一种0~20Hz超低频信号发生器的设计与实现
时间：2022-11-17 10:18:00
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引言
雷达的天线控制系统是一个自动调整系统，其任务是使天线自动跟踪目标。目标(例如：飞机等)在空间瞬时坐标的倍息，就是雷达天线控制系统的输入量。要实现对雷达天线控制系统的性能测试，必须对目标信息进行模拟，为此，我们设计了一种单片机控制下的超低频信号发生器，用其产生频率和幅度都能改变的正弦信号模拟不同的目标信息。该超低频信号发生器采用了主一从式双CPU结构，通过串行通信方式将两个CPU联系起来。从CPU控制产生0~20hz频率变化的正弦信号，主CPU控制所产生信号的幅度，并且充分地利用了单片机强大的程序控制和计算功能，采用查表的方法利用软件生成了正弦信号，从而大大地节省了硬件开销，动态地实现了目标信息的模拟。
超低频信号发生器的硬件结构框图如图1所示。三要由以下部分组成：
①双机通信部分：实现主从CPU的串行通信。②D/A转换电路；把8031从单片机送来的正弦二进制数码变成正弦电压，其幅度由D/A转换器2所输出的参考电压控制。③正弦信号的幅度控制电路：在8031主单片机控制的控制下产生一定幅度范围内的参考电压。④功率放大z把D/A变换送来的正弦电压进行功率放大，驱动雷达天线转动。
其工作过程是：由从CPU查询频率存储单元(存放信号频率值)，并开始执行信号生成程序，通过D/A转换器1和两级运算放大器，将数字量变成模拟量，从而得到超低频的正弦信号，其正弦信号的幅度控制由主CPU控制D/A转换器l的参考电压，从而实现正弦信号幅度的控制，正弦信号的频率通过主一从CPU的串行通信由主CPU预置到从CPU的频率存储器单元。
3超低频信号发生器的硬件电路设计
3.1双机通信部分
超低频信号发生器由两个CPU控制，主、从CPU都以MCS一51系列单片机8031为核心，配以锁存器74LS373、和EPROM27128构成单片机最小系统。从CPU主要是产生正弦信号，经过D/A转换和运算放大器，信号形成后经过一级功率放大送到雷达天控系统的相敏检波器，其正弦信号的幅度、频率均受主CPU的控制。主CPU和从CPU之间的通信采用串行通信，通信方式为异步通信，引脚是10(RXD)和110(TXD)，一个是接收，一个是发送。在本系统中主CPU通过串行通信控制从CPU，初始化串行口工作方式1，波特率为1200baud。
3.2数模(D/A)转换部分
D/A转换部分选用的是DAC0832。DAC0832是CMOS工艺制造的8位单片D/A转换器，属于R-2RT型电阻网络的8位D/A转换器，建立时间150ms，为电流输出型，并且片内带输入数字锁存器。DAC0832与8031接成的是单缓冲方式，由于DAC0832是电流输出，而我们用的是模拟电压，在这种情况下，要将输出的电流转换成电压，转换电路接成同相电压输出形式，其输出电压Vout=IR(1+R2/R1)。在D/A转换电路中，ILE接+5V，片选信号CS和转换控制信号XFER都通过非门连到P2.7，这样输出寄存器和DAC寄存器地址都是7000H，“写”选通线WR1和WR2都和8031的“写”信号线连接，CPU对0832执行一次“写”操作，把一个数据直接写入DAC寄存器，DAC0832的输出模拟信号随之对应变化。这样，由CPU送来的数据SD0~SD7，通过DAC0832转换成电流输出，由R4、R5等将电流信号转换成电压信号，经反相放大使得到了所需要的超低频正弦信号。
3.3正弦信号的幅度控制电路
正弦信号的幅度控制电路如图1所示。由于改变D/A转换器1的VREF脚的电压便能控制输出信号的幅度，因此利用主CPU控制D/A转换器2，使之输出不同幅度的电压，从而去控制D/A转换器1的VREF脚的电压，达到幅度控制的目的。D/A转换器2的参考电压为+5V，其输出模拟电压幅度也可通过硬件进行调节，这样幅度控制范围可以调节。
4超低频信号发生器的软件实现
超低频信号发生器的软件的编制主要采用的是查表法。对于正弦信号，其每一个点的值的确定方法是：选取半个正弦周期，将半个周期分为254段，取254个点，让其最大值为#FFH，因为所用的0832D/A转换为8位的，这样可以充分保证其转换的精度，同时目是超低频，频率范围在0.01~20Hz之间，所以两点之间的延迟时间完全可以满足D/A转换的时间关系。正弦波幅值的计算公式如下：
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转换的参考电压来控制，正弦波频率的变化由改变输出点之间的延时来实现，根据正弦波的周期性和对称性来编制汇编程序，可以很方便地得到幅度和频率都受控的超低频信号。
5结论
该超低频信号发生器能够动态地实现对雷达跟踪目标信息的模拟，采用了主—从式双CPU结构，充分地利用了单片机的软硬件资源，硬件结构简单。目前，该超低频信号发生器已成功地应用于雷达跟踪性能测试上，满足了对天线控制系统频域的开环增益，以及闭环带宽、峰值的测试所需激励信号的要求。