基于51单片机的信号源的设计

一、引言

随着飞机供电系统的发展，交流供电已经成为目前大多数飞机的主要供电方式。目前各 *仍延续着传统“变频器—发电机—拖动台”方式的热台调试技术。其缺点是投资大，修 理成本高，能源消耗大，操作繁杂。针对以上热台调试技术的缺点，我们进行了对航空交流供电系统冷台调试技术的研究。本文所介绍的信号源，是为冷台调试系统供电以及提供检测 信号的环节。

二、信号源主要模拟信号 在研究过程中，根据航空交流供电系统和调试工艺的要求，确定系统主要模拟的信号如 下：

发电机输出三相电压信号：频率、电压可调的三相交流信号：360-440Hz/100-300V，功 率<200VA，调节精度：频率步长≤0.1Hz，电压0.1V。

网上电压信号：频率、电压可调的单相交流信号：360-440Hz/0-120V，功率<100VA，调 节精度：频率步长≤0.1Hz，电压0.1V。

副激磁机信号：频率、电压可调的三相交流信号：700-800Hz/0-60V，功率<300VA，调 节精度：频率步长≤0.2Hz，电压0.1V。

无功电流均衡信号：与发电机输出电压信号的某一相相同或反向。0-30V，功率<30VA， 精度：电压调节≥0.1V。

有功电流均衡信号：与发电机输出电压信号的某一相相同或反向。精度：电压调节≥ 0.1V。

发电机及其馈线短路信号：与发电机输出电压信号的某一相相同或反向。功率<30VA。

三、系统硬件构成

1、设计思想

在供电系统测试中系统输出电源与发电机实际输出相比要求波形失真度小，频率改变时系统能快速稳定。从设计要求的角度出发，本系统使用了512 个样点来构成正弦信号的一个 周期波形；在功放环节采用了甲乙类互补功率放大；在频率合成部分使用锁相技术保证频率的稳定。系统流程图见图1。

 
单片机是系统的核心组成部分，通过串口与工控机通讯，接受工控机发送的调频、调相 和调幅信息，经过数据处理后控制分频器产生51.2Hz 的频率基准信号，送入频率合成器后 经锁相和锁频，得到频率为F=n×51.2Hz 的稳定的频率信号，此信号输入循环计数器产生地址信号，在加法器中与相位控制信号合成，使信号相位可调。经波形存储器，取出正弦波 形数据。由D/A 转换电路转化为正弦交流供电信号。通过乘法器使输出信号幅值可调，然 后经功率放大器进行幅值和电流放大，产生频率、相位、幅值可调的三相交流信号。

2、频率合成器

频率合成器由 8254 定时/计数器，4046 锁相环组成。电路实现如图2。

 

4046 有2 个相位比较通道，通道1 是或门结构网络，通道2 是边沿触发数字存储器网络。通道1 用于占空比为50%的信号比较，通道2 则无此限制。本系统使用了4046 的2 通道。由RL1、RL2 和电容C 组成的低通滤波器的参数决定了VCO 产生的频率范围，本系统 RL1、RL2、C 分别为150K、16K 和1μ。VCO 所产生的频率范围为180～620Hz。

由 1.8432MHz 的晶振进行36000 分频后产生的51.2Hz 频率信号F-in，与8254 的1 通道分频后的频率信号进行比较，输出频率相差电压信号从PC2 管脚引出，经低通滤波器至 VCO，产生中心频率为F-out 的振荡信号。F-out 经8254 进行n 分频后产生比较信号。频率 稳定后的F-out 输出至循环地址产生器得到波形地址。

由 4046 的原理可知频率锁定后的F-out=51.2×n。

3、循环地址产生器与波形存储器

循环地址产生器由 4526 二进制计数器实现。F-out 频率的信号接入4526 的CLK 端， F-out 的频率即是计数器的计数频率，计数器产生的12 位计数数据在4008 中与单片机发出 的相位控制信号相加，所得的12 位数据作为波形地址发送给由27256EPROM 构成的波形存储器，读取波形数据，本信号系统使用正弦波形，一个周期的波形数据分为512 个点存储。 因此，输出的交流信号的频率为：

F=F-out/512=n×51.2/512=0.1n

改变n 的值，就可以获得不同频率的信号。改变波形存储器中波形数据可产生不同形状 的波形，也可以通过增加存储波形数据来改善信号的波形。[page]

4、D/A 转换及乘法电路

D/A 电路单元由DA 转换和模拟乘法器两部分构成，均由由AD7541 和opa27 运算放大 器实现。具体电路见图3。



电路中，AD7541 与运放OPA27 之间采用了单级二元运算的连接方式。左半部分为D/A 转换电路，右半部分为模拟乘法电路。D/A 电路将波形数据转换为带有直流成分的单级正弦 波模拟信号。根据AD7541 芯片此连接方式的运算公式，得到经D/A 转换后的信号为：

Ｖout1=－VREF×（1－BX/212）

BX 为波形存储器输出的波形数字量信号。

本系统中，VREF 设定为10V，所以经D/A 转换后的得到的正弦信号为Vout1=10sin（wt）。此信号直接接至乘法器的参考端，与单片机的控制信号AM 相乘，可得到幅值可调节的交流正弦信号。转换公式为：

Vout=VREF× (1－BX/212)×（1－AM/ 212）

因此，可以通过改变AM 的数值来调整输出交流信号的幅值。即Vout=AM×10sin（wt）。

5、功放系统

功放系统分为幅值放大和电流放大两部分，分别由运算放大器和甲乙类互补功率放大器 实现。电路连接如图4。



因为D/A 电路输出信号是具有直流成分的正弦信号，为了得到双极性正弦信号，在放大器的输入端，使用电容C1 滤去直流分量。由运放的原理可得：

Uoutput/Uinput=(R2+R3)/R2

Uinput 是过滤了直流分量的正弦信号幅值，因此，通过调整R3 与R2 的电阻值，可以放大 信号幅值并可根据需要改变放大倍数。

在电流放大部分使用甲乙类互补功率放大器，减小了信号的交越失真，保证了放大后的信号波形的完整。使用达林顿管作为单体放大单元，提高输入阻抗。在功率不足以满足系统 需求时，可以并联使用以进一步增大功率放大倍数。

四、系统软件简介

本系统与配套工控机配合使用，由工控机通过串行接口对本信号源系统进行控制。工控机部分的程序由Visual Basic 编写，信号系统程序以WAV6000 为开发平台，由汇编语言编 写。

由工控机发给单片机的命令为 2 进制数，一条命令由3 字节组成，连续发送两次。单片 机正确收到并校验后，返回命令00H，否则返回FFH。如果没有正确收到，0.5 秒后才能重 发。其数据格式如表1。



从数据格式可以看出，单片机依据据命令的首字节决定进行的处理动作。第二和第三字节为具体控制数据。根据此格式，可以方便地进行系统的功能扩展。

五、结束语

本信号源系统电源电压、频率、相位以及波形形状可以根据实际情况由单片机进行调整。具备体积小、重量轻、使用方便等优点。在使用过程中系统运行可靠，输出电源信号各参数 达到系统设计要求。且已经通过了技术鉴定并在其它测试领域得到较好的应用。良好的可扩 展性与性价比增加了其使用空间。