全数字信号发生器的硬件设计

　工业设备常用频率量信号作为采集量，如使用光电编码器采信数据，当调试使用频率信号的设备时，由于机械等部份还未动作，无法采集信号，因此需要使用信号发生器。对于在工业现场使用的设备，其要求与实验室设备并不相同，如果直接使用实验室中所用的标准信号发生器，往往会觉得其体积过大、价格太高、使用较麻烦等。工业现场使用的设备，其绝对精度要求并不高，关键要稳定可靠，便于携带和使用。
一、性能分析
　　这个项目的目标是替代工业现场的频率采样装置，典型的如光电编码器。通过调查，确认最终要制作的信号发生器的性能指标如下：

频率范围：0~1Hz，以0.1Hz步进，1~500Hz，以1Hz步进；波形：矩形波或方波均可；精度：频率值的相对误差不超过±1%；功能：（1）信号发生，信号发生器以给定的频率输出信号；（2）脉冲个数计数，仪器可对本身已发出的脉冲个数进行计数；（3）设定值可存储，每次上电自动调出前次设定值。
二、初步设计
　　在确定了性能指标后，可以进行初步设计，考虑其显示、操作等方面的要求。
1、显示部分
　　待设定的频率值最高为500HZ，只要3位数码管即可；要求对输出脉冲计数，虽未给出要求的计数值，但3位数码管最大仅能计到999，似乎太少了一些，再考虑到该仪器以后的扩展，如希望以后能加一些高端点频（600、700、800、900、1000、2000、5000、10K等），需要更多的数码管显示，因此最终选择5位数码管显示。
2、键盘部分
　　键盘有很多方案可供选择，如工业品中常用的三键或四键方案，当然也可以用多键（如市售有一些标准的12或16键键盘）等，经过反复比较，考虑到易制作、易使用等等诸多因素，最终将键的个数确定为5个。
　　键盘操作方案是仪器易用性的很重要的一个方面，这并非仪器的关键部分，但键盘、显示程序的工作量往往占据整个设计的很大的一部份。对键盘设计，重要的是要确定各按键功能，描述出各键的具体操作。
　　本仪器的键设计如下：
1．工作状态描述　
　　由转换键切换两种状态
（1）显示设定的频率值
（2）显示脉冲个数值
2．键定义　
　　切换键　增加键　减少键　开启/停止键　清除键
3．键操作描述
　　切换键：切换两种工作状态
　　增加和减少键：在显示设定频率值时按，按增加键、减少键设定频率，范围为0.1~500HZ，每按一次增加键，设定值加1，如果按着键不放，稍后进入连续状态，设定值快速增加；按减少键，设定值减1，如果按着键不放，稍后进入连续状态，设定值快速减少。当频率设定值小于1以后，每按一次增加或减少键，设定值增加或减少0.1。
　　开启/停止键：开始/停止信号发生
　　清除键：用于清除当前脉冲个数的计数值。
4．工作过程
　　开机后，信号发生器自动运行，有信号输出，按下“开启/停止”键，则信号发生器停止工作，没有信号输出，再次按下“开启/停止”键，则信号发生器又开始工作，继续输出信号。
　　信号灯用于指示信号发生器工作还是停止，当有信号产生时，信号指示灯闪烁，信号发生器暂停工作时，信号指示灯灭。
三、硬件电路的设计
　　在确定了性能指标、操作方案后，可以开始设计，首先要确定信号产生的方式。该信号发生器的绝对精度指标不高，但是其要求的最低频率低至0.1HZ，而最高分辨也要求达到0.1HZ，如果采用模拟技术难以达到，或需要付出较高代价才能做到。考虑到仪器的最高输出频率仅为500HZ，而且只需要提供要方波或矩形波，所以采用单片机做成全数字信号发生器。
　　在有了这一设计思想之后，需要确定该方案是否可行，该方案准备采用 单片机 的定时器产生信号，由于定时器的定时时间只能是整数，因此，不可避免会在一些频率点上产生误差，为此，用Excel对计数值、真实频率值作了测算，部分表格如表1和表2所示，经过测算表明，当采用12M晶振时，绝对误差最大约0.12HZ（492Hz处），相对误差最大约0.024%（492Hz处），可以满足要求，因此决定采用这一方案。当然，这仅是理论值，考虑到单片机定时中断的响应时间等因素，实际的误差肯定要比这个计算值大，但是要达到±1%的精度要求并不难，而其长期工作的稳定性取决于晶振的稳定度，并且晶振频率的变化引起的输出频率的变化也很微小，因此其长期工作稳定性也很好。
　　以下是部份测算的表格，完整的表格在本期光盘Excel文件中。
表1　较高频率算法
理论频率 t(ms) 真实频率 绝对误差 相对误差
10 100000 10 0.00E+00 0.00E+00
11 90909 11.00001 1.00E-06 9.09E-08
12 83333 12.00005 4.00E-06 3.33E-07
13 76923 13.00001 1.00E-06 7.69E-08
14 71429 13.99992 -6.00E-06 -4.29E-07
15 66667 14.99993 -5.00E-06 -3.33E-07
16 62500 16 0.00E+00 0.00E+00
17 58824 16.99986 -8.00E-06 -4.71E-07
18 55556 17.99986 -8.00E-06 -4.44E-07
19 52632 18.99985 -8.00E-06 -4.21E-07
20 50000 20 0.00E+00 0.00E+00

表1　较低频率算法
f(hz) t(ms) 次数 频率值 误差 相对误差
0.1 10000000 5000 0.1 0.00E+00 0.00E+00
0.2 5000000 2500 0.2 0.00E+00 0.00E+00
0.3 3333333 1667 0.29994 -2.00E-04 -6.67E-04
0.4 2500000 1250 0.4 0.00E+00 0.00E+00
0.5 2000000 1000 0.5 0.00E+00 0.00E+00
0.6 1666667 833 0.60024 4.00E-04 6.67E-04
0.7 1428571 714 0.70028 4.00E-04 5.72E-04
0.8 1250000 625 0.8 0.00E+00 0.00E+00
0.9 1111111 556 0.899281 -7.99E-04 -8.88E-04
　　在确定了信号发生的方式以后，综合初步设计中提出的一些技术指标要求，进一步确定具体的实施方案。根据以往的设计经验，显示部分由 单片机 的P0口与P2口直接驱动；数据存储则采用串行EEPROM；信号由单片机的一个I/O口输出，并经驱动后输出。
　　经过上述的设计后，可以确定这个仪器的框图如图1所示。

　　原理框图出来后，选择一款合适的机壳，然后综合考虑按键、数码管的安装方式，以便进行更详细的设计。数码管和按键必须安装在印板上才能安装到面板上，数码管与 单片机 的连线较多，5位数码管，需要13根线，再加上按键的连线共有19根，如果将单片机放在另一块板上，必然要用大量导线与键盘显示板连接，而大量的连线是我们不愿意做的，这不仅使得安装困难，而且线易折断造成故障，因此干脆将单片机也装在同一块板上，只留下电源和输出电路放在另一块板上，这样，两块板间只需3根引线即可，大大降低了装配困难，也减少了故障隐患。
　　整个设计的原理图，如图2和图3所示。其中图2是主板图，提供了包括数码管显示驱动、键盘等在内的大部份功能。
　　从图中可以看到，该电路主要由这样几部份组成：
（1）数码管显示部份，由 单片机 及相关外围电路构成5位数码管显示电路；
（2）按键部份，按设计共有5个按键；
（3）EEPROM存储器，这里选择I2C接口的AT24C01A芯片；
（4）一只LED指示灯；
（5）输出管脚。
　　以上分别需要 单片机 片机的13、5、3、1、1个引脚，因此，单片机共要用到23只管脚。
　　引脚数量确定后，即可初步确定主芯片的型号，这里选用40引脚的AT89C51 单片机 。如果编程中发现内部资源（如片内RAM、ROM、定时器等）不够，可以更换为89C52等其他单片机，比较灵活。
　　图3是电源、输出部分，从图中可以看出，仪器的输出接口采用两种方式，即集电极开路（OC门）方式和射极输出方式，其中OC门方式是很多以频率信号为输出的仪器的标准输出方式，如光电编码器、霍尔开关等。
　　全数字信号发生器的硬件部分就介绍到这里，下一期将介绍程序的编写。


图2

图3