基于AT89S51单片机的PWM专用信号发生器设计

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来源：微计算机信息 作者：王俊英 朱目成 王雅萍 时间：2007-06-22 发布人:admin

摘 要:介绍一种脉冲涡流无损检测系统所使用的多波形专用PWM信号发生器的设计。该信号发生器以单片机为核心控制单元，通过对外围芯片的控制来实现对输出波形的频率、电压幅值、占空比的连续调节，并能对运行信号参数进行实时显示。经实验验证，该信号发生器便于观察和调节，完全满足脉冲涡流检测系统所需激励信号的要求。

关键词：无损检测；脉冲涡流； PWM； 单片机

1 引言

涡流无损检测作为无损检测应用最广泛的方法之一，具有传感器结构简单、灵敏度高、测量范围大、不受油污等介质影响、抗干扰能力强等优点，已被广泛应用于冶金、机械、化工、航空等多个工业部门。然而由于受趋肤效应的影响，常被限制在对导体表面及亚表面层的检测上，这使其检测应用范围受到了很大的限制。但是，若检测线圈在脉冲激励作用下，因脉冲信号中含有丰富、连续的频率成分，所以检测线圈中所得到的信息不仅包含了被检测试件的表面、亚表面信息，还包含其深度信息，能够对材质以及缺陷进行定量评价。而脉冲信号的波形、频率、幅值、占空比等参数的改变对检测结果有着不同的影响。因此为了获得不同的脉冲激励下的检测结果。特制作了这一专用高精度大功率脉冲信号发生器。

2 硬件设计

为满足试验要求，该信号发生器的设计目的是能产生多个波形，且频率，电压，占空比均可以调节的高精度，大功率脉冲信号。该信号发生器的硬件部分：通过单片机控制数模转换芯片输出不同的波形，再经过两级放大以

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及高频模拟开关进行波形整形得到较为完美的波形后，再用一组达林顿管进行电流放大得到较大功率的脉冲信号。系统硬件框图如图1示。

图1 系统硬件框图

2.1显示及键盘与单片机接口电路设计

为实验过程中观察和调节方便，我们设置了对输出波形最高电压、占空比、频率的七段管LED显示以及对波形、波形最高电压、占空比、频率的键盘选择。其中，LED显示安排如下：电压由一只七段管进行显示，占空比由两只七段管，频率有三只七段管进行显示；键盘安排如下：波形选择键2 个，电压调节键2个，频率调节键2个，占空比调节键2个。六只七段管显示与单片机接口电路如图2示，图中利用六只74LS164为LED管串入并出移位积存器，P3.3用于控制显示器的输入，2×4键盘与单片机接口电路如图2示。

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图2 LE D显示与单片机接口电路

图3 2×4键盘与单片机接口电路

2.2单片机控制D/A芯片的接口电路设计

D/A芯片选用由National Semiconductor公司生产的DAC0832，它是20引脚双列直插式低功耗CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换。要得到满足实验要求的波形，还必须通过DAC0832的输出端接运算放大器来实现。为了与DAC0832较高的转率换速相匹配，这里选用National Semiconductor公司生产LF357运算放大器与之配合使用。LF357不仅具有高转换速率，而且具有：低输入偏置电流，低输入偏移电流（仅

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为30pA）,

低输入噪声电流（仅为

路如图4示。

）,高共模抑制比，宽频带增益。单片机控制D/A芯片连接电

图4 D/A芯片的接口电路

2.3波形整形及放大电路设计

由于经DAC0832及外接的运算放大器输出的波形仍然不够平滑，还有DAC0832进行D/A转换时的上升沿，因此必须对输出波形进行整形以满足我们的实验要求。波形整形芯片选用MAX4624，它是MAXIM公司生产的低开路电阻，低电压先合后开单刀双掷模拟开关。它具有过电流保护；能够快速开闭，闭合及断开最大时间均为50ns；电路开路电阻很低，供电电源为5伏时，Ron为1欧姆，供电电源为3伏时，Ron为2欧姆，也就是说，电路内部开关噪声低。为得到较大功率的脉冲信号，必须对第二级放大后的输出信号进行电流放大，这里选用两只JFET管组成一对达林顿管进行电流放大。同时为满足实验时对不同功率脉冲信号的要求，将第二级放大增益设计为可调的。其连接电路如图5示。

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图5 波形整形及放大电路设计

作为专用PWM脉冲信号发生器，常有大的瞬时变化，这时整个线路往往会电源引线而产生电路谐振，产生尖峰干扰信号，消除种干扰的办法可在芯片与电源线与地之间加上适当的去耦电容。这里采用的是将两个电容并联的方法。

3 软件设计

根据前面的硬件描述，其软件实现如图6、7示。主程序完成程序的初始化，循环等待接受由键盘输入的数据并产生相应的脉冲信号，首先确定输出信号的波形、初始频率并根据其波形和初频进行编码，存储在单片机的ROM中，然后以一定的时间间隔将这些数字量送入D/A芯片进行转换输出，为得到不同的脉冲频率，可通过改变输入D/A芯片的数据间隔来改变输出频率。

基于AT89S51单片机的PWM专用信号发生器设计

图6 主程序流程图

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图7 PWM子程序流程图

4结束语

本信号发生器与其它相比具有如下优点：①较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；②较专用DDS芯片的信号发生器而言，具有结构简单，成本低等特性。

本信号发生器各参数调节范围为：脉冲占空比调节范围为2-100%;电压调节范围为0-5.0V，步进0.02V；频率调节范围为1KHz-100KHz。通过对软件硬件的调试和检测表明，该系统的软件和硬件均能够很好的工作，能够满足脉冲涡流探伤实验的特殊要求。且由于采用键盘调节方式以及专用的LED显示，使我们的实验更加方便。但由于DAC0832芯片的建立时间的限制（其建立时间为1μs），即使使用高频模拟开关进行波形整形，其输出波形仍然不够完美。但若将DAC0832用其他建立时间较短的D/A转换芯片来代替，如DAC712,则能够得到非常完美的波形。

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参考文献：

[1] 朱定华，戴汝平等，单片微机原理与应用[M].北京交通大学出版社，清华大学出版社，2003

[2]International Semiconductor公司：DAC0832技术资料

[3] International Semiconductor公司：DAC712技术资料

[4] International Semiconductor公司：LF357技术资料

[5]MAXIUM公司: MAX4624技术资料

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/52o1.html