基于单片机信号发生器的设计.docx

1、基于单片机信号发生器的设计1 绪论1.1 课题研究的目的和意义 兵器测试是发展兵器技术的基础，是兵器科研与生产不可缺少的一环。历史反复证明，兵器技术的任何一个重大突破，往往都伴随着有关测试技术的重大进步而弹丸飞行速度测量又是武器系统各种运动参数的一项重要的内容，它是衡量火炮特性、弹药特性、弹道特性的一个重要的指标。在武器系统的研制、定型、生产、验收以及弹道理论研究中都离不开弹丸飞行速度的测量。 弹丸速度是衡量武器性能的重要参数。速度测量的精确与否直接关系到武器的性能，所以深入研究弹丸测速技术，不断地将一些高新技术应用于弹丸测速技术，开发新的弹丸速度测量方法，提高测速精度是一项长期研究的工作，是

2、提高武器战术技术性能的一项基础性工作，也是影响武器发展的一个重要环节。 在弹丸速度测量中，线圈是广泛使用的一种区截装置，利用线圈靶测速的优点是精度较好，并可进行连续多次的测量，但是在实际使用中，有时线圈靶测速也会引起相当大的测速误差，但原因除外界干扰外，操作使用时电路（由线圈靶和测试仪输入端构成的电路）参数变化也将直接影响线圈的测速精度。因此，对线圈靶电路进行分析和研究具有十分重要的意义。 在利用线圈靶对弹丸进行测速时，有时测速的结果会出现错误。而错误的原因可能是多方面的，无法判断线圈靶系统自身是否出现故障，而通过对线圈靶系统的标定就能够明确的断定线圈靶自身是否出现问题。在实际实弹测速以前，也

3、可以预先使用线圈靶标定系统来验证整个线圈靶系统是否处于正常工作状态以及其测量精度是否达到现场测速要求，来保证现场实弹测速的顺利进行。针对上述问题，本文对线圈靶标定系统的关键技术展开研究，具体研究时标信号发生器的制作；研究电磁感应线圈靶的现象及对线圈靶感应电动势的影响因素。本设计采用单片机及辅助电路，设计用于激励电磁发生器的线圈靶标定信号发生器，课题的研究具有一定的实际意义。1.2 弹丸测速技术国内外发展现状弹丸测速技术是在人造的环境中测试弹丸飞行速的技术。弹丸速度是衡量武器性能的基本参数，也是为射表编制和内弹道研究必须提供的数据。在发射药鉴定试验和穿甲试验中需要测量弹丸的初速和着速，有时确定弹

4、道系数和弹形系数也与前，弹丸速度的测量采用两种方法，一种方法是测量弹丸飞过一段已知距离的时间，然后用距离除以时间求的已知距离的平均速度。因此速度的测量精度取决于距离和时间的测量精度。弹丸初速一般是在炮口前一段相当短的距离上测量的。另一种速度测量方法是应用多普勒雷达技术。多普勒雷达测速仪应用多普勒原理。向运动目标发出一束无线电波，从目标上反射回到测速仪上来。测速仪的输出是一交变电流信号，其频率是发射波频率和接受机频率之差。如果目标相对测速仪是静止的，发射和接受的频率相等，则频差为零。然而在目标相对测速仪之间相对运动时，则反射信号将产生一频率偏移，这个频差（也叫多普勒频移）直接与测速仪到目标的距离

5、的变化率成正比即与径向速度成正比。利用这一原理制造了各种测速雷达，用于炮弹速度的测量。1.3 标定技术的现状测速系统标定是弹丸测速技术实用化的关键技术之一，所谓标定就是用被标定的测量仪器对一些标准样品或标准信号进行测量，从而建立起测量结果与标准样品或标准信号之间的对应关系，这个对应关系就成了实际测量样品或信号的基准值，以此达到提高测量装置或仪器的精度的目的。例如对尺子的标定，就是用国际标准来校核，当然可以通过标准量的传递器具来进行。又如对秤的标定，是用标准砝码来校核。标定的主要作用有三点：（1)确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；（2)确定仪器或测量系统的静态特性指标；

6、（3)消除系统误差，提高仪器或系统的准确度。在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。目前，标定技术不仅应用在测速领域，还在地质学、电信技术、自动化技术、金属学及金属工艺、雷达、仪器仪表工业、无线电电子学等领域中，被广泛的采用。在本文中，标定主要为对线圈靶测速系统进行标定。全面衡量线圈靶测速系统的优劣或评定、检验和使用线圈靶的依据是其性能指标，亦是标定技术中的一个评价标准。性能指标分为线圈靶的性能指标和测时仪的性能指标。测速仪器普遍使用了光电测速技术、信号识别技术、光学变换技术和数据采集与处理技术等，改善了仪器的性能指标，实现了多功能化和智能化，具有高效、实时的特点。线圈靶主要性能指标有测速

7、范围、最高射击频率、测试精度、灵敏度、测速相对误差等。测时仪性能指标分为测速范围、计时精度、测速精度等。本文介绍的其标定方法和装置远比一般的实弹射击操作简便、精度可靠。2 线圈靶的工作原理及标定技术2.1 线圈靶概述在测量弹丸的速度v时，通常的方法是用测时仪测定弹丸飞过一段测定好的弹道S时所需要的时间t，再由公式：计算出v，v是弹丸飞过弹道s的平均速度，这个平均速度也就是弹丸飞过S中点的瞬时速度。用测时仪测量时间t时，必须要有能够探测弹丸飞入和飞出的传感器，这两个传感器安装在S的两端，在弹道上截取构造了一个S区间。一个传感器感受弹丸飞入的信号，也就是提供启动信号，另一个传感器感受弹丸飞出的信号

8、，也就是提供停止信号，用测时仪记录从启动信号到停止信号的时间间隔，这个间隔就是弹丸飞过第一个区截面到第二个区截面之间的距离所经历的时间t，这种传感器在弹道测试中称为区截装置。低伸弹道武器的速度测量，多年来一直用区截装置进行测量。线圈靶是一种以电磁感应原理工作的非接触式区截装置。其基本结构就是用漆包线绕制的匝数一定的线圈并封入铝制或木制的腔内。当弹丸从线圈靶内穿过时，螺线管线圈磁通量发生变化，从而使线圈产生感应电动势，该电动势可以作为测时仪器的启动或停止信号。架设线圈靶要求靶面垂直于射线，两靶间的距离(指靶圈l2厚度处对应点的距离)，要严格等于S，线圈靶一般有20mm厚，线包在靶圈槽中不可能排列

9、得非常整齐，线包又存在分布参量，靶厚中线的电气位置与靶厚中线的几何位置不可能一致，因此，线圈靶同样存在靶距误差。线圈靶的主要优点是：可以重复使用，方便迅速；靶与弹丸不接触，属于不接触测量方法，对弹丸的飞行运动无干扰。而其缺点是：易受外界电磁场的干扰，没有网靶稳定可靠；误差较大，靶厚的电气中线和几何中线不一致，测量靶距的误差会引起较大的测速误差；使用不方便，每对靶必须选配，配对后在使用时次序不能改变：生产成本高而且容易损坏，弹丸很容易打坏线圈。线圈靶是用八角形的木制框架和沿框架绕制的线圈组成。当磁化弹丸从线圈中通过时，线圈就会感应出一个电动势（即启动或停止信号）。通常有两个线圈，一个产生启动信号

10、,启动计时仪，另一个产生停止信号,停止计时仪。在使用线圈靶时，附近不能有钢铁设备，因为钢铁会破坏磁场，引起测量误差。被测弹丸必须是磁性材料制造，弹丸磁化的极性要正确，要有足够的磁场强度。对于配用电引信的弹丸，只有弹丸磁化后才能安装引信，或者选用无需磁化弹丸的测速方法。先后出现过的区截装置有：网靶(或称通靶)、线圈靶、声靶(或称激波靶)、光电靶等。它们的物理原理各不相同，但功能是一样的，当弹丸通过两个区截面的瞬间，各产生一个电信号，启动和停止测时仪，记录出弹丸飞过弹道S所用的时间At。下面我们重点对对线圈靶做一个概述。2.2 线圈靶工作机理按照测量弹丸速度的技术要求，线圈靶的径向尺寸要比弹丸直径

11、大得多，一般要求线圈靶的内径是被测弹丸直径的20倍以上，因此，可以忽略被测弹丸的尺寸，可将弹丸视为由正、负磁荷构成的点磁偶极子，用磁矩m表征其磁学特性。由此在对线圈靶进行机理分析时，可以把磁化了的弹丸简化为一个正、负点磁荷构成的磁偶极子，磁矩为p，为了分析的简单化，假设磁矩p的方向与线圈靶轴线方向一致。因此线圈靶的机理分析转化为磁矩为p的点磁偶极子沿中心轴穿过一半径为a，匝数为N的线圈时,线圈上产生的感应电动势分析。其坐标系如图2.1所示。 图2.1 线圈靶测量弹丸速度的物理模型点磁偶极子在空间任一点上的标量势U为 （2.1）空间任一点的磁感应强度B为，0为磁导率 （2.2）因此,通过线圈平面

12、的磁通量为 （2.3）式中0为线圈绕线的磁导率；为圆周率；为线圈平面上径向积分变量，范围从0a。当磁偶极子接近或离开线圈靶时，磁通量发生变化，产生的感应电动势e为 （2.4）上式说明了感应电动势与弹丸和线圈之间距离的关系，将感应电动势e对距离z求导，得 （2.5）令，由上式分析可得。这表明当磁化弹丸通过线圈靶时,线圈靶产生的感应电动势的最大值出现在弹丸距线圈靶半个靶径处。在本标定系统中，由电磁发生器模拟磁化弹丸，所以线圈靶产生的感应电动势的最大值出现在电磁发生器距线圈靶半个靶径处。2.3 总体方案论述及需解决的关键技术根据线圈靶工作原理及测速原理，整个线圈靶测速标定系统设计构想如下图2.2所示

13、。 激励信号 一路输出 二路输出 图2.2线圈靶标定系统构想构想此标定系统由时标信号发生器以及两个电磁发生器所组成。时标信号发生器用来产生时间间隔与实际所测弹丸在两靶之间的飞行时间相等的信号，然后将这两路信号分别加到两个电磁发生器两端，用线圈靶两端产生的感应信号来触发计时仪，分别作为计时仪的启动信号和停止信号，最后，看计时仪所记录的时间与起初用时标信号发生器产生的两路模拟电压信号的时间间隔是否一致来判断线圈靶是否处于正常工作状态。需解决的关键技术：根据线圈靶的工作原理，实际磁化弹丸穿过线圈靶时线圈靶两端产生的是一个类似于正弦波的感应信号，该正弦波的幅值和频率大小与实际弹丸的大小、弹丸的磁化强度

14、以及线圈靶自身的结构有关。据详细调查，针对不同弹丸，目前靶场所用线圈靶所感应回来的类正弦波的频率范围在0.5-8KHz之间，幅值范围在0-12V之间。时标信号发生器作为线圈靶标定系统的重要组成部分，制作目的就是产生出两路频率范围为0.5-8KHz、振幅范围为0-12V的可调的正弦波信号且两路正弦波信号之间的时间间隔为10-80ms(实际弹丸在两靶之间的飞行时间)可调的正弦波信号。此信号用来激励电磁发生器，使线圈靶产生的感应信号为频率范围在0.5-8KHz之间，幅值范围在0-12V之间的类正弦波信号，来与真实磁化弹丸穿过时产生的感应信号相一致。整个时标信号发生器电路的制作需考虑三个关键点：(1)

15、.如何实现输出的两路正弦波信号的时间间隔以及正弦波的幅度和频率均可调；(2).要使得线圈靶产生的感应信号幅度较大，通过电磁发生器的电流需较大，所以，整个时标信号发生器的制作需考虑功率放大环节，来保证输出的正弦波信号的电流足够大。(3).设计一个简单的低通滤波，输出信号少毛刺。采用AT89C51单片机和DAC0832数模转换器生成波形，加上一个低通滤波器，生成的波形比较纯净。它的特点是可产生任意波形，频率容易调节。性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。3 标定系统的设计3.1标定方案及原理图3.1.1.改变幅度 方案一：可以将送给DA的数字量乘以一个系数，这样就可以改变DA输出

16、电流的幅度，从而改变输出电压；但是这样做有很严重的问题，单片机在做乘法运算时需要很长的时间，这样的话输出波形的频率就会很低，达不到至少500HZ的要求；并且该方案的输出电压做不到连续可调，当DA的输入数字量比较小时，输出的波形失真就会比较严重。方案二：将输出电压通过一个运算放大器的放大。这样还有个优点是幅度连可调。经比较，方案二既可满足课程设计的基本要求，并且电路也挺简单。3.1.2.改变频率通过程序控制可以实现频率可调。3.1.3 原理图 此标定系统是基于AT89C51单片机的标定系统，单片机在时标信号发生器中产生产生两路具有固定时间间隔 (10-80ms)的一个周期的具有相同频率和幅度的正

17、弦波信号，经过D/A转换、运算放大器和功率放大器后，将这两路信号分别加到电磁发生器1与电磁发生器2两端，线圈靶两端会产生感应电动势，用两靶的感应信号来触发计时仪，分别作为计时仪的启动信号和停止信号，记录计时仪所显示的时间。总体原理框图如图3.1所示。图3.1 总体原理框图3.2 时标信号发生器硬件电路设计目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制

18、难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。本设计采用AT89C51单片机和DAC0832芯片，可产生正弦波，波形的频率可用程序控制改变。在单片机的输出端口接DAC0832进行D/A转换，再通过运放进行波形调整，最后输出波形接在示波器上显示。本设计线路简单、结构紧凑，能使输出频率有较好的稳定性，充分体现了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比较大，占用空间小，使用芯片少，低功耗。3.2.1 模块分配 主控芯片采用ATMEL公司的89C51； 采用12MHz的晶振器为89C51提供时钟信号； 提供12V、-12V和5V电压； 对于89C5

19、1内存分配P0口的数据经过两个DAC0832进行D/A转换，P2.7口提供片选信号； 8位D/A转换器采用DAC0832； 运算放大器分别采用UA741和CA3140；3.2.2 单片机电路部分介绍本标定系统使用的是AT89C51单片机，图3.2是为AT89C51芯片。图3.2 AT89C51芯片它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚第40脚，如图3.3所示。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端

20、口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。1.主要特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路2. 振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，

21、但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3. 复位电路MCS-51 单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。（1）复位功能：复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密

22、特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位（和按钮复位两种方式。 （2）单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。见图3.2。 值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态ABP

23、SWSPDPLDPHP0-P3IPIE00H00H00H07H00H00HFFH*00000B0*00000BTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H00H00H00H不定00H0*B 图3.2 寄存器复位后状态表PSW00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组； SP07H，表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；Po-P3FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出 。IP00000B，表明各个中断源处于低优先级； IE000000B，表明各个中断均被关断；

24、系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。 51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。4. 振荡电路晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的

25、频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。 AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡

26、器稳定和可靠地工作。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。复位电路和振荡电路如图3.4：图3.4 复位电路和振荡电路3.2.3 D/A转换电路的设计1.DAC0832芯片DAC0832是CMOS工艺制造的8位D/A转换集成芯片，属于8位电流输出型D/A转换芯片，转换时间为1us，片内带输入数字锁存器。DAC0832与单片机接成数据直接写入方式，当单片机把一个数据写入DAC寄存器时，DAC0832的输出模拟电压信号随之对应变化。利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。

27、DAC0832主要性能： 输入的数字量为8位； 采用CMOS工艺，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容； 数据输入可以采用双缓冲、单缓冲和直通方式； 转换时间：1us； 精度：1LSB；分辨率：8位； 单一电源：515V，功耗20mw； 参考电压：-10+10V；DAC0832内部结构资料:芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。该片逻

28、辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接。DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换电路组成。输入寄存器和DAC寄存器作为双缓冲，因为在CPU数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此时对应于每一种参数需要一片DAC0832，每片DAC0832的转换时间相同，就可采用DAC寄存器对CPU分时输入到输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同时产生各模拟信号。控制信号ILE、用来控制输入寄存器。当ILE为高电平，

29、为低电平，为负脉冲时，在LE产生正脉冲；其中LE为高电平时，输入寄存器的状态随数据输入线状态变化，LE的负跳变将输入数据线上的信息存入输入寄存器。 控制信号和用来控制8位A/D转换器。当为低电平，输入负脉冲时，则在LE产生正脉冲；其中LE为高电平时，DAC寄存器的输入与输出的状态一致，LE负跳变，输入寄存器内容存入DAC寄存器。 2.UA741芯片：DAC0832的数据输出方式在微机应用系统中,通常使用的是电压信号，而DAC0832为电流输出型转换器，一般要求输出是电压，所以还必须经过外接的运算放大器转换成电压。在本设计中采用UA741芯片进行转换。UA741是通用高增益运算通用放大器，为运算

30、放大器中最常被应用的运放之一，应用非常广泛，拥有反相向与非反相两输入端，双列直插8脚或圆筒8脚封装，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。工作电压22V，差分电压30V，输入电压18V，允许功耗500mW。下面给出这一系列产品的引脚图3-5，1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源，8空脚。图3.5 UA741引脚图本系统D/A转换电路图如下：图3.6 本系统D/A转换电路图3.2.4 运算放大电路设计本标定系统采用的CA3140高输入阻抗运算放大器，是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS运算放大器，在一片集成芯片上，它结合了压

31、电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点，(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放，双列直插8脚或圆筒8脚封装。电源电压218V，开环电压100dB，输入偏置电流5pA，转换速率9V，输出电压13V。CA3140的引脚图如图3.7所示，1和5为偏置(调零端)，2为反向输入端，3为同向输入端，4接电源-，6为输出，7接电源+，8为选通端。本系统中的运算放大电路如图3.8所示。图3.7 CA3140引脚图图3.8 运算放大电路3.2.5 低通滤波电路 如果不加低通滤波器，也能够生成波形，但是产生的信号中毛刺很多，加一个低通滤波器不仅起到的滤波的作用，还起到了平滑的作用。低通滤波器的截止频率F=1/(2*pi*R6*C6),这里我们选择R6为100欧姆电阻，C4为104电容，截止频率F=16KHZ。如图3.9 所示： 图3.9 低通滤波电路3.3 系统软件设计基于单片机的线圈靶标定系统是一个软件、硬件结合的系统，硬件是软件运行的条件与基础，软件使各项功能要求得以实现。标定系统的主要功能都是通过软件支持实现的，由单片机产生两路有时间间隔的正弦波，经过D/A转换电路、运算