聲速測定儀專用信號發生器設計

【摘 要】隨著素質教育的不斷發展，高校的實驗課時得到了大幅增加，這使得相關實驗儀器的應用更加頻繁，因此，我們結合實際情況，從信號源的應用場合，成本等方面出發，以51系列單片機為主控芯片，以直接頻率合成技術為技術關鍵，設計了一款新型的低成本的專用于聲速測定實驗的信號發生器。

【關鍵詞】聲速測定；直接頻率合成；正弦波；單片機

0.引言

在聲速測定實驗中，超聲波主要是靠信號發生器產生正弦波，正弦波經過換能器而形成。而為了減少實驗結果的誤差，通常需要調節所需的正弦波頻率和換能器的頻率相等或相近，以便形成共振。傳統的信號發生器雖然基本能滿足現在的要求完成實驗，但是，由于傳統的信號發生器只是考慮到了適用范圍，卻忽略了具體問題需具體對待的原則，這體現在實驗即在專一方向上略顯不足，在實驗操作過程中出現了諸多不足，比如，選頻慢，精度低等不利于實驗。于是生產一款物美價廉的調頻范圍窄，輸出頻率接近所需，只輸出正弦波信號專用于聲速測定實驗使用的超聲波信號發生器是很有必要的。

1.傳統信號發生器對聲速測定實驗的不足

（1）頻率過寬（20HZ～200KHZ）但超聲波聲速測定實驗中一般只需要特定頻率的信號（36KHZ～38KHZ）。現有信號發生器產生波形種類多，而聲速測定實驗只需要正弦波。這樣原有信號發生器很多的功能被浪費了，供大于求、功耗大。

（2）原有儀器使用時損耗大，操作困難，易出現誤差。原有超聲波信號發生器產生的頻率寬，使用時需要通過旋動旋鈕進行機械調頻。經常機械調頻會造成機械損耗縮短儀器壽命，還會產生駐點漂移并且機械調頻不易準確完成，不利于學生進行實驗。

（3）現有信號發生器價格昂貴，一般在800～1000之間不利于推廣普及。

2.研制聲速測定實驗專用信號發生器的先進行

（1）與之前的聲速測定儀中的信號源穩定性相比。原有的信號源功能復雜，使產生的正弦波形不穩定，而新研制的信號源專器專用，能很好的解決波形不穩定的問題。

（2）與之前的聲速測定儀中的信號源調頻方式相比。原有的信號源采用電位器調節的方式，駐點漂移嚴重，不利于實驗的進行而新的信號源采用編碼器調節的方式，可以很好的解決駐點漂移的現象。

（3）與之前的聲速測定儀中的信號源操作性相比。原有的信號源按鍵多，功能復雜，實驗操作性難。而新的信號源簡化了內部結構，使調頻過程更加便捷。

3.信號發生器的系統分析

3.1信號產生的設計與實現

（1）產生頻率值：原有聲速測定儀信號源采用電位器調節頻率值造成不容易操做、誤差大、駐點漂移嚴重的問題，我們采用數字旋轉編碼器調節頻率值。旋轉編碼器調節是一種全新的數字式的調節方式。根據旋轉編碼器的工作原理結合與非門電路74HC00我們將編碼開關設置成三種檔位的步進值及通過左右旋轉改變數值大小。利用編碼器的功能原理，將其設為3個檔位。

（2）頻率值的系統控制處理：將旋轉編碼器及74HC00產生處理后的頻率值傳輸到單片機芯片。單片機按設定程序對數據進行控制處理，將數據分別發送給EEPROM（斷電保護）、LCD1602（顯示）、AD9850（產生正弦波）。

1）EEPROM由單片機控制讀入、輸出，將頻率值保存。當系統斷電后編碼器產生的數值消失，而EEPROM中的數據不會丟失，系統再次通電后，單片機將會調用EEPROM中的數據繼續發送給AD9850芯片，從而輸出我們操作時期望的正弦波。

2）LCD1602由單片機控制顯示：LCD1602將單片機處理后的頻率值顯示出來。在屏幕上顯示STEP（步進值）FREP（頻率值）。

3）AD9850控制產生正弦波：數據輸送到AD9850后，AD9850芯片內的直接數字合成系統結合單片機控制程序、算法產生需要的正弦波。

單片機對AD9850數據傳輸可以采用并行、串行兩種方式，在串行方式中：W_CLK上升沿把25引腳的一位數據串行移入，當移動40位后，用一個FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。AD9850的復位（RESET）信號為高電平有效，且脈沖寬度不小于5個參考時鐘周期。

3.2信號的處理

信號的處理具體分為兩部分：

一是對信號的去噪，輸出I或Q路信號，是經AD9850內部D/A轉換之后的模擬波形，但并非平滑的正弦波，經低通濾波器平滑后，即可得到預期的波形。

二是對輸出信號幅度進行調理，為了獲得最低的噪聲指標，我們決定采用NE5532運算放大器。NE5532/NE5532A是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器。相比較大多數標準運算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅動能力和相當高的小信號和電源帶寬。這使該器件特別適合應用在儀器和控制電路。

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