RC橋式正弦波振蕩電路的信號模擬器設計

長江大學電子信息學院 趙展銘

沈陽城市學院建筑工程學院 饒振南

為解決水下、井下數據測量分析困難的問題，方便測井設備維修和現場電子線路檢測并提高設備對信號采集的準確性，設計出了一款簡易并實用的信號模擬器。該模擬器的核心器件是選用STC89C52單片機，并控制RC橋式正弦振蕩電路的輸出間隔來產生可控時間段的正弦模擬信號實驗結果可以看出，他能夠模擬井下儀器產生的井下信號，對油田測井儀器檢測具有較高的實用價值。

隨著電子信息產業的發展，各種電子系統中對于正弦信號的應用越來越多，因而模擬器的應用范圍越來越廣，其中，正弦信號作為工程實踐中應用最多的電信號之一，在系統測量和排除錯誤中起著舉足輕重的作用。在很多的測井儀器設備的模擬工作過程中，需要給換能器一個正弦激發信號，但激發信號的時間會根據不同實際情況而變化，很多信號模擬器所發出的信號都是持續的而且無法控制輸出時間。本文設計的信號模擬器，不僅操作簡易成本低，而且可以控制正弦信號輸出的時間，當模擬器接收到啟動脈沖信時號，默認會延時一段時間，再向外界發送一段時間的正弦信號，在接收脈沖信號前，可以通過串口向主控模塊下達指令從而對這兩段時間進行自主的控制。

1 總體方案設計

本次設計中的硬件部分主要包含主控模塊、信號源模塊、放大電路模塊、驅動電路模塊等，系統整體設計框圖如圖1所示，信號時序圖如圖2所示，信號源模塊用于產生模擬正弦信號，然后經放大電路進行放大處理，驅動電路中包含繼電器模塊，默認狀態下，驅動電路中的繼電器處于斷開狀態，信號無法向外界輸出，當需要向外界輸送正弦信號時，主控模塊接收并檢測到外界的Start脈沖信號，產生中斷，此時會有一段可控的延時時間，接著再輸出一定時間的門控信號Gate，用來導通繼電器，進而可以向外界輸出Gate信號時間段的大小的正弦模擬信號信號。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

根據設計要求，本次設計的主控模塊是STC89C52單片機，該單片機具有512字節RAM，32位I/O口線，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構，全雙工串行口等優點。可以完全滿足上述實驗功能。

圖1 總體設計框圖

圖2 信號時序圖

圖3 RC橋式正弦波振蕩電路

2.2 信號源模塊

信號源模塊用于產生信號，本次實驗所需要的模擬信號為35KHZ左右正弦信號，由于RC橋式正弦波振蕩電路的振蕩頻率穩定、輸出波形失真小，在測量、自動控制、通信等許多領域中得到廣泛的應用，故為了產生模擬信號源，采用的是經典的RC橋式正弦波振蕩電路。RC橋式正弦振蕩電路的特征是以集成運放為中心，以RC串并聯網絡為選頻網絡和正反饋網絡，放大電路引入深度電壓串聯負反饋，且以選頻網絡中的RC串聯支路、RC并聯支路、負反饋網絡中的電阻R1、R2、Rx1與R3各為一臂組成橋路，兩個頂點接集成運放的兩個輸入端，電路圖如圖3所示，起振條件如公式(1)所示：

進而得輸出的正弦波頻率為：

其中加入D1、D2兩個二極管的目的是限制輸出幅度，改善輸出波形。

由于RC橋式正弦波振蕩電路的振蕩頻率為公式(3)所示：

由于本次實驗所需要模擬產生35KHZ左右的正弦波信號，根據公式可選用電阻R5=R4=9K，電容C2=C3=0.5nf。

2.3 信號放大模塊

本次設計中對于信號放大采用的是反相比例運算放大電路，因為反向輸入法的反向端與同相端都存在“虛地”不存在共模輸入信號，即使這個運算放大器的共模抑制比不高，也保證沒有共模輸出，而同相比例運算放大電路是沒有“虛地”的，當使用單端輸入信號時，就會產生共模輸入信號，即使使用高共模抑制比的運算放大器，也還是會有共模輸出的。

2.4 驅動電路模塊

主控制器選用的芯片是STC89C52。在本次實驗中，單片機的P1^0引腳外接LED顯示燈作為檢測單片機是否開啟外部中斷，P2^4引腳用于輸出Gate信號來控制繼電器的導通時間，P3^2為外部中斷引腳，用于接收外部的起始信號，串口1與上位機進行通信。繼電器選用的是S1A050000，該繼電器具有體積小、操作簡單等優點，由于單片機的IO口電流過小，不足以驅動繼電器的閉合，于是引入一個NPN型的三極管來驅動繼電器的開斷。如圖4所示。

圖4 單片機驅動電路

3 系統軟件設計

本文的核心思想是用單片機來控制輸出正弦信號的時間，其重點在于當單片機接收到Start脈沖起始信號后，系統延時的那一段時間與輸出的Gate信號的時間可以根據需要來進行改變，在默認狀態，單片機接收到Start脈沖信號會產生中斷并延時10ms再輸出20ms的Gate信號，本次實驗我們設計可以在每次接收Start信號前，通過串口向單片機發送指令，來實時的改變這兩段的時間，如向串口發送16進制的aabb 00ff 00ff，其中aabb表示的是幀頭，這句命令意思是單片機接收到Start信號到來時，延時255ms后，會產生256ms的Gate信號。程序流程圖如圖5所示。

圖5 流程圖

4 實驗結果

實物圖與調試結果：

實物連接圖如圖6所示，在RC橋式振蕩電路輸出端時接入示波器觀測如圖7所示，其頻率在35K左右，與理論結果基本一致。此外當gate信號設定為256ms時，通過示波器抓拍顯示結果如圖8所示，其信號輸出時長也在256ms左右，滿足實驗設計需要。

圖6 硬件實物圖

圖7 RC振蕩電路波形圖

圖8 實際抓拍波形圖

結論：本文設計的基于RC橋氏正弦波振蕩電路的信號模擬器主要用于模擬聲波信號對一些測井設備進行測試，其核心思想是當接收到外部觸發信號時，會產生中斷，隨后延時第一定時間并輸出一段正弦波信號，利用單片機與繼電器的特性進而使得這兩段時間可結合項目需要進行隨時控制，而信號源則使用的是較為穩定的RC橋式正弦波振蕩電路，通過結合實驗結果觀測和實際項目測試，證明了該模擬器的可行性。