高精度正弦全自动激励信号源的设计与实现文档格式.docx

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研究该课题应该具有这方面很深的专业知识和很强实验操作技术。

4实验（上机、调研）部分内容：

第一部分根据任务书的设计要求，收集、检索相关资料。

第二部分整理资料、撰写开题报告，提交指导老师进行修改。

开始撰写论文的初稿，做相关实验并获取相关数据。

第三部分和指导老师再次进行对所撰写的论文进行讨论，并做修订，再次核对实验数据，进行论文格式的规范。

利用自己的的所学的电路设计软件（PROTEL、EWB、PSPICE等），去设计图形。

利用学校的实验室进行实验操作计算一些数据并记录下来。

然后在用Microsoftword2003排版论文版面和图象处理软件加工文中图表。

5文献查阅：

1白振华.赵兴群.夏翎,袁帅.基于DDS的任意波形发生器.现代科学仪器20012王文钦.高质量微波信号源发生器研制.电子质量,2004

（2）3王永,刘志强,刘硕.DDS在任意波形发生器中的使用.仪表技术,20014McroLinearCorporation.ML2035datasheet.19975刘祥兵.电子元件使用和开发.北京：

电子工业出版社19986发出日期：

年月日7学员完成日期：

年月日指导教师签名：

学生签名：

摘摘要要本文详细地介绍了光敏Z-元件、磁敏Z-元件以及力敏Z-元件的温度补偿原理和补偿方法，供用户利用光、磁、力敏Z-元件进行使用开发时参考。

多在许多工程测量中，都需要某种固定频率的正弦信号作为激励源，如利用模拟传感器的输出情况对所研制的监测系统、检测单元进行功能的验证：

或者进行采集量程的标定工作等。

在这些情况下，直接采用一个性能优越的信号发生器固然可以满足工作要求，但是这又带来了新的问题，一方面信号发生器是外配仪器，增加了系统的成本，另一方面也不便于自动化测量。

利用D/A转换器加高阶滤波器的方式也可实现以上功能要求，但是在windows操作平台下，对软件技术提出了更高的要求。

本文在科研项目的研究工作中恰好遇到了这样一个问题，在信号的检测和标定工作中需要一个120Hz、峰值从0.01V到10V可调的、失真小于1%的高精度正弦激励信号。

本文采用常规的电路实现了这个功能。

关键词：

Z-元件敏感元件温度补偿光敏第第1章章前前言言目前基于PC-104总线的某型飞机发动机参数的检测系统，该系统需要一个用于飞机振动校准的激励信号给定单元。

经仔细分析技术指标的要求，该单元需要一个幅值从0.01伏到10伏可调，且给定幅值稳定、波形失真小、频率为120Hz的交流信号源，幅值给定以0.01伏为一个间隔。

如果我们利用砖码称重的原理，能很快地完成这一功能。

显然，信号激励中只需要小数点后两位，即正弦信号峰值变化范围从10mV到10V，它有一位整数位、两位小数位。

如果我们集中实现一个120Hz的高精度正弦波振荡器，然后从中取5伏、4伏、2伏、和l伏的“砖码”信号，可以通过电子开关组合，再用加法器形成l伏到10伏之间的任意一个峰值，类似地用0.5伏、0.4伏、0.2伏和0.1伏的“砖码”信号可以形成0.1伏到0.9伏的正弦信号，用0.05伏、0.04伏、0.02伏和0.01伏的“砝码”信号可以形成0.01伏到0.09伏的正弦信号，这三组“砝码”信号组合在一起则可以给出峰值从0.01伏到10伏、幅值变化台阶为0.01伏的任一峰值的正弦激励信号，完全可以满足工程的需要。

利用常规电路实现了固定频率的正弦信号的给定功能。

它能得到从10mV到10V之间任意幅值的正弦信号，对所需激励信号的频率及幅值的要求，精度能达到1%，且正弦信号的失真度也不超过1%。

本检测单元己在基于PC.104总线的某型飞机发动机参数的检测系统中为飞机振动校准提供了激励信号，经调试完全能满足各种参数要求。

第第2章章高精度正弦全自动激励信号源的原理高精度正弦全自动激励信号源的原理2.1激励信号原理激励信号原理本科研项目是基于PC-104总线的某型飞机发动机参数的检测系统，该系统需要一个用于飞机振动校准的激励信号给定单元。

经仔细分析技术指标的要求，该单元需要一个幅值从0.01伏到10伏可调，且给定幅值稳定、波形失真小、频率为120Hz的交流信号源，幅值给定以0.01伏为一个间隔。

显然，信号激励中只需要小数点后两位，即正弦信号峰值变化范围从10mV到10V，它有一位整数位、两位小数位。

如果我们集中实现一个120Hz的高精度正弦波振荡器，然后从中取5伏、4伏、2伏、和l伏的“砖码”信号，可以通过电子开关组合，再用加法器形成l伏到10伏之间的任意一个峰值，类似地用0.5伏、0.4伏、0.2伏和0.1伏的“砖码”信号可以形成0.1伏到0.9伏的正弦信号，用0.05伏、0.04伏、0.02伏和0.01伏的“砝码”信号可以形成0.01伏到0.09伏的正弦信号，这三组“砝码”信号组合在一起则可以给出峰值从0.01伏到10伏、幅值变化台阶为0.01伏的任一峰值的正弦激励信号，完全可以满足工程的需要。

图2-1硬件框图在图2-1中，正弦波信号源选用MAX038芯片，其输出正弦波频率可以在较宽的范围内调节，该芯片内部的结构设计可以保证向外提供失真度小于1%的正弦信号；

为了提高信号的比例精度，所有的分压电阻全部定制，阻值精度可达千分之一；

运放选用低漂移运放LM124；

电子开关选用高性能的MAX4536的4路单刀单掷开关；

另外，考虑到电子开关导通后有几十欧姆的压降，为了减小其影响，在加法器中反馈电阻和累加电阻均选择为几十千欧左右，进一步削弱电子开关导通电阻在比例加法器中的影响。

由于以上措施的作用，可以大幅度提高电路在实际使用中的性能。

在图2-1所示电路中，电子开关为译码后控制，一位控制码控制一路开关，因此电子开关的控制共需要12个数字量输出接口，这在笔者所采用的嵌入式系统中是不允许的，因为没有这么多的资源，为了进一步满足系统的要求，采用单并转换技术，用三片4位移位寄存器CT1194串联组成一个12位的移位寄存器。

图2-1中，12个电子开关共有4096种组合，其每种组合对应着一个特定大小的正弦交流信号，这些电子开关的控制，虽然需要12个I/O口，但只要借助于图2的串入并出移位寄存器，我们通过数据口DATA1和时钟口CLK两个输出口可以把4096种组合的任意一种送到Q1到Q12上，从而用两个I/O口实现了12路电子开关的控制。

而在笔者所用的PC-104的I/O卡中，其外扩I/O口是用8255实现的，由于8255的C口具有位控功能位置位或位清零，则从C口中任取两位作为移位寄存器的数据端口和时钟端口，在12个脉冲上升沿作用下，可以将任意一个12位二进制数送到Q1到Q12口，从而完成对电子开关的期望控制，在图l中Vout处得到所希望幅值大小的定频正弦波。

2.2激励信号实现过激励信号实现过程程为了获得激励信号所需要的幅值，本单元使用PC.104的I/O模块的C口的位控功能对电子开关进行控制。

首先在控制面板上给出激励信号所需的幅值，然后将此值利用5421码序列进行编码，所谓5421码是指码制相应位的权值分别为5、4、2、1，即相应位为1时所代表的十进制值分别是5、4、2、1。

具体的编码规则如表1所示。

对激励所需幅值编码后，将所得二进制编码按由低到高的顺序输入移位寄存器，该编码由寄存器并行输出给电子开关的控制端，控制开关的开闭，从而控制加法器的输出结果，获得所需幅值的正弦激励信号。

为了更详细地介绍此流程的实现过程，下面举例进行说明。

砝码十进制数对应于激励实际需要的数值：

012345678950000000011400001111012001100111010101010110输出编码0x000x010x020x030x040x050x060x070x0B0x0C转换后输出给电子开关，对输出进行控制。

为了获得激励信号所需要的幅值，本单元使用PC.104的I/O模块的C口的位控功能对电子开关进行控制。

第第3章章高精度正弦全自动激励信号高精度正弦全自动激励信号Z-元件的补偿元件的补偿3.1模拟量的输模拟量的输出出对Z-元件的模拟量输出，温度补偿的目的是克服温度变化的干扰，调整静态工作点，使输出电压稳定。

Z-元件的模拟量输出有正向（M1区）使用和反向使用两种方式。

3.2温度补偿原理和补偿方法温度补偿原理和补偿方法温度补偿时应以标准温度20为温度补偿的工作基准，其中令：

TS：

标准温度T：

工作温度QS：

标准温度时的静态工作点Q：

工作温度时的静态工作点QS：

温度补偿后的静态工作点VOS：

标准温度时的输出电压VO：

工作温度时的输出电压在标准温度TS时，由电源电压E、负载电阻RL决定的负载线和TS时的M1区伏安特性（或反向特性）相交，确定静态工作点QS，输出电压为VOS。

当环境温度从TS升高到T时，静态工作点QS沿负载线移动到Q，相应使输出电压由VOS增加到VO，且VOVOSDVO，产生输出漂移DVO，。

若采用补偿措施在环境温度T时使工作点由Q移动到QS，使输出电压恢复为VO，则可抑制输出漂移，使DVO0，达到全补偿。

3.2.1利用利用NTC热敏电阻热敏电阻基于温度补偿原理，利用NTC热敏电阻Rt取代负载电阻RL。

标准温度TS时负载电阻为Rt，当温度升高到工作温度T时，使其阻值为Rt，可使静态工作点由Q推移到QS，由于Rt.Rt，故应选NTC热敏电阻。

当温度漂移量DVO已知时，只要确定标准温度时的Rt值及合适的温度系数（即B）值，使得在工作温度时的阻值为Rt，即可达到全补偿。

3.2.2改变电源电压改变电源电压基于温度补偿原理，其中负载电阻RL值不变，当温度由TS升到T时，产生输出漂移DVO，为使DVO=0，可使ES相应增大到ES，若电源电压的调整量为DE，且DE=ES-ES，要满足DE=-KDVO的补偿条件，可达到全补偿。

其中，K为比例系数，“负号”表示电压的改变方向应和输出漂移方向相反，比例系数K和负载线斜率有关，可通过计算或实验求取，且：

为了得到满足补偿条件的按温度调变的电源电压，实际补偿时可采用缓变型PTC热敏电阻、NTC热敏电阻或温敏Z-元件来改变电源电压E，达到补偿的目的：

1、采用缓变型PTC热敏电阻采用缓变型PTC热敏电阻的补偿电路如图3-1所示。

图3-1PTC热敏电阻的补偿电路图在图3-1中，Z-元件和负载电阻RL构成工作电路，工作电路的直流电源电压E由集成稳压电源LM317电路供电，Rt为缓变型热敏电阻，采用热敏电阻Rt的LM317电路的输出电压为：

按温度补偿要求，当温度增加时，电源电压E应该增加，Rt应该增加，故Rt应选缓变型PTC热敏电阻。

R2用于设定电压E的初始值，合理选择PTC热敏电阻Rt的初始值及其温度系数，使之满足DE=-KDVO的补偿条件即可达到补偿的目的。

2、采用NTC热敏电阻因缓变型PTC热敏电阻市售较少，而且补偿过程中温度系数也难于匹配，多数情况应采用NTC热敏电阻。

若采用NTC热敏电阻进行补偿时，也可采用图6所示电路，但要把R1和Rt互换位置。

当采用NTC型热敏电阻时，为了便于热敏电阻的补偿匹配，可利用运算放大器。

Rt为NTC热敏电阻，A为由单电源VCC供电的反相输入运放构成的比例放大器，通过该运放的反相作用，使LM317的输出电压EO适合工作Z-元件工作电压E的补偿极性要求。

例如，温度升高时，EO下降，E增加；

反之温度降低时，EO增加，E减少。

该补偿电路的另一优点是，可通过运放比例系数的附加调整便于NTC热敏的补偿匹配。

3.2.3差动补偿差动补偿1、并联差动补偿运放的第一级几乎没有例外均采用差动电路，并利用差动电路的对称性和元器件特性的一致性来补偿温度漂移。

Z-元件也可采用这种方法。

其中Z为工作Z-元件，ZC为补偿Z-元件，RL和RC为相应的负载电阻。

补偿原理：

对差动对称电路，当左右两侧工作Z-元件Z和补偿Z-元件ZC的静态伏安特性和动态温度系数完全一致，以及电阻RC和R阻值及其温度系数也完全一致时，采用浮动输出，因始终保持VO=VOC，当环境温度改变时，也不会产生温漂，而工作Z-元件有其它外部激励作用（如光、磁、力等）时，则可产生有效输出。

理论上，若左右元器件完全对称，在标准温度TS时，浮动输出DVO=VO-VOC=0，当温度升高到工作温度T时，因左右两支路电流同步增加，DVO=VO-VOC=0仍然成立。

实际上，左右两支路元器件不可能完全对称，特别是Z-元件有一定的离散性，使DVO不可能完全为0。

因而，除按补偿精度要求，对Z-元件的一致性进行严格筛选外，在电路上应采用辅助调整措施，如图8（c）中利用电位器RW。

2、串联差动补偿并联对称补偿的缺点是浮动输出，为变成单端输出还需要一个双端输入到单端输出的转换电路。

采用串联对称补偿可克服这一缺点。

该补偿电路为“上下对称”结构，元器件的一致性要求和并联对称补偿的要求相同。

在标准温度TS时，工作电流流过上下分压支路，使输出电压VO=E/2。

温度升高到工作温度T时，工作电流虽然增加，但输出电压VO仍为E/2，不产生温度漂移。

而工作Z-元件当有其它外部激励作用时，可产生有效输出。

该补偿电路的缺点是静态输出电压不为零，为使静态输出电压为零，需附加电平位移电路。

3.3开关量输出的温度补偿开关量输出的温度补偿开关量输出的温度补偿和模拟量输出的温度补偿相比，两者的补偿目的不同。

后者是模拟信号，当温度改变时，引起静态工作点偏移，通过补偿调整静态工作点，使输出电压恢复稳定。

前者是数字信号，数字信号的温度稳定性及其补偿技术是一个新问题。

在研究开关量输出补偿原理和补偿方法之前，必须先引入有效跳变和跳变误差的新概念。

3.3.1有效跳变和跳变误差有效跳变和跳变误差温、光、磁、力四种Z-元件均可相应构成温控、光控、磁控、力控开关，提供开关量输出，用于对物理参数的监控和报警。

其中，除温控开关外，对这些控制开关的基本要求是应具有温度稳定性。

也就是说，在光、磁或力等外部激励作用下，并达到设定值时，应准确地产生输出跳变，称为有效跳变。

而不应受环境温度影响产生跳变误差。

由于开关量输出是数字信号，其跳变误差也必然是两种极端的情况，为研究方便分别定义为超前跳变误差和滞后跳变误差。

实际上，由于Z-元件的Vth值是温度的函数，当环境温度改变时，因受Vth变化的影响，超前和滞后两种跳变误差都有可能发生。

若环境温度升高，使Vth下降，当满足状态转换条件VZ3Vth时，外部激励虽未达到设定值，可能产生“不该跳也跳”的超前跳变误差；

反之，若环境温度降低，使Vth增加，这时外部激励虽已达到设定值，但由于不能满足状态转换条件VZ3Vth，则可能产生“该跳不跳”的滞后跳变误差。

为克服这两种跳变误差，在电路设计时必须考虑温度补偿技术。

因此，对光、磁、力敏Z-元件构成控制开关的设计原则是：

在外部激励作用下，必须能够满足状态转换条VZVth，而产生有效跳变；

而当环境温度变化时，则不应满足转换条件VZVth，不致产生跳变误差。

前者通过合理地选择静态工作点来达到，后者则应采用温度补偿技术加以保证。

3.3.2温度补偿原理温度补偿原理上面已经分析过，因为Z-元件的Vth、Ith对温度有一定的灵敏度，所以Z-元件的开关量（光、磁和力敏）输出会产生超前跳变和滞后跳变误差。

使用者在设计电路时，是依据有效激励（光、磁和力等）的大小来确定静态工作点QS，这时Z-元件两端的电压为VZS，并具有下述关系：

Vth-VZS=DV

（1）当T（）升高时，因Vth减小，DV就减小。

当减小到DV=0时，即VZS=Vth时，就产生了超前跳变误差；

同理，当T（）下降时，因Vth增大，DV就增大，以至于大到有效激励作用时，也不产生跳变，这就产生了滞后跳变误差。

当我们选定负载电阻RL值和电源电压ES后，静态工作点QS就确定了。

因此，Z-元件开关电路设计的着眼点应在于DV的取值。

既要保证Z-元件在有效激励时，能产生有效跳变；

而通过温度补偿又能保证DV的初始设计值不随温度变化，即可消除超前跳变误差和滞后跳变误差。

3.3.3温度补偿方法温度补偿方法1、负载电阻的确定开关量输出的输出低电平VOL不是直线，其变化规律以及跳变幅值和M1区特性和静态工作点的设置有关，这是Z-元件开关量输出的特有问题。

为保证使用中有足够大的跳变幅值，输出低电平不致太高，必须合适的设置静态工作点，因而当电源电压一定时，合理的选择负载电阻RL的值十分重要。

Z-元件在没有输出开关信号，即工作在M1区时，其功耗是很小的，只有工作在M3区时，其功耗才增大。

从图11（b）可知，开关信号的低电平不是常数，因VOL=IZRL，当温度升高时，IZ增大使VOL增大，而且负载电阻RL越大，低电平增大值也越大，因此，为了降低VOL，要求RL越小越好。

由于受Z-元件功耗的限制，RL不能无限制的减小，为了Z-元件安全工作和降低电源的耗电，可选择Z-元件的工作功耗为额定功耗的1/5，即PZ=0.2PM，PZ=0.2PM=IZVZ=IfVf。

通过下述计算即可求出合适的负载电阻RL值：

按照产品标准的规定：

VfVth/3取：

VZ=Vf=Vth/3，If=（E-Vf）/RL=（Vth-Vf+IthRL）/RL因为IthRL很小，忽略不计，所以：

所以：

电源电压ES的确定ES=VZS+IZSRL=VthDV+IZSRL因为IZSRL很小，只有0.10.2V，所以将其忽略不计，常温下电源电压ES为：

ESVthDV考虑到电源电压调变时，可能存在误差，初始设计的DV值不能过小，其最小值建议为（510C）SP（SP为阈值点的温度灵敏度）。

所以：

ES=Vth+（510C）SP（3）2、同步改变电源电压当温度上升到T1时，阈值点P将左移至P1点，若通过补偿能自动将电源电压由ES调整到E1，使工作点从QS左移至Q1，并使

（1）式成立，DV即可保持不变，此时Vth1VZ1=DV；

当温度下降到T2时，P点将右移至P2点，若将电源电压ES由ES自动调整到E2，并使

（1）式成立，DV仍可保持不变，此时Vth2VZ2=DV即可消除跳变误差，达到补偿。

在T1时，电源电压为E1：

E1=Vth1+（510）SP=Vth+（T1-T）SP+（510）SP在T2时，电源电压为E2：

E2=Vth2+（510）SP=Vth+（T2-T）SP+（510）SP在工作温度范围T2T1间电源电压的调变量为DE：

DEE2-E1=（T2-T1）SP（4）从（4）式可以看出，该开关量输出电路的电源，应该是具有负温度系数的直流电源，只需把Rt换成NTC电阻，或用电源EO。

3.4脉冲频率输出的温度补偿脉冲频率输出的温度补偿3.4.1使用电路使用电路Z-元件的脉冲频率输出有不同的电路组态。

当电源电压E恒定时，在光、磁或力等外部激励作用下，输出端VO可输出和外部激励成比例的脉冲频率信号，称为有效输出，波形为锯齿波。

作为半导体敏感元件，由于环境温度对有效输出也具有一定灵敏度，这将严重影响有效输出的检测精度，当环境温度变化较大或检测精度要求较高时，必须通过温度补偿对温漂加以抑制。

3.4.2温度补偿原理温度补偿原理Z-元件的输出频率f和工作电压E有关，和电路结构以及参数有关，也和使用环境温度有关。

当电路结构以及参数一定时（C=0.1mF，RL=15kW）输出频率f仅和工作电压E和工作温度T有关。

为研究温度补偿原理，确定合适的补偿方法，特列出三者的隐函数关系：

f=F（T,E）如果把Z-元件构成的频率输出电路看成是一个线性系统或者可进行线性化处理时，可利用叠加原理对该隐函数求其偏微分：

当电源电压改变DE，并恰好克服由温度变化DT对输出频率的影响时，输出频率将保持不变，即Df=0，则：

若设：

为温度灵敏度,为电压灵敏度，进而得：

STDT=-SEDE为进一步定量地确定电压E和温度T之间的补偿关系，可定义温度补偿系数C为：

C/V补偿系数C的物理意义是，工作电压E每改变1V时，能补偿温度变化多少度所引起的输出频率f的温漂。

显然，SE越大，或ST越小，使补偿系数C越大，越便于进行温度补偿。

其中，“负号”表示为实现温度补偿，电压E的改变方向应和温度变化的方向相反。

补偿系数C确定后，可按补偿系数要求设计补偿电路，实现温度补偿。

3.5正弦激励信号例子正弦激励信号例子例如需要一个f（t）=3.95sin240tV的正弦激励信号，按照软件框图获得此激励信号的方法如下。

在开始编程之前，首先进行端口分配，I/O模块C口的地址为Address，设C2为RD的控制口，C3为DATA的控制口，C4为CLK的控制口。

程序首先要将移位寄存器复位，即对C口的C2位进行操作，如下所述：

Ootp（Address,0x04）;

/使C2口输出0Delay（0.01）;

Outp（Address,0x05）;

/使C2口输出1Delay（0.01）;

输入幅值为：

3.956，即a=3.956：

则b=100*3.956=395.6，四舍五入得396；

396除以10取余得6，所以C1=6：

396整除lO得到39，39除以10取余得到9，所以C2=9；

396整除100得到3，所以C3=3。

将C1、C2、C3按照5421码序