聲速測(cè)定儀專用信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

【摘 要】隨著素質(zhì)教育的不斷發(fā)展，高校的實(shí)驗(yàn)課時(shí)得到了大幅增加，這使得相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器的應(yīng)用更加頻繁，因此，我們結(jié)合實(shí)際情況，從信號(hào)源的應(yīng)用場(chǎng)合，成本等方面出發(fā)，以51系列單片機(jī)為主控芯片，以直接頻率合成技術(shù)為技術(shù)關(guān)鍵，設(shè)計(jì)了一款新型的低成本的專用于聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)的信號(hào)發(fā)生器。

【關(guān)鍵詞】聲速測(cè)定；直接頻率合成；正弦波；單片機(jī)

0.引言

在聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，超聲波主要是靠信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，正弦波經(jīng)過換能器而形成。而為了減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，通常需要調(diào)節(jié)所需的正弦波頻率和換能器的頻率相等或相近，以便形成共振。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器雖然基本能滿足現(xiàn)在的要求完成實(shí)驗(yàn)，但是，由于傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器只是考慮到了適用范圍，卻忽略了具體問題需具體對(duì)待的原則，這體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)即在專一方向上略顯不足，在實(shí)驗(yàn)操作過程中出現(xiàn)了諸多不足，比如，選頻慢，精度低等不利于實(shí)驗(yàn)。于是生產(chǎn)一款物美價(jià)廉的調(diào)頻范圍窄，輸出頻率接近所需，只輸出正弦波信號(hào)專用于聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)使用的超聲波信號(hào)發(fā)生器是很有必要的。

1.傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器對(duì)聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)的不足

（1）頻率過寬（20HZ～200KHZ）但超聲波聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)中一般只需要特定頻率的信號(hào)（36KHZ～38KHZ）?，F(xiàn)有信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生波形種類多，而聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)只需要正弦波。這樣原有信號(hào)發(fā)生器很多的功能被浪費(fèi)了，供大于求、功耗大。

（2）原有儀器使用時(shí)損耗大，操作困難，易出現(xiàn)誤差。原有超聲波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率寬，使用時(shí)需要通過旋動(dòng)旋鈕進(jìn)行機(jī)械調(diào)頻。經(jīng)常機(jī)械調(diào)頻會(huì)造成機(jī)械損耗縮短儀器壽命，還會(huì)產(chǎn)生駐點(diǎn)漂移并且機(jī)械調(diào)頻不易準(zhǔn)確完成，不利于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）現(xiàn)有信號(hào)發(fā)生器價(jià)格昂貴，一般在800～1000之間不利于推廣普及。

2.研制聲速測(cè)定實(shí)驗(yàn)專用信號(hào)發(fā)生器的先進(jìn)行

（1）與之前的聲速測(cè)定儀中的信號(hào)源穩(wěn)定性相比。原有的信號(hào)源功能復(fù)雜，使產(chǎn)生的正弦波形不穩(wěn)定，而新研制的信號(hào)源專器專用，能很好的解決波形不穩(wěn)定的問題。

（2）與之前的聲速測(cè)定儀中的信號(hào)源調(diào)頻方式相比。原有的信號(hào)源采用電位器調(diào)節(jié)的方式，駐點(diǎn)漂移嚴(yán)重，不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行而新的信號(hào)源采用編碼器調(diào)節(jié)的方式，可以很好的解決駐點(diǎn)漂移的現(xiàn)象。

（3）與之前的聲速測(cè)定儀中的信號(hào)源操作性相比。原有的信號(hào)源按鍵多，功能復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)操作性難。而新的信號(hào)源簡(jiǎn)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使調(diào)頻過程更加便捷。

3.信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)分析

3.1信號(hào)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）產(chǎn)生頻率值：原有聲速測(cè)定儀信號(hào)源采用電位器調(diào)節(jié)頻率值造成不容易操做、誤差大、駐點(diǎn)漂移嚴(yán)重的問題，我們采用數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)節(jié)頻率值。旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)節(jié)是一種全新的數(shù)字式的調(diào)節(jié)方式。根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理結(jié)合與非門電路74HC00我們將編碼開關(guān)設(shè)置成三種檔位的步進(jìn)值及通過左右旋轉(zhuǎn)改變數(shù)值大小。利用編碼器的功能原理，將其設(shè)為3個(gè)檔位。

（2）頻率值的系統(tǒng)控制處理：將旋轉(zhuǎn)編碼器及74HC00產(chǎn)生處理后的頻率值傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)芯片。單片機(jī)按設(shè)定程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行控制處理，將數(shù)據(jù)分別發(fā)送給EEPROM（斷電保護(hù)）、LCD1602（顯示）、AD9850（產(chǎn)生正弦波）。

1）EEPROM由單片機(jī)控制讀入、輸出，將頻率值保存。當(dāng)系統(tǒng)斷電后編碼器產(chǎn)生的數(shù)值消失，而EEPROM中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，系統(tǒng)再次通電后，單片機(jī)將會(huì)調(diào)用EEPROM中的數(shù)據(jù)繼續(xù)發(fā)送給AD9850芯片，從而輸出我們操作時(shí)期望的正弦波。

2）LCD1602由單片機(jī)控制顯示：LCD1602將單片機(jī)處理后的頻率值顯示出來。在屏幕上顯示STEP（步進(jìn)值）FREP（頻率值）。

3）AD9850控制產(chǎn)生正弦波：數(shù)據(jù)輸送到AD9850后，AD9850芯片內(nèi)的直接數(shù)字合成系統(tǒng)結(jié)合單片機(jī)控制程序、算法產(chǎn)生需要的正弦波。

單片機(jī)對(duì)AD9850數(shù)據(jù)傳輸可以采用并行、串行兩種方式，在串行方式中：W_CLK上升沿把25引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入，當(dāng)移動(dòng)40位后，用一個(gè)FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。AD9850的復(fù)位（RESET）信號(hào)為高電平有效，且脈沖寬度不小于5個(gè)參考時(shí)鐘周期。

3.2信號(hào)的處理

信號(hào)的處理具體分為兩部分：

一是對(duì)信號(hào)的去噪，輸出I或Q路信號(hào)，是經(jīng)AD9850內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換之后的模擬波形，但并非平滑的正弦波，經(jīng)低通濾波器平滑后，即可得到預(yù)期的波形。

二是對(duì)輸出信號(hào)幅度進(jìn)行調(diào)理，為了獲得最低的噪聲指標(biāo)，我們決定采用NE5532運(yùn)算放大器。NE5532/NE5532A是一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器。相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號(hào)和電源帶寬。這使該器件特別適合應(yīng)用在儀器和控制電路。

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