单片机的专用信号发生器设计与应用

文章摘要：摘 要：本文设计了一种基于单片机的模拟角位移传感器输出信号的电子装置，它以单片机为核心，经过D/A转换和放大电路的处理，最后输出反应角位移的基准信号和测角信号。关键词：角位移传感器 单片机 D/A 一 前 言在简易制导武器中，角位移传感器是姿态修正系统的敏感元件，用来测量弹体的角运动参数并以电信号形式给出三个信息。其中输出两路幅值相等相位相差90°的正弦信号作为弹体偏转测量的基准信号；另一路输出测角信号，该信号相对基准信号的相位反映角偏差的方向、幅值反映角偏差量。专用信号发生器就是模拟角位移输出信号的装置，用来进行后续解调电路以及功放电路的检测。它以单片机为核心，经过D/A转换和放大电路的处理

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摘 要：本文设计了一种基于单片机的模拟角位移传感器输出信号的电子装置，它以单片机为核心，经过D/A转换和放大电路的处理，最后输出反应角位移的基准信号和测角信号。
关键词：角位移传感器 单片机 D/A

一 前 言

在简易制导武器中，角位移传感器是姿态修正系统的敏感元件，用来测量弹体的角运动参数并以电信号形式给出三个信息。其中输出两路幅值相等相位相差90°的正弦信号作为弹体偏转测量的基准信号；另一路输出测角信号，该信号相对基准信号的相位反映角偏差的方向、幅值反映角偏差量。专用信号发生器就是模拟角位移输出信号的装置，用来进行后续解调电路以及功放电路的检测。它以单片机为核心，经过D/A转换和放大电路的处理，最后输出反应弹体姿态的基准信号和测角信号。

二 数学模型的建立

根据对输出信号性能指标的要求，基准信号幅值：A， 基准信号频率：f ，假设对A的精度要求为±0.01V，对f的要求为±10Hz，输出信号为正弦信号，可以建立模拟基准信号的数学表达式如下：

其中幅值的大小可以通过放大电路部分进行调节。
测角信号实时反映弹体的姿态，根据检测需要和角位移传感器的结构可以建立这一特定的Uc数学表达式为： 

其中幅值的大小可以通过放大电路进行调节，相角Ψ反映偏差的方向。

三 方案设计

信号发生器的设计任务就是产生三路信号，并且提供和主机通讯的软硬件接口。首先根据输出信号的频率和幅值进行编码，存储在单片机的ROM里，然后以一定的时间间隔依次将这些数字量送往 D/A进行转换输出，这样，只要循环不已的送数，在D/A的双极性输出端就可以得到信号波形。信号的输出时序受上位机控制。
本设计采用AT89C4051组成一个最小的单片机系统。AT89C4051是Atmel公司的一款基于MSC51 内核的简化单片机，指令与标准的51单片机兼容，带有4K可重新编程片上程序存储器，128B的数据存储器，多达15条可编程I/O线，两个16位定时器 /计数器，片上模拟比较器，一个标准串行通讯口，内部带有振荡器和时钟电路。系统的硬件结构图如图1。

3.1 时钟复位电路设计
采用单片机片内的振荡器、上电复位和外部硬件看门狗电路。看门狗采用MAXIM公司的MAX706芯片,硬件电路如图2。 MAX706可以提供至少200ms宽度的复位脉冲，为使看门狗溢出有效必须把MAX706的WDO和MR连接起来，看门狗输入WDI连接4051的任何一个I/O端口都可。MAX706在程序运行期间监控整个系统的运行，喂狗程序必须在1.6秒之内使WDI引脚电平发生改变，否则MAX706将发出复位指令，使整个系统复位，看门狗时序如图3所示。

3.2 单片机与D/A的接口电路设计
D/A选用AD公司的AD7226。AD7226是具有8位精度的四通道D/A转换器，最小分辨电压约为4mV，可以满足设计的精度要求。每个通道都有一个输入锁存器，可以对输入的数字量进行锁存；输出端带有输出缓冲放大器。AD7226有一条写入控制线WR，两条地址线A0、A1，通过地址线可以选择不同的D/A转换通道。写入时序如图4所示。

由于4051没有专门的地址和读写控制引脚，此处可以通过普通的I/O引脚参考AD7226的写入时序，利用软件进行时序模拟。可以通过改变延时的时间来改变输出的频率。图5是利用4051的P3.0、P3.1口作为A0、A1的地址线，P3.5作为WR的写入控制线的硬件参考电路，相应的示例程序如下：
…….. 
MOV P1, A ；P1口置数 
MOV P3, #0FCH ；选择通道A 
CLR P3.5 ；置P3.5 低电平 
SETB P3.5 ；置P3.5 高电平，上升沿锁存数据
LCALL DELAY ；调用延时子程序
……..

3.3 偏移电路设计
AD7226的每一个通道都可以单独用来提供单极性或双极性的输出，要获得双极性的输出必须外加运算放大器和偏移电阻，输出电压的范围取决于参考电压的大小，如图6是在单极性电源供电情况下的双极性输出电路图，要注意偏移电阻的阻值匹配。

3.4 放大电路设计
放大电路主要是对AD7226输出的双极性电压信号幅值进行处理，以达到使用的要求。放大电路的输入极增加一个一阶低通滤波器，以防止D/A输出的高频成分干扰；采用低频运放作为射随器以提高输入阻抗。放大电路部分如图7所示。 

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