工業用多功能信號發生器設計

沙 莎，姜文龍

(長春電子科技學院 電子工程學院，吉林 長春 130114)

0 引言

信號源又稱為信號發生器或振蕩器，是電子設備各種測試過程與實驗環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].現如今市場方面，傳統信號發生器在對工業現場的設備測試過程中，信號穩定性和信號精度方面有待于進一步改善和提高，因此設計了一款便攜式、高穩定性、高精度、多功能的工業現場和實驗室使用的信號發生器，方便設備工程師對現場設備調試以及故障檢測.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.優異的技術指標及眾多功能特性的完美結合可幫助用戶更快地完成工作任務，是電子工程師、實驗教學、工業現場PLC與過程儀表、電動閥門等調試的理想信號發生器.

1 系統總體設計

本系統采用模塊化設計，由電源模塊、單片機控制模塊、DDS信號發生模塊及模擬量信號輸出模塊組成.系統結構框圖如圖1所示.

電源模塊設計部分由于AD9833芯片耗熱量較大且芯片對電源穩定性要求較高，在設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，這樣設計注重了電源的穩壓特性、退耦特點等.

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

單片機控制部分，采用STM32單片機為系統核心，連接按鍵與屏幕顯示，通過AD采集放大.穩壓電源的設計如圖2所示，選用芯片LM1117作為常用的電壓轉換器件，其中AD9833使用兩片.電路最終產生的波形數據傳給單片機，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，由LCD屏幕顯示.

圖1 系統總體框圖

圖2 LM1117 穩壓電路設計

2 硬件設計

主要介紹信號產生模塊和信號調理模塊，其中信號產生模塊主要是DDS芯片AD9833，信號調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、波形穩定，并可任意調頻、調幅以達到理想波形輸出.

2.1 DDS信號產生模塊

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

本系統所使用的DDS產生模塊為AD9833 波形發生器，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，電路結構簡單，可通過單片機和軟件編程調節，輸出頻率和相位[6].波形輸出分為兩部分，一部分為AD9833所產生方波波形，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AD9833芯片產生正弦波波形，經過PA78放大電路放大后并濾波，得到相應正弦波輸出.

在電路結構方面，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相連接進行數據傳輸，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 信號調理模塊

通過AD9833數據手冊可知，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，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點.PA78芯片在傳統放大電路基礎上做了改進，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，由于輸入端的動態偏置，轉換速率達到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定性提供了極大的優化性與靈活性，輸出級具備限流保護功能.其獨特的集成工藝技術可顯著降低靜態功耗，因此不需要進行散熱處理，成本不足同類產品的四分之一[8].

2.2.2 PA78相位補償

當系統的相移值超出正常區間之后，集成運放電路的穩定性將會被打破，出現振蕩情況.因此，為進一步加強系統電路的穩定性能，必要時可以在系統集成電路之中添加一定的相位補償功能[9].在系統當中，為穩定PA78放大電路的相移值，將電容電阻的連接方式設置為雙外接，繼而實現對其相位的補償，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穩定性的控制，在此計算出了具體的電阻、電容相位補償數值，當電阻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.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.當輸出電壓與電流達到最大優化的同時，OPA552的轉換速度可達到24 V/μs，還可以同時具備12 MHz的帶寬，通過協調配合，最大增益可以高達5以上.

圖5 OPA552放大電路原理

結合外部電路補償技術，使OPA552電路既可以低頻運行，又能夠產生最低噪聲，并且在低增益情況下仍能進行高速轉換，在不同的應用環境下，使用外部電路的補償技術，可以在產生高頻噪聲情況下，仍可以使環路增益保持良好的穩定性.

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，即這里需設定高頻噪聲增益NG2的值要大于最小穩定值1/R1C2，根據表達式(1)的計算，一般選擇為10[11].

NG2=1+C1/C2=10.

(1)

當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電路產生振蕩現象.

2.3 模擬量信號輸出模塊

本系統使用的STM32103FZET6屬于增強型系列，模擬/數字(A/D)轉換、數字/模擬(D/A)轉換是該系列單片機的重要功能.STM32-DAC模塊是數字輸入、電壓輸出的數字/模擬轉換器，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換器.在雙DAC模式下，2個通道可以獨立地進行轉換，也可以同時進行轉換并同步地更新2個通道的輸出[12].

工業現場使用的設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，它具有穩定性強、精度高、漂移小等優點.如圖6所示為4～20 mA轉換電路.OPA333—單電源軌至軌運放，是很多測試設備的理想選擇，其工作電壓為2.7～5.5 V.由于其專有的自動校準技術，針對低電壓、單電源運行進行了優化，使它的失調電壓僅為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提供優異的CMRR性能，使得模數轉換電路獲得了極高的精度和穩定性.STM32的DACOUT可以由D/A1或者D/A2通道輸出，經C25濾波之后進入運算，經過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，經運放反饋后得到Vdacout=VR7=I*R7，所以I=Vdacout/R7，當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轉換電路

3 軟件設計分析

3.1 系統軟件實現方法

STM32F103ZET6單片機完成對DDS模塊AD9833的控制和人機交互.電路軟件設計包括主程序、按鍵掃描、數字模擬量轉換、運算處理及液晶顯示等程序.STM32根據檔位選擇計算頻率、幅度、占空比、相位等送給AD9833實現波形輸出；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，當然具體的數值無法顯示，其均是通過波形圖進行反映展現，具體是當AD9833累加器自動加1動作完成之后，其會將對應的輸出數值傳送到波形址域當中，在波形址域與幅值之間相互轉換后，最終時鐘信號采用幅值的大小來顯示，并且數值會自動存入DAC當中，繼而得到系統的模擬結果.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值；頻率的輸出數值用fout表示，FMCLK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據定義為高幅度區域，在中值下面的采集數據定義為低幅度區域，在高幅度區域取平均值，定義VH平均，在低幅度區域取平均值，定義VH平均，則采集的最終數據值(峰峰值)應是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 系統測試

以上介紹了信號發生器的硬件設計與軟件設計部分，下面是對實際應用調試結果驗證：

(1)通過示波器上的波形顯示可以看出，圖8為經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內可調，頻率在0 Hz～40 kHz范圍內可調，其波形相對穩定，輸出效果良好.

圖9為經PA78功率放大產生的正弦波波形，輸出波形峰峰值可在0～120 V范圍內可調，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試、工業伺服電機編碼器脈沖響應的試驗與測量.

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.技術指標如表1所示.4～20 mA/4～20 mV電流電壓可控輸出，可模擬工業設備絕大多數信號和傳感器的傳輸值，方便設備工程師對PLC等自動化設備的調試與故障檢測.無源電流輸出可作為2線制、3線制變送器模擬器，用于環路測試，測試原理如圖10和圖11所示.

圖10 應用實例1Fig.10 The application example 1

圖11 應用實例2Fig.10 The application example 2

表1 模擬量輸出技術指標

5 結論

本系統針對工業自動化需求，研究采用DDS技術通過單片機STM32控制輸出波形及模擬量信號的便攜式信號發生器，可以在一定頻率范圍內快速準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現場的PLC、變頻器、伺服電機編碼器等設備調試.可檢測和模擬壓力變送器、各類傳感器的信號，在設備設計、安裝、調試及現場故障檢測時解決實際需求.由于該信號發生器使用簡單、攜帶方便，在工業生產實踐中具有實際的使用價值和市場前景.