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

【關(guān)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(fā)生器產(chǎn)生正弦波，正弦波經(jīng)過換能器而形成。而為了減少實驗結(jié)果的誤差，通常需要調(diào)節(jié)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(tǒng)的信號發(fā)生器雖然基本能滿足現(xiàn)在的要求完成實驗，但是，由于傳統(tǒng)的信號發(fā)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(xiàn)在實驗即在專一方向上略顯不足，在實驗操作過程中出現(xiàn)了諸多不足，比如，選頻慢，精度低等不利于實驗。于是生產(chǎn)一款物美價廉的調(diào)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(fā)生器是很有必要的。

1.傳統(tǒng)信號發(fā)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）?，F(xiàn)有信號發(fā)生器產(chǎn)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(fā)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(xiàn)誤差。原有超聲波信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率寬，使用時需要通過旋動旋鈕進行機械調(diào)頻。經(jīng)常機械調(diào)頻會造成機械損耗縮短儀器壽命，還會產(chǎn)生駐點漂移并且機械調(diào)頻不易準確完成，不利于學生進行實驗。

（3）現(xiàn)有信號發(fā)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(fā)生器的先進行

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

（2）與之前的聲速測定儀中的信號源調(diào)頻方式相比。原有的信號源采用電位器調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的方式，可以很好的解決駐點漂移的現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，使調(diào)頻過程更加便捷。

3.信號發(fā)生器的系統(tǒng)分析

3.1信號產(chǎn)生的設(shè)計與實現(xiàn)

（1）產(chǎn)生頻率值：原有聲速測定儀信號源采用電位器調(diào)節(jié)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(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)節(jié)頻率值。旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)節(jié)是一種全新的數(shù)字式的調(diào)節(jié)方式。根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理結(jié)合與非門電路74HC00我們將編碼開關(guān)設(shè)置成三種檔位的步進值及通過左右旋轉(zhuǎn)改變數(shù)值大小。利用編碼器的功能原理，將其設(shè)為3個檔位。

（2）頻率值的系統(tǒng)控制處理：將旋轉(zhuǎn)編碼器及74HC00產(chǎn)生處理后的頻率值傳輸?shù)絾纹瑱C芯片。單片機按設(shè)定程序?qū)?shù)據(jù)進行控制處理，將數(shù)據(jù)分別發(fā)送給EEPROM（斷電保護）、LCD1602（顯示）、AD9850（產(chǎn)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(tǒng)斷電后編碼器產(chǎn)生的數(shù)值消失，而EEPROM中的數(shù)據(jù)不會丟失，系統(tǒng)再次通電后，單片機將會調(diào)用EEPROM中的數(shù)據(jù)繼續(xù)發(fā)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(chǎn)生正弦波：數(shù)據(jù)輸送到AD9850后，AD9850芯片內(nèi)的直接數(shù)字合成系統(tǒng)結(jié)合單片機控制程序、算法產(chǎn)生需要的正弦波。

單片機對AD9850數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jīng)AD9850內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換之后的模擬波形，但并非平滑的正弦波，經(jīng)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(diào)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(shù)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(qū)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(yīng)用在儀器和控制電路。

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