一種低成本聲速測定專用信號發(fā)生器硬件設計

【摘 要】隨著素質教育的不斷發(fā)展，高校的實驗課時得到了大幅增加，這使得相關實驗儀器的應用更加頻繁，因此，我們結合實際情況，從信號源的應用場合，成本等方面出發(fā)，以51系列單片機為主控芯片，以直接頻率合成技術為技術關鍵，設計了一款新型的低成本的專用于聲速測定實驗的信號發(fā)生器。

【關鍵詞】聲速測定；信號發(fā)生器；直接頻率合成；單片機；正弦波

信號發(fā)生器的成本以及實用性越來越受到人們的重視。本文從信號發(fā)生器的成本以及具體實用性等方面做主要介紹，以STC89C52單片機為控制芯片，直接頻率合成技術為技術關鍵，結合聲速測定實驗要求，給出了一種新型的專用于聲速測定的正弦信號源的設計方案，該信號源專用于產生36.8khz附近的正弦波，以滿足聲速測定實驗要求。

1.總體設計方案

通過STC89C52單片機寫入仿真后的程序，控制DDS產生36.8KHZ附近的正弦穩(wěn)定信號，并依據旋轉編碼器原理，設定1HZ、10HZ、100HZ三個檔位，便于調整頻率值，使輸出信號更加精確。

2.硬件設計

專用信號發(fā)生器主要由四部分組成，電源模塊、單片機控制模塊、直接頻率合成模塊、顯示模塊。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2.1電源模塊

設計電源需要完成將220v的交流電壓轉換為信號發(fā)生器需要的5v電源。

本系統(tǒng)是多電源系統(tǒng)，使用三種共地電源：+5V、+12V、-12V，其中：單片機、液晶顯示模塊、AD9850芯片等需要+5V的供電電壓，運放芯片NE5532需要+12V、-12V的供電電壓。

2.2單片機控制模塊

為了節(jié)約成本，本電路中采用封裝44腳的STC89C52的單片機，他具有體積小，工作穩(wěn)定可靠，功耗低，抗干擾能力強等優(yōu)點。本電路中主要使用了單片機的P0，P1，P2以及部分P3口，P0口主要是和液晶8位數據口相連接，以便對液晶進行讀寫操作；P1口是與AD9850相連，對頻率，相位控制進行控制。

2.3直接頻率合成模塊

DDS電路一般由參考時鐘，相位累加器，波形存儲器，D/A轉換器和低通濾波器組成由于該芯片中的直接數字頻率合成系統(tǒng)是一個全數字結構的開環(huán)系統(tǒng)，并且沒有反饋環(huán)路，因此ad9850的頻率轉換時間取決于頻率控制字的傳輸時間、低通濾波器及其他器件的頻率響應時間；同時由于直接數字頻率合成系統(tǒng)采用了流水線結構，頻率控制字傳輸時間的算法是流水線級數乘以時鐘周期，因此頻率控制字傳輸時間較短，加之低通濾波器的頻率轉換時間極短C一般可小于納秒量級），因此轉換時間較短，速率較快。

AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠（Powerdown）控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850，在串行輸入方式中，W_CLK上升沿把25引腳的一位數據串行移入，當移動40位后，用一個FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。圖3.2.1是相應的控制字串行輸入的控制時序圖。AD9850的復位（RESET）信號為高電平有效，且脈沖寬度不小于5個參考時鐘周期。AD9850的參考時鐘頻率一般遠高于單片機的時鐘頻率，因此AD9850的復位（RESET）端可與單片機的復位端直接相連。

2.4斷電保護功能設計

選擇EEPROM的優(yōu)勢。

EEPROM的擦除不需要借助于其它設備，它是以電子信號來修改其內容的，而且是以Byte為最小修改單位，不必將資料全部洗掉才能寫入，徹底擺脫了EPROM Eraser和編程器的束縛?；谄涔ぷ魈匦裕斁幋a器產生的頻率值輸送到單片機后經單片機處理將數據發(fā)送到EEPROM和AD9850芯片，EEPROM對數據進行保存。當系統(tǒng)斷電后編碼器產生的數值消失，而EEPROM中的數據不會丟失，系統(tǒng)再次通電后，單片機將會調用EEPROM中的數據繼續(xù)發(fā)送給AD9850芯片，從而輸出我們操作時期望的正弦波。從而對我們的產品進行斷電保護。

3.編碼器的功能使用

采集輸入功能的編碼器程序。利用編碼器的功能原理，將其設為3個檔位。掃描電路，確認編碼器按下后記錄連續(xù)按下的次數。連續(xù)按下一次時，檔位設為1HZ；當連續(xù)按下次數為2時，檔位設為10HZ； 當連續(xù)按下次數為3時，檔位設為100HZ。將旋轉編碼器設置為，順時針旋轉頻率增加逆時針旋轉頻率下降。編碼器旋轉時每動一次變化相應的檔位值，并且將頻率范圍限定在36KHZ～38KHZ。頻率等于36KHZ時，再逆勢時針轉動頻率保持36KHZ不變；頻率等于38KHZ，再順時針轉頻率保持38KHZ不變。把頻率調節(jié)范圍縮小在實驗所需要的36.8KHZ附近，做到專器專用節(jié)省資源。編碼器調節(jié)不同于傳統(tǒng)信號發(fā)生器的機械調節(jié)不僅方便操作調節(jié)，還不會產生機械損耗及影響實驗準確性。

4.結語

我們致力于研制一款專門用于聲速測定實驗的信號發(fā)生器，專器專用。新型信號發(fā)生器不僅可以方便操作還可以提高實驗精度及降低實驗成本，對聲速測定實驗的推廣起到積極作用。

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