特定聲頻正弦信號發(fā)生器設(shè)計

張永強 程良 馬媛 竇婉婷

關(guān)鍵詞：單片機C8051F330D；正弦信號發(fā)生器；數(shù)模轉(zhuǎn)換；LED

1 緒論

1.1 背景及意義

測井儀器作為測井中的重要工具，主要把井中或井下信息采集、處理并傳輸?shù)降厣?，以供專業(yè)人員進行分析與測評。在測井中，數(shù)據(jù)在信道的實時傳輸直接決定了測井的效率與準(zhǔn)確度[1]。無線傳輸技術(shù)具有更能適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境的特點，它通過測量由井底至井口的介質(zhì)物理參數(shù)，并轉(zhuǎn)換成測量井中常用到的數(shù)據(jù)，諸如：相關(guān)的壓力、溫度、流量等，并將這些數(shù)據(jù)傳至地上對井下進行分析。故無線傳輸必將擁有更加良好而廣闊的發(fā)展前景[2]。而在無線傳輸技術(shù)中，聲波遙測系統(tǒng)（Acoustic Telemetry System） 具有受環(huán)境影響小、操作方便，對人員危害小、效率高等特點，越來越受到研究人員的重視[3-4]。

石油作為一種天然不可再生能源在當(dāng)今影響著社會經(jīng)濟的方方面面，各國都非常重視對石油資源的勘探和開發(fā)。在勘探和開發(fā)過程中能夠準(zhǔn)確獲得井下信息對于探明油層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、石油開采等都有很重要的意義。正弦信號發(fā)生器作為一種基本電子設(shè)備無論是在教學(xué)、科研還是在石油勘探開發(fā)中都有著廣泛的使用。測井儀器能將井下信息通過傳感器采集下來，應(yīng)用無線聲波遙測系統(tǒng)（ATS） 將這些信息傳輸?shù)浇邮斩?。正弦信號發(fā)生器既是一種通用電子測試儀器，也是石油開發(fā)中不可缺少的一種測試儀器。利用長距離鉆桿柱的信道傳輸特性，相當(dāng)于一梳狀濾波器，由許多按一定頻率間隔相同排列的通帶和阻帶，只讓某些特定頻率范圍的信號從通帶通過。可以避開其阻帶，在通帶內(nèi)發(fā)射載有井下信息的聲波信號將信息傳輸?shù)降孛娼邮斩恕Ｒ虼?，從理論到工程?yīng)用對正弦信號發(fā)生器進行深入研究，不論是從教學(xué)科研角度，還是從石油開采的實際應(yīng)用角度出發(fā)都有積極的意義。

1.2 國內(nèi)外研究狀況

信號發(fā)生器同示波器、電壓表、頻率計等都是最常用的電子儀器，其中正弦信號發(fā)生器是其中最常見的信號發(fā)生器，正弦波波形不會受到線性系統(tǒng)的影響，它能輸出一個幅度可調(diào)的頻率弦信號[5]。

最近幾年，對于數(shù)字頻率合成器又稱DDS或者DDFS的研究上取得了飛速的發(fā)展。在帶寬、分辨率、轉(zhuǎn)換時間以及控制方面相對其他合成器具有顯著的優(yōu)勢，并且它的功耗以及成本非常低[6]。將該數(shù)字頻率合成器與傳統(tǒng)的單片機進行結(jié)合使用，所產(chǎn)生的信號具有精度高、穩(wěn)定性強等特點。

1.3 研究方法及理論依據(jù)

信號源是聲波遙測系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。從奈奎斯特采樣定律中可以得出，把連續(xù)的信號通過采樣、量化、編碼的過程形成一個數(shù)字化的正弦函數(shù)；合成的過程是通過改變相位增量，在不同的時鐘采樣頻率下，來改變相位以此來實現(xiàn)頻率的改變，計算公式為Δp = ωΔt = 2πfΔt，經(jīng)轉(zhuǎn)換得：f =Δp/（2πΔt） = （Δp × fclk ）/2π。

2 方案選擇與論證

2.1 常用方案描述

2.1.1 傳統(tǒng)正弦信號發(fā)生器設(shè)計方案

傳統(tǒng)的正弦發(fā)生器所產(chǎn)生的信號相對較穩(wěn)定，并且具有較高的頻率穩(wěn)定度。一般可以達到10-9 量級，決定它工作頻率的是晶振的諧振頻率。如果需要改變正弦信號的頻率必須更換晶振。這樣就導(dǎo)致費時費力、成本較高，因而得不到廣泛推廣和使用。在現(xiàn)實環(huán)境中，需要的是能夠隨時變化的工作頻率，并且能夠穩(wěn)定地輸出，如果采用鎖相環(huán)技術(shù)以及非線性頻率變換的方式，無異于增加了電路的復(fù)雜度，得不償失[7]。

2.1.2 基于單片機的解決方案

除了上一種正弦信號的產(chǎn)生方法外，也可使用基于微處理器單片機的一種方式，通過該微處理器來控制正弦信號的輸出。電路由單片機以及一些模擬數(shù)字外圍電路構(gòu)成。時鐘電路控制著整個單片機工作的節(jié)奏，所以由該電路產(chǎn)生的正弦信號與單片機晶振產(chǎn)生的時鐘信號穩(wěn)定度相同。雖然利用單片機位置控制器可以改變輸出的信號頻率，但是頻率調(diào)整的精度不是太高，因此也得不到廣泛應(yīng)用。

2.1.3 基于DDS 技術(shù)的設(shè)計方案

DDS的核心技術(shù)就是以采樣定理為基礎(chǔ)，把由相位累加器產(chǎn)生的相位碼映射為正弦波幅度的值。然后再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換形成波形[8]，原理圖如圖1所示。

2.2 設(shè)計方案確定

2.2.1 基于單片機C8051F330D 的設(shè)計方案框圖

在本設(shè)計進行的前期，通過閱讀大量資料，并進行方案對比與論證，最終選用了C8051F330D單片機，具體設(shè)計方案框圖如圖2所示。

2.2.2 基于單片機C8051F330D 的設(shè)計方案論述

51單片機的電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要更多額外的輔助電路[9]。故本設(shè)計中采用C8051F330D做該系統(tǒng)電路的主要芯片。本設(shè)計的基本原理為抽樣定理，即采樣頻率必須大于2倍的最大頻率，然后采用數(shù)字合成技術(shù)實現(xiàn)。把產(chǎn)生的波形進行采樣，然后儲存到單片的ROM中，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換得到模擬量，最后對模擬量進行濾波。通過鍵盤輸入控制頻率值，并由LED顯示器顯示輸出頻率值。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 單片機的應(yīng)用與選擇

3.1.1 單片機C8051F330D 系統(tǒng)概述

51系列單片機具有眾多優(yōu)點，其中C8051F330/1 系列在內(nèi)核和外設(shè)方面對性能進行了提升，更易于在最終應(yīng)用中使用[10-11]。

3.2 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓的作用主要是維持輸出電壓的穩(wěn)定。使得負載端能獲得穩(wěn)定的電壓源，這樣對于器件的正常工作有很大好處。穩(wěn)壓的目的就是當(dāng)負載電流變化時，穩(wěn)壓器向負載提供的電壓不變，當(dāng)外部電源電壓變化時，通過穩(wěn)壓器向負載提供的電壓不變。無論在什么電路中，穩(wěn)壓就是穩(wěn)定電壓，讓負載工作在最佳狀態(tài)。

3.3 頻率選擇與輸出電路

將按鍵與C8051F330 單片機的P0.3 端口相連。按鍵有啟動和停止作用，用于頻率選擇，每次按下按鍵，可使LED依次顯示100，200，300 ... 1 000十個數(shù)，分別代表頻率。當(dāng)LED顯示1 000后再次按下按鍵后，又開始顯示100，如此反復(fù)循環(huán)。

為了使單片機輸出的小信號能在外接示波器上較好地顯示，應(yīng)當(dāng)對其進行信號放大，所以在信號的輸入口接一電壓放大器，但單片機的輸出信號為電流信號，故需在單片機輸出口和放大器輸入端之間接一電阻。有時輸入的信號波形不是很好時，放大后也是失真的信號，這就會影響所測信號的頻率，因此要經(jīng)過整形[12-13]。本設(shè)計采用C8051F330D單片機，可直接在單片機I/O口上附加電阻，將輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號即可。

可知當(dāng)選擇1.0K電阻時輸出電壓皆小于3V，滿足條件。故這里選擇阻值為1.0K的電阻。穩(wěn)定性較好，且輸出電流足夠，可省去信號放大電路部分和濾波整形電路部分。

這里，可以將波形輸出端口外接示波器，觀察波形形狀及頻率，并可以達到通過鍵盤選擇不同頻率，在示波器上顯示不同頻率波形。

4 硬件電路制作

4.1 硬件電路原理圖設(shè)計

電路圖是用規(guī)定的電子元器件的符號來表示實際電路的連接情況[14]。本設(shè)計用到Altium進行電路原理圖設(shè)計和印刷電路板設(shè)計。最終繪制的總電路原理圖如圖3所示。

4.2 PCB 圖設(shè)計

生成的PCB圖如圖4所示。

4.3 PCB 板制作

印制的電路板如圖5所示。

5 調(diào)試

5.1 系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試

系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試示意圖如圖6所示。

5.2 調(diào)試結(jié)果

頻率為1 000Hz所采樣的正弦波，圖7為用頻率計測量1 000Hz時的正弦波的輸出頻率。

6 總結(jié)

本文采用開發(fā)系統(tǒng)與主機連接起來進行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，以解決在程序模塊連接中可能出現(xiàn)的邏輯錯誤，由于各個程序模塊在獨立調(diào)試的過程中排除了內(nèi)部的語法錯誤和邏輯錯誤，所以在聯(lián)機調(diào)試時的錯誤將大大減少，調(diào)試的成功性得到提高。本論文完成了特定聲頻正弦信號發(fā)生器的設(shè)計。設(shè)計的核心器件是C8051F330D 單片機，完成步長為100Hz，頻率在100～1 000Hz可變。最終得出了100～1 000Hz正弦信號發(fā)生器的波形，并用頻率計測量其輸出頻率，并得到如表1的數(shù)據(jù)。

在得到上述數(shù)據(jù)后，開始對數(shù)據(jù)進行分析。分析發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的正弦信號發(fā)生器能很好地實現(xiàn)所要求的各項功能。波形光滑，頻率正常顯示。但存在的問題是，調(diào)試頻率與理想頻率存在一定誤差，分析原因有：在用Keil進行編程時，設(shè)置定時/計數(shù)器初值時，計算中存在舍、入偏差，因而造成頻率值存在一定誤差。解決方法是：可以對程序中定時/計數(shù)器初值進行微調(diào)，這樣在一定范圍內(nèi)可以減小誤差。