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基于AT89C52單片機的超低頻信號發生器設計
現代電子技術
楊晶晶,劉 巖
摘要: 設計以單片機AT89C52為核心的超低頻信號發生器,詳細介紹該信號發生器的工作原理、硬件電路、軟件流程及技術關鍵。實際應用表明,該信號發生器可以產生頻率、峰谷值可調的、連續的方波,三角波和正弦波,輸出信號的頻率范圍為0.125mHz(毫赫茲)~80Hz,幅值為-10~+10V。與傳統信號發生器相比,具有輸出波形穩定和低頻精度高的特點,對于超低頻信號發生器的設計具有重要的參考價值。
Abstract:
Key words :

低頻以及超低" title="超低">超低頻信號在醫學、電化學研究和實驗教學中都有廣泛的應用,尤其在電化學領域里,超低頻信號發生器" title="信號發生器">信號發生器已成為電化學儀器必不可少的組成部分。電化學儀器配以方波、三角波和正弦波發生器,可以研究電化學系統各種暫態行為;配以慢的線性掃描信號或階梯波信號,可以自動進行穩態(或接近穩態)極化曲線測量。然而市面上適用于電化學領域的信號發生器很少,傳統信號發生器無法滿足專業需求,且購買成本太高。現介紹一種用單片機" title="單片機">單片機控制的信號發生器,可輸出方波、三角波及正弦波。產生的波形信號頻率范圍是0.125 mHz(毫赫茲)~80 Hz,輸出的模擬信號電壓范圍是-10~+10 V,輸出信號的幅值和頻率具有一定的調節范圍。該信號發生器與傳統的信號發生器相比,有如下的特點:該信號發生器可以滿足電化學領域對于信號發生器的要求,最低頻率可達到0.125 mHz,在國內達到先進水平,且該信號發生器在超低頻時精度高,失真度小,性能穩定,電路結構簡單,體積小。

1 工作原理
   
超低頻信號發生器的輸入參數有掃描方式、上下限電平、波形頻率。其中,掃描方式有單次、往返、連續三種選擇;上下限電平在-10~+10 V之間,且上限電平大于下限電平;波形頻率范圍為0.125 mHz~80 Hz。輸出波形有三種:方波、三角波、正弦波。當信號發生器上電后,先進行復位清零,然后進行系統初始化,用戶通過將鍵盤設置掃描頻率、上下限電平及掃描方式等參數輸入單片機,并通過LCD進行顯示。按照一定的算法準確調節各個功能模塊,斷開積分電路模塊中控制儀器工作的模擬開關,使信號發生器開始工作,從而輸出所需信號波形。

2 波形產生原理
   
該信號發生器可以產生頻率、峰谷值可調的、連續的方波、三角波和正弦波。下面詳細介紹三種波形的產生原理。
2.1 正弦波產生原理
   
由于該信號發生器的最低頻率可達到0.125 mHz,傳統的正弦波產生電路已經無法滿足要求。該儀器使用16位的數/模轉換器DAC8532產生正弦波。與RC橋式正弦波振蕩電路和LC正弦波振蕩電路相比,該方法簡單、可靠,且穩定度高。
2.2 方波產生原理
   
傳統的方波產生電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成,RC回路既作為延遲環節,又作為反饋網絡,通過RC充、放電實現輸出狀態的自動轉換。但是產生的方波無法滿足超低頻的要求,而且波形的幅值和頻率調節困難。該系統的方波產生電路是通過CMOS模擬開關的不斷轉換來產生的該電路使用ADG201A作為模擬開關,當開關斷開時電路輸出高電平;當開關閉合時,電路輸出低電平。方波的幅值由輸入電壓決
定,而周期則由模擬開關轉換的頻率來決定。電路簡單,能滿足超低頻的要求,而且該電路產生的方波是連續的模擬波形,且幅值和頻率調節方便。
2.3 三角波產生原理
   
該信號發生器的三角波是用積分電路產生的,與傳統的三角波產生電路不同,該三角波的產生過程是一個閉環控制系統,如圖1所示。方波發生電路是控制積分電路的積分方向。積分電路的輸出與用戶輸入的上下限電平送入比較器進行比較,將比較結果送入RS觸發器。當積分電路的輸出高于用戶輸入的上限電平(或者低于下限電平)時,RS觸發器控制方波發生電路使其輸出電壓反向,繼續將積分電路的輸出和用戶輸入的上下限電平送入比較器比較,周而復始,從而輸出所需信號的波形。



3 硬件電路設計" title="設計">設計
3.1 基于AT89C52" title="AT89C52">AT89C52的硬件電路設計

    電路框圖如圖2所示。


3.2 LCD顯示電路
   
以前普遍應用于顯示終端的LED,因不能方便地顯示漢字及圖形而逐漸被淘汰,該信號發生器使用OCM4X8C液晶顯示模塊進行顯示。OCM-4X8C是具有串/并接口,其內部含有中文字庫的圖形點陣液晶顯示模塊。該模塊的控制驅動器采用臺灣矽創電子公司的ST7920,因而具有較強的控制顯示功能。
     OCM4X8C的液晶顯示屏為128×64點陣,可顯示4行,每行8個漢字。為了便于簡單、方便地顯示漢字,該模塊具2 Mb的中文字型CGROM,該字型ROM中含有8 192個16×16點陣中文字庫;同時,為了便于英文和其他常用字符的顯示,具有16 Kb的16×8點陣的ASCII字符庫。LCD顯示電路如圖3所示,LEDA為液晶顯示模塊背光源的正極,接+5 V電源;LEDK為背光源的負極,接地;PSB控制串行/并行連接方式,當模塊的PSB腳接低電平時,模塊即進入串行接口模式,串行模式使用串行數據線R/W、串行時鐘線E以及片選端RS來傳送數據,即構成3線串行模式。按照串行操作時序編程,即可進行顯示。


3.3 E2PROM電路
   
串行E2PROM是可在線電擦除和電寫入的存儲器,具有體積小,接口簡單,數據保存可靠,可在線改寫,功耗低等特點,而且為低電壓寫入,在單片機系統中應用十分普遍。利用E2PROM可以存入信號發生器的初始化狀態表,單片機復位清零之后直接調用該表對系統進行初始化。AT24C64與單片機的連接電路如圖4所示。



4 系統軟件設計
   
軟件程序是實現超低頻信號發生器的核心,根據鍵盤輸入參數準確地調節控制電平上、下限的數字電位器以及控制輸入電壓的DAC8532等,使信號發生器能夠正常工作。軟件流程如圖5所示。

5 超低頻信號的實現
   
對于方波和三角波的輸出頻率劃分為4檔輸出。為了使4個檔次的頻率分布均勻,電阻的選擇也很關鍵。通過計算,選擇2 MΩ,75 kΩ,4 kΩ,310Ω。由公式:
   
    可以算出4個檔位滿足的頻率范圍:電容C=10μF,該設計中Uo最大取值為10 V,Ui的最大取值為10 V,使得電路工作的Ui的最小取值為0.1 V,根據公式:
 
    得出頻率范圍為0.125 mHz~80 Hz。
    為了確保超低頻信號波形穩定,重復性好,在波形的實現過程中要注意以下幾點:
    (1)模擬開關的使用。該系統最初使用模擬開關來控制4個頻率檔位,但是由于模擬開關的導通電阻和截止電阻,使模擬開關的閉合不是完全閉合,斷開也不是完全斷開,而且模擬開關的截止電阻不夠大,因此4個模擬開關并聯截止電阻就會更小,再與積分電阻并聯就嚴重地影響了積分周期,從而影響了超低頻信號的輸出。最終改用繼電器控制最低頻率段,利用模擬開關控制剩余的三個頻率段,這樣低頻信號輸出穩定。
    (2)輸入信號不能過小。如果輸入信號過小,使得信號與運放的失調電流、失調電壓相當,那么輸出信號的誤差很大。
    (3)積分電容的選擇。超低頻對于電容也有特定的要求,為了使信號穩定,該超低頻信號發生器電容為聚四氟乙烯電容器,容值為10μF。由于電路板上的絕緣電阻不夠大,積分電容不能直接焊在電路板,而是通過兩根導線與運放相連。
    (4)積分電阻的選擇。電阻值過大,對于運放的要求太高,電阻值過小,無法產生超低頻波形,因此選擇了最大積分電阻為2 MΩ的金屬電阻。
    (5)運放的選擇。超低頻信號對運算放大器的要求很高,該系統選擇OP37低失調電流、低失調電壓的運算放大器。

6 結語
   
由單片機控制的超低頻信號發生器,與現有采用計數器、只讀存儲器、D/A轉換器和濾波器等組成的信號發生器相比,頻率準確度和穩定度較高。該信號發生器產生的三種波形是電化學實驗中常用的波形,且最低頻率可達到0.125 mHz,這是電化學實驗對于低頻的要求,在醫學和電化學研究方面具有廣泛的應用前景。

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