实验室用低频信号源的设计

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信号源是能够产生正弦波、三角波、方波或任意波形的信号输出设备.目前，信号源总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展.常见的信号源多使用ICL8038、MAX038或 DDS集成芯片作为信号发生电路的核心部件，这些器件设计的信号源频率在 100 Hz以上时效果很好，但频率低于 100 Hz时存在信号波形的过零噪声，无法满足要求较高的应用诚需要，针对这-现状，本文提出-种基于C8051 F410单片机设计实验室用高性能低频信号源的方法。

1 设计的低频信号源工作原理设计的低频信号源工作原理如图1所示.包括 C8051F410单片机、信号输出处理电路、液晶显示电路、按键输人电路、串口通信电路以及国电电源电路等7个功能拈组成.C8051F4110单片机为信号源的核心部件，通过内置的 12位 D/A拈 DACO输出波形的交流分量，通过内置的 12位D/A拈 DAC1输出波形的直流分量，再经信号输出处理电路合成目标信号输出.考虑到输出信号驱动的负载阻抗的变化，设计了输出信号幅值检测电路，用于幅值反馈，参与输出信号幅值调整，保证输出信号幅值稳定.液晶显示电路和按键输入电路实现人机接口功能，方便操作.串行通信接口电路提供了信号源与 Pc机的接ISl功能，便于智能化管理.供电电源电路为信号源提供5 V、±15 V的直流电源。

供 - f液晶显I DAC -电 I重皇堕 I/O接口 DAcl源 C8051F410 周 电l入电路r 1/O接口UART0 路图1 低频信号源工作原理图2 电路设计2.1 单片机的外围接口信号源的核心控制器采用 C8051F410单片机，C8051F410是完全集成的低功耗混合信号片上系统型 MCU，C8051F410的最基本外围接 口电路如图2所示.c4和C11为单片机供电电源VCC滤波；C5、C12为单片机内部低压差稳压器输出电压VDD滤波；C6、C15为单片机内置的基准电源输出电压 VREF滤波，此时 P1.2配置为基准电压输出引脚；P0.0、P0.1配置为 DAC0和 DAC1的输出引脚；P0.2配置为 ADC0的输入引脚；P0.4、P0.5配置为 UART0的TXD和 RXD引脚；P1.1、P1.3、P1.5、P1.6为键盘输入端口；P2.0、P2.1、P2.2、P2.3为液晶接口；JTAG1为单片机的程序收稿日期：2013-05-21作者简介：艾学忠(1970.)，男，吉林榆树人，吉林化工学院教授，博士，主要从事信号检测、微机测控装置、机电-体化控制等领域的教学和科学方面的研究。

第 7期 艾学忠，等：实验室用低频信号源的设计 47下载及在线仿真调试EI E21。

VCCg附 m Tt 兰～ - 0 -卑 vl C1 rJ山山山 --LIlOV；o P07 24Rs1 I2cx 23 RlvI钯 .5厦X 22 ---[二 m 2I 4.7K20 R2GND po.2 l9 - -[二-Lc5 三Lcl2 v旦 - - .1加 ACi lg lK IbPl～ 脚 主 - l7 ---[二 2la ： n 寸 玎 AGlc-- l 2. VREF GND. ]- 懈 Pl f 5 6 78· He出 j)＆>图 基本外围接口电路图2.2 输出信号处理电路输 出 信 号 处 理 电路 如 图 3所 示 J，单片机的 转换器 输出信号的交流分量，包含信号的幅值、频率、波形等参数信息； 输出信号的直流分量，包含信号的电平偏移值. 单片机的 转换器输出的模拟量 和 是电流信号，输出范围配置为 ～ ，通过 的精密电阻 Rs。和Rs 转换成 ～ 电压信号。

图 输出信号处理电路图。、 设计成电压跟随器，起到阻抗变换作用， 与尺1、 、 3、 -起构成差动放大电路，其中 Kn， KQ，运算关系如式(1)所示。

ur ( c0R鳓- c1尺s1)L ( c0R∞- 。 R )， ∞和 。 在 ～ 范围变化时，输出信号 的电压峰-峰值达到2O V. 1、 、∞ 为低温漂精密运放 .电阻R5为输出过流保护电阻，能够防止输 出短路烧毁运放.cl、c2、c3、c4与电阻和运放构成低通滤波电路，能够滤除转换形成的台阶波.电路采用 ± 供电，电源引脚要加 . 和 的退耦电容，在图中没有画出，实际电路需要加上。

2.3 其它电路说明由于信号源对电源质量要求较高，所以供电电源电路要采用线性稳压电源，并做好滤波和防 护；液 晶 采 用 带 字 库 的 模 块- ，为了节省 资源使用串行接 口模式；信号源与Pc机通信采用 接口方式；按键采用线延口方式直接挂接到单片机的 口上.由于这部分电路比较常见，在此不做赘述。

合成信号的方法信号包括两个特征参数，即幅值和频率.合成吉 林 化 工 学 院 学 报 2013正信号就是通过程序处理，将信号的频率和幅值通过 DAC输出的速度和大小表示出来 J。

频率信号合成的方法有两种：-是使用定时扫描输出，定时时间不变，改变每个周期内输出信号的点数，调整输出信号频率；二是固定每个周期内输出信号的点数，调整定时扫描的时间，调整输出信号的频率。

由于受系统执行速度限制，上述两种方法在信号频率从 0.1～100 Hz内变化时都很难达到0.1 Hz的分辨精度.为了提高频率合成精度，将上述两种方法综合.假设系统时钟周期为 ts，定时/计数器计数初值D，每个周期DAC输出点数Ⅳ，则输出信号的频率.厂为值对应的D和Ⅳ就是设置的频率 下最佳的计数初值和每个周期输出的DAC点数。

在计算出输出点数 Ⅳ之后，通过输出信号的函数关系，就可以计算出每个周期内对应的数字量信息表格，DAC按照定时/计数器中断执行输出数字量表格信息，就实现了信号的输出.下面以正弦信号为例，说明数字量信息表格的获取方法。

假设需要输出的正弦信号峰值峰为 ，图 2中硬件电路的极限峰峰值为20 V，每个周期内取DAC点数为Ⅳ，则对应每个点的DAC值可按照公式(4)计算，式中i取 0-Ⅳ1。

V ，，-DAC sin( ·i)， (4)， (2) 4 测试结果在任意设置的频率点/和计数初值D下，每个周期 DAC输出点数 Ⅳ可以表示为：1Ⅳ。 ， (3)考虑要保证信号失真度指标以及系统执行代码的速度调配，合理选取D的取值范围为D ～D(整数)，代入公式(3)可以得到i个对应的Ⅳ值，即：Ⅳl- .再将对应的 和M 代人公式(2)得到i个频率 ，取af，f-fi， 的绝对值最小的i输出的波形可根据按键进行波形切换(正弦波、三角波、锯齿波、方波)；幅值可以通过电位器进行调节，调节范围为 0～20 V；频率可以通过按键进行加减(0.1～100 Hz)，并显示在液晶屏上，每次调节的步进值最低可达0.1 Hz.通过数字示波器观察输出波形的幅值与频率以及显示屏的显示值，并记录于表 1中。

表 1 测试数据5 结 论本文所论述的低频信号源的设计，产生的波形从 0.1～100 Hz的低频信号，通过按键调节频率步进可达到0.1 Hz/步，并且可以进行波形切换和幅值调节，达到了预期的实验要求.通过改进，本设计可应用于实验室低频信号的产生，可满足- 般的低频实验的需要。