朱彩霞

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學院電子工程系，江蘇淮安223003)

0 前言

信號源是電子產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)中不可缺少的部分。信號源通常作為基準信號，用來測試系統(tǒng)性能，調(diào)試系統(tǒng)的參數(shù)指標等，因此信號源要求準確、穩(wěn)定。本課題信號源和常規(guī)的信號源不同，它是一個受正弦波頻率控制的電壓源，輸出電壓與頻率呈線性關(guān)系，而且它們的線性關(guān)系是不經(jīng)過原點的直線?，F(xiàn)有的F/V轉(zhuǎn)換的器件都不能滿足要求，本文用單片機檢測正弦波的頻率，根據(jù)檢測的頻率確定D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，控制TLC5615串行D/A芯片將頻率信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，使電壓幅度與頻率大小呈線性關(guān)系。且它們的線性關(guān)系是不經(jīng)過原點的直線。用4片TLC5615和加法運算電路，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換精度的提升。

1 方案選擇

本課題研究的F/V轉(zhuǎn)換是一種特殊線性F∕V轉(zhuǎn)換，例如要求200Hz對應(yīng)1V，2000Hz對應(yīng)5V，F(xiàn)/V的關(guān)系曲線是一條不經(jīng)過原點的直線，即F/V轉(zhuǎn)換需要滿足圖1中的頻率/電壓的對應(yīng)關(guān)系。

方案一:若采用F/V轉(zhuǎn)換的專用芯片，如用現(xiàn)有的集成電路LM331構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路。頻率信號從Ui輸入，Uo輸出直流電壓，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換結(jié)果關(guān)系式如下:

顯然這是一條經(jīng)過原點的直線，與圖1所示頻率/電壓對應(yīng)關(guān)系不符。

方案二:采用單片機測量正弦波信號的頻率，再根據(jù)測量的頻率，控制D/A轉(zhuǎn)換間接實現(xiàn)F/V的轉(zhuǎn)換，即:頻率→計算數(shù)字量→D/A轉(zhuǎn)換。方法是:用單片機測量出信號的頻率，按照圖1的線性關(guān)系和轉(zhuǎn)換精度的要求，計算出D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，然后控制D/A轉(zhuǎn)換得到直流電壓。

比較兩種F/V轉(zhuǎn)換的方法，雖然專用芯片實現(xiàn)F/V轉(zhuǎn)換簡單容易，但它不能滿足本課題的要求，本系統(tǒng)采用第二種方案。

2 硬件系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)由信號處理電路、單片機基本系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換、電源等部分組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1 信號處理電路

正弦波信號不能直接送給單片機測量，信號經(jīng)過運放(運放工作電源為12V/－12V)構(gòu)成的比較器，在輸出端產(chǎn)生同頻率的方波，方波信號的幅度為±12V，運放輸出端的二極管將負電壓鉗位在0V(－0.7V)，輸出正電壓為12V 經(jīng)過7.5K 電阻和5.1K電阻分壓，使信號的幅度小于5V，然后送給單片機測量。圖3為信號處理電路。

圖3 信號處理電路

2.2 單片機測量頻率原理

由于200～2000Hz的頻率較低，為了提高頻率測量的精度，采用測量周期的方法求出頻率。單片機采用AT89S51，系統(tǒng)振蕩頻率12MHz，則機器周期為1us，200～2000Hz信號的周期范圍為5～0.5ms，以 2000Hz信號為例，周期為 0.5ms，即500 us，測量周期產(chǎn)生的誤差時間為1us，相對測量誤差為1/500=2/1000，完全滿足測量精度要求。測量周期的方法是將同頻率方波加到單片機的中斷引腳，作為中斷的觸發(fā)信號，在單片機的中斷函數(shù)中控制定時器啟動和停止，前一次觸發(fā)啟動定時器數(shù)機器周期，下一次觸發(fā)停止定時器計數(shù)，兩次中斷觸發(fā)期間定時器計數(shù)的機器周期數(shù)即為被測信號的周期，通過計算求出頻率。設(shè)測量出的機器為x(單位為us)，則頻率的計算公式為:

f=1000000/x

然后根據(jù)頻率計算出所需要數(shù)字量，控制D/A轉(zhuǎn)換輸出對應(yīng)的電壓。

2.3 D/A轉(zhuǎn)換接口電路

本設(shè)計采用10位的串行D/A TLC5615作為D/A轉(zhuǎn)換芯片。芯片引腳少，與單片機接口簡單，并且是電壓輸出型的D/A芯片，最大轉(zhuǎn)換輸出電壓是參考電壓的2倍。在片選有效的條件下，將10位的數(shù)字量依次輸入芯片的串行數(shù)據(jù)輸入端，高位在前，低位在后。

TLC5615最大的轉(zhuǎn)換電壓是參考電壓的2倍，將它的參考電壓設(shè)置為0.625V，則最大的十位數(shù)字量轉(zhuǎn)換的電壓為1.25V。這時的轉(zhuǎn)換精度是參考電壓為2.5V時，滿量程轉(zhuǎn)換輸出5V的轉(zhuǎn)換精度的4倍，相當于12位D/A轉(zhuǎn)換精度。用4個這樣的轉(zhuǎn)換電路，將4路電壓信號送給加法運算電路，就可以得到最大為5V的直流電壓。圖4為由4個TLC5615構(gòu)成的達到12位精度D/A轉(zhuǎn)換接口電路(D/A轉(zhuǎn)換精度提升)。

2.4 D/A轉(zhuǎn)換控制的數(shù)字量分配

滿量程轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為:1111111111B(1023)，對應(yīng)輸出電壓為1.25V，相應(yīng)的可以計算出輸出1V電壓所要的數(shù)字量為:1023/1.25=818。對測出的頻率需要計出相應(yīng)的12位數(shù)字量，將12位的數(shù)字量分為4個10位的數(shù)字量，分別控制4個TLC5615進行D/A轉(zhuǎn)換。由圖1的F/V關(guān)系得到D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量轉(zhuǎn)換數(shù)字量與頻率對應(yīng)關(guān)系如下:

data=(f－200)*(4092－818)/(2000－200)+818

圖4 D/A轉(zhuǎn)換接口電路

表1 各個D/A轉(zhuǎn)換控制的數(shù)字量分配關(guān)系

圖5 主程序框圖

圖6 中斷服務(wù)程序框圖

當DA＜1023時，將數(shù)字量送1#芯片轉(zhuǎn)換，其余芯片送0轉(zhuǎn)換即可。4路D/A輸出通過加法電路實現(xiàn)總的模擬電壓的輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)配合硬件電路的設(shè)計，編寫程序測量正弦波頻率，計算出控制D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，控制TLC5615轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電壓。程序設(shè)計主要由主程序和外部中斷的服務(wù)程序組成，分別如圖5和圖6所示。主程序主要完成對測量標準判斷、由周期計算出被測信號的頻率、計算出D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量、啟動D/A轉(zhuǎn)換等。外部中斷的服務(wù)程序主要完成對周期信號的周期測量，并置標志，供主程序判斷。

4 結(jié)束語

本文利用單片機測量信號頻率，再控制D/A轉(zhuǎn)換，間接地實現(xiàn)了頻率/電壓轉(zhuǎn)換過程中特殊的線性要求，解決了一些課題中的特殊要求，同時通過設(shè)置串行D/A TLC5615的參考電壓，運用加法電路等，實現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換精度的提升。

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