基于18位數(shù)模轉換器AD760的波形發(fā)生器的設計

       信號發(fā)生器既可以構成獨立的信號源，也可以是高性能網(wǎng)絡分析儀、頻譜儀及其它自動測試設備的組成部分。信號發(fā)生器的關鍵技術是多種高性能儀器的支撐技術，因為它能夠提供高質量的精密信號源及掃頻源，可使相應系統(tǒng)的檢測過程大大簡化，降低檢測費用并極大地提高檢測精度。但是目前的產品體積大，精度低，無法滿足用戶對精度和便攜性要求高的波形發(fā)生器的需求。      
      
       AD760是AD公司開發(fā)的一種具有自校正功能的16/18位DAC器件，片內帶有電壓基準，雙緩沖寄存器和輸出放大器[1]。特別是在采用AD760的18位數(shù)據(jù)輸入時能夠獲得很高的精度。本文針對高精度波形發(fā)生器的開發(fā)，進行了以AD760為核心的波形發(fā)生器的軟硬件系統(tǒng)設計。

2.系統(tǒng)結構及功能

2.1總體結構     

       高精度波形發(fā)生器分為上層應用軟件和下層軟硬件兩大部分。其中上層軟件提供人機交互界面即操作員控制臺，用于選擇波形，生成波形數(shù)據(jù),以及串口通訊控制和人機通訊；下層硬件為I/O控制器，由CPU，DAC，計數(shù)器，定時器等模塊組成(可以考慮模塊的擴展)，主要是用于對上層波形數(shù)據(jù)的接收，存儲，同時可以單獨使用，通過CPU向DAC發(fā)送所需波形數(shù)據(jù)。如下圖所示： 

3.單片機設計部分

3.1 硬件設計   

        波形發(fā)生器由以下部分組成：   

       1. 波形存儲器：存儲各種波形數(shù)據(jù)。   

       2. 波形發(fā)生器：將波形存儲器中的波形數(shù)據(jù)轉換成模擬信號輸出，D/A轉換器和放大器組成。   

       3. 控制器：接收輸入波形的數(shù)據(jù),并將波形數(shù)據(jù)寫入波形存儲器;及控制其他部分工作。  

        硬件設計如下圖所示，設計時考慮盡量采用最少硬件來完成，縮小儀器的體積，使其達到便攜的要求。為使儀器的精度也達到要求，在設計時著重注意了以下幾個方面：

硬件設計流程圖

        DAC溫度飄：影響信號精度的重要原因來自DAC器件的溫度漂移，其中內部基準10V±0.01V,DAC的增益漂移為25PPM/℃,用AD587L外部基準電壓更換內部基準，可使PPM=5/℃，DAC增益漂移=10 PPM/℃。控制環(huán)境的溫度變化如果小于1℃，可將因為溫度漂移而受影響的精度控制在0.001%以內。所以在使用時應使信號發(fā)生器系統(tǒng)盡量處于一個相對恒定溫度環(huán)境中。      

        電源噪聲：要保證精度達到10V±0.003%的要求，即最低精度要達30uV,因而對電源噪聲要求極高，要求電源噪聲越小越好，因而模擬電源采用直流電池組，數(shù)字電源與模擬電源采用光偶隔離。      

        PCB布線：數(shù)字、模擬分離、大面積的模擬零電位鋪地，模擬信號線盡量采用粗線。在印制板的各個關鍵部位配置適當退耦電容。     

        硬件系統(tǒng)主要由單片機，D/A轉換器件AD760，存儲器，和通訊接口芯片SP3223E。單片機采用的是美國CYGNAL公司的C8051F310，該芯片有16Kflash存儲器，采用高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核，與標準的8051結構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高[2]。在一個標準的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系統(tǒng)指令周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為12-24MHz。而對于CIP-51內核，70%的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于系統(tǒng)時鐘周期。C8051F310的工作電壓是3V，本身帶有串行通訊口，但是其電平為TTL電平，需要轉換為RS232標準電平后才能和PC機通訊，所以串口通訊接口采用SP3223芯片。   

         A/D轉換器采用18位AD公司的AD760AQ，該芯片具有自校準功能，自校準后，性能達到了以下指標：

        1. 內部基準電壓：10V±0.01V 25PPM/℃   

        2. 單極性電壓輸出（內含運放）：0～10V   

        3. 輸出電流：0～5mA   

        4. 輸出建立典型時間：10us   

        AD760內部功能及管腳分布如下圖所示。其中的7~14腳具有雙重功能：當采用字節(jié)加載模式，AD760的7~14腳分別是D15~D8,D7~D0的輸入腳；當采用串行輸入加載模式時，它的12腳為18/16位選擇，13腳為MSB/LSB選擇（即決定是MSB（高位）在前還是LSB（低為）在前），14腳為SIN，串行數(shù)據(jù)輸入腳。本論文采用的18位的串行輸入模式。   

AD760內部功能及管腳分布如下圖

         AD760采用的是18位串行模式，與單片機接口只要3根線，其中的SIN為D/A轉換數(shù)據(jù)串行輸入，CS為時鐘信號，LDAC為控制信號，具體的工作時序如下：

 AD760串行傳輸方式時序圖

 4. PC機軟件設計方案   

        上層軟件是基于Windosw2000平臺用VC編寫可視化人機交互界面的軟件，完成的功能包括允許用戶編輯、繪制所需波形、設置輸出信號的幅度、頻率，通過RS232 口將數(shù)據(jù)送給單片機，也可對波形進行顯示，存儲。如下圖所示： 

程序流程圖

        用戶在計算機上輸入數(shù)據(jù)點或描述波形的表達式，由軟件實現(xiàn)對輸入波形的量化處理，得到波形數(shù)據(jù)，經計算機轉換成任意波形發(fā)生器硬件所要求的格式，存入波形數(shù)據(jù)存儲器中。在控制電路的控制下，地址發(fā)生器以一定的速率、方式把波形數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的波形數(shù)據(jù)送給DA芯片，經轉換產生量化的數(shù)字電壓波形，再經過濾波等信號處理，由功放送出用戶所需要幅值和頻率的模擬信號。   

        工作時，通過人機對話選擇波形,選擇適當?shù)墓ぷ鲄?shù),由單片機選擇存在存儲區(qū)中的相應波形文件,經AD760輸出相應的波形。波形的編輯與修改由計算機完成,然后通過接口傳輸給便攜儀器。初始設定一系列波形后,波形發(fā)生器部分可作為便攜儀器獨立使用。此后還可通過計算機編輯,增刪波形,再由串口寫入波形發(fā)生器的存儲單元。

5. 性能指標測試   

        用FLUKE 8842A臺式數(shù)字多用表對系統(tǒng)的精度指標進行測試，具體如下： 模擬電源是用了兩個12v的直流電池串聯(lián)經過DC-CD轉換后輸出的15v電源，數(shù)字電源是5v直流。同樣為了讓AD760的溫度趨于穩(wěn)定，在10分中后測量。測試數(shù)據(jù)為：輸出波形的波峰值為9.9981v；波谷值為0.18mv；波形的頻率為800Hz。第二次測試，得到的數(shù)據(jù)和第一次的有略微的差異，分析可能的原因是和電池的電量減少有關系。噪聲的測定值：其中給出的值已經是減去了調零時的初值。電源的負極0：0.21-0.22mv。電源的＋～0：0.24mv。AD760的25腳（參考電壓輸入）為：0.21mv－0.22mv。此時ad760的23腳（信號輸出）為0.25mv。實驗數(shù)據(jù)表明，精度大于0.0025％。各項指標達到了原始的設計要求。

結束語  

         本文所設計的高精度波形發(fā)生器，通過軟硬件結合的方法，簡化了硬件設備，實現(xiàn)了波形參數(shù)的獨立變化，通過VC編寫的軟件人機交互性強，操作方便。波形參數(shù)（幅度、頻率，周期）可以在一定的范圍內可控制變化，通用性好，具有較強的移植性和很高的性價比。對于不同的需求，可以使用具有支持熱插拔的1394和USB接口來代替RS232接口。

參考文獻：
1. 劉書明、劉斌 編著 高性能模數(shù)與數(shù)模轉換器件[M]。西安電子科技大學出版社，2000
2. 潘琢金　施國君　編著 C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用。北京航空航天大學出版社，2002