数控高精度函数信号发生器设计

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1、

第27卷
第4期
吉首大学学报(自然科学版)Vol.27
No.4



2006年7月JournalofJishouUniversity(NaturalScienceEdition)Jul.2006

文章编号:1007-2985(2006)04-0054-03
数控高精度函数信号发生器设计1,212曾庆立,彭
可,侯冬晴(1.湖南师范大学工学院,湖南长沙
410082;2.吉首大学物理科学与信息工程学院,湖南吉首
416000)摘
要:提出了一种基于PID算法实现频率高精度步进可调的方法,并结合单片机以及D
A电路,设计了一个信号频率在5~20MHz范围内,频率相对

2、误差小于0.05%的多波形信号发生器,从而克服了目前信号发生器频率调整精度差的缺点.关键词:PID算法;单片机;数字控制中图分类号:TN702





文献标识码:A在教学和科研中,广泛使用各种正弦信号发生器.目前,国内使用的各种正弦信号发生器大部分是模拟式,因而输出的正弦波波形的各项性能指标均不高,而且不能和计算机联接实现程控.为此,利用单片机技术开发数字式程控正弦信号发生器是必要的.正弦信号的产生一般有2种方法:模拟方法(采用分立元件或运算放大器和选频电路组成振荡器,这种方法的优点是电路简单、成本低,但波形精度低、稳定性差,而且不能和计算机联接);数字方法(由系统产生

3、数字化的正弦信号,然后通过D
A转换和滤波器,从而产生正弦信号.这种方法的最大特点是便于和计算机联接实现程控,产生的波形精度高、稳定性好.但其造价高,特别在要求信号频率高时造价显著升高).笔者设计的函数信号发生器控制部分采用数字反馈控制方法,信号发生部分采用集成信号发生器MAX038,从而实现了高精度、宽频率、低造价的函数发生器.1
工作原理1.1信号发生器原理框图信号发生器的原理如图1所示.该信号发生器的硬件由3部分组成:(1)单片机89C52,组成数字控制部分;(2)TLV5613和V
I电路,组成调整部分;(3)MAX038,组成信号发生器部分.工作时首先输入要产生的

4、信号频率,单片机根据输入判断频率档位,选择要接入的振荡电容Cf.然后输出的频率字由调整部分产生确定电流控制信号的频率.同时频率测量部分开始工作,实测值与设定值由数字PID算法处理,产生微调电压VFADJ至MAX038实施微调.以上3个措施实现了信号的频率的大范围,高精度的调整.图1
原理方框图
收稿日期:2006-03-11基金项目:湖南省教育厅科学研究项目(05C141)作者简介:曾庆立(1975-),男,湖南蓝山人,吉首大学物理科学与信息工程学院讲师,湖南师范大学工学院硕士生,主要从事电路设计教学与研究.第4期












曾庆立,等:数控高精度函数信号发生

5、器设计551.2各部分电路组成1.2.1函数发生部分
函数发生器由MAX038为核心构成.可以输出正弦波、三角波、矩形波等3种函数波形.MAX038的输出频率主要受振荡电容Cf,输入端电流和FADJ端电压的控制.选择1个C值,对应IIN端电流的变化,将产生一定范围的输出频率.另外,改变FADJ端的电压,可以在输入端电流控制的基础上,对输出频率实现微调控制.为实现输出频率的数控调整,在输入端和FADJ端分别连接1个电压输出的DAC,其工作原理如图2所示.首先,通过DAC产生0V(00H)到2.5V(0FFH)的输出电压,经电压
电流转换网络,产生2~750
A的电流,使之产生

6、相应的输出频率范围.DAC将此工作电流范围图2
函数发生器分为4096级步进间隔,输出频率范围也被分为4096级步进间隔.所以,输入端的电流I对输出频率实现粗调.其次,通过DAC在FADJ端产生一个很小的电压范围,输入端电压步进间隔再次细分为4096级步进间隔,从而在粗调的基础上实现微调.其输出频率为IVFADJF=(10.7).(1)Cf2.5其中:2
A

7、,它具有与8位微处理器89C52的良好接口,2.5V参考电压由MAX038提供.频率字由TLV5613转换后得到0~2.5V电压,然后由线性V
I转换成2~750
A电流实现频率的粗调.另一组由反馈控制算法产生一精密的微调电压Vref对频率进行微调.由频率公式(1)知其中2
A