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一 前 言
在簡易制導武器中，角位移傳感器是姿态修正系統的敏感元件，用來測量彈體的角運動參數并以電信号形式給出三個資訊。其中輸出兩路幅值相等相位相差90°的正弦信号作為彈體偏轉測量的基準信号；另一路輸出測角信号，該信号相對基準信号的相位反映角偏差的方向、幅值反映角偏差量。專用信号發生器就是模拟角位移輸出信号的裝置，用來進行後續解調電路以及功放電路的檢測。它以單片機為核心，經過D/A轉換和放大電路的處理，最後輸出反應彈體姿态的基準信号和測角信号。
二 數學模型的建立
根據對輸出信号性能名額的要求，基準信号幅值：A， 基準信号頻率：f ，假設對A的精度要求為±0.01V，對f的要求為±10Hz，輸出信号為正弦信号，可以建立模拟基準信号的數學表達式如下：
其中幅值的大小可以通過放大電路部分進行調節。
測角信号實時反映彈體的姿态，根據檢測需要和角位移傳感器的結構可以建立這一特定的Uc數學表達式為：
其中幅值的大小可以通過放大電路進行調節，相角Ψ反映偏差的方向。
三 方案設計
信号發生器的設計任務就是産生三路信号，并且提供和主機通訊的軟硬體接口。首先根據輸出信号的頻率和幅值進行編碼，存儲在單片機的ROM裡，然後以一定的時間間隔依次将這些數字量送往 D/A進行轉換輸出，這樣，隻要循環不已的送數，在D/A的雙極性輸出端就可以得到信号波形。信号的輸出時序受上位機控制。
本設計采用AT89C4051組成一個最小的單片機系統。AT89C4051是Atmel公司的一款基于MSC51 核心的簡化單片機，指令與标準的51單片機相容，帶有4K可重新程式設計片上程式存儲器，128B的資料存儲器，多達15條可程式設計I/O線，兩個16位定時器 /計數器，片上模拟比較器，一個标準串行通訊口，内部帶有振蕩器和時鐘電路。系統的硬體結構圖如圖1。
圖1 硬體結構圖
3.1 時鐘複位電路設計
采用單片機片内的振蕩器、上電複位和外部硬體看門狗電路。看門狗采用MAXIM公司的MAX706晶片,硬體電路如圖2。 MAX706可以提供至少200ms寬度的複位脈沖，為使看門狗溢出有效必須把MAX706的WDO和MR連接配接起來，看門狗輸入WDI連接配接4051的任何一個I/O端口都可。MAX706在程式運作期間監控整個系統的運作，喂狗程式必須在1.6秒之内使WDI引腳電平發生改變，否則MAX706将發出複位指令，使整個系統複位，看門狗時序如圖3所示。
3.2 單片機與D/A的接口電路設計
D/A選用AD公司的AD7226。AD7226是具有8位精度的四通道D/A轉換器，最小分辨電壓約為4mV，可以滿足設計的精度要求。每個通道都有一個輸入鎖存器，可以對輸入的數字量進行鎖存；輸出端帶有輸出緩沖放大器。AD7226有一條寫入控制線WR，兩條位址線A0、A1，通過位址線可以選擇不同的D/A轉換通道。寫入時序如圖4所示。
由于4051沒有專門的位址和讀寫控制引腳，此處可以通過普通的I/O引腳參考AD7226的寫入時序，利用軟體進行時序模拟。可以通過改變延時的時間來改變輸出的頻率。圖5是利用4051的P3.0、P3.1口作為A0、A1的位址線，P3.5作為WR的寫入控制線的硬體參考電路，相應的示例程式如下：
……..
MOV P1, A ；P1口置數
MOV P3, #0FCH ；選擇通道A
CLR P3.5 ；置P3.5 低電平
SETB P3.5 ；置P3.5 高電平，上升沿鎖存資料
LCALL DELAY ；調用延時子程式
……..
圖5 單片機與D/A接口電路
3.3 偏移電路設計
AD7226的每一個通道都可以單獨用來提供單極性或雙極性的輸出，要獲得雙極性的輸出必須外加運算放大器和偏移電阻，輸出電壓的範圍取決于參考電壓的大小，如圖6是在單極性電源供電情況下的雙極性輸出電路圖，要注意偏移電阻的阻值比對。
圖6 AD7226雙極性輸出電路
3.4 放大電路設計
放大電路主要是對AD7226輸出的雙極性電壓信号幅值進行處理，以達到使用的要求。放大電路的輸入極增加一個一階低通濾波器，以防止D/A輸出的高頻成分幹擾；采用低頻運放作為射随器以提高輸入阻抗。放大電路部分如圖7所示。
圖 7 放大電路（部分）
四 信号發生器的軟體設計
4.1 信号編碼
在這裡要注意 的取值範圍是－1～ ,而不是－1～＋1。取整時要按照四舍五入的原則以減少誤差，表1是雙極性輸出時二進制編碼表以及對應模拟輸出電壓。
表 1 雙極性輸出偏移二進制碼表
4.2 軟體設計
軟體的任務是根據上位機的指令完成信号的控制和輸出，程式設計語言采用8051彙編語言，整個程式由初始化子產品、基準信号輸出子產品、測角及基準信号輸出子產品、中斷子產品、延時子產品和喂狗子產品組成。軟體流程如圖8所示。
4.3 與上位機接口時序
信号發生器采用中斷的模式響應上位機的控制指令，其指令的時序如圖9所示。
系統上電後，上位機須發送清零指令，複位INT0、INT1為低電平，Uj1、Uj2、Uc輸出為0。在INT0、INT1為低電平期間，可以發送基準信号輸出指令INT0，輸出基準信号Uj1、Uj2；在基準信号輸出期間，即INT0為高電平期間，可以發送測角信号輸出指令INT1，此時輸出測角信号 Uc，Uj1、Uj2同步輸出。當INT0變為低電平時，無論INT1為何種狀态，三路信号輸出都為0。發送基準信号和測角信号輸出前必須保證INT0、 INT1有效複位低電平。在INT0為低電平期間，陀螺儀模拟器不響應任何INT1指令。如果發生不可預料的邏輯紊亂，可以通過複位INT0、INT1，再按照圖9所示時序關系發送指令。
圖 8 軟體流程圖
圖 9 INT0、INT1工作時序