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1 引言
信號源作為一種電子測量和計量設備，通常可產生大量的標準信號和用戶定義信號。由于它具有高精度、高穩(wěn)定性、可重復性和易操作性等特點，而被廣泛用于自動控制系統、震動激勵、通訊和儀器儀表領域。它不僅可以模擬各種復雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態(tài)、及時的控制，并能與其它儀器進行通訊，組成自動測試系統。在各種實驗應用和實驗測試處理中，既可根據使用者的要求，作為激勵源來仿真各種測試信號，并提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要，也可作為一種測量儀器來完成一定的測試功能。然而，由于應用背景的不同和對測試、測量技術要求的提高，對信號源的頻率精度、幅值精度、信號形式等要求也越來越高，因此開發(fā)高精度信號源具有重大的意義。
所設計的高精度信號源可對存儲測試系統、數據采集系統及導彈匹配裝置進行測試，并可檢測目標設備的工作狀態(tài)和各項性能指標，為及時查找被測物體在運作中可能發(fā)生故障的原因，提供有效的測試手段，為產品設計與問題故障分析提供依據。
2 系統總體方案設計
測試系統通過USB 接口與計算機相連，由計算機軟件生成數據并完成下載，實現波形實時可控輸出。系統原理框圖如圖1 所示。
信號源的工作過程如下：計算機發(fā)出命令和波形數據，通過USB 總線傳送給USB 接口芯片，經高速串行總線下傳到單片機C8051F060,單片機對其接收到的指令和波形數據詮釋后下傳給FPGA,由FPGA 完成數據存儲、D/A 轉換、功能指示及其他邏輯控制。D/A 轉換后的模擬信號經調理電路后輸入到32 選1 開關電路進行選通，再經運放跟隨和自激振蕩消除電路處理后即可輸出。信號輸出的同時再輸入到反饋信號選擇電路，由C8051F060 自帶的16 位AD 采集反饋信號，與理論值進行比較并動態(tài)調整，組成閉環(huán)控制系統，以提高輸出信號的精度。
3 系統實現
硬件實現主要包括元器件的選擇、波形重構電路設計、信號調理技術、降噪技術等多種硬件處理技術。根據上述方案，主控制芯片選用全集成混合信號在片系統單片機C8051F060,FLASH 存儲器還具有重新編程能力，可在線調試。C8051F060 自帶16 位ADC,可采集反饋信號，符合信號源的需要，組成閉環(huán)控制系統，大大提高了系統的精度。設計中選用AD768 型D/A 轉換器，它具有16 位的分辨率，理論精度為1/216=0.002%,滿足該信號源0.01%的精度要求。該器件具有良好的直流和交流特性，最大數據更新速率為30MSPS,片上集成2.5 V 帶隙參考電壓，可保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。AD768 特殊的內部結構使其具有優(yōu)越的動態(tài)精確度，并且單線控制，操作方便。
軟件設計主要是指計算機產生各種控制命令和波形數據，制定相關通信協議，按照既定協議把命令和數據實時下傳給單片機，保證計算機與單片機之間的正確通信。USB 串行總線每次下傳8 位數據，但要求信號源精度為0.01%,用8 位數據不能達到要求，故選用了AD768.首先由計算機產生16 位的波形數據，并把每個16 位數據分離成3 個8 位數據，其他空余位用來標識高低位。在D/A 轉換前，控制模塊單片機C8051F060 和FPGA 的工作之一就是要把它們還原成原來的16 位數據，也就是數據的二次編碼，這樣AD768 收到的就是二次編碼后完整的16 位數據。
4 閉環(huán)控制系統的實現
閉環(huán)控制系統是指從輸出端到輸入端帶有反饋通道的控制系統，亦稱為反饋控制系統，如圖2 所示。該系統能對輸出量與參考輸入量進行比較，并將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間的預定關系。在該系統中，控制單元與受控對象之間不僅有順向作用，而且還有逆向聯系。作為輸入信號與反饋信號之差的誤差信號被傳送到控制單元，以便減小誤差，并使系統的輸出達到期望值。
采用反饋可使系統的響應對外部干擾和系統內部的參數變化不敏感，系統可達到較高的控制精度和較強的抗干擾能力。對于給定的被控對象，就有可能采用不太精密且成本較低的元件來構成比較精確的控制系統，這在開環(huán)情況下，是不可能做到的。閉環(huán)控制主要通過對反饋信號進行回采校正實現。在模擬信號的輸出端增設反饋、校正模塊，可任意選擇某一路信號進行反饋，由C8051F060 集成ADC 采集。反饋采集命令和反饋通道都是由計算機發(fā)出。在此使用SAR ADC0,其初始化和采集流程圖見圖3。
將反饋電壓采集回來的電壓通過單片機的串口上傳到計算機，與給定值比較，進行輸入校正，直至其輸出精度達到0.01%.反饋閉環(huán)控制使該信號源的響應對外部干擾和系統內部的參數變化不敏感，達到了較高的控制精度和較強的抗干擾能力。
5 測試結果及分析
對信號源的輸出測量主要包括幅值精度測量和通道干擾測量。前者主要測量信號輸出的線性度及硬件輸出的重復性，即利用單片機生成波形數據，在FPGA 控制下，啟動D/A 轉換并穩(wěn)定后保持10 s,利用高精度萬用表對信號輸出的幅值進行測量。
5.1 線性度測量
當為波形重構電路提供的波形數據按線性規(guī)律變化時，在理論上波形輸出應為一條直線。在波形重構電路中，采用的AD768 理論步長為65 536.當波形數據在從0~65 535 變化時，最終的信號幅值將在- 12.5~+12.5 V 之間變化。對波形數據從0 開始以6 為公差進行自加，其中的一次典型測量所獲得的數據擬合后見圖4.經計算，當以6 個理論步長自加時，信號輸出幅值的平均變化為2.28 mV,則輸出精度為2.58mV/25 V≈0.009 12%.對應于圖4 可算得信號輸出幅值的平均變化為2.32 mV,則輸出精度為2.32mV/25 V≈0.009 28%,實際精度接近理論精度，滿足了設計要求。
5.2 重復性測量
重復性測量旨在測試信號源輸出的重復性，通過為波形重構電路提供循環(huán)的波形數據來考察信號源的輸出能力。其典型數據擬合波形見圖5.由該圖可見，該信號源有較好的一致性輸出能力。
6 結束語
所設計的高精度信號源將單片機、FPGA、信號調理等技術進行了有機的結合，構建了一個閉環(huán)控制自檢系統，能提供正弦、方波、三角、鋸齒及不規(guī)則信號。利用USB 總線技術，可實現計算機數據和命令的實時下載，信號源功能均通過計算機發(fā)出命令下傳給硬件實現，具有實時可編程的優(yōu)點。經實驗測量，信號源輸出信號精度可達0.01%,且信號線形度和輸出重復性較好，滿足設計要求，運行良好，性能穩(wěn)定。
作者：劉寧 甄國涌 來源：《電力電子技術》
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