一種0~20Hz超低頻信號發生器的設計與實現
時間：2022-11-17 10:18:00
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引言
雷達的天線控制系統是一個自動調整系統，其任務是使天線自動跟蹤目標。目標(例如：飛機等)在空間瞬時坐標的倍息，就是雷達天線控制系統的輸入量。要實現對雷達天線控制系統的性能測試，必須對目標信息進行模擬，為此，我們設計了一種單片機控制下的超低頻信號發生器，用其產生頻率和幅度都能改變的正弦信號模擬不同的目標信息。該超低頻信號發生器采用了主一從式雙CPU結構，通過串行通信方式將兩個CPU聯系起來。從CPU控制產生0~20hz頻率變化的正弦信號，主CPU控制所產生信號的幅度，并且充分地利用了單片機強大的程序控制和計算功能，采用查表的方法利用軟件生成了正弦信號，從而大大地節省了硬件開銷，動態地實現了目標信息的模擬。
超低頻信號發生器的硬件結構框圖如圖1所示。三要由以下部分組成：
①雙機通信部分：實現主從CPU的串行通信。②D/A轉換電路；把8031從單片機送來的正弦二進制數碼變成正弦電壓，其幅度由D/A轉換器2所輸出的參考電壓控制。③正弦信號的幅度控制電路：在8031主單片機控制的控制下產生一定幅度范圍內的參考電壓。④功率放大z把D/A變換送來的正弦電壓進行功率放大，驅動雷達天線轉動。
其工作過程是：由從CPU查詢頻率存儲單元(存放信號頻率值)，并開始執行信號生成程序，通過D/A轉換器1和兩級運算放大器，將數字量變成模擬量，從而得到超低頻的正弦信號，其正弦信號的幅度控制由主CPU控制D/A轉換器l的參考電壓，從而實現正弦信號幅度的控制，正弦信號的頻率通過主一從CPU的串行通信由主CPU預置到從CPU的頻率存儲器單元。
3超低頻信號發生器的硬件電路設計
3.1雙機通信部分
超低頻信號發生器由兩個CPU控制，主、從CPU都以MCS一51系列單片機8031為核心，配以鎖存器74LS373、和EPROM27128構成單片機最小系統。從CPU主要是產生正弦信號，經過D/A轉換和運算放大器，信號形成后經過一級功率放大送到雷達天控系統的相敏檢波器，其正弦信號的幅度、頻率均受主CPU的控制。主CPU和從CPU之間的通信采用串行通信，通信方式為異步通信，引腳是10(RXD)和110(TXD)，一個是接收，一個是發送。在本系統中主CPU通過串行通信控制從CPU，初始化串行口工作方式1，波特率為1200baud。
3.2數模(D/A)轉換部分
D/A轉換部分選用的是DAC0832。DAC0832是CMOS工藝制造的8位單片D/A轉換器，屬于R-2RT型電阻網絡的8位D/A轉換器，建立時間150ms，為電流輸出型，并且片內帶輸入數字鎖存器。DAC0832與8031接成的是單緩沖方式，由于DAC0832是電流輸出，而我們用的是模擬電壓，在這種情況下，要將輸出的電流轉換成電壓，轉換電路接成同相電壓輸出形式，其輸出電壓Vout=IR(1+R2/R1)。在D/A轉換電路中，ILE接+5V，片選信號CS和轉換控制信號XFER都通過非門連到P2.7，這樣輸出寄存器和DAC寄存器地址都是7000H，“寫”選通線WR1和WR2都和8031的“寫”信號線連接，CPU對0832執行一次“寫”操作，把一個數據直接寫入DAC寄存器，DAC0832的輸出模擬信號隨之對應變化。這樣，由CPU送來的數據SD0~SD7，通過DAC0832轉換成電流輸出，由R4、R5等將電流信號轉換成電壓信號，經反相放大使得到了所需要的超低頻正弦信號。
3.3正弦信號的幅度控制電路
正弦信號的幅度控制電路如圖1所示。由于改變D/A轉換器1的VREF腳的電壓便能控制輸出信號的幅度，因此利用主CPU控制D/A轉換器2，使之輸出不同幅度的電壓，從而去控制D/A轉換器1的VREF腳的電壓，達到幅度控制的目的。D/A轉換器2的參考電壓為+5V，其輸出模擬電壓幅度也可通過硬件進行調節，這樣幅度控制范圍可以調節。
4超低頻信號發生器的軟件實現
超低頻信號發生器的軟件的編制主要采用的是查表法。對于正弦信號，其每一個點的值的確定方法是：選取半個正弦周期，將半個周期分為254段，取254個點，讓其最大值為#FFH，因為所用的0832D/A轉換為8位的，這樣可以充分保證其轉換的精度，同時目是超低頻，頻率范圍在0.01~20Hz之間，所以兩點之間的延遲時間完全可以滿足D/A轉換的時間關系。正弦波幅值的計算公式如下：
A=100*sin(I*π/255)I=1…255
正弦波的幅度主要采用由主CPU控制D/A轉換的參考電壓來控制，正弦波頻率的變化由改變輸出點之間的延時來實現，根據正弦波的周期性和對稱性來編制匯編程序，可以很方便地得到幅度和頻率都受控的超低頻信號。
5結論
該超低頻信號發生器能夠動態地實現對雷達跟蹤目標信息的模擬，采用了主—從式雙CPU結構，充分地利用了單片機的軟硬件資源，硬件結構簡單。目前，該超低頻信號發生器已成功地應用于雷達跟蹤性能測試上，滿足了對天線控制系統頻域的開環增益，以及閉環帶寬、峰值的測試所需激勵信號的要求。