一種低成本聲速測定專用信號發生器硬件設計

【摘 要】隨著素質教育的不斷發展，高校的實驗課時得到了大幅增加，這使得相關實驗儀器的應用更加頻繁，因此，我們結合實際情況，從信號源的應用場合，成本等方面出發，以51系列單片機為主控芯片，以直接頻率合成技術為技術關鍵，設計了一款新型的低成本的專用于聲速測定實驗的信號發生器。

【關鍵詞】聲速測定；信號發生器；直接頻率合成；單片機；正弦波

信號發生器的成本以及實用性越來越受到人們的重視。本文從信號發生器的成本以及具體實用性等方面做主要介紹，以STC89C52單片機為控制芯片，直接頻率合成技術為技術關鍵，結合聲速測定實驗要求，給出了一種新型的專用于聲速測定的正弦信號源的設計方案，該信號源專用于產生36.8khz附近的正弦波，以滿足聲速測定實驗要求。

1.總體設計方案

通過STC89C52單片機寫入仿真后的程序，控制DDS產生36.8KHZ附近的正弦穩定信號，并依據旋轉編碼器原理，設定1HZ、10HZ、100HZ三個檔位，便于調整頻率值，使輸出信號更加精確。

2.硬件設計

專用信號發生器主要由四部分組成，電源模塊、單片機控制模塊、直接頻率合成模塊、顯示模塊。

圖1 系統結構圖

2.1電源模塊

設計電源需要完成將220v的交流電壓轉換為信號發生器需要的5v電源。

本系統是多電源系統，使用三種共地電源：+5V、+12V、-12V，其中：單片機、液晶顯示模塊、AD9850芯片等需要+5V的供電電壓，運放芯片NE5532需要+12V、-12V的供電電壓。

2.2單片機控制模塊

為了節約成本，本電路中采用封裝44腳的STC89C52的單片機，他具有體積小，工作穩定可靠，功耗低，抗干擾能力強等優點。本電路中主要使用了單片機的P0，P1，P2以及部分P3口，P0口主要是和液晶8位數據口相連接，以便對液晶進行讀寫操作；P1口是與AD9850相連，對頻率，相位控制進行控制。

2.3直接頻率合成模塊

DDS電路一般由參考時鐘，相位累加器，波形存儲器，D/A轉換器和低通濾波器組成由于該芯片中的直接數字頻率合成系統是一個全數字結構的開環系統，并且沒有反饋環路，因此ad9850的頻率轉換時間取決于頻率控制字的傳輸時間、低通濾波器及其他器件的頻率響應時間；同時由于直接數字頻率合成系統采用了流水線結構，頻率控制字傳輸時間的算法是流水線級數乘以時鐘周期，因此頻率控制字傳輸時間較短，加之低通濾波器的頻率轉換時間極短C一般可小于納秒量級），因此轉換時間較短，速率較快。

AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠（Powerdown）控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850，在串行輸入方式中，W_CLK上升沿把25引腳的一位數據串行移入，當移動40位后，用一個FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。圖3.2.1是相應的控制字串行輸入的控制時序圖。AD9850的復位（RESET）信號為高電平有效，且脈沖寬度不小于5個參考時鐘周期。AD9850的參考時鐘頻率一般遠高于單片機的時鐘頻率，因此AD9850的復位（RESET）端可與單片機的復位端直接相連。

2.4斷電保護功能設計

選擇EEPROM的優勢。

EEPROM的擦除不需要借助于其它設備，它是以電子信號來修改其內容的，而且是以Byte為最小修改單位，不必將資料全部洗掉才能寫入，徹底擺脫了EPROM Eraser和編程器的束縛。基于其工作特性，當編碼器產生的頻率值輸送到單片機后經單片機處理將數據發送到EEPROM和AD9850芯片，EEPROM對數據進行保存。當系統斷電后編碼器產生的數值消失，而EEPROM中的數據不會丟失，系統再次通電后，單片機將會調用EEPROM中的數據繼續發送給AD9850芯片，從而輸出我們操作時期望的正弦波。從而對我們的產品進行斷電保護。

3.編碼器的功能使用

采集輸入功能的編碼器程序。利用編碼器的功能原理，將其設為3個檔位。掃描電路，確認編碼器按下后記錄連續按下的次數。連續按下一次時，檔位設為1HZ；當連續按下次數為2時，檔位設為10HZ； 當連續按下次數為3時，檔位設為100HZ。將旋轉編碼器設置為，順時針旋轉頻率增加逆時針旋轉頻率下降。編碼器旋轉時每動一次變化相應的檔位值，并且將頻率范圍限定在36KHZ～38KHZ。頻率等于36KHZ時，再逆勢時針轉動頻率保持36KHZ不變；頻率等于38KHZ，再順時針轉頻率保持38KHZ不變。把頻率調節范圍縮小在實驗所需要的36.8KHZ附近，做到專器專用節省資源。編碼器調節不同于傳統信號發生器的機械調節不僅方便操作調節，還不會產生機械損耗及影響實驗準確性。

4.結語

我們致力于研制一款專門用于聲速測定實驗的信號發生器，專器專用。新型信號發生器不僅可以方便操作還可以提高實驗精度及降低實驗成本，對聲速測定實驗的推廣起到積極作用。

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