基于AT89S51单片机的PWM专用信号发生器设计

    涡流无损检测作为无损检测应用最广泛的方法之一，具有传感器结构简单、灵敏度高、测量范围大、不受油污等介质影响、抗干扰能力强等优点，已被广泛应用于冶金、机械、化工、航空等多个工业部门。然而由于受趋肤效应的影响，常被限制在对导体表面及亚表面层的检测上，这使其检测应用范围受到了很大的限制。但是，若检测线圈在脉冲激励作用下，因脉冲信号中含有丰富、连续的频率成分，所以检测线圈中所得到的信息不仅包含了被检测试件的表面、亚表面信息，还包含其深度信息，能够对材质以及缺陷进行定量评价。而脉冲信号的波形、频率、幅值、占空比等参数的改变对检测结果有着不同的影响。因此为了获得不同的脉冲激励下的检测结果。特制作了这一专用高精度大功率脉冲信号发生器。

2   硬件设计

    为满足试验要求，该信号发生器的设计目的是能产生多个波形，且频率，电压，占空比均可以调节的高精度，大功率脉冲信号。该信号发生器的硬件部分：通过单片机控制数模转换芯片输出不同的波形，再经过两级放大以及高频模拟开关进行波形整形得到较为完美的波形后，再用一组达林顿管进行电流放大得到较大功率的脉冲信号。系统硬件框图如图1示。

          图1 系统硬件框图

2.1显示及键盘与单片机接口电路设计

    为实验过程中观察和调节方便，我们设置了对输出波形最高电压、占空比、频率的七段管LED显示以及对波形、波形最高电压、占空比、频率的键盘选择。其中，LED显示安排如下：电压由一只七段管进行显示，占空比由两只七段管，频率有三只七段管进行显示；键盘安排如下：波形选择键2 个，电压调节键2个，频率调节键2个，占空比调节键2个。六只七段管显示与单片机接口电路如图2示，图中利用六只74LS164为LED管串入并出移位积存器，P3.3用于控制显示器的输入，2×4键盘与单片机接口电路如图2示。

图2  LE D显示与单片机接口电路

图3  2×4键盘与单片机接口电路

2.2单片机控制D/A芯片的接口电路设计

    D/A芯片选用由National Semiconductor公司生产的DAC0832，它是20引脚双列直插式低功耗CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换。要得到满足实验要求的波形，还必须通过DAC0832的输出端接运算放大器来实现。为了与DAC0832较高的转率换速相匹配，这里选用National Semiconductor公司生产LF357运算放大器与之配合使用。LF357不仅具有高转换速率，而且具有：低输入偏置电流，低输入偏移电流（仅为30pA）, 低输入噪声电流（仅为 ）,高共模抑制比，宽频带增益。单片机控制D/A芯片连接电路如图4示。

图4   D/A芯片的接口电路

2.3波形整形及放大电路设计

    由于经DAC0832及外接的运算放大器输出的波形仍然不够平滑，还有DAC0832进行D/A转换时的上升沿，因此必须对输出波形进行整形以满足我们的实验要求。波形整形芯片选用MAX4624，它是MAXIM公司生产的低开路电阻，低电压先合后开单刀双掷模拟开关。它具有过电流保护；能够快速开闭，闭合及断开最大时间均为50ns；电路开路电阻很低，供电电源为5伏时，Ron为1欧姆，供电电源为3伏时，Ron为2欧姆，也就是说，电路内部开关噪声低。为得到较大功率的脉冲信号，必须对第二级放大后的输出信号进行电流放大，这里选用两只JFET管组成一对达林顿管进行电流放大。同时为满足实验时对不同功率脉冲信号的要求，将第二级放大增益设计为可调的。其连接电路如图5示。

图5  波形整形及放大电路设计

    作为专用PWM脉冲信号发生器，常有大的瞬时变化，这时整个线路往往会电源引线而产生电路谐振，产生尖峰干扰信号，消除种干扰的办法可在芯片与电源线与地之间加上适当的去耦电容。这里采用的是将两个电容并联的方法。

3  软件设计

    根据前面的硬件描述，其软件实现如图6、7示。主程序完成程序的初始化，循环等待接受由键盘输入的数据并产生相应的脉冲信号，首先确定输出信号的波形、初始频率并根据其波形和初频进行编码，存储在单片机的ROM中，然后以一定的时间间隔将这些数字量送入D/A芯片进行转换输出，为得到不同的脉冲频率，可通过改变输入D/A芯片的数据间隔来改变输出频率。
    
                 图6 主程序流程图
           
               图7  PWM子程序流程图


4结束语

    本信号发生器与其它相比具有如下优点：①较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；②较专用DDS芯片的信号发生器而言，具有结构简单，成本低等特性。

    本信号发生器各参数调节范围为：脉冲占空比调节范围为2-100%;电压调节范围为0-5.0V，步进0.02V；频率调节范围为1KHz-100KHz。通过对软件硬件的调试和检测表明，该系统的软件和硬件均能够很好的工作，能够满足脉冲涡流探伤实验的特殊要求。且由于采用键盘调节方式以及专用的LED显示，使我们的实验更加方便。但由于DAC0832芯片的建立时间的限制（其建立时间为1μs），即使使用高频模拟开关进行波形整形，其输出波形仍然不够完美。但若将DAC0832用其他建立时间较短的D/A转换芯片来代替，如DAC712,则能够得到非常完美的波形。

参考文献：

 [1] 朱定华，戴汝平等，单片微机原理与应用[M].北京交通大学出版社，清华大学出版社，2003
[2]International Semiconductor公司：DAC0832技术资料
[3] International Semiconductor公司：DAC712技术资料
[4] International Semiconductor公司：LF357技术资料
[5]MAXIUM公司: MAX4624技术资料