实验室用低频信号源的设计

艾学忠，刘 伟，柳仁禹

(吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林132022)

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场合需要，针对这一现状，本文提出一种基于C8051F410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、按键输入电路、串口通信电路以及国电电源电路等7个功能模块组成［1］.C8051F4110单片机为信号源的核心部件，通过内置的12位D/A模块DAC0输出波形的交流分量，通过内置的12位D/A模块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机的接口功能，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.

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为单片机的程序下载及在线仿真调试口［2］.

图2 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［3］，C8051F410单片机的D/A转换器IDAC0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;IDAC1输出信号的直流分量，包含信号的电平偏移值.C8051F410单片机的D/A转换器输出的模拟量IDAC0和IDAC1是电流信号，输出范围配置为0～1 mA，通过1K的精密电阻Rs0和Rs1转换成0～1 V电压信号.

图3 输出信号处理电路图

U1、U2设计成电压跟随器，起到阻抗变换作用，U3与 R1、R2、R3、R4 一起构成差动放大电路，其中 R1=R2=10 KΩ，R3=R4=20 0 KΩ，运算关系如式(1)所示.

IDAC0和IDAC1在0～1 mA范围变化时，输出信号VOUT的电压峰-峰值达到20 V.U1、U2、U3 为低温漂精密运放OP-07.电阻R5为输出过流保护电阻，能够防止输出短路烧毁运放.C1、C2、C3、C4与电阻和运放构成低通滤波电路，能够滤除A/D转换形成的台阶波.电路采用±15 V供电，电源引脚要加0.1 uF和100 uF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EMI防护;液晶采用带字库的 LCD模块LCM12864-5ZK，为了节省I/O资源使用串行接口模式;信号源与PC机通信采用232接口方式;按键采用线选接口方式直接挂接到单片机的I/O口上.由于这部分电路比较常见，在此不做赘述.

3 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［4］.

频率信号合成的方法有两种:一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N，则输出信号的频率f为

在任意设置的频率点f和计数初值D下，每个周期DAC输出点数N可以表示为:

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D1～Di(整数)，代入公式(3)可以得到i个对应的N值，即:N1～Ni.再将对应的Di和Ni代入公式(2)得到 i个频率 fi，取 Δfi=f-fi，Δfi的绝对值最小的 i值对应的D和N就是设置的频率f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N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Vp，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N，则对应每个点的DAC值可按照公式(4)计算，式中i取0～N-1.

4 测试结果

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，可满足一般的低频实验的需要.

［1］艾学忠，纪慧超，张玉良.具有安全监管的锂电池矿灯智能充电技术的研究［J］.化工自动化及仪表，2010，37(2):100-101.

［2］艾学忠，张莉，张玉良等.驾驶模拟器操控信号采集与控制器的设计［J］.吉林化工学院学报.2011，28(9):85-88.

［3］翟玉文，梁伟，艾学忠.电子设计与实践［M］.中国电力出版社，2005.5.

［4］李大为，马庆.数控多路超低频运行试验信号源研制［J］.自动化与仪表.2013(2)，24-26.