基于單片機設(shè)計的智能多路信號源

　　隨著測試設(shè)備的飛速發(fā)展，其性能狀況越來越受到人們的重視，經(jīng)過一段時間要對測試設(shè)備進行檢測。主測試板作為測試設(shè)備上的重要部件，它的性能好壞起著重要作用。在對其進行性能測試時，由于沒有專用的信號源，一般都是安裝在設(shè)備上進行試驗。這不僅費時費力，而且更重要的是增加了修理成本，因此，迫切需要專用的測試設(shè)備。本信號源就是針對這一問題而設(shè)計的。

　　2 信號源的設(shè)計要求

　　根據(jù)對多數(shù)測試設(shè)備修理試驗工藝的分析，該信號源具體要求如下：

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

　　四路模擬溫度信號。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1 信號源硬件設(shè)計及工作過程

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

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

　　3.2 D／A轉(zhuǎn)換電路和運算放大電路

　　D／A轉(zhuǎn)換電路采用美國德州儀器公司生產(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)。每一路均具有兩級緩沖器(輸入鎖存器(Latch)和DAC鎖存器)、一個輸出增益開關(guān)，一個8位DAC電路以及一個電壓輸出電路。TLC5620的編程可通過對串行控制字中的RNG位置1或清零來實現(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。

　　通過簡單的3線串行總線可對TLC5620進行控制，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)值寫入器件，然后DAC輸出通過LDAC端的控制同時更新。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個電阻串(resistor-string)來實現(xiàn)D／A轉(zhuǎn)換。每一個DAC的核心是一個帶有256抽頭的單電阻，它們對應于0～255的數(shù)字代碼。每個電阻串的一端連接到GND，另一端由基準輸入緩沖器的輸出饋電。通過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)過緩沖，所以DAC對于基準源總是呈現(xiàn)為高阻狀態(tài)。

　　每一個DAC的輸出由一個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，DAC被復位為全“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模擬信號采用寬電壓輸出的運算放大器OPA551。該運算放大器可輸出±30 v電壓，電流最大值200 mA，可滿足本系統(tǒng)要求。其余采用LM324，以節(jié)約成本。方波信號采用定時器的溢出中斷來產(chǎn)生。四路溫度的模擬采用數(shù)字電位器和繼電器實現(xiàn)。調(diào)節(jié)電位器阻值大小實現(xiàn)溫度變化，由繼電器的動作切換開閉溫度的模擬。D／A與運算放大器電路如圖2所示。