動信號發(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，電路較為簡單，并且能夠有效解決上述問題，實現(xiàn)輸出線號頻率、脈寬及幅值的調(diào)節(jié)。之后通過實際應(yīng)用得到，實驗和理論分析的結(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；差動脈沖信號發(fā)生器

中圖分類號：TN782 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0122-02

信號發(fā)生器一般指的是函數(shù)信號發(fā)生器，能夠產(chǎn)生某種周期波形時間信號，輸出信號的幅度及頻率都能夠調(diào)節(jié)，被廣泛應(yīng)用在自動測試、儀表及通信等方便。信號發(fā)生器的性能影響了測量結(jié)果，能夠決定結(jié)果是否正確。目前信號發(fā)生器較為重視輸出頻率、信號及幅度的完善，對于一些特殊的場合，比如導(dǎo)彈的研制、超寬帶通信技術(shù)等，要求脈沖信號較窄。因為脈沖信號的參數(shù)和其他信號不同，普通信號發(fā)生器已經(jīng)滿足不了實際工程需求，那么就要設(shè)計一個低功耗、多通道差動脈沖信號發(fā)生器。

1 低功耗多通道差動脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計

1.1 發(fā)生器的組成

本文中所設(shè)計的低功耗多通道差脈動信號發(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，通過主控模塊實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間的協(xié)調(diào)及控制。電源模塊能夠為主控模塊提供電源，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)動模塊自身具有能夠調(diào)節(jié)的脈沖信號，之后將脈沖信號通過輸出電極輸出，主控模塊能夠協(xié)調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定的工作，從而使脈沖信號滿足條件需求。

1.2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)據(jù)控制設(shè)備為外置且獨立的數(shù)據(jù)控制盒，通過串行電纜連接電腦，數(shù)據(jù)輸出端和隔離盒相互連接。數(shù)據(jù)控制設(shè)備為波形存儲和播放設(shè)備，主控制器有三個功能，分別為：（1）通過多種形式對信號波形播放進(jìn)行控制；（2）通過串行接口接收控制參數(shù)、信號波形及其他命令；（3）在永久存儲器中保存控制參數(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)控制盒通電的時候，能夠自動調(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雙口RAM，右邊的連接單片機，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波。

后端處理模塊的主要功能就是實現(xiàn)脈沖信號加減及脈沖信號的濾波，此模塊使用的硬件主要包括運算放大器。一般運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，那么可以通過非常用的電壓與運放端口進(jìn)行連接。其中的芯片選擇線性電源，其的優(yōu)點就是輸出電壓具有較高的穩(wěn)定度，并且能夠通過輸出端電阻調(diào)節(jié)輸出電壓值[1]。

1.3 微控制器模塊的設(shè)計

微控制器模塊的主要目的就是為了能夠通過脈沖控制器發(fā)出能夠滿足發(fā)生器需求的脈沖信號，將不同的低功耗產(chǎn)品功耗和性能進(jìn)行對比，本文使用專門為低功耗所設(shè)計的單片機CC5214F521作為控制器，單片機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)部具有無線通信模塊，能夠和上位機實現(xiàn)兩者的通信，對脈沖發(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

低功耗多通道差動脈信號發(fā)生器供電的額定電壓要求是3.7V，因為不同電路對電壓有著不同的需求，那么就將電源分為兩部分，分別為通過穩(wěn)壓模塊提供穩(wěn)定電壓及通過可調(diào)電壓提供幅值電壓，這兩部分電源模塊對電流及電源穩(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程中提供穩(wěn)定的電壓，本文中所設(shè)計的發(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?？烧{(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，因為脈沖發(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 低功耗多通道差動脈沖信號發(fā)生器的應(yīng)用分析

2.1 發(fā)生器的低功耗測試

通過上述描述可以了解到，本文設(shè)計的低功耗多通道差動脈沖信號發(fā)生器中使用的主要器件都是低功耗的，并且每個元器件的靜態(tài)電流都非常小，在低功耗的模式下，主控信號的工作電流也非常低，通過實驗可以看出來，系統(tǒng)在運行過程中及靜態(tài)過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。通過實驗可以了解到，系統(tǒng)在工作過程中的電流在1.5mA以下，以此實現(xiàn)了發(fā)生器的低功耗設(shè)計。

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，通過圖1a可以看出來，在A0控制端添加控制曲線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1的波形，那么D2的輸出波形脈寬和頻率和控制曲線1的波形脈寬、頻率都是3.3V。圖1b表示D1和D2的差動輸出波形，簡單來說，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1的電平，那么D1和D2的差動輸出波形就是圖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。通過實驗我們可以看出來，輸出脈沖的脈寬、頻率及極性的控制能夠通過模擬開關(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升壓電路及輸出電平兩者的占空比實現(xiàn)[3]。

通過上述實現(xiàn)可以看出來，本文中設(shè)計的低功耗多通道差動脈信號發(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

本文的主要工作就是以目前脈沖發(fā)生器中的問題及不足，設(shè)計了具有低功耗及多通道差動脈沖信號發(fā)生器，本文中所設(shè)計的發(fā)生器幅值能夠通過可控升降壓穩(wěn)定電路生成電源，從而對幅值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且能夠控制輸出端的開端，從而對其中的脈沖信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過對輸出端的開關(guān)占空比及控制的頻率，對脈沖信號的頻率及脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且發(fā)生器在運行及靜態(tài)過程中消耗的功能較低，體積較小，結(jié)構(gòu)較為簡單，通過實驗證明了本文中的發(fā)生器能夠滿足低功耗及多通道的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]高峰.可視化、多通道脈沖信號發(fā)生器的研制與開發(fā)[D].電子科技大學(xué)，2003.

[2]張雷.多通道脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]熊慧，董錕，付亞濤，等.低功耗多通道差動脈沖發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014（1）：50-54.endprint