可滿足各種測(cè)試環(huán)境要求的多路信號(hào)源的設(shè)計(jì)

1、 引言

隨著測(cè)試設(shè)備的飛速發(fā)展，其性能狀況越來(lái)越受到人們的重視，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間要對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。主測(cè)試板作為測(cè)試設(shè)備上的重要部件，它的性能好壞起著重要作用。在對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，由于沒(méi)有專(zhuān)用的信號(hào)源，一般都是安裝在設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)。這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且更重要的是增加了修理成本，因此，迫切需要專(zhuān)用的測(cè)試設(shè)備。本信號(hào)源就是針對(duì)這一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。

2、 信號(hào)源的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)對(duì)多數(shù)測(cè)試設(shè)備修理試驗(yàn)工藝的分析，該信號(hào)源具體要求如下：

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

四路模擬溫度信號(hào)。

3、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)源硬件設(shè)計(jì)及工作過(guò)程

本系統(tǒng)的硬件部分以Atmel公司的AT89S51單片機(jī)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(yùn)算放大電路、集電器模擬溫度電路、通信接口電路以及看門(mén)狗復(fù)位電路。其核心部分是D／A轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)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(yùn)行而設(shè)計(jì)的。通信接口電路實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信；集電器模擬溫度電路實(shí)現(xiàn)四路溫度的模擬；看門(mén)狗復(fù)位電路監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)，在死機(jī)或“程序走飛”時(shí)可使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)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(guò)程：上位機(jī)發(fā)送控制字（包括信號(hào)通道選擇和信號(hào)幅值大?。┲料挛粰C(jī)（單片機(jī)），下位機(jī)采集控制字后，由單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)所選信號(hào)通道以及信號(hào)幅值的大小。下位機(jī)產(chǎn)生信號(hào)后，通過(guò)串行總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)并顯示在上位機(jī)相應(yīng)的虛擬面板上。產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)板卡上的外接信號(hào)輸出端口傳輸?shù)綔y(cè)試設(shè)備相應(yīng)的通道上，模擬傳感器接收信號(hào)。如果測(cè)試設(shè)備接收后顯示的信號(hào)與板卡輸出的信號(hào)大小相一致，則認(rèn)為測(cè)試設(shè)備性能良好。

3.2 D／A轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)算放大電路

D／A轉(zhuǎn)換電路采用美國(guó)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(jí)緩沖器（輸入鎖存器（Latch）和DAC鎖存器）、一個(gè)輸出增益開(kāi)關(guān)，一個(gè)8位DAC電路以及一個(gè)電壓輸出電路。TLC5620的編程可通過(guò)對(duì)串行控制字中的RNG位置1或清零來(lái)實(shí)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(guò)簡(jiǎn)單的3線串行總線可對(duì)TLC5620進(jìn)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(xiě)入器件，然后DAC輸出通過(guò)LDAC端的控制同時(shí)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(gè)電阻串（resistor-string）來(lái)實(shí)現(xiàn)D／A轉(zhuǎn)換。每一個(gè)DAC的核心是一個(gè)帶有256抽頭的單電阻，它們對(duì)應(yīng)于0～255的數(shù)字代碼。每個(gè)電阻串的一端連接到GND，另一端由基準(zhǔn)輸入緩沖器的輸出饋電。通過(guò)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(guò)緩沖，所以DAC對(duì)于基準(zhǔn)源總是呈現(xiàn)為高阻狀態(tài)。

每一個(gè)DAC的輸出由一個(gè)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(shí)，DAC被復(fù)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(hào)采用寬電壓輸出的運(yùn)算放大器OPA551。該運(yùn)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(hào)采用定時(shí)器的溢出中斷來(lái)產(chǎn)生。四路溫度的模擬采用數(shù)字電位器和繼電器實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)電位器阻值大小實(shí)現(xiàn)溫度變化，由繼電器的動(dòng)作切換開(kāi)閉溫度的模擬。D／A與運(yùn)算放大器電路如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊采用CAN總線和RS-232總線模塊實(shí)現(xiàn)，其電路圖如圖3所示。

RS-232電平轉(zhuǎn)換器可以將輸入的±5 V電源電壓轉(zhuǎn)換為RS-232輸出電平所需的±10 V電壓。CAN收發(fā)器選用PCA82C250。PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，可提供對(duì)CAN總線上數(shù)據(jù)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。

作為上位機(jī)的PC通過(guò)其串行接口發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生RS-232電平信號(hào)，由電平轉(zhuǎn)換電路將RS-232電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能接受的TTL／CMOS電平信號(hào)，并傳到協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)打包、轉(zhuǎn)換后，通過(guò)CAN收發(fā)器發(fā)送至CAN總線。掛在CAN總線上的下位機(jī)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)控制命令做出相應(yīng)動(dòng)作。上位機(jī)與下位機(jī)通信示意圖如圖4所示。

4 、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：上位機(jī)采用Lab-Windows／CVI為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，下位機(jī)以g6E為平臺(tái)，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。從功能上軟件設(shè)計(jì)可分為：系統(tǒng)初始化程序、主程序、串口中斷及定時(shí)器中斷程序。雙機(jī)通信協(xié)議約定如下：

aa+55+功能位+數(shù)據(jù)位+校驗(yàn)位

其中，前兩個(gè)字節(jié)為前導(dǎo)碼，第三個(gè)字節(jié)為控制命令，單片機(jī)根據(jù)此字節(jié)進(jìn)行相應(yīng)處理。第四個(gè)字節(jié)為具體控制數(shù)據(jù)，最后為校驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)此協(xié)議，上位機(jī)每次發(fā)5個(gè)字節(jié)。下位機(jī)接收到有效的前導(dǎo)碼后進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

5、 結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)試信號(hào)源已投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定，體現(xiàn)了良好的實(shí)用性與較高的性?xún)r(jià)比，完全能夠滿足各種測(cè)試環(huán)境的要求。

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