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(shù)據(jù)測量分析困難的問題，方便測井設備維修和現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種電子系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)信號，但激發(fā)信號的時間會根據(jù)不同實際情況而變化，很多信號模擬器所發(fā)出的信號都是持續(xù)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(fā)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(tǒng)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(chǎn)生模擬正弦信號，然后經(jīng)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(tài)下，驅動電路中的繼電器處于斷開狀態(tài)，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(chǎn)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(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊

根據(jù)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(jié)RAM，32位I/O口線，3個16位定時器/計數(shù)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(yōu)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(chǎn)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(wěn)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(chǎn)生模擬信號源，采用的是經(jīng)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(lián)網(wǎng)絡為選頻網(wǎng)絡和正反饋網(wǎng)絡，放大電路引入深度電壓串聯(lián)負反饋，且以選頻網(wǎng)絡中的RC串聯(lián)支路、RC并聯(lián)支路、負反饋網(wǎng)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(chǎn)生35KHZ左右的正弦波信號，根據(jù)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(chǎn)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)延時的那一段時間與輸出的Gate信號的時間可以根據(jù)需要來進行改變，在默認狀態(tài)，單片機接收到Start脈沖信號會產(chǎn)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(fā)送指令，來實時的改變這兩段的時間，如向串口發(fā)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(chǎn)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(fā)信號時，會產(chǎn)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(wěn)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。