基于AT89S51單片機(jī)的PWM專用信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

    渦流無(wú)損檢測(cè)作為無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用最廣泛的方法之一，具有傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍大、不受油污等介質(zhì)影響、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、化工、航空等多個(gè)工業(yè)部門。然而由于受趨膚效應(yīng)的影響，常被限制在對(duì)導(dǎo)體表面及亞表面層的檢測(cè)上，這使其檢測(cè)應(yīng)用范圍受到了很大的限制。但是，若檢測(cè)線圈在脈沖激勵(lì)作用下，因脈沖信號(hào)中含有豐富、連續(xù)的頻率成分，所以檢測(cè)線圈中所得到的信息不僅包含了被檢測(cè)試件的表面、亞表面信息，還包含其深度信息，能夠?qū)Σ馁|(zhì)以及缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。而脈沖信號(hào)的波形、頻率、幅值、占空比等參數(shù)的改變對(duì)檢測(cè)結(jié)果有著不同的影響。因此為了獲得不同的脈沖激勵(lì)下的檢測(cè)結(jié)果。特制作了這一專用高精度大功率脈沖信號(hào)發(fā)生器。

2   硬件設(shè)計(jì)

    為滿足試驗(yàn)要求，該信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)目的是能產(chǎn)生多個(gè)波形，且頻率，電壓，占空比均可以調(diào)節(jié)的高精度，大功率脈沖信號(hào)。該信號(hào)發(fā)生器的硬件部分：通過單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出不同的波形，再經(jīng)過兩級(jí)放大以及高頻模擬開關(guān)進(jìn)行波形整形得到較為完美的波形后，再用一組達(dá)林頓管進(jìn)行電流放大得到較大功率的脈沖信號(hào)。系統(tǒng)硬件框圖如圖1示。

          圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1顯示及鍵盤與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

    為實(shí)驗(yàn)過程中觀察和調(diào)節(jié)方便，我們?cè)O(shè)置了對(duì)輸出波形最高電壓、占空比、頻率的七段管LED顯示以及對(duì)波形、波形最高電壓、占空比、頻率的鍵盤選擇。其中，LED顯示安排如下：電壓由一只七段管進(jìn)行顯示，占空比由兩只七段管，頻率有三只七段管進(jìn)行顯示；鍵盤安排如下：波形選擇鍵2 個(gè)，電壓調(diào)節(jié)鍵2個(gè)，頻率調(diào)節(jié)鍵2個(gè)，占空比調(diào)節(jié)鍵2個(gè)。六只七段管顯示與單片機(jī)接口電路如圖2示，圖中利用六只74LS164為L(zhǎng)ED管串入并出移位積存器，P3.3用于控制顯示器的輸入，2×4鍵盤與單片機(jī)接口電路如圖2示。

圖2  LE D顯示與單片機(jī)接口電路

圖3  2×4鍵盤與單片機(jī)接口電路

2.2單片機(jī)控制D/A芯片的接口電路設(shè)計(jì)

    D/A芯片選用由National Semiconductor公司生產(chǎn)的DAC0832，它是20引腳雙列直插式低功耗CMOS器件，它內(nèi)部具有兩級(jí)數(shù)據(jù)寄存器，完成8位電流D/A轉(zhuǎn)換。要得到滿足實(shí)驗(yàn)要求的波形，還必須通過DAC0832的輸出端接運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了與DAC0832較高的轉(zhuǎn)率換速相匹配，這里選用National Semiconductor公司生產(chǎn)LF357運(yùn)算放大器與之配合使用。LF357不僅具有高轉(zhuǎn)換速率，而且具有：低輸入偏置電流，低輸入偏移電流（僅為30pA）, 低輸入噪聲電流（僅為 ）,高共模抑制比，寬頻帶增益。單片機(jī)控制D/A芯片連接電路如圖4示。

圖4   D/A芯片的接口電路

2.3波形整形及放大電路設(shè)計(jì)

    由于經(jīng)DAC0832及外接的運(yùn)算放大器輸出的波形仍然不夠平滑，還有DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)的上升沿，因此必須對(duì)輸出波形進(jìn)行整形以滿足我們的實(shí)驗(yàn)要求。波形整形芯片選用MAX4624，它是MAXIM公司生產(chǎn)的低開路電阻，低電壓先合后開單刀雙擲模擬開關(guān)。它具有過電流保護(hù)；能夠快速開閉，閉合及斷開最大時(shí)間均為50ns；電路開路電阻很低，供電電源為5伏時(shí)，Ron為1歐姆，供電電源為3伏時(shí)，Ron為2歐姆，也就是說(shuō)，電路內(nèi)部開關(guān)噪聲低。為得到較大功率的脈沖信號(hào)，必須對(duì)第二級(jí)放大后的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大，這里選用兩只JFET管組成一對(duì)達(dá)林頓管進(jìn)行電流放大。同時(shí)為滿足實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)不同功率脈沖信號(hào)的要求，將第二級(jí)放大增益設(shè)計(jì)為可調(diào)的。其連接電路如圖5示。

圖5  波形整形及放大電路設(shè)計(jì)

    作為專用PWM脈沖信號(hào)發(fā)生器，常有大的瞬時(shí)變化，這時(shí)整個(gè)線路往往會(huì)電源引線而產(chǎn)生電路諧振，產(chǎn)生尖峰干擾信號(hào)，消除種干擾的辦法可在芯片與電源線與地之間加上適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙荨＿@里采用的是將兩個(gè)電容并聯(lián)的方法。

3  軟件設(shè)計(jì)

    根據(jù)前面的硬件描述，其軟件實(shí)現(xiàn)如圖6、7示。主程序完成程序的初始化，循環(huán)等待接受由鍵盤輸入的數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，首先確定輸出信號(hào)的波形、初始頻率并根據(jù)其波形和初頻進(jìn)行編碼，存儲(chǔ)在單片機(jī)的ROM中，然后以一定的時(shí)間間隔將這些數(shù)字量送入D/A芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，為得到不同的脈沖頻率，可通過改變輸入D/A芯片的數(shù)據(jù)間隔來(lái)改變輸出頻率。
    
                 圖6 主程序流程圖
           
               圖7  PWM子程序流程圖


4結(jié)束語(yǔ)

    本信號(hào)發(fā)生器與其它相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：①較分立元件信號(hào)發(fā)生器而言，具有頻率高，工作穩(wěn)定，容易調(diào)試等特性；②較專用DDS芯片的信號(hào)發(fā)生器而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等特性。

    本信號(hào)發(fā)生器各參數(shù)調(diào)節(jié)范圍為：脈沖占空比調(diào)節(jié)范圍為2-100%;電壓調(diào)節(jié)范圍為0-5.0V，步進(jìn)0.02V；頻率調(diào)節(jié)范圍為1KHz-100KHz。通過對(duì)軟件硬件的調(diào)試和檢測(cè)表明，該系統(tǒng)的軟件和硬件均能夠很好的工作，能夠滿足脈沖渦流探傷實(shí)驗(yàn)的特殊要求。且由于采用鍵盤調(diào)節(jié)方式以及專用的LED顯示，使我們的實(shí)驗(yàn)更加方便。但由于DAC0832芯片的建立時(shí)間的限制（其建立時(shí)間為1μs），即使使用高頻模擬開關(guān)進(jìn)行波形整形，其輸出波形仍然不夠完美。但若將DAC0832用其他建立時(shí)間較短的D/A轉(zhuǎn)換芯片來(lái)代替，如DAC712,則能夠得到非常完美的波形。

參考文獻(xiàn)：

 [1] 朱定華，戴汝平等，單片微機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京交通大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社，2003
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[3] International Semiconductor公司：DAC712技術(shù)資料
[4] International Semiconductor公司：LF357技術(shù)資料
[5]MAXIUM公司: MAX4624技術(shù)資料