RC桥式正弦波振荡电路的信号模拟器设计

长江大学电子信息学院 赵展铭

沈阳城市学院建筑工程学院 饶振南

为解决水下、井下数据测量分析困难的问题，方便测井设备维修和现场电子线路检测并提高设备对信号采集的准确性，设计出了一款简易并实用的信号模拟器。该模拟器的核心器件是选用STC89C52单片机，并控制RC桥式正弦振荡电路的输出间隔来产生可控时间段的正弦模拟信号实验结果可以看出，他能够模拟井下仪器产生的井下信号，对油田测井仪器检测具有较高的实用价值。

随着电子信息产业的发展，各种电子系统中对于正弦信号的应用越来越多，因而模拟器的应用范围越来越广，其中，正弦信号作为工程实践中应用最多的电信号之一，在系统测量和排除错误中起着举足轻重的作用。在很多的测井仪器设备的模拟工作过程中，需要给换能器一个正弦激发信号，但激发信号的时间会根据不同实际情况而变化，很多信号模拟器所发出的信号都是持续的而且无法控制输出时间。本文设计的信号模拟器，不仅操作简易成本低，而且可以控制正弦信号输出的时间，当模拟器接收到启动脉冲信时号，默认会延时一段时间，再向外界发送一段时间的正弦信号，在接收脉冲信号前，可以通过串口向主控模块下达指令从而对这两段时间进行自主的控制。

1 总体方案设计

本次设计中的硬件部分主要包含主控模块、信号源模块、放大电路模块、驱动电路模块等，系统整体设计框图如图1所示，信号时序图如图2所示，信号源模块用于产生模拟正弦信号，然后经放大电路进行放大处理，驱动电路中包含继电器模块，默认状态下，驱动电路中的继电器处于断开状态，信号无法向外界输出，当需要向外界输送正弦信号时，主控模块接收并检测到外界的Start脉冲信号，产生中断，此时会有一段可控的延时时间，接着再输出一定时间的门控信号Gate，用来导通继电器，进而可以向外界输出Gate信号时间段的大小的正弦模拟信号信号。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

根据设计要求，本次设计的主控模块是STC89C52单片机，该单片机具有512字节RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构，全双工串行口等优点。可以完全满足上述实验功能。

图1 总体设计框图

图2 信号时序图

图3 RC桥式正弦波振荡电路

2.2 信号源模块

信号源模块用于产生信号，本次实验所需要的模拟信号为35KHZ左右正弦信号，由于RC桥式正弦波振荡电路的振荡频率稳定、输出波形失真小，在测量、自动控制、通信等许多领域中得到广泛的应用，故为了产生模拟信号源，采用的是经典的RC桥式正弦波振荡电路。RC桥式正弦振荡电路的特征是以集成运放为中心，以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，放大电路引入深度电压串联负反馈，且以选频网络中的RC串联支路、RC并联支路、负反馈网络中的电阻R1、R2、Rx1与R3各为一臂组成桥路，两个顶点接集成运放的两个输入端，电路图如图3所示，起振条件如公式(1)所示：

进而得输出的正弦波频率为：

其中加入D1、D2两个二极管的目的是限制输出幅度，改善输出波形。

由于RC桥式正弦波振荡电路的振荡频率为公式(3)所示：

由于本次实验所需要模拟产生35KHZ左右的正弦波信号，根据公式可选用电阻R5=R4=9K，电容C2=C3=0.5nf。

2.3 信号放大模块

本次设计中对于信号放大采用的是反相比例运算放大电路，因为反向输入法的反向端与同相端都存在“虚地”不存在共模输入信号，即使这个运算放大器的共模抑制比不高，也保证没有共模输出，而同相比例运算放大电路是没有“虚地”的，当使用单端输入信号时，就会产生共模输入信号，即使使用高共模抑制比的运算放大器，也还是会有共模输出的。

2.4 驱动电路模块

主控制器选用的芯片是STC89C52。在本次实验中，单片机的P1^0引脚外接LED显示灯作为检测单片机是否开启外部中断，P2^4引脚用于输出Gate信号来控制继电器的导通时间，P3^2为外部中断引脚，用于接收外部的起始信号，串口1与上位机进行通信。继电器选用的是S1A050000，该继电器具有体积小、操作简单等优点，由于单片机的IO口电流过小，不足以驱动继电器的闭合，于是引入一个NPN型的三极管来驱动继电器的开断。如图4所示。

图4 单片机驱动电路

3 系统软件设计

本文的核心思想是用单片机来控制输出正弦信号的时间，其重点在于当单片机接收到Start脉冲起始信号后，系统延时的那一段时间与输出的Gate信号的时间可以根据需要来进行改变，在默认状态，单片机接收到Start脉冲信号会产生中断并延时10ms再输出20ms的Gate信号，本次实验我们设计可以在每次接收Start信号前，通过串口向单片机发送指令，来实时的改变这两段的时间，如向串口发送16进制的aabb 00ff 00ff，其中aabb表示的是帧头，这句命令意思是单片机接收到Start信号到来时，延时255ms后，会产生256ms的Gate信号。程序流程图如图5所示。

图5 流程图

4 实验结果

实物图与调试结果：

实物连接图如图6所示，在RC桥式振荡电路输出端时接入示波器观测如图7所示，其频率在35K左右，与理论结果基本一致。此外当gate信号设定为256ms时，通过示波器抓拍显示结果如图8所示，其信号输出时长也在256ms左右，满足实验设计需要。

图6 硬件实物图

图7 RC振荡电路波形图

图8 实际抓拍波形图

结论：本文设计的基于RC桥氏正弦波振荡电路的信号模拟器主要用于模拟声波信号对一些测井设备进行测试，其核心思想是当接收到外部触发信号时，会产生中断，随后延时第一定时间并输出一段正弦波信号，利用单片机与继电器的特性进而使得这两段时间可结合项目需要进行随时控制，而信号源则使用的是较为稳定的RC桥式正弦波振荡电路，通过结合实验结果观测和实际项目测试，证明了该模拟器的可行性。