基于51单片机的超低频信号发生器设计

    低频以及超低频信号在医学、电化学研究和实验教学中都有广泛的应用，尤其在电化学领域里，超低频信号发生器已成为电化学仪器必不可少的组成部分。电化学仪器配以方波、三角波和正弦波发生器，可以研究电化学系统各种暂态行为；配以慢的线性扫描信号或阶梯波信号，可以自动进行稳态(或接近稳态)极化曲线测量。然而市面上适用于电化学领域的信号发生器很少，传统信号发生器无法满足专业需求，且购买成本太高。现介绍一种用单片机控制的信号发生器，可输出方波、三角波及正弦波。产生的波形信号频率范围是0．125 mHz(毫赫兹)～80 Hz，输出的模拟信号电压范围是-10～+10 V，输出信号的幅值和频率具有一定的调节范围。该信号发生器与传统的信号发生器相比，有如下的特点：该信号发生器可以满足电化学领域对于信号发生器的要求，最低频率可达到0．125 mHz，在国内达到先进水平，且该信号发生器在超低频时精度高，失真度小，性能稳定，电路结构简单，体积小。

1 工作原理
    超低频信号发生器的输入参数有扫描方式、上下限电平、波形频率。其中，扫描方式有单次、往返、连续三种选择；上下限电平在-10～+10 V之间，且上限电平大于下限电平；波形频率范围为0．125 mHz～80 Hz。输出波形有三种：方波、三角波、正弦波。当信号发生器上电后，先进行复位清零，然后进行系统初始化，用户通过将键盘设置扫描频率、上下限电平及扫描方式等参数输入单片机，并通过LCD进行显示。按照一定的算法准确调节各个功能模块，断开积分电路模块中控制仪器工作的模拟开关，使信号发生器开始工作，从而输出所需信号波形。

2 波形产生原理
    该信号发生器可以产生频率、峰谷值可调的、连续的方波、三角波和正弦波。下面详细介绍三种波形的产生原理。
2．1 正弦波产生原理
    由于该信号发生器的最低频率可达到0．125 mHz，传统的正弦波产生电路已经无法满足要求。该仪器使用16位的数／模转换器DAC8532产生正弦波。与RC桥式正弦波振荡电路和LC正弦波振荡电路相比，该方法简单、可靠，且稳定度高。
2．2 方波产生原理
    传统的方波产生电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成，RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。但是产生的方波无法满足超低频的要求，而且波形的幅值和频率调节困难。该系统的方波产生电路是通过CMOS模拟开关的不断转换来产生的该电路使用ADG201A作为模拟开关，当开关断开时电路输出高电平；当开关闭合时，电路输出低电平。方波的幅值由输入电压决
定，而周期则由模拟开关转换的频率来决定。电路简单，能满足超低频的要求，而且该电路产生的方波是连续的模拟波形，且幅值和频率调节方便。
2．3 三角波产生原理
    该信号发生器的三角波是用积分电路产生的，与传统的三角波产生电路不同，该三角波的产生过程是一个闭环控制系统，如图1所示。方波发生电路是控制积分电路的积分方向。积分电路的输出与用户输入的上下限电平送入比较器进行比较，将比较结果送入RS触发器。当积分电路的输出高于用户输入的上限电平(或者低于下限电平)时，RS触发器控制方波发生电路使其输出电压反向，继续将积分电路的输出和用户输入的上下限电平送入比较器比较，周而复始，从而输出所需信号的波形。

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3 硬件电路设计
3．1 基于AT89C52的硬件电路设计
    电路框图如图2所示。

3．2 LCD显示电路
    以前普遍应用于显示终端的LED，因不能方便地显示汉字及图形而逐渐被淘汰，该信号发生器使用OCM4X8C液晶显示模块进行显示。OCM-4X8C是具有串／并接口，其内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。该模块的控制驱动器采用台湾矽创电子公司的ST7920，因而具有较强的控制显示功能。
     OCM4X8C的液晶显示屏为128×64点阵，可显示4行，每行8个汉字。为了便于简单、方便地显示汉字，该模块具2 Mb的中文字型CGROM，该字型ROM中含有8 192个16×16点阵中文字库；同时，为了便于英文和其他常用字符的显示，具有16 Kb的16×8点阵的ASCII字符库。LCD显示电路如图3所示，LEDA为液晶显示模块背光源的正极，接+5 V电源；LEDK为背光源的负极，接地；PSB控制串行／并行连接方式，当模块的PSB脚接低电平时，模块即进入串行接口模式，串行模式使用串行数据线R／W、串行时钟线E以及片选端RS来传送数据，即构成3线串行模式。按照串行操作时序编程，即可进行显示。

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3．3 E2PROM电路
    串行E2PROM是可在线电擦除和电写入的存储器，具有体积小，接口简单，数据保存可靠，可在线改写，功耗低等特点，而且为低电压写入，在单片机系统中应用十分普遍。利用E2PROM可以存入信号发生器的初始化状态表，单片机复位清零之后直接调用该表对系统进行初始化。AT24C64与单片机的连接电路如图4所示。

4 系统软件设计
    软件程序是实现超低频信号发生器的核心，根据键盘输入参数准确地调节控制电平上、下限的数字电位器以及控制输入电压的DAC8532等，使信号发生器能够正常工作。软件流程如图5所示。

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5 超低频信号的实现
    对于方波和三角波的输出频率划分为4档输出。为了使4个档次的频率分布均匀，电阻的选择也很关键。通过计算，选择2 MΩ，75 kΩ，4 kΩ，310Ω。由公式：
   
    可以算出4个档位满足的频率范围：电容C=10μF，该设计中Uo最大取值为10 V，Ui的最大取值为10 V，使得电路工作的Ui的最小取值为0．1 V，根据公式：
 
    得出频率范围为0．125 mHz～80 Hz。
    为了确保超低频信号波形稳定，重复性好，在波形的实现过程中要注意以下几点：
    (1)模拟开关的使用。该系统最初使用模拟开关来控制4个频率档位，但是由于模拟开关的导通电阻和截止电阻，使模拟开关的闭合不是完全闭合，断开也不是完全断开，而且模拟开关的截止电阻不够大，因此4个模拟开关并联截止电阻就会更小，再与积分电阻并联就严重地影响了积分周期，从而影响了超低频信号的输出。最终改用继电器控制最低频率段，利用模拟开关控制剩余的三个频率段，这样低频信号输出稳定。
    (2)输入信号不能过小。如果输入信号过小，使得信号与运放的失调电流、失调电压相当，那么输出信号的误差很大。
    (3)积分电容的选择。超低频对于电容也有特定的要求，为了使信号稳定，该超低频信号发生器电容为聚四氟乙烯电容器，容值为10μF。由于电路板上的绝缘电阻不够大，积分电容不能直接焊在电路板，而是通过两根导线与运放相连。
    (4)积分电阻的选择。电阻值过大，对于运放的要求太高，电阻值过小，无法产生超低频波形，因此选择了最大积分电阻为2 MΩ的金属电阻。
    (5)运放的选择。超低频信号对运算放大器的要求很高，该系统选择OP37低失调电流、低失调电压的运算放大器。

6 结语
    由单片机控制的超低频信号发生器，与现有采用计数器、只读存储器、D／A转换器和滤波器等组成的信号发生器相比，频率准确度和稳定度较高。该信号发生器产生的三种波形是电化学实验中常用的波形，且最低频率可达到0．125 mHz，这是电化学实验对于低频的要求，在医学和电化学研究方面具有广泛的应用前景。