基于51單片機的超低頻信號發(fā)生器設計

低頻以及超低頻信號在醫(yī)學、電化學研究和實驗教學中都有廣泛的應用，尤其在電化學領域里，超低頻信號發(fā)生器已成為電化學儀器必不可少的組成部分。電化學儀器配以方波、三角波和正弦波發(fā)生器，可以研究電化學系統(tǒng)各種暫態(tài)行為；配以慢的線性掃描信號或階梯波信號，可以自動進行穩(wěn)態(tài)(或接近穩(wěn)態(tài))極化曲線測量。然而市面上適用于電化學領域的信號發(fā)生器很少，傳統(tǒng)信號發(fā)生器無法滿足專業(yè)需求，且購買成本太高。現(xiàn)介紹一種用單片機控制的信號發(fā)生器，可輸出方波、三角波及正弦波。產(chǎn)生的波形信號頻率范圍是0．125 mHz(毫赫茲)～80 Hz，輸出的模擬信號電壓范圍是-10～+10 V，輸出信號的幅值和頻率具有一定的調節(jié)范圍。該信號發(fā)生器與傳統(tǒng)的信號發(fā)生器相比，有如下的特點：該信號發(fā)生器可以滿足電化學領域對于信號發(fā)生器的要求，最低頻率可達到0．125 mHz，在國內(nèi)達到先進水平，且該信號發(fā)生器在超低頻時精度高，失真度小，性能穩(wěn)定，電路結構簡單，體積小。

1 工作原理
超低頻信號發(fā)生器的輸入?yún)?shù)有掃描方式、上下限電平、波形頻率。其中，掃描方式有單次、往返、連續(xù)三種選擇；上下限電平在-10～+10 V之間，且上限電平大于下限電平；波形頻率范圍為0．125 mHz～80 Hz。輸出波形有三種：方波、三角波、正弦波。當信號發(fā)生器上電后，先進行復位清零，然后進行系統(tǒng)初始化，用戶通過將鍵盤設置掃描頻率、上下限電平及掃描方式等參數(shù)輸入單片機，并通過LCD進行顯示。按照一定的算法準確調節(jié)各個功能模塊，斷開積分電路模塊中控制儀器工作的模擬開關，使信號發(fā)生器開始工作，從而輸出所需信號波形。

2 波形產(chǎn)生原理
該信號發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率、峰谷值可調的、連續(xù)的方波、三角波和正弦波。下面詳細介紹三種波形的產(chǎn)生原理。
2．1 正弦波產(chǎn)生原理
由于該信號發(fā)生器的最低頻率可達到0．125 mHz，傳統(tǒng)的正弦波產(chǎn)生電路已經(jīng)無法滿足要求。該儀器使用16位的數(shù)／模轉換器DAC8532產(chǎn)生正弦波。與RC橋式正弦波振蕩電路和LC正弦波振蕩電路相比，該方法簡單、可靠，且穩(wěn)定度高。
2．2 方波產(chǎn)生原理
傳統(tǒng)的方波產(chǎn)生電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成，RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉換。但是產(chǎn)生的方波無法滿足超低頻的要求，而且波形的幅值和頻率調節(jié)困難。該系統(tǒng)的方波產(chǎn)生電路是通過CMOS模擬開關的不斷轉換來產(chǎn)生的該電路使用ADG201A作為模擬開關，當開關斷開時電路輸出高電平；當開關閉合時，電路輸出低電平。方波的幅值由輸入電壓決
定，而周期則由模擬開關轉換的頻率來決定。電路簡單，能滿足超低頻的要求，而且該電路產(chǎn)生的方波是連續(xù)的模擬波形，且幅值和頻率調節(jié)方便。
2．3 三角波產(chǎn)生原理
該信號發(fā)生器的三角波是用積分電路產(chǎn)生的，與傳統(tǒng)的三角波產(chǎn)生電路不同，該三角波的產(chǎn)生過程是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。方波發(fā)生電路是控制積分電路的積分方向。積分電路的輸出與用戶輸入的上下限電平送入比較器進行比較，將比較結果送入RS觸發(fā)器。當積分電路的輸出高于用戶輸入的上限電平(或者低于下限電平)時，RS觸發(fā)器控制方波發(fā)生電路使其輸出電壓反向，繼續(xù)將積分電路的輸出和用戶輸入的上下限電平送入比較器比較，周而復始，從而輸出所需信號的波形。