工業(yè)用多功能信號發(fā)生器設(shè)計

沙 莎，姜文龍

(長春電子科技學(xué)院 電子工程學(xué)院，吉林 長春 130114)

0 引言

信號源又稱為信號發(fā)生器或振蕩器，是電子設(shè)備各種測試過程與實驗環(huán)境中不可缺少的工具[1]，在通信測量、雷達控制等方面起到重要作用[2].現(xiàn)如今市場方面，傳統(tǒng)信號發(fā)生器在對工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備測試過程中，信號穩(wěn)定性和信號精度方面有待于進一步改善和提高，因此設(shè)計了一款便攜式、高穩(wěn)定性、高精度、多功能的工業(yè)現(xiàn)場和實驗室使用的信號發(fā)生器，方便設(shè)備工程師對現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試以及故障檢測.該信號源具有完全獨立的雙路DDS信號和TTL電平輸出，不僅預(yù)置了兩種常用波形信號而且為用戶提供了16組自定義波形存儲空間.采用高清LCD液晶屏，方便用戶使用.優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo)及眾多功能特性的完美結(jié)合可幫助用戶更快地完成工作任務(wù)，是電子工程師、實驗教學(xué)、工業(yè)現(xiàn)場PLC與過程儀表、電動閥門等調(diào)試的理想信號發(fā)生器.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由電源模塊、單片機控制模塊、DDS信號發(fā)生模塊及模擬量信號輸出模塊組成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

電源模塊設(shè)計部分由于AD9833芯片耗熱量較大且芯片對電源穩(wěn)定性要求較高，在設(shè)計該電源時使用雙電源分別供電，其中AD9833獨立使用一個電源，這樣設(shè)計注重了電源的穩(wěn)壓特性、退耦特點等.

電源模塊設(shè)計主要是通過穩(wěn)壓裝置將輸入交流電壓220 V轉(zhuǎn)換為直流電壓12 V輸出，然后由直流電源轉(zhuǎn)換器A1212S-2 W電源轉(zhuǎn)換為±12 V，再由穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3 V和LM1117-5 V分別轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓和5 V電壓，分別為STM32單片機和AD9833等后續(xù)電路供電.

單片機控制部分，采用STM32單片機為系統(tǒng)核心，連接按鍵與屏幕顯示，通過AD采集放大.穩(wěn)壓電源的設(shè)計如圖2所示，選用芯片LM1117作為常用的電壓轉(zhuǎn)換器件，其中AD9833使用兩片.電路最終產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)傳給單片機，單片機做出處理判斷，通過按鍵輸入并改變頻率、幅度等參數(shù)，由LCD屏幕顯示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 LM1117 穩(wěn)壓電路設(shè)計

2 硬件設(shè)計

主要介紹信號產(chǎn)生模塊和信號調(diào)理模塊，其中信號產(chǎn)生模塊主要是DDS芯片AD9833，信號調(diào)理模塊主要是對信號進行濾波和放大處理.由于篇幅有限，本文只概述方波輸出與正弦波輸出兩路，其余幾路原理基本相同，這里不再一一討論.其方波與正弦波皆能達到高幅值的輸出、波形穩(wěn)定，并可任意調(diào)頻、調(diào)幅以達到理想波形輸出.

2.1 DDS信號產(chǎn)生模塊

DDS波形生成技術(shù)在模擬信號數(shù)字化這一方面與傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)比較，可以看出它在頻率轉(zhuǎn)換速度、信號頻帶寬度、相位的連續(xù)和分辨力有著顯著提升，總體性能優(yōu)于其他類型信號源[3-4].

本系統(tǒng)所使用的DDS產(chǎn)生模塊為AD9833 波形發(fā)生器，是一塊完全集成的DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)電路[5]，只需要一個外部基準(zhǔn)時鐘(所使用的是25 MHz的有源晶振)和少許電阻器、電容器即可，不需要外接其他元件，電路結(jié)構(gòu)簡單，可通過單片機和軟件編程調(diào)節(jié)，輸出頻率和相位[6].波形輸出分為兩部分，一部分為AD9833所產(chǎn)生方波波形，然后通過OPA552放大電路最后通過濾波，使波形良好輸出；另一部分則是先經(jīng)AD9833芯片產(chǎn)生正弦波波形，經(jīng)過PA78放大電路放大后并濾波，得到相應(yīng)正弦波輸出.

在電路結(jié)構(gòu)方面，需為AD9833提供2.3～5.5 V的供電電壓，由于AD9833芯片的兼容性良好，可通過STM32單片機控制AD9833，通過單片機的串口與AD9833相連接進行數(shù)據(jù)傳輸，控制靈活方便[7].AD9833模塊電路原理圖如圖3所示，由VOUT 引腳提供各種輸出，可完成方波輸出和正弦波的輸出.

2.2 信號調(diào)理模塊

通過AD9833數(shù)據(jù)手冊可知，最大輸出電流為20 mA.由于輸出電流過小，需要對信號進行放大處理.

圖3 AD9833電路原理

2.2.1 PA78功率放大器

高壓運放芯片PA78是由Apex公司生產(chǎn)，其不僅能夠進行高壓高速運算放大，而且具有高性能和低成本的優(yōu)點.PA78芯片在傳統(tǒng)放大電路基礎(chǔ)上做了改進，將普通放大電路中的輸入級、中間放大級和輸出級這三部分集成到一個芯片上，不僅使其體積變小，同時電路的集成度也大大提高.PA78同時具備低空載電流的性能，由于輸入端的動態(tài)偏置，轉(zhuǎn)換速率達到350 V/μs，只消耗小于1 mA的空載電流.外部相位補償為帶寬和穩(wěn)定性提供了極大的優(yōu)化性與靈活性，輸出級具備限流保護功能.其獨特的集成工藝技術(shù)可顯著降低靜態(tài)功耗，因此不需要進行散熱處理，成本不足同類產(chǎn)品的四分之一[8].

2.2.2 PA78相位補償

當(dāng)系統(tǒng)的相移值超出正常區(qū)間之后，集成運放電路的穩(wěn)定性將會被打破，出現(xiàn)振蕩情況.因此，為進一步加強系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性能，必要時可以在系統(tǒng)集成電路之中添加一定的相位補償功能[9].在系統(tǒng)當(dāng)中，為穩(wěn)定PA78放大電路的相移值，將電容電阻的連接方式設(shè)置為雙外接，繼而實現(xiàn)對其相位的補償，具體連接手法是將電源的正極與Rc+、Cc+連接，負極與Rc-、Cc-連接而成[10].為了進一步加強對系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制，在此計算出了具體的電阻、電容相位補償數(shù)值，當(dāng)電阻Rc+=Rc-=3.3 kΩ，電容Cc+=Cc-=15 pF之時，此時的相移值處于最佳狀態(tài).在本文中選取陶瓷電容作為相位補償電容，這不僅耐壓值能夠達到運放的全部工作電壓，同時還具有良好的溫度特性.PA78放大電路如圖4所示.

圖4 PA78放大電路原理

2.2.3 OPA552放大器

方波信號放大處理采用的是OPA552放大器，是一款低成本運算放大器，輸出能力高達60 V，最大電流為200 mA.當(dāng)輸出電壓與電流達到最大優(yōu)化的同時，OPA552的轉(zhuǎn)換速度可達到24 V/μs，還可以同時具備12 MHz的帶寬，通過協(xié)調(diào)配合，最大增益可以高達5以上.

圖5 OPA552放大電路原理

結(jié)合外部電路補償技術(shù)，使OPA552電路既可以低頻運行，又能夠產(chǎn)生最低噪聲，并且在低增益情況下仍能進行高速轉(zhuǎn)換，在不同的應(yīng)用環(huán)境下，使用外部電路的補償技術(shù)，可以在產(chǎn)生高頻噪聲情況下，仍可以使環(huán)路增益保持良好的穩(wěn)定性.

OPA552放大原理如圖5所示，由電阻比R1/R2來決定低頻噪聲增益NG1，電容比C1/C2決定高頻噪聲增益NG2和傳輸頻帶.在選擇電容C1和C2時，要確保電路具備良好的二階低通特性，即這里需設(shè)定高頻噪聲增益NG2的值要大于最小穩(wěn)定值1/R1C2，根據(jù)表達式(1)的計算，一般選擇為10[11].

NG2=1+C1/C2=10.

(1)

當(dāng)運放電路信號增益為-1時，低頻信號增益為

NG1=1+R1/R2=2.

(2)

此時增益帶寬積的值為12 MHz，電路中的電容C1和C2的作用是避免OPA552電路產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象.

2.3 模擬量信號輸出模塊

本系統(tǒng)使用的STM32103FZET6屬于增強型系列，模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換、數(shù)字/模擬(D/A)轉(zhuǎn)換是該系列單片機的重要功能.STM32-DAC模塊是數(shù)字輸入、電壓輸出的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，STM32103FZET6的DAC模塊有2個輸出通道并帶有直接存儲訪問功能，每個通道都有單獨的轉(zhuǎn)換器.在雙DAC模式下，2個通道可以獨立地進行轉(zhuǎn)換，也可以同時進行轉(zhuǎn)換并同步地更新2個通道的輸出[12].

工業(yè)現(xiàn)場使用的設(shè)備通常情況下都會具有4～20 mA輸出/輸入接口，因此可以利用STM32DAC模塊特性，使用它自帶的DAC模塊就可以得到4～20 mA的模擬量輸出，并且STM32-DAC模塊編程使用方便，它具有穩(wěn)定性強、精度高、漂移小等優(yōu)點.如圖6所示為4～20 mA轉(zhuǎn)換電路.OPA333—單電源軌至軌運放，是很多測試設(shè)備的理想選擇，其工作電壓為2.7～5.5 V.由于其專有的自動校準(zhǔn)技術(shù)，針對低電壓、單電源運行進行了優(yōu)化，使它的失調(diào)電壓僅為10 μV，實測最低輸出為30 μV，最高輸出可達VCC-30 μV.電路組成壓控恒流源，OPA333提供優(yōu)異的CMRR性能，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換電路獲得了極高的精度和穩(wěn)定性.STM32的DACOUT可以由D/A1或者D/A2通道輸出，經(jīng)C25濾波之后進入運算，經(jīng)過1∶1緩沖，再由Q2進行電流放大，負載中的電流在R7上形成壓降，經(jīng)運放反饋后得到Vdacout=VR7=I*R7，所以I=Vdacout/R7，當(dāng)Vdacout在400～2 000 mV之間變化時，可得到4～20 mA的輸出.改變R7的大小，便可改變DACOUT的需求范圍.C17進行去抖動處理.4～20 mA信號由AN_OUT+/AN_OUT-之間輸出.

圖6 4～20 mA轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計分析

3.1 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方法

STM32F103ZET6單片機完成對DDS模塊AD9833的控制和人機交互.電路軟件設(shè)計包括主程序、按鍵掃描、數(shù)字模擬量轉(zhuǎn)換、運算處理及液晶顯示等程序.STM32根據(jù)檔位選擇計算頻率、幅度、占空比、相位等送給AD9833實現(xiàn)波形輸出；模擬電壓電流信號由A/D子程序控制；STM32最后進行運算處理，主程序流程圖如圖7所示.

圖7 主程序流程圖Fig.7 The main program flow chart

3.2 頻率控制字計算方法

本文在計算頻率控制字之時，采用了帶有二十八位的AD9833累加器，其工作原理是接收到1個時鐘信號之后，AD9833累加器會自動加1，當(dāng)然具體的數(shù)值無法顯示，其均是通過波形圖進行反映展現(xiàn)，具體是當(dāng)AD9833累加器自動加1動作完成之后，其會將對應(yīng)的輸出數(shù)值傳送到波形址域當(dāng)中，在波形址域與幅值之間相互轉(zhuǎn)換后，最終時鐘信號采用幅值的大小來顯示，并且數(shù)值會自動存入DAC當(dāng)中，繼而得到系統(tǒng)的模擬結(jié)果.另外，AD9833累加器的波形周期是采用MCLK輸出波形頻率控制字采用式(3)進行計算.

M=FMCLK/228×fout.

(3)

其中M是與頻率控制字一一對應(yīng)值；頻率的輸出數(shù)值用fout表示，F(xiàn)MCLK是AD9833加法累加器的參考時鐘信號，在文中為了保證精確度，選取了25 MHz的有源晶振，最終通過計算公式可得準(zhǔn)確的M取值0≤M≤228-1[13].

3.3 簡易濾波算法

方波信號采集完后，采用一個濾波算法，首先對所采集信號標(biāo)號，按照1，2，3，…，N進行排序，取這串信號中的中值，然后以中值做一個限制，在中值上面的采集數(shù)據(jù)定義為高幅度區(qū)域，在中值下面的采集數(shù)據(jù)定義為低幅度區(qū)域，在高幅度區(qū)域取平均值，定義VH平均，在低幅度區(qū)域取平均值，定義VH平均，則采集的最終數(shù)據(jù)值(峰峰值)應(yīng)是V高平均值減去V低平均值，采用式(4)進行計算.

VP-P=VH平均-VL平均.

(4)

這種算法的優(yōu)點是適用于一般具有隨機干擾信號進行濾波，N值取越大的時候，所采集的值誤差越小.

3.4 正弦波采集算法

4 系統(tǒng)測試

以上介紹了信號發(fā)生器的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計部分，下面是對實際應(yīng)用調(diào)試結(jié)果驗證：

(1)通過示波器上的波形顯示可以看出，圖8為經(jīng)OPA552放大電路放大后的在32 kHz頻率下方波波形輸出，最終本路方波輸出波形峰峰值范圍在0～30 V內(nèi)可調(diào)，頻率在0 Hz～40 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，其波形相對穩(wěn)定，輸出效果良好.

圖9為經(jīng)PA78功率放大產(chǎn)生的正弦波波形，輸出波形峰峰值可在0～120 V范圍內(nèi)可調(diào)，由于輸出幅值高，通過示波器檢測波形時，需要使用衰減探頭乘以10，這樣示波器上面顯示的值為實際采集值的十分之一，即圖9中此時采集的正弦波峰峰值為96.8 V，頻率為10.04 kHz，輸出波形理想.可用于電子電路試驗與調(diào)試、工業(yè)伺服電機編碼器脈沖響應(yīng)的試驗與測量.

圖8 方波輸出波形圖Fig.8 The square wave output waveform diagram

圖9 正弦波輸出波形圖Fig.9 The sine wave output waveform diagram

(2)信號發(fā)生器模擬量輸出模塊可以輸出電壓、有源電流、無源電流信號.技術(shù)指標(biāo)如表1所示.4～20 mA/4～20 mV電流電壓可控輸出，可模擬工業(yè)設(shè)備絕大多數(shù)信號和傳感器的傳輸值，方便設(shè)備工程師對PLC等自動化設(shè)備的調(diào)試與故障檢測.無源電流輸出可作為2線制、3線制變送器模擬器，用于環(huán)路測試，測試原理如圖10和圖11所示.

圖10 應(yīng)用實例1Fig.10 The application example 1

圖11 應(yīng)用實例2Fig.10 The application example 2

表1 模擬量輸出技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

本系統(tǒng)針對工業(yè)自動化需求，研究采用DDS技術(shù)通過單片機STM32控制輸出波形及模擬量信號的便攜式信號發(fā)生器，可以在一定頻率范圍內(nèi)快速準(zhǔn)確地輸出多種高頻信號，適用于實驗室中的電路實驗和工業(yè)現(xiàn)場的PLC、變頻器、伺服電機編碼器等設(shè)備調(diào)試.可檢測和模擬壓力變送器、各類傳感器的信號，在設(shè)備設(shè)計、安裝、調(diào)試及現(xiàn)場故障檢測時解決實際需求.由于該信號發(fā)生器使用簡單、攜帶方便，在工業(yè)生產(chǎn)實踐中具有實際的使用價值和市場前景.