基于AT89C52單片機的超低頻信號發(fā)生器設(shè)計

低頻以及超低頻信號在醫(yī)學(xué)、電化學(xué)研究和實驗教學(xué)中都有廣泛的應(yīng)用，尤其在電化學(xué)領(lǐng)域里，超低頻信號發(fā)生器已成為電化學(xué)儀器必不可少的組成部分。電化學(xué)儀器配以方波、三角波和正弦波發(fā)生器，可以研究電化學(xué)系統(tǒng)各種暫態(tài)行為；配以慢的線性掃描信號或階梯波信號，可以自動進(jìn)行穩(wěn)態(tài)(或接近穩(wěn)態(tài))極化曲線測量。然而市面上適用于電化學(xué)領(lǐng)域的信號發(fā)生器很少，傳統(tǒng)信號發(fā)生器無法滿足專業(yè)需求，且購買成本太高?，F(xiàn)介紹一種用單片機控制的信號發(fā)生器，可輸出方波、三角波及正弦波。產(chǎn)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(diào)節(jié)范圍。該信號發(fā)生器與傳統(tǒng)的信號發(fā)生器相比，有如下的特點：該信號發(fā)生器可以滿足電化學(xué)領(lǐng)域?qū)τ谛盘柊l(fā)生器的要求，最低頻率可達(dá)到0．125 mHz，在國內(nèi)達(dá)到先進(jìn)水平，且該信號發(fā)生器在超低頻時精度高，失真度小，性能穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小。

1 工作原理
    超低頻信號發(fā)生器的輸入?yún)?shù)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(xù)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(dāng)信號發(fā)生器上電后，先進(jìn)行復(fù)位清零，然后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，用戶通過將鍵盤設(shè)置掃描頻率、上下限電平及掃描方式等參數(shù)輸入單片機，并通過LCD進(jìn)行顯示。按照一定的算法準(zhǔn)確調(diào)節(jié)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(guān)，使信號發(fā)生器開始工作，從而輸出所需信號波形。

2 波形產(chǎn)生原理
    該信號發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率、峰谷值可調(diào)的、連續(xù)的方波、三角波和正弦波。下面詳細(xì)介紹三種波形的產(chǎn)生原理。
2．1 正弦波產(chǎn)生原理
    由于該信號發(fā)生器的最低頻率可達(dá)到0．125 mHz，傳統(tǒng)的正弦波產(chǎn)生電路已經(jīng)無法滿足要求。該儀器使用16位的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器DAC8532產(chǎn)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(wěn)定度高。
2．2 方波產(chǎn)生原理
    傳統(tǒng)的方波產(chǎn)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(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。但是產(chǎn)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(diào)節(jié)困難。該系統(tǒng)的方波產(chǎn)生電路是通過CMOS模擬開關(guān)的不斷轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生的該電路使用ADG201A作為模擬開關(guān)，當(dāng)開關(guān)斷開時電路輸出高電平；當(dāng)開關(guān)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(guān)轉(zhuǎn)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(chǎn)生的方波是連續(xù)的模擬波形，且幅值和頻率調(diào)節(jié)方便。
2．3 三角波產(chǎn)生原理
    該信號發(fā)生器的三角波是用積分電路產(chǎn)生的，與傳統(tǒng)的三角波產(chǎn)生電路不同，該三角波的產(chǎn)生過程是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。方波發(fā)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(jìn)行比較，將比較結(jié)果送入RS觸發(fā)器。當(dāng)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(fā)器控制方波發(fā)生電路使其輸出電壓反向，繼續(xù)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(fù)始，從而輸出所需信號的波形。

3 硬件電路設(shè)計
3．1 基于AT89C52的硬件電路設(shè)計
    電路框圖如圖2所示。

3．2 LCD顯示電路
    以前普遍應(yīng)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(fā)生器使用OCM4X8C液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。OCM-4X8C是具有串／并接口，其內(nèi)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(qū)動器采用臺灣矽創(chuàng)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(fù)極，接地；PSB控制串行／并行連接方式，當(dāng)模塊的PSB腳接低電平時，模塊即進(jìn)入串行接口模式，串行模式使用串行數(shù)據(jù)線R／W、串行時鐘線E以及片選端RS來傳送數(shù)據(jù)，即構(gòu)成3線串行模式。按照串行操作時序編程，即可進(jìn)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(shù)據(jù)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(tǒng)中應(yīng)用十分普遍。利用E2PROM可以存入信號發(fā)生器的初始化狀態(tài)表，單片機復(fù)位清零之后直接調(diào)用該表對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。AT24C64與單片機的連接電路如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件程序是實現(xiàn)超低頻信號發(fā)生器的核心，根據(jù)鍵盤輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)控制電平上、下限的數(shù)字電位器以及控制輸入電壓的DAC8532等，使信號發(fā)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(xiàn)
    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(guān)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(shè)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(jù)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(wěn)定，重復(fù)性好，在波形的實現(xiàn)過程中要注意以下幾點：
    (1)模擬開關(guān)的使用。該系統(tǒng)最初使用模擬開關(guān)來控制4個頻率檔位，但是由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻和截止電阻，使模擬開關(guān)的閉合不是完全閉合，斷開也不是完全斷開，而且模擬開關(guān)的截止電阻不夠大，因此4個模擬開關(guān)并聯(lián)截止電阻就會更小，再與積分電阻并聯(lián)就嚴(yán)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(guān)控制剩余的三個頻率段，這樣低頻信號輸出穩(wěn)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(diào)電流、失調(diào)電壓相當(dāng)，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(wěn)定，該超低頻信號發(fā)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(dǎo)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(chǎn)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(tǒng)選擇OP37低失調(diào)電流、低失調(diào)電壓的運算放大器。

6 結(jié)語
    由單片機控制的超低頻信號發(fā)生器，與現(xiàn)有采用計數(shù)器、只讀存儲器、D／A轉(zhuǎn)換器和濾波器等組成的信號發(fā)生器相比，頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度較高。該信號發(fā)生器產(chǎn)生的三種波形是電化學(xué)實驗中常用的波形，且最低頻率可達(dá)到0．125 mHz，這是電化學(xué)實驗對于低頻的要求，在醫(yī)學(xué)和電化學(xué)研究方面具有廣泛的應(yīng)用前景。