自适应信号发生器方案与实现

樊　磊　吕高登

摘要：工业应用对于信号发生器有特殊要求。本文提出了一种基于微控制器的信号发生器，具有自适应调整功率输出及成本低廉等优点。

关键词：信号发生器；自适应；MCU

引言

在测试、研究或调整电子元器件、电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，常需要提供符合要求的电信号，模拟实际工作中所用待测设备激励信号。当进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。而进行系统的瞬态特性测试时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。而这种测试信号源一般采用信号发生器。

用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号，本设计可以产生可变频率及幅度的方波、正弦波及三角波，并通过简易的方法来对输出信号频率和幅度进行自适应调整及功率与外接负载的自动适配，输出信号参数直接通过液晶显示屏显示。

作为一种自适应控制系统，此信号发生器能够根据受控对象及其工作环境变化，对要求的性能指标与实际系统的性能进行比较，根据所获信息，相应修正控制规律或调整系统参数，使系统能够保持最优或次优化工作状态，从而获得满意性能。

系统结构

本系统分为供电模块、显示模块、信号产生及调整电路、功率输出及保护电路。系统框图如图1所示。供电模块为系统中其他部分提供工作所需电源。信号产生及调整单元产生实际测试所需信号，并根据需求对信号相关参数进行自适应调整。功率输出则对信号产生及调整部分所提供的信号进行功率调整。保护电路则对系统工作时遇到的一些异常情况进行必要的处理。显示单元则可以定性显示信号波形及其幅度与频率的变化，并对幅度与频率进行实时数字显示。

系统硬件电路

供电电路

根据实际要求，自行设计了一个稳压电源。系统采用外接市电220v电源。对于供电电路，可分为交流调压部分，交流一直流转换部分，及直流电平调整部分。其中直流电平调整采用开关型稳压电源。

信号产生及自适应调整

综合考虑成本、硬件及软件灵活性等因素，决定采用如下方案：

系统采用微控制器产生脉冲信号。信号经放大后，可直接通过功率放大部分输出，也可以输入到波形调整模块，产生幅度可调整的正弦波或三角波。之后再通过功率放大输出。框图如图2所示。信号的幅度、频率自适应调整以及信号输出功率的自适应调整还需要软件部分协助完成。自适应调整关键是设计好反馈回路及自适应机构。

·频率自适应调整

对于某一周期信号来说，若在一定时间间隔T内测得该信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N／T。频率自适应调整原理框图如图3所示。其中时基信号模块提供标准秒时钟，即周期为1s的脉冲信号。门限电路由时基信号控制。时基信号到来时，门限开启，被测信号通过门限电路送入计数器。时基信号结束时门限关闭，计数器停止计数。将检测信号反馈入微控制器，再由微控制器内部程序进行对输出信号频率进行相应调整，从而实现外部信号频率的自适应调整。

·幅度自适应调整

幅度自适应调整框图如图4所不。

系统采用峰值保持电路对方波脉冲的峰值电平加以采样，并结合相关控制电路对模拟信号进行短暂存储。之后，采集的数据再经过A／D转换，转为数字信号，送人微控制器。再由微控制器内部程序选择相应的分压阻值通路，从而实现信号幅度的自适应调整。而在输出时，则可将微控制器处理后的频率信号输出。

调整部分电阻与脉冲幅度对应关系如表1所示(表中阻值为采用模拟电位器所测得)。

负载功率在数值上等于负载电压乘以负载电流。因此，功率调整相当于对负载电压或电流的调整，其框图如图5所示。

功率监控部分应包括一个用于测量电流(产生一个比例输出电压)的电流检测电路和一个模拟乘法器。电流检测放大器提供与负载电流成正比的输出电压。此电压作为模拟乘法器的一个输入，而另一输入则为负载电压。乘法器输出一个与负载功率成正比的电压。功率监控部分再经A／D将数据送入微控制器。由微控制器将采入的数据与存储好的数据表对照，采取相应措施，调节数字电位器控制功率电平。从而实现功率的自适应调整。

保护电路

在保护电路模块中，首先对功率放大后的信号进行电流采样。再经滤波调整后输入比较器。比较器的男一端输入可调。采用双比较器级联，再将其输出与扬声器及指示灯等报警装置相连。

显示单元

显示单元采用LCD液晶屏显示。对于液晶的控制采用Mcu来完成。在液晶接口处，增加了调节背光亮度的部分。

系统软件

系统软件完成的功能包括：方波脉冲的产生、频率调整、幅度的自适应调整及液晶显示等。

系统软件采用Keil软件设计。软件设计流程图如图6所示。

图7所示为功率调整的过程。

结语

此信号发生器方案为工业方面的应用提供了一种解决方法。该方案所对应设备具有结构简单、稳定性高，抗干扰能力强等优点。