特定声频正弦信号发生器设计

张永强 程良 马媛 窦婉婷

关键词：单片机C8051F330D；正弦信号发生器；数模转换；LED

1 绪论

1.1 背景及意义

测井仪器作为测井中的重要工具，主要把井中或井下信息采集、处理并传输到地上，以供专业人员进行分析与测评。在测井中，数据在信道的实时传输直接决定了测井的效率与准确度[1]。无线传输技术具有更能适应井下复杂环境的特点，它通过测量由井底至井口的介质物理参数，并转换成测量井中常用到的数据，诸如：相关的压力、温度、流量等，并将这些数据传至地上对井下进行分析。故无线传输必将拥有更加良好而广阔的发展前景[2]。而在无线传输技术中，声波遥测系统（Acoustic Telemetry System） 具有受环境影响小、操作方便，对人员危害小、效率高等特点，越来越受到研究人员的重视[3-4]。

石油作为一种天然不可再生能源在当今影响着社会经济的方方面面，各国都非常重视对石油资源的勘探和开发。在勘探和开发过程中能够准确获得井下信息对于探明油层的地质结构、石油开采等都有很重要的意义。正弦信号发生器作为一种基本电子设备无论是在教学、科研还是在石油勘探开发中都有着广泛的使用。测井仪器能将井下信息通过传感器采集下来，应用无线声波遥测系统（ATS） 将这些信息传输到接收端。正弦信号发生器既是一种通用电子测试仪器，也是石油开发中不可缺少的一种测试仪器。利用长距离钻杆柱的信道传输特性，相当于一梳状滤波器，由许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号从通带通过。可以避开其阻带，在通带内发射载有井下信息的声波信号将信息传输到地面接收端。因此，从理论到工程应用对正弦信号发生器进行深入研究，不论是从教学科研角度，还是从石油开采的实际应用角度出发都有积极的意义。

1.2 国内外研究状况

信号发生器同示波器、电压表、频率计等都是最常用的电子仪器，其中正弦信号发生器是其中最常见的信号发生器，正弦波波形不会受到线性系统的影响，它能輸出一个幅度可调的频率弦信号[5]。

最近几年，对于数字频率合成器又称DDS或者DDFS的研究上取得了飞速的发展。在带宽、分辨率、转换时间以及控制方面相对其他合成器具有显著的优势，并且它的功耗以及成本非常低[6]。将该数字频率合成器与传统的单片机进行结合使用，所产生的信号具有精度高、稳定性强等特点。

1.3 研究方法及理论依据

信号源是声波遥测系统不可缺少的重要组成部分。从奈奎斯特采样定律中可以得出，把连续的信号通过采样、量化、编码的过程形成一个数字化的正弦函数；合成的过程是通过改变相位增量，在不同的时钟采样频率下，来改变相位以此来实现频率的改变，计算公式为Δp = ωΔt = 2πfΔt，经转换得：f =Δp/（2πΔt） = （Δp × fclk ）/2π。

2 方案选择与论证

2.1 常用方案描述

2.1.1 传统正弦信号发生器设计方案

传统的正弦发生器所产生的信号相对较稳定，并且具有较高的频率稳定度。一般可以达到10-9 量级，决定它工作频率的是晶振的谐振频率。如果需要改变正弦信号的频率必须更换晶振。这样就导致费时费力、成本较高，因而得不到广泛推广和使用。在现实环境中，需要的是能够随时变化的工作频率，并且能够稳定地输出，如果采用锁相环技术以及非线性频率变换的方式，无异于增加了电路的复杂度，得不偿失[7]。

2.1.2 基于单片机的解决方案

除了上一种正弦信号的产生方法外，也可使用基于微处理器单片机的一种方式，通过该微处理器来控制正弦信号的输出。电路由单片机以及一些模拟数字外围电路构成。时钟电路控制着整个单片机工作的节奏，所以由该电路产生的正弦信号与单片机晶振产生的时钟信号稳定度相同。虽然利用单片机位置控制器可以改变输出的信号频率，但是频率调整的精度不是太高，因此也得不到广泛应用。

2.1.3 基于DDS 技术的设计方案

DDS的核心技术就是以采样定理为基础，把由相位累加器产生的相位码映射为正弦波幅度的值。然后再经过数模转换形成波形[8]，原理图如图1所示。

2.2 设计方案确定

2.2.1 基于单片机C8051F330D 的设计方案框图

在本设计进行的前期，通过阅读大量资料，并进行方案对比与论证，最终选用了C8051F330D单片机，具体设计方案框图如图2所示。

2.2.2 基于单片机C8051F330D 的设计方案论述

51单片机的电路结构简单，不需要更多额外的辅助电路[9]。故本设计中采用C8051F330D做该系统电路的主要芯片。本设计的基本原理为抽样定理，即采样频率必须大于2倍的最大频率，然后采用数字合成技术实现。把产生的波形进行采样，然后储存到单片的ROM中，再经过数模转换得到模拟量，最后对模拟量进行滤波。通过键盘输入控制频率值，并由LED显示器显示输出频率值。

3 系统硬件电路设计

3.1 单片机的应用与选择

3.1.1 单片机C8051F330D 系统概述

51系列单片机具有众多优点，其中C8051F330/1 系列在内核和外设方面对性能进行了提升，更易于在最终应用中使用[10-11]。

3.2 稳压电路

稳压的作用主要是维持输出电压的稳定。使得负载端能获得稳定的电压源，这样对于器件的正常工作有很大好处。稳压的目的就是当负载电流变化时，稳压器向负载提供的电压不变，当外部电源电压变化时，通过稳压器向负载提供的电压不变。无论在什么电路中，稳压就是稳定电压，让负载工作在最佳状态。

3.3 频率选择与输出电路

将按键与C8051F330 单片机的P0.3 端口相连。按键有启动和停止作用，用于频率选择，每次按下按键，可使LED依次显示100，200，300 ... 1 000十个数，分别代表频率。当LED显示1 000后再次按下按键后，又开始显示100，如此反复循环。

为了使单片机输出的小信号能在外接示波器上较好地显示，应当对其进行信号放大，所以在信号的输入口接一电压放大器，但单片机的输出信号为电流信号，故需在单片机输出口和放大器输入端之间接一电阻。有时输入的信号波形不是很好时，放大后也是失真的信号，这就会影响所测信号的频率，因此要经过整形[12-13]。本设计采用C8051F330D单片机，可直接在单片机I/O口上附加电阻，将输出的电流信号转化为电压信号即可。

可知当选择1.0K电阻时输出电压皆小于3V，满足条件。故这里选择阻值为1.0K的电阻。稳定性较好，且输出电流足够，可省去信号放大电路部分和滤波整形电路部分。

这里，可以将波形输出端口外接示波器，观察波形形状及频率，并可以达到通过键盘选择不同频率，在示波器上显示不同频率波形。

4 硬件电路制作

4.1 硬件電路原理图设计

电路图是用规定的电子元器件的符号来表示实际电路的连接情况[14]。本设计用到Altium进行电路原理图设计和印刷电路板设计。最终绘制的总电路原理图如图3所示。

4.2 PCB 图设计

生成的PCB图如图4所示。

4.3 PCB 板制作

印制的电路板如图5所示。

5 调试

5.1 系统联机调试

系统联机调试示意图如图6所示。

5.2 调试结果

频率为1 000Hz所采样的正弦波，图7为用频率计测量1 000Hz时的正弦波的输出频率。

6 总结

本文采用开发系统与主机连接起来进行系统的联调，以解决在程序模块连接中可能出现的逻辑错误，由于各个程序模块在独立调试的过程中排除了内部的语法错误和逻辑错误，所以在联机调试时的错误将大大减少，调试的成功性得到提高。本论文完成了特定声频正弦信号发生器的设计。设计的核心器件是C8051F330D 单片机，完成步长为100Hz，频率在100～1 000Hz可变。最终得出了100～1 000Hz正弦信号发生器的波形，并用频率计测量其输出频率，并得到如表1的数据。

在得到上述数据后，开始对数据进行分析。分析发现所设计的正弦信号发生器能很好地实现所要求的各项功能。波形光滑，频率正常显示。但存在的问题是，调试频率与理想频率存在一定误差，分析原因有：在用Keil进行编程时，设置定时/计数器初值时，计算中存在舍、入偏差，因而造成频率值存在一定误差。解决方法是：可以对程序中定时/计数器初值进行微调，这样在一定范围内可以减小误差。