基于51單片機(jī)的超低頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

低頻以及超低頻信號(hào)在醫(yī)學(xué)、電化學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都有廣泛的應(yīng)用，尤其在電化學(xué)領(lǐng)域里，超低頻信號(hào)發(fā)生器已成為電化學(xué)儀器必不可少的組成部分。電化學(xué)儀器配以方波、三角波和正弦波發(fā)生器，可以研究電化學(xué)系統(tǒng)各種暫態(tài)行為；配以慢的線性掃描信號(hào)或階梯波信號(hào)，可以自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)(或接近穩(wěn)態(tài))極化曲線測(cè)量。然而市面上適用于電化學(xué)領(lǐng)域的信號(hào)發(fā)生器很少，傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器無(wú)法滿足專業(yè)需求，且購(gòu)買成本太高。現(xiàn)介紹一種用單片機(jī)控制的信號(hào)發(fā)生器，可輸出方波、三角波及正弦波。產(chǎn)生的波形信號(hào)頻率范圍是0．125 mHz(毫赫茲)～80 Hz，輸出的模擬信號(hào)電壓范圍是-10～+10 V，輸出信號(hào)的幅值和頻率具有一定的調(diào)節(jié)范圍。該信號(hào)發(fā)生器與傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器相比，有如下的特點(diǎn)：該信號(hào)發(fā)生器可以滿足電化學(xué)領(lǐng)域?qū)τ谛盘?hào)發(fā)生器的要求，最低頻率可達(dá)到0．125 mHz，在國(guó)內(nèi)達(dá)到先進(jìn)水平，且該信號(hào)發(fā)生器在超低頻時(shí)精度高，失真度小，性能穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。

1 工作原理
超低頻信號(hào)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(dāng)信號(hào)發(fā)生器上電后，先進(jìn)行復(fù)位清零，然后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，用戶通過(guò)將鍵盤設(shè)置掃描頻率、上下限電平及掃描方式等參數(shù)輸入單片機(jī)，并通過(guò)LCD進(jìn)行顯示。按照一定的算法準(zhǔn)確調(diào)節(jié)各個(gè)功能模塊，斷開積分電路模塊中控制儀器工作的模擬開關(guān)，使信號(hào)發(fā)生器開始工作，從而輸出所需信號(hào)波形。

2 波形產(chǎn)生原理
該信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率、峰谷值可調(diào)的、連續(xù)的方波、三角波和正弦波。下面詳細(xì)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(hào)發(fā)生器的最低頻率可達(dá)到0．125 mHz，傳統(tǒng)的正弦波產(chǎn)生電路已經(jīng)無(wú)法滿足要求。該儀器使用16位的數(shù)／模轉(zhuǎn)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(jiǎn)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(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。但是產(chǎn)生的方波無(wú)法滿足超低頻的要求，而且波形的幅值和頻率調(diào)節(jié)困難。該系統(tǒng)的方波產(chǎn)生電路是通過(guò)CMOS模擬開關(guān)的不斷轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生的該電路使用ADG201A作為模擬開關(guān)，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)電路輸出高電平；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，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(guān)轉(zhuǎn)換的頻率來(lái)決定。電路簡(jiǎn)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(diào)節(jié)方便。
2．3 三角波產(chǎn)生原理
該信號(hào)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(guò)程是一個(gè)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(jìn)行比較，將比較結(jié)果送入RS觸發(fā)器。當(dāng)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(shí)，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(fù)始，從而輸出所需信號(hào)的波形。