自適應(yīng)信號(hào)發(fā)生器方案與實(shí)現(xiàn)

樊　磊　呂高登

摘要：工業(yè)應(yīng)用對(duì)于信號(hào)發(fā)生器有特殊要求。本文提出了一種基于微控制器的信號(hào)發(fā)生器，具有自適應(yīng)調(diào)整功率輸出及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器；自適應(yīng)；MCU

引言

在測(cè)試、研究或調(diào)整電子元器件、電子電路及設(shè)備時(shí)，為測(cè)定電路的一些電參量，如測(cè)量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，常需要提供符合要求的電信號(hào)，模擬實(shí)際工作中所用待測(cè)設(shè)備激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測(cè)量時(shí)，需使用振幅、頻率已知的正弦信號(hào)源。而進(jìn)行系統(tǒng)的瞬態(tài)特性測(cè)試時(shí)，又需使用前沿時(shí)間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號(hào)源輸出信號(hào)的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。而這種測(cè)試信號(hào)源一般采用信號(hào)發(fā)生器。

用于產(chǎn)生被測(cè)電路所需特定參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)，本設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生可變頻率及幅度的方波、正弦波及三角波，并通過簡(jiǎn)易的方法來對(duì)輸出信號(hào)頻率和幅度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整及功率與外接負(fù)載的自動(dòng)適配，輸出信號(hào)參數(shù)直接通過液晶顯示屏顯示。

作為一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)，此信號(hào)發(fā)生器能夠根據(jù)受控對(duì)象及其工作環(huán)境變化，對(duì)要求的性能指標(biāo)與實(shí)際系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較，根據(jù)所獲信息，相應(yīng)修正控制規(guī)律或調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)能夠保持最優(yōu)或次優(yōu)化工作狀態(tài)，從而獲得滿意性能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)分為供電模塊、顯示模塊、信號(hào)產(chǎn)生及調(diào)整電路、功率輸出及保護(hù)電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。供電模塊為系統(tǒng)中其他部分提供工作所需電源。信號(hào)產(chǎn)生及調(diào)整單元產(chǎn)生實(shí)際測(cè)試所需信號(hào)，并根據(jù)需求對(duì)信號(hào)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。功率輸出則對(duì)信號(hào)產(chǎn)生及調(diào)整部分所提供的信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)整。保護(hù)電路則對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)遇到的一些異常情況進(jìn)行必要的處理。顯示單元?jiǎng)t可以定性顯示信號(hào)波形及其幅度與頻率的變化，并對(duì)幅度與頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字顯示。

系統(tǒng)硬件電路

供電電路

根據(jù)實(shí)際要求，自行設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)采用外接市電220v電源。對(duì)于供電電路，可分為交流調(diào)壓部分，交流一直流轉(zhuǎn)換部分，及直流電平調(diào)整部分。其中直流電平調(diào)整采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。

信號(hào)產(chǎn)生及自適應(yīng)調(diào)整

綜合考慮成本、硬件及軟件靈活性等因素，決定采用如下方案：

系統(tǒng)采用微控制器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。信號(hào)經(jīng)放大后，可直接通過功率放大部分輸出，也可以輸入到波形調(diào)整模塊，產(chǎn)生幅度可調(diào)整的正弦波或三角波。之后再通過功率放大輸出?？驁D如圖2所示。信號(hào)的幅度、頻率自適應(yīng)調(diào)整以及信號(hào)輸出功率的自適應(yīng)調(diào)整還需要軟件部分協(xié)助完成。自適應(yīng)調(diào)整關(guān)鍵是設(shè)計(jì)好反饋回路及自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。

·頻率自適應(yīng)調(diào)整

對(duì)于某一周期信號(hào)來說，若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得該信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N／T。頻率自適應(yīng)調(diào)整原理框圖如圖3所示。其中時(shí)基信號(hào)模塊提供標(biāo)準(zhǔn)秒時(shí)鐘，即周期為1s的脈沖信號(hào)。門限電路由時(shí)基信號(hào)控制。時(shí)基信號(hào)到來時(shí)，門限開啟，被測(cè)信號(hào)通過門限電路送入計(jì)數(shù)器。時(shí)基信號(hào)結(jié)束時(shí)門限關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。將檢測(cè)信號(hào)反饋入微控制器，再由微控制器內(nèi)部程序進(jìn)行對(duì)輸出信號(hào)頻率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)頻率的自適應(yīng)調(diào)整。

·幅度自適應(yīng)調(diào)整

幅度自適應(yīng)調(diào)整框圖如圖4所不。

系統(tǒng)采用峰值保持電路對(duì)方波脈沖的峰值電平加以采樣，并結(jié)合相關(guān)控制電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行短暫存儲(chǔ)。之后，采集的數(shù)據(jù)再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，送人微控制器。再由微控制器內(nèi)部程序選擇相應(yīng)的分壓阻值通路，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度的自適應(yīng)調(diào)整。而在輸出時(shí)，則可將微控制器處理后的頻率信號(hào)輸出。

調(diào)整部分電阻與脈沖幅度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示(表中阻值為采用模擬電位器所測(cè)得)。

負(fù)載功率在數(shù)值上等于負(fù)載電壓乘以負(fù)載電流。因此，功率調(diào)整相當(dāng)于對(duì)負(fù)載電壓或電流的調(diào)整，其框圖如圖5所示。

功率監(jiān)控部分應(yīng)包括一個(gè)用于測(cè)量電流(產(chǎn)生一個(gè)比例輸出電壓)的電流檢測(cè)電路和一個(gè)模擬乘法器。電流檢測(cè)放大器提供與負(fù)載電流成正比的輸出電壓。此電壓作為模擬乘法器的一個(gè)輸入，而另一輸入則為負(fù)載電壓。乘法器輸出一個(gè)與負(fù)載功率成正比的電壓。功率監(jiān)控部分再經(jīng)A／D將數(shù)據(jù)送入微控制器。由微控制器將采入的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)好的數(shù)據(jù)表對(duì)照，采取相應(yīng)措施，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器控制功率電平。從而實(shí)現(xiàn)功率的自適應(yīng)調(diào)整。

保護(hù)電路

在保護(hù)電路模塊中，首先對(duì)功率放大后的信號(hào)進(jìn)行電流采樣。再經(jīng)濾波調(diào)整后輸入比較器。比較器的男一端輸入可調(diào)。采用雙比較器級(jí)聯(lián)，再將其輸出與揚(yáng)聲器及指示燈等報(bào)警裝置相連。

顯示單元

顯示單元采用LCD液晶屏顯示。對(duì)于液晶的控制采用Mcu來完成。在液晶接口處，增加了調(diào)節(jié)背光亮度的部分。

系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件完成的功能包括：方波脈沖的產(chǎn)生、頻率調(diào)整、幅度的自適應(yīng)調(diào)整及液晶顯示等。

系統(tǒng)軟件采用Keil軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖7所示為功率調(diào)整的過程。

結(jié)語

此信號(hào)發(fā)生器方案為工業(yè)方面的應(yīng)用提供了一種解決方法。該方案所對(duì)應(yīng)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。