Diseño basado en el generador de señal de función ICL8038. Este diseño es un generador de señal de función de barrido de frecuencia y CNC diseñado con ICL8038 y AT89C2051 como núcleo. ICL8038 sirve como fuente de señal de función
Combinado con circuitos periféricos para generar ondas sinusoidales, ondas cuadradas y ondas triangulares con ciclo de trabajo y amplitud ajustables, el rango de frecuencia ajustable de este generador de señal de función es de 1 ~ 100 kHz; y el paso es de 0,1 kHz, forma de onda estable, sin distorsión evidente.
1. Diagrama de bloques del diseño del sistema La Figura 1 es el diagrama de bloques del diseño del sistema. Este diseño utiliza el teclado para configurar el valor de frecuencia correspondiente, selecciona el condensador correspondiente de acuerdo con el rango de frecuencia establecido, obtiene la cantidad digital correspondiente después del cálculo y la envía al potenciómetro digital para la conversión D/A. se agrega al voltaje de referencia (5.5V en este ejemplo). Se forma un regulador de voltaje de control digital para controlar el pin 8 de ICL8038, de modo que ICL8038 pueda realizar ondas rectangulares, ondas triangulares y ondas sinusoidales correspondientes al valor de frecuencia. La amplitud de la onda cuadrada se atenúa y luego se envía al microcontrolador para medir la frecuencia de la fuente de señal y mostrarla en el tubo digital.
2. Diagrama esquemático del circuito
La figura 2 es el diagrama esquemático del circuito. AT89C2051 es un microcontrolador de 8 bits, entre los cuales: P1.4~P1.7, P1.2, P1.3, P3.0, P3.1 se muestran como números P3.3, P3. se utiliza como puerto de entrada del teclado; P3.4 se utiliza como puerto de conteo, utilizado para medir la frecuencia de la fuente de señal; P3.0 ~ P3.2 se utiliza como el bus SPI del potenciómetro digital P1.1 y P1. 0 se puede ampliar según sea necesario. Un relé o interruptor analógico selecciona el condensador C entre el pin 10 (CAP) y el pin 11 de ICL8038.
MCP41010 es un potenciómetro digital de 8 bits que utiliza una interfaz SPI de tres buses. /CS: señal de selección de chip, nivel bajo activo; SCK: terminal de entrada de señal de reloj; SI: terminal de entrada de datos en serie, utilizado para la selección de registros y la entrada de datos. MCP41010 se puede utilizar como potenciómetro digital o convertidor D/A. Este diseño es para conectar el MCP41010 a un convertidor D/A con una longitud de palabra de 8 bits. El MCP41010 divide el voltaje de referencia según los datos en serie de entrada. La derivación central genera un voltaje analógico, es decir, VPWO =DN/256VREF (donde VREF=5V).
Circuito de generación de funciones ICL8038. La Figura 2 muestra un circuito de generación de funciones con ciclo de trabajo y frecuencia continuamente ajustables. ICL8038 es un bloque integrado generador de funciones A través del diseño de circuitos periféricos, puede generar señales de onda sinusoidal, cuadrada y triangular de alta precisión seleccionando resistencias y condensadores externos con diferentes parámetros, la frecuencia se puede obtener desde 0,01 Hz. a 300kHz dentro del rango. Al ajustar RW2, el ciclo de trabajo se puede ajustar de 2 a 98. La capacitancia C entre el pin 10 (CAP) y el pin 11 juega un papel muy importante. Su tamaño determina la frecuencia de la señal de salida. Cuando se determina C, ajustar el voltaje del pin 8 de ICL8038 puede cambiar la salida de la fuente de señal. frecuencia. La salida de forma de onda del pin 9 del ICL8038 (que debe conectarse a una resistencia pull-up) se atenúa y luego se envía al microcontrolador P3.4 para medir la frecuencia.
La señal de la función sinusoidal se obtiene mediante transformación no lineal de la señal de la función de onda triangular. Utilizando las características no lineales del diodo, las pendientes ascendentes y descendentes de la señal de onda triangular se pueden aproximar gradualmente a la pendiente de la onda sinusoidal. La red no lineal en ICL8038 se compone de una red de aproximación no lineal de puntos de ruptura de nivel 4. En términos generales, cuantos más puntos de aproximación, mejor se obtendrá el efecto de onda sinusoidal y menor será la distorsión. En este chip, N = 4, la distorsión puede ser inferior a 1. En mediciones reales, el grado de distorsión de la señal sinusoidal puede alcanzar aproximadamente 0,5. El efecto de precisión es bastante satisfactorio.
Para reducir aún más la distorsión de la onda sinusoidal, se puede utilizar un circuito que consta de dos potenciómetros RW3 y RW4 en el circuito que se muestra en la Figura 2. Ajustarlos puede reducir la distorsión de la onda sinusoidal. Por supuesto, si el ciclo de trabajo de la onda rectangular no es 50, la onda rectangular ya no es una onda cuadrada y la salida del pin 2 ya no es una onda sinusoidal. Figura 2 Esquema del circuito
A través de experimentos se descubrió que el valor de capacitancia y el rendimiento de los pines 10 y 11 en el diseño del circuito son los componentes clave de todo el circuito. La determinación del valor de capacitancia también determina la frecuencia. que el circuito puede generar, el rendimiento del condensador afecta directamente la estabilidad de la frecuencia de la señal y la distorsión de la forma de onda. Dado que el chip genera oscilación cargando y descargando C a través de una fuente de corriente constante, la estabilidad de la frecuencia de oscilación. Se ve afectado por el capacitor externo y la corriente constante de la fuente. Para estabilizar la frecuencia de salida, se deben tomar las siguientes medidas: las características de temperatura de la resistencia externa y el capacitor deben ser buenas; la fuente de alimentación externa debe ser estable; Ser no polarizado con pequeñas fugas y condensador de buena calidad. 3. Resultados experimentales
Cuando la fuente de alimentación de trabajo es de ±12 V, la frecuencia de salida es la siguiente: Distorsión, los datos experimentales son los siguientes: 4. Diagrama de flujo del software
Figura 3 es el diagrama de flujo del software. T0 se configura como contador y T1 se configura como temporizador (el valor inicial es 5 ms). 5 ms inicia el bucle principal, que se utiliza principalmente para escanear el teclado y mostrar la exploración. En la Figura 2, K0 se utiliza como tecla de control, K1 se utiliza como tecla de ajuste y K2 se utiliza como tecla de aumento. el programa ingresa al modo de configuración de frecuencia. Presione la tecla K0 y el programa ingresa al modo CNC. Presione la tecla K0 dos veces para ingresar al modo de barrido de frecuencia, presione la tecla K0 tres veces para ingresar al modo de configuración de frecuencia y el ciclo se repite. En el modo de configuración de frecuencia, la configuración de frecuencia se completa con las teclas K1 y K2. Figura 3 Diagrama de flujo del software Generador de funciones basado en ICL8038 El generador de funciones es un circuito integrado especial que puede generar ondas cuadradas, triangulares y sinusoidales al mismo tiempo. Al ajustar los parámetros del circuito externo, también se pueden obtener ondas rectangulares y ondas en dientes de sierra con ciclo de trabajo ajustable. Por tanto, es muy utilizado en instrumentos. 1. Estructura del circuito La estructura del circuito del generador de funciones ICL8038 se muestra en el cuadro de puntos de la figura. Tiene cinco componentes. Las corrientes de las dos fuentes de corriente son IS1 e IS2 respectivamente, e IS1=I, IS2=2I; los voltajes umbral de los dos comparadores de voltaje I y II son respectivamente y sus voltajes de entrada son iguales al voltaje uC a través del capacitor. y los voltajes de salida son respectivamente Controle el terminal S y el terminal del flip-flop RS los terminales de salida de estado Q y La resistencia de salida del terminal de salida de onda rectangular es lo suficientemente baja para mejorar la capacidad de carga de onda triangular a onda sinusoidal; El circuito se utiliza para obtener el voltaje de onda sinusoidal. El flip-flop RS es un circuito unitario básico con función de almacenamiento en circuitos digitales. Q y son un par de terminales de salida de estado complementarios. Cuando Q=1, cuando Q=0, . S y son dos terminales de entrada Cuando , Q=0, ; por el contrario, cuando , Q=1, ; cuando S=0, , Q y permanecen en su estado original. Las características de transferencia de voltaje de los dos comparadores de voltaje se muestran en la siguiente figura.
2. Principio de funcionamiento★ Cuando el generador de funciones ICL8038 está encendido y encendido, el voltaje del capacitor C es 0V De acuerdo con las características de transmisión de voltaje del comparador de voltaje, los voltajes de salida de los comparadores de voltaje I y II son de bajo nivel; por lo tanto, RS activa el dispositivo, la salida Q=0, ;★ Apague el interruptor S, la fuente de corriente IS1 carga el capacitor, la corriente de carga es IS1=I. Dado que la corriente de carga es una corriente constante, el voltaje uC está activado. el capacitor aumenta linealmente con el tiempo. ★Cuando aumenta a VCC/3, la salida del comparador de voltaje II es de nivel alto. En este momento, el flip-flop RS cuando S=0, Q permanece sin cambios. ★Cuando aumenta a 2VCC/3, el voltaje de salida del comparador de voltaje I salta a un nivel alto. En este momento, cuando el flip-flop RS es Q=1, el interruptor S se cierra y el capacitor C comienza a descargarse. La corriente es IS2-IS1=I. Debido a que la corriente de descarga es una corriente constante, el voltaje uC en el capacitor disminuye linealmente con el tiempo. Al principio, aunque la caída de uC provocó que el terminal S activado por RS saltara del nivel alto al nivel bajo, su salida se mantuvo sin cambios. ★ Hasta que uC caiga a VCC/3, el voltaje de salida del comparador de voltaje II salta a un nivel bajo, Q=0, lo que hace que el interruptor S se abra y el capacitor C comience a cargarse nuevamente. El circuito genera autooscilación. Dado que la corriente de carga y la corriente de descarga tienen el mismo valor, el voltaje en el capacitor es una onda triangular, y Q y Q son ondas cuadradas, que salen del amplificador buffer. El voltaje de onda triangular genera un voltaje de onda sinusoidal a través del circuito de onda triangular a onda sinusoidal. Conclusión: Al cambiar la corriente de carga y descarga del condensador, se pueden generar ondas rectangulares y ondas en diente de sierra con ciclo de trabajo ajustable. Sin embargo, cuando la salida no es una onda cuadrada, la salida no será una onda sinusoidal. 3. Características de rendimiento ICL8038 es un generador de funciones integrado con excelente rendimiento. Puede alimentarse con una fuente de alimentación única, es decir, conectar el pin 11 a tierra, el pin 6 a VCC, y VCC es de 10 ~ 30 V. También puede alimentarse con fuentes de alimentación duales, es decir, conectar el pin 11 a -VEE; y el pin 6 a VCC, y sus valores son ±5~ ±15V. El rango de frecuencia ajustable es de 0,01 Hz a 300 kHz. El ciclo de trabajo de la onda rectangular de salida es ajustable de 2 a 98, con un tiempo de subida de 180 ns y un tiempo de caída de 40 ns. La no linealidad de la onda triangular de salida (onda de rampa) es inferior a 0,05. La distorsión de la onda sinusoidal de salida es inferior a 1. 4. Métodos de conexión comúnmente utilizados: el diagrama de pines de ICL8038 se muestra en la figura. El pin 8 es el terminal de entrada de voltaje de ajuste de frecuencia (denominado modulación de frecuencia). La frecuencia de oscilación del circuito es proporcional al voltaje de modulación de frecuencia. El pin 7 genera el voltaje de polarización de FM. El valor es la diferencia entre el pin 7 y la fuente de alimentación VCC. Puede usarse como voltaje de entrada del pin 8. Como se muestra en la figura, existen dos métodos de conexión básicos más comunes de ICL8038. El terminal de salida de onda rectangular es un colector abierto y requiere una resistencia externa RL a VCC. En el circuito que se muestra en la Figura (a), RA y RB se pueden ajustar de forma independiente. En el circuito que se muestra en la Figura (b), los valores de RA y RB se ajustan cambiando la posición deslizante del potenciómetro RW. Cuando RA = RB, las formas de onda de cada terminal de salida son como se muestra en la Figura (a) a continuación. El ciclo de trabajo de la onda rectangular es del 50%, por lo que es una onda cuadrada. Cuando RA≠RB, la onda rectangular ya no es una onda cuadrada y la salida del pin 2 ya no es una onda sinusoidal. La Figura (b) muestra el diagrama de forma de onda de cada terminal de salida cuando el ciclo de trabajo de la onda rectangular es 15. . Según el circuito interno y la resistencia externa de ICL8038, la expresión del ciclo de trabajo se puede derivar como RAlt 2RB; Para reducir aún más la distorsión de la onda sinusoidal, se puede utilizar un circuito que consta de dos potenciómetros de 100 kΩ y dos resistencias de 10 kΩ en el circuito que se muestra a continuación. Ajustarlos puede reducir la distorsión de la onda sinusoidal a 0,5. Cuando RA y RB permanecen sin cambios, ajustar RW2 puede hacer que la relación entre la frecuencia de oscilación máxima y mínima del circuito alcance 100:1. Agregue directamente voltaje de entrada entre el pin 8 y el pin 6 para ajustar la frecuencia de oscilación. La diferencia entre la frecuencia más alta y la frecuencia más baja puede alcanzar 1000:1.