低功耗多通道差动脉冲信号发生器设计及应用研究

陈燕婷

摘要：脉冲发生器的输出信号存在着多种不良现象，比如功耗大、协调困难等，所以设计低功耗多通道差动脉冲信号具有重要的意义。本文设计的低功耗多通道差脉动信号发生器主要包括脈冲发生模块、主控模块及电源模块构成，电路较为简单，并且能够有效解决上述问题，实现输出线号频率、脉宽及幅值的调节。之后通过实际应用得到，实验和理论分析的结果相同，能够实现上述要求，并且功能消耗较低。

关键词：低功耗；多通道；差动脉冲信号发生器

中图分类号：TN782 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0122-02

信号发生器一般指的是函数信号发生器，能够产生某种周期波形时间信号，输出信号的幅度及频率都能够调节，被广泛应用在自动测试、仪表及通信等方便。信号发生器的性能影响了测量结果，能够决定结果是否正确。目前信号发生器较为重视输出频率、信号及幅度的完善，对于一些特殊的场合，比如导弹的研制、超宽带通信技术等，要求脉冲信号较窄。因为脉冲信号的参数和其他信号不同，普通信号发生器已经满足不了实际工程需求，那么就要设计一个低功耗、多通道差动脉冲信号发生器。

1 低功耗多通道差动脉冲信号发生器的设计

1.1 发生器的组成

本文中所设计的低功耗多通道差脉动信号发生器分别由硬件系统、微控制器及电源组成，系统的整体主要是靠着电源进行供电，通过主控模块实现系统各模块之间的协调及控制。电源模块能够为主控模块提供电源，并且还能够对主控模块中的脉冲幅值进行调节，主控模块自身具有控制电平，驱动模块自身具有能够调节的脉冲信号，之后将脉冲信号通过输出电极输出，主控模块能够协调系统稳定的工作，从而使脉冲信号满足条件需求。

1.2 硬件系统的设计

数据控制设备为外置且独立的数据控制盒，通过串行电缆连接电脑，数据输出端和隔离盒相互连接。数据控制设备为波形存储和播放设备，主控制器有三个功能，分别为：（1）通过多种形式对信号波形播放进行控制；（2）通过串行接口接收控制参数、信号波形及其他命令；（3）在永久存储器中保存控制参数及波形数据。

硬件设备还包括永存器、缓存器、串行口、波形播放器。永存器的主要功能能够永远的保存波形数据和控制参数，在数据控制盒通电的时候，能够自动调出控制参数和波形数据，传送到波形播放器中；缓存器的主要功能就是接收字符，将字符通过数据进行转换，之后传送到波形播放器中；串行口的主要功能就是根据相关规定接收波形数据和控制参数，之后将其传送到缓存器中；波形播放器包括两个双口RAM，右边的连接单片机，其主要功能就是接收永存器及缓存器中的数据；左边的连接扫描仪，其主要功能就是输出信号波。

后端处理模块的主要功能就是实现脉冲信号加减及脉冲信号的滤波，此模块使用的硬件主要包括运算放大器。一般运算放大器的电压能够接收放大器的正端口，此电路板的输入电压性能不稳定，不能够直接被使用，那么可以通过非常用的电压与运放端口进行连接。其中的芯片选择线性电源，其的优点就是输出电压具有较高的稳定度，并且能够通过输出端电阻调节输出电压值[1]。

1.3 微控制器模块的设计

微控制器模块的主要目的就是为了能够通过脉冲控制器发出能够满足发生器需求的脉冲信号，将不同的低功耗产品功耗和性能进行对比，本文使用专门为低功耗所设计的单片机CC5214F521作为控制器，单片机中具有十六位高性能的CPU，并且功能消耗较低，还有硬件乘法器、RAM、比较寄存器及转换器。虽然在工作过程中的消耗并不是最小的，但是其体积较小，并且芯片的内部具有无线通信模块，能够和上位机实现两者的通信，对脉冲发生器中的性能参数进行监视和控制。

1.4 电源的设计

低功耗多通道差动脉信号发生器供电的额定电压要求是3.7V，因为不同电路对电压有着不同的需求，那么就将电源分为两部分，分别为通过稳压模块提供稳定电压及通过可调电压提供幅值电压，这两部分电源模块对电流及电源稳定性具有不同的要求。稳压模块的主要目的就是向主控模块工作过程中提供稳定的电压，本文中所设计的发生器的主控电压为3.3V，所以可以使用低功耗集成电压，其具有较宽的输入电压范围，并且输出电流较大，具有较小的静态电流，功能的消耗较低。可调电压模块的主要目的就是向发生器提供能够调节的幅值电压，因为脉冲发生器所需求的幅值电压能够调节的范围比较快，并且对电压能够调节的精度还有一系列的要求，所以本文中所设计的可调幅值电压使用的是可调输出升压稳压模块[2]。

2 低功耗多通道差动脉冲信号发生器的应用分析

2.1 发生器的低功耗测试

通过上述描述可以了解到，本文设计的低功耗多通道差动脉冲信号发生器中使用的主要器件都是低功耗的，并且每个元器件的静态电流都非常小，在低功耗的模式下，主控信号的工作电流也非常低，通过实验可以看出来，系统在运行过程中及静态过程中的电流和输出脉冲、脉宽是为正比的，并且后端的负载和其有着密切的联系。通过实验可以了解到，系统在工作过程中的电流在1.5mA以下，以此实现了发生器的低功耗设计。

2.2 脉冲的输出波形

图1所示是脉冲输出及输入波形的关系，通过图1a可以看出来，在A0控制端添加控制曲线2的波形，不仅能够使输入电平为低电平，还能够使D1的输出电平为低电平。在A1中添加控制曲线1的波形，那么D2的输出波形脉宽和频率和控制曲线1的波形脉宽、频率都是3.3V。图1b表示D1和D2的差动输出波形，简单来说，负极性的脉冲极性的脉宽及脉冲频率和A1相结合，以此决定电平的控制。如果在A0添加C中的电平，在A2中添加控制曲线1的电平，那么D1和D2的差动输出波形就是图1c、d，也就是正极性的脉冲极性，并且其中的脉宽和脉冲频率和A0与电平具有密切的联系。通过实验我们可以看出来，输出脉冲的脉宽、频率及极性的控制能够通过模拟开关端的输入电平进行控制，并且输出脉冲幅值的控制能够通过升压电路及输出电平两者的占空比实现[3]。

通过上述实现可以看出来，本文中设计的低功耗多通道差动脉信号发生器中的电路能够实现其参数的调节，调节的范围主要包括：能够调节的幅值电压范围为1.7-10V，能够调节的精度主要为0.1V；能够调节的脉宽范围为20-5000μs，能够调节的精度为5μs；能够调节的频率范围为10-1000Hz，能够调节的精度为1Hz；输出的脉冲极性也是能够调节的。

3 结语

本文的主要工作就是以目前脉冲发生器中的问题及不足，设计了具有低功耗及多通道差动脉冲信号发生器，本文中所设计的发生器幅值能够通过可控升降压稳定电路生成电源，从而对幅值电压进行调节。并且能够控制输出端的开端，从而对其中的脉冲信号进行调节。通过对输出端的开关占空比及控制的频率，对脉冲信号的频率及脉宽进行调节。并且发生器在运行及静态过程中消耗的功能较低，体积较小，结构较为简单，通过实验证明了本文中的发生器能够满足低功耗及多通道的需求。

参考文献

[1]高峰.可视化、多通道脉冲信号发生器的研制与开发[D].电子科技大学，2003.

[2]张雷.多通道脉冲信号发生器的设计[D].哈尔滨工业大学，2012.

[3]熊慧，董锟，付亚涛，等.低功耗多通道差动脉冲发生器的设计与实现[J].天津工业大学学报，2014（1）：50-54.endprint