自適應(yīng)信號發(fā)生器方案與實(shí)現(xiàn)

　　在測試、研究或調(diào)整電子元器件、電子電路及設(shè)備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，常需要提供符合要求的電信號，模擬實(shí)際工作中所用待測設(shè)備激勵信號。當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時，需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。而進(jìn)行系統(tǒng)的瞬態(tài)特性測試時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號源輸出信號的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。而這種測試信號源一般采用信號發(fā)生器。

　　用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號，本設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生可變頻率及幅度的方波、正弦波及三角波，并通過簡易的方法來對輸出信號頻率和幅度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整及功率與外接負(fù)載的自動適配，輸出信號參數(shù)直接通過液晶顯示屏顯示。

　　作為一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)，此信號發(fā)生器能夠根據(jù)受控對象及其工作環(huán)境變化，對要求的性能指標(biāo)與實(shí)際系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較,根據(jù)所獲信息,相應(yīng)修正控制規(guī)律或調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)能夠保持最優(yōu)或次優(yōu)化工作狀態(tài),從而獲得滿意性能。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)分為供電模塊、顯示模塊、信號產(chǎn)生及調(diào)整電路、功率輸出及保護(hù)電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。供電模塊為系統(tǒng)中其他部分提供工作所需電源。信號產(chǎn)生及調(diào)整單元產(chǎn)生實(shí)際測試所需信號，并根據(jù)需求對信號相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。功率輸出則對信號產(chǎn)生及調(diào)整部分所提供的信號進(jìn)行功率調(diào)整。保護(hù)電路則對系統(tǒng)工作時遇到的一些異常情況進(jìn)行必要的處理。顯示單元則可以定性顯示信號波形及其幅度與頻率的變化，并對幅度與頻率進(jìn)行實(shí)時數(shù)字顯示。

　　系統(tǒng)硬件電路

　　供電電路

　　根據(jù)實(shí)際要求，自行設(shè)計(jì)了一個穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)采用外接市電220V電源。對于供電電路，可分為交流調(diào)壓部分，交流―直流轉(zhuǎn)換部分，及直流電平調(diào)整部分。其中直流電平調(diào)整采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。

 　信號產(chǎn)生及自適應(yīng)調(diào)整

　　綜合考慮成本、硬件及軟件靈活性等因素，決定采用如下方案：

　　系統(tǒng)采用微控制器產(chǎn)生脈沖信號。信號經(jīng)放大后，可直接通過功率放大部分輸出，也可以輸入到波形調(diào)整模塊，產(chǎn)生幅度可調(diào)整的正弦波或三角波。之后再通過功率放大輸出?？驁D如圖2所示。信號的幅度、頻率自適應(yīng)調(diào)整以及信號輸出功率的自適應(yīng)調(diào)整還需要軟件部分協(xié)助完成。自適應(yīng)調(diào)整關(guān)鍵是設(shè)計(jì)好反饋回路及自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。

　　·頻率自適應(yīng)調(diào)整

　　對于某一周期信號來說，若在一定時間間隔T內(nèi)測得該信號的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。頻率自適應(yīng)調(diào)整原理框圖如圖3所示。其中時基信號模塊提供標(biāo)準(zhǔn)秒時鐘，即周期為1s的脈沖信號。門限電路由時基信號控制。時基信號到來時，門限開啟，被測信號通過門限電路送入計(jì)數(shù)器。時基信號結(jié)束時門限關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。將檢測信號反饋入微控制器，再由微控制器內(nèi)部程序進(jìn)行對輸出信號頻率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)外部信號頻率的自適應(yīng)調(diào)整。

　　·幅度自適應(yīng)調(diào)整

　　幅度自適應(yīng)調(diào)整框圖如圖4所示。

　　系統(tǒng)采用峰值保持電路對方波脈沖的峰值電平加以采樣，并結(jié)合相關(guān)控制電路對模擬信號進(jìn)行短暫存儲。之后，采集的數(shù)據(jù)再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，送入微控制器。再由微控制器內(nèi)部程序選擇相應(yīng)的分壓阻值通路，從而實(shí)現(xiàn)信號幅度的自適應(yīng)調(diào)整。而在輸出時，則可將微控制器處理后的頻率信號輸出。

　　調(diào)整部分電阻與脈沖幅度對應(yīng)關(guān)系如表1所示(表中阻值為采用模擬電位器所測得)。

　　·功率自適應(yīng)調(diào)整

　　負(fù)載功率在數(shù)值上等于負(fù)載電壓乘以負(fù)載電流。因此，功率調(diào)整相當(dāng)于對負(fù)載電壓或電流的調(diào)整，其框圖如圖5所示。

　　功率監(jiān)控部分應(yīng)包括一個用于測量電流(產(chǎn)生一個比例輸出電壓)的電流檢測電路和一個模擬乘法器。電流檢測放大器提供與負(fù)載電流成正比的輸出電壓。此電壓作為模擬乘法器的一個輸入，而另一輸入則為負(fù)載電壓。乘法器輸出一個與負(fù)載功率成正比的電壓。功率監(jiān)控部分再經(jīng)A/D將數(shù)據(jù)送入微控制器。由微控制器將采入的數(shù)據(jù)與存儲好的數(shù)據(jù)表對照，采取相應(yīng)措施，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器控制功率電平。從而實(shí)現(xiàn)功率的自適應(yīng)調(diào)整。

　保護(hù)電路

　　在保護(hù)電路模塊中，首先對功率放大后的信號進(jìn)行電流采樣。再經(jīng)濾波調(diào)整后輸入比較器。比較器的另一端輸入可調(diào)。采用雙比較器級聯(lián)，再將其輸出與揚(yáng)聲器及指示燈等報(bào)警裝置相連。

顯示單元

　　顯示單元采用LCD液晶屏顯示。對于液晶的控制采用MCU來完成。在液晶接口處，增加了調(diào)節(jié)背光亮度的部分。

　　系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件完成的功能包括：方波脈沖的產(chǎn)生、頻率調(diào)整、幅度的自適應(yīng)調(diào)整及液晶顯示等。

　　系統(tǒng)軟件采用Keil軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

　　圖7所示為功率調(diào)整的過程。

　　結(jié)語

　　此信號發(fā)生器方案為工業(yè)方面的應(yīng)用提供了一種解決方法。該方案所對應(yīng)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。