特定聲頻正弦信號發生器設計

張永強 程良 馬媛 竇婉婷

關鍵詞：單片機C8051F330D；正弦信號發生器；數模轉換；LED

1 緒論

1.1 背景及意義

測井儀器作為測井中的重要工具，主要把井中或井下信息采集、處理并傳輸到地上，以供專業人員進行分析與測評。在測井中，數據在信道的實時傳輸直接決定了測井的效率與準確度[1]。無線傳輸技術具有更能適應井下復雜環境的特點，它通過測量由井底至井口的介質物理參數，并轉換成測量井中常用到的數據，諸如：相關的壓力、溫度、流量等，并將這些數據傳至地上對井下進行分析。故無線傳輸必將擁有更加良好而廣闊的發展前景[2]。而在無線傳輸技術中，聲波遙測系統（Acoustic Telemetry System） 具有受環境影響小、操作方便，對人員危害小、效率高等特點，越來越受到研究人員的重視[3-4]。

石油作為一種天然不可再生能源在當今影響著社會經濟的方方面面，各國都非常重視對石油資源的勘探和開發。在勘探和開發過程中能夠準確獲得井下信息對于探明油層的地質結構、石油開采等都有很重要的意義。正弦信號發生器作為一種基本電子設備無論是在教學、科研還是在石油勘探開發中都有著廣泛的使用。測井儀器能將井下信息通過傳感器采集下來，應用無線聲波遙測系統（ATS） 將這些信息傳輸到接收端。正弦信號發生器既是一種通用電子測試儀器，也是石油開發中不可缺少的一種測試儀器。利用長距離鉆桿柱的信道傳輸特性，相當于一梳狀濾波器，由許多按一定頻率間隔相同排列的通帶和阻帶，只讓某些特定頻率范圍的信號從通帶通過。可以避開其阻帶，在通帶內發射載有井下信息的聲波信號將信息傳輸到地面接收端。因此，從理論到工程應用對正弦信號發生器進行深入研究，不論是從教學科研角度，還是從石油開采的實際應用角度出發都有積極的意義。

1.2 國內外研究狀況

信號發生器同示波器、電壓表、頻率計等都是最常用的電子儀器，其中正弦信號發生器是其中最常見的信號發生器，正弦波波形不會受到線性系統的影響，它能輸出一個幅度可調的頻率弦信號[5]。

最近幾年，對于數字頻率合成器又稱DDS或者DDFS的研究上取得了飛速的發展。在帶寬、分辨率、轉換時間以及控制方面相對其他合成器具有顯著的優勢，并且它的功耗以及成本非常低[6]。將該數字頻率合成器與傳統的單片機進行結合使用，所產生的信號具有精度高、穩定性強等特點。

1.3 研究方法及理論依據

信號源是聲波遙測系統不可缺少的重要組成部分。從奈奎斯特采樣定律中可以得出，把連續的信號通過采樣、量化、編碼的過程形成一個數字化的正弦函數；合成的過程是通過改變相位增量，在不同的時鐘采樣頻率下，來改變相位以此來實現頻率的改變，計算公式為Δp = ωΔt = 2πfΔt，經轉換得：f =Δp/（2πΔt） = （Δp × fclk ）/2π。

2 方案選擇與論證

2.1 常用方案描述

2.1.1 傳統正弦信號發生器設計方案

傳統的正弦發生器所產生的信號相對較穩定，并且具有較高的頻率穩定度。一般可以達到10-9 量級，決定它工作頻率的是晶振的諧振頻率。如果需要改變正弦信號的頻率必須更換晶振。這樣就導致費時費力、成本較高，因而得不到廣泛推廣和使用。在現實環境中，需要的是能夠隨時變化的工作頻率，并且能夠穩定地輸出，如果采用鎖相環技術以及非線性頻率變換的方式，無異于增加了電路的復雜度，得不償失[7]。

2.1.2 基于單片機的解決方案

除了上一種正弦信號的產生方法外，也可使用基于微處理器單片機的一種方式，通過該微處理器來控制正弦信號的輸出。電路由單片機以及一些模擬數字外圍電路構成。時鐘電路控制著整個單片機工作的節奏，所以由該電路產生的正弦信號與單片機晶振產生的時鐘信號穩定度相同。雖然利用單片機位置控制器可以改變輸出的信號頻率，但是頻率調整的精度不是太高，因此也得不到廣泛應用。

2.1.3 基于DDS 技術的設計方案

DDS的核心技術就是以采樣定理為基礎，把由相位累加器產生的相位碼映射為正弦波幅度的值。然后再經過數模轉換形成波形[8]，原理圖如圖1所示。

2.2 設計方案確定

2.2.1 基于單片機C8051F330D 的設計方案框圖

在本設計進行的前期，通過閱讀大量資料，并進行方案對比與論證，最終選用了C8051F330D單片機，具體設計方案框圖如圖2所示。

2.2.2 基于單片機C8051F330D 的設計方案論述

51單片機的電路結構簡單，不需要更多額外的輔助電路[9]。故本設計中采用C8051F330D做該系統電路的主要芯片。本設計的基本原理為抽樣定理，即采樣頻率必須大于2倍的最大頻率，然后采用數字合成技術實現。把產生的波形進行采樣，然后儲存到單片的ROM中，再經過數模轉換得到模擬量，最后對模擬量進行濾波。通過鍵盤輸入控制頻率值，并由LED顯示器顯示輸出頻率值。

3 系統硬件電路設計

3.1 單片機的應用與選擇

3.1.1 單片機C8051F330D 系統概述

51系列單片機具有眾多優點，其中C8051F330/1 系列在內核和外設方面對性能進行了提升，更易于在最終應用中使用[10-11]。

3.2 穩壓電路

穩壓的作用主要是維持輸出電壓的穩定。使得負載端能獲得穩定的電壓源，這樣對于器件的正常工作有很大好處。穩壓的目的就是當負載電流變化時，穩壓器向負載提供的電壓不變，當外部電源電壓變化時，通過穩壓器向負載提供的電壓不變。無論在什么電路中，穩壓就是穩定電壓，讓負載工作在最佳狀態。

3.3 頻率選擇與輸出電路

將按鍵與C8051F330 單片機的P0.3 端口相連。按鍵有啟動和停止作用，用于頻率選擇，每次按下按鍵，可使LED依次顯示100，200，300 ... 1 000十個數，分別代表頻率。當LED顯示1 000后再次按下按鍵后，又開始顯示100，如此反復循環。

為了使單片機輸出的小信號能在外接示波器上較好地顯示，應當對其進行信號放大，所以在信號的輸入口接一電壓放大器，但單片機的輸出信號為電流信號，故需在單片機輸出口和放大器輸入端之間接一電阻。有時輸入的信號波形不是很好時，放大后也是失真的信號，這就會影響所測信號的頻率，因此要經過整形[12-13]。本設計采用C8051F330D單片機，可直接在單片機I/O口上附加電阻，將輸出的電流信號轉化為電壓信號即可。

可知當選擇1.0K電阻時輸出電壓皆小于3V，滿足條件。故這里選擇阻值為1.0K的電阻。穩定性較好，且輸出電流足夠，可省去信號放大電路部分和濾波整形電路部分。

這里，可以將波形輸出端口外接示波器，觀察波形形狀及頻率，并可以達到通過鍵盤選擇不同頻率，在示波器上顯示不同頻率波形。

4 硬件電路制作

4.1 硬件電路原理圖設計

電路圖是用規定的電子元器件的符號來表示實際電路的連接情況[14]。本設計用到Altium進行電路原理圖設計和印刷電路板設計。最終繪制的總電路原理圖如圖3所示。

4.2 PCB 圖設計

生成的PCB圖如圖4所示。

4.3 PCB 板制作

印制的電路板如圖5所示。

5 調試

5.1 系統聯機調試

系統聯機調試示意圖如圖6所示。

5.2 調試結果

頻率為1 000Hz所采樣的正弦波，圖7為用頻率計測量1 000Hz時的正弦波的輸出頻率。

6 總結

本文采用開發系統與主機連接起來進行系統的聯調，以解決在程序模塊連接中可能出現的邏輯錯誤，由于各個程序模塊在獨立調試的過程中排除了內部的語法錯誤和邏輯錯誤，所以在聯機調試時的錯誤將大大減少，調試的成功性得到提高。本論文完成了特定聲頻正弦信號發生器的設計。設計的核心器件是C8051F330D 單片機，完成步長為100Hz，頻率在100～1 000Hz可變。最終得出了100～1 000Hz正弦信號發生器的波形，并用頻率計測量其輸出頻率，并得到如表1的數據。

在得到上述數據后，開始對數據進行分析。分析發現所設計的正弦信號發生器能很好地實現所要求的各項功能。波形光滑，頻率正常顯示。但存在的問題是，調試頻率與理想頻率存在一定誤差，分析原因有：在用Keil進行編程時，設置定時/計數器初值時，計算中存在舍、入偏差，因而造成頻率值存在一定誤差。解決方法是：可以對程序中定時/計數器初值進行微調，這樣在一定范圍內可以減小誤差。