實驗室用低頻信號源的設計

艾學忠，劉 偉，柳仁禹

(吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林吉林132022)

信號源是能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波或任意波形的信號輸出設備.目前，信號源總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動化和智能化方向發(fā)展.常見的信號源多使用ICL8038、MAX038或DDS集成芯片作為信號發(fā)生電路的核心部件，這些器件設計的信號源頻率在100 Hz以上時效果很好，但頻率低于100 Hz時存在信號波形的過零噪聲，無法滿足要求較高的應用場合需要，針對這一現(xiàn)狀，本文提出一種基于C8051F410單片機設計實驗室用高性能低頻信號源的方法.

1 設計的低頻信號源工作原理

設計的低頻信號源工作原理如圖1所示.包括C8051F410單片機、信號輸出處理電路、液晶顯示電路、按鍵輸入電路、串口通信電路以及國電電源電路等7個功能模塊組成［1］.C8051F4110單片機為信號源的核心部件，通過內置的12位D/A模塊DAC0輸出波形的交流分量，通過內置的12位D/A模塊DAC1輸出波形的直流分量，再經(jīng)信號輸出處理電路合成目標信號輸出.考慮到輸出信號驅動的負載阻抗的變化，設計了輸出信號幅值檢測電路，用于幅值反饋，參與輸出信號幅值調整，保證輸出信號幅值穩(wěn)定.液晶顯示電路和按鍵輸入電路實現(xiàn)人機接口功能，方便操作.串行通信接口電路提供了信號源與PC機的接口功能，便于智能化管理.供電電源電路為信號源提供+5 V、±15 V的直流電源.

圖1 低頻信號源工作原理圖

2 電路設計

2.1 單片機的外圍接口

信號源的核心控制器采用C8051F410單片機，C8051F410是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，C8051F410的最基本外圍接口電路如圖2所示.C4和C11為單片機供電電源VCC濾波;C5、C12為單片機內部低壓差穩(wěn)壓器輸出電壓VDD濾波;C6、C15為單片機內置的基準電源輸出電壓VREF濾波，此時P1.2配置為基準電壓輸出引腳;P0.0、P0.1配置為DAC0和DAC1的輸出引腳;P0.2配置為ADC0的輸入引腳;P0.4、P0.5配置為UART0的TXD和RXD引腳;P1.1、P1.3、P1.5、P1.6 為鍵盤輸入端口;P2.0、P2.1、P2.2、P2.3為液晶接口;JTAG1為單片機的程序下載及在線仿真調試口［2］.

圖2 基本外圍接口電路圖

2.2 輸出信號處理電路

輸出 信 號 處 理 電 路 如 圖 3 所 示［3］，C8051F410單片機的D/A轉換器IDAC0輸出信號的交流分量，包含信號的幅值、頻率、波形等參數(shù)信息;IDAC1輸出信號的直流分量，包含信號的電平偏移值.C8051F410單片機的D/A轉換器輸出的模擬量IDAC0和IDAC1是電流信號，輸出范圍配置為0～1 mA，通過1K的精密電阻Rs0和Rs1轉換成0～1 V電壓信號.

圖3 輸出信號處理電路圖

U1、U2設計成電壓跟隨器，起到阻抗變換作用，U3與 R1、R2、R3、R4 一起構成差動放大電路，其中 R1=R2=10 KΩ，R3=R4=20 0 KΩ，運算關系如式(1)所示.

IDAC0和IDAC1在0～1 mA范圍變化時，輸出信號VOUT的電壓峰-峰值達到20 V.U1、U2、U3 為低溫漂精密運放OP-07.電阻R5為輸出過流保護電阻，能夠防止輸出短路燒毀運放.C1、C2、C3、C4與電阻和運放構成低通濾波電路，能夠濾除A/D轉換形成的臺階波.電路采用±15 V供電，電源引腳要加0.1 uF和100 uF的退耦電容，在圖中沒有畫出，實際電路需要加上.

2.3 其它電路說明

由于信號源對電源質量要求較高，所以供電電源電路要采用線性穩(wěn)壓電源，并做好濾波和EMI防護;液晶采用帶字庫的 LCD模塊LCM12864-5ZK，為了節(jié)省I/O資源使用串行接口模式;信號源與PC機通信采用232接口方式;按鍵采用線選接口方式直接掛接到單片機的I/O口上.由于這部分電路比較常見，在此不做贅述.

3 合成信號的方法

信號包括兩個特征參數(shù)，即幅值和頻率.合成信號就是通過程序處理，將信號的頻率和幅值通過DAC輸出的速度和大小表示出來［4］.

頻率信號合成的方法有兩種:一是使用定時掃描輸出，定時時間不變，改變每個周期內輸出信號的點數(shù)，調整輸出信號頻率;二是固定每個周期內輸出信號的點數(shù)，調整定時掃描的時間，調整輸出信號的頻率.

由于受系統(tǒng)執(zhí)行速度限制，上述兩種方法在信號頻率從0.1～100 Hz內變化時都很難達到0.1 Hz的分辨精度.為了提高頻率合成精度，將上述兩種方法綜合.假設系統(tǒng)時鐘周期為ts，定時/計數(shù)器計數(shù)初值D，每個周期DAC輸出點數(shù)N，則輸出信號的頻率f為

在任意設置的頻率點f和計數(shù)初值D下，每個周期DAC輸出點數(shù)N可以表示為:

考慮要保證信號失真度指標以及系統(tǒng)執(zhí)行代碼的速度調配，合理選取D的取值范圍為D1～Di(整數(shù))，代入公式(3)可以得到i個對應的N值，即:N1～Ni.再將對應的Di和Ni代入公式(2)得到 i個頻率 fi，取 Δfi=f-fi，Δfi的絕對值最小的 i值對應的D和N就是設置的頻率f下最佳的計數(shù)初值和每個周期輸出的DAC點數(shù).

在計算出輸出點數(shù)N之后，通過輸出信號的函數(shù)關系，就可以計算出每個周期內對應的數(shù)字量信息表格，DAC按照定時/計數(shù)器中斷執(zhí)行輸出數(shù)字量表格信息，就實現(xiàn)了信號的輸出.下面以正弦信號為例，說明數(shù)字量信息表格的獲取方法.

假設需要輸出的正弦信號峰值峰為Vp，圖2中硬件電路的極限峰峰值為20 V，每個周期內取DAC點數(shù)為N，則對應每個點的DAC值可按照公式(4)計算，式中i取0～N-1.

4 測試結果

輸出的波形可根據(jù)按鍵進行波形切換(正弦波、三角波、鋸齒波、方波);幅值可以通過電位器進行調節(jié)，調節(jié)范圍為0～20 V;頻率可以通過按鍵進行加減(0.1～100 Hz)，并顯示在液晶屏上，每次調節(jié)的步進值最低可達0.1 Hz.通過數(shù)字示波器觀察輸出波形的幅值與頻率以及顯示屏的顯示值，并記錄于表1中.

表1 測試數(shù)據(jù)

5 結 論

本文所論述的低頻信號源的設計，產(chǎn)生的波形從0.1～100 Hz的低頻信號，通過按鍵調節(jié)頻率步進可達到0.1 Hz/步，并且可以進行波形切換和幅值調節(jié)，達到了預期的實驗要求.通過改進，本設計可應用于實驗室低頻信號的產(chǎn)生，可滿足一般的低頻實驗的需要.

［1］艾學忠，紀慧超，張玉良.具有安全監(jiān)管的鋰電池礦燈智能充電技術的研究［J］.化工自動化及儀表，2010，37(2):100-101.

［2］艾學忠，張莉，張玉良等.駕駛模擬器操控信號采集與控制器的設計［J］.吉林化工學院學報.2011，28(9):85-88.

［3］翟玉文，梁偉，艾學忠.電子設計與實踐［M］.中國電力出版社，2005.5.

［4］李大為，馬慶.數(shù)控多路超低頻運行試驗信號源研制［J］.自動化與儀表.2013(2)，24-26.