長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 趙展銘

沈陽(yáng)城市學(xué)院建筑工程學(xué)院 饒振南

為解決水下、井下數(shù)據(jù)測(cè)量分析困難的問(wèn)題，方便測(cè)井設(shè)備維修和現(xiàn)場(chǎng)電子線路檢測(cè)并提高設(shè)備對(duì)信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)出了一款簡(jiǎn)易并實(shí)用的信號(hào)模擬器。該模擬器的核心器件是選用STC89C52單片機(jī)，并控制RC橋式正弦振蕩電路的輸出間隔來(lái)產(chǎn)生可控時(shí)間段的正弦模擬信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，他能夠模擬井下儀器產(chǎn)生的井下信號(hào)，對(duì)油田測(cè)井儀器檢測(cè)具有較高的實(shí)用價(jià)值。

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種電子系統(tǒng)中對(duì)于正弦信號(hào)的應(yīng)用越來(lái)越多，因而模擬器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，其中，正弦信號(hào)作為工程實(shí)踐中應(yīng)用最多的電信號(hào)之一，在系統(tǒng)測(cè)量和排除錯(cuò)誤中起著舉足輕重的作用。在很多的測(cè)井儀器設(shè)備的模擬工作過(guò)程中，需要給換能器一個(gè)正弦激發(fā)信號(hào)，但激發(fā)信號(hào)的時(shí)間會(huì)根據(jù)不同實(shí)際情況而變化，很多信號(hào)模擬器所發(fā)出的信號(hào)都是持續(xù)的而且無(wú)法控制輸出時(shí)間。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)模擬器，不僅操作簡(jiǎn)易成本低，而且可以控制正弦信號(hào)輸出的時(shí)間，當(dāng)模擬器接收到啟動(dòng)脈沖信時(shí)號(hào)，默認(rèn)會(huì)延時(shí)一段時(shí)間，再向外界發(fā)送一段時(shí)間的正弦信號(hào)，在接收脈沖信號(hào)前，可以通過(guò)串口向主控模塊下達(dá)指令從而對(duì)這兩段時(shí)間進(jìn)行自主的控制。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中的硬件部分主要包含主控模塊、信號(hào)源模塊、放大電路模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊等，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，信號(hào)時(shí)序圖如圖2所示，信號(hào)源模塊用于產(chǎn)生模擬正弦信號(hào)，然后經(jīng)放大電路進(jìn)行放大處理，驅(qū)動(dòng)電路中包含繼電器模塊，默認(rèn)狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)電路中的繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，信號(hào)無(wú)法向外界輸出，當(dāng)需要向外界輸送正弦信號(hào)時(shí)，主控模塊接收并檢測(cè)到外界的Start脈沖信號(hào)，產(chǎn)生中斷，此時(shí)會(huì)有一段可控的延時(shí)時(shí)間，接著再輸出一定時(shí)間的門控信號(hào)Gate，用來(lái)導(dǎo)通繼電器，進(jìn)而可以向外界輸出Gate信號(hào)時(shí)間段的大小的正弦模擬信號(hào)信號(hào)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的主控模塊是STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)具有512字節(jié)RAM，32位I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口等優(yōu)點(diǎn)?？梢酝耆珴M足上述實(shí)驗(yàn)功能。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 信號(hào)時(shí)序圖

圖3 RC橋式正弦波振蕩電路

2.2 信號(hào)源模塊

信號(hào)源模塊用于產(chǎn)生信號(hào)，本次實(shí)驗(yàn)所需要的模擬信號(hào)為35KHZ左右正弦信號(hào)，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(cè)量、自動(dòng)控制、通信等許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，故為了產(chǎn)生模擬信號(hào)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(yùn)放為中心，以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，放大電路引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，且以選頻網(wǎng)絡(luò)中的RC串聯(lián)支路、RC并聯(lián)支路、負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻R1、R2、Rx1與R3各為一臂組成橋路，兩個(gè)頂點(diǎn)接集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端，電路圖如圖3所示，起振條件如公式(1)所示：

進(jìn)而得輸出的正弦波頻率為：

其中加入D1、D2兩個(gè)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(shí)驗(yàn)所需要模擬產(chǎn)生35KHZ左右的正弦波信號(hào)，根據(jù)公式可選用電阻R5=R4=9K，電容C2=C3=0.5nf。

2.3 信號(hào)放大模塊

本次設(shè)計(jì)中對(duì)于信號(hào)放大采用的是反相比例運(yùn)算放大電路，因?yàn)榉聪蜉斎敕ǖ姆聪蚨伺c同相端都存在“虛地”不存在共模輸入信號(hào)，即使這個(gè)運(yùn)算放大器的共模抑制比不高，也保證沒(méi)有共模輸出，而同相比例運(yùn)算放大電路是沒(méi)有“虛地”的，當(dāng)使用單端輸入信號(hào)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共模輸入信號(hào)，即使使用高共模抑制比的運(yùn)算放大器，也還是會(huì)有共模輸出的。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路模塊

主控制器選用的芯片是STC89C52。在本次實(shí)驗(yàn)中，單片機(jī)的P1^0引腳外接LED顯示燈作為檢測(cè)單片機(jī)是否開(kāi)啟外部中斷，P2^4引腳用于輸出Gate信號(hào)來(lái)控制繼電器的導(dǎo)通時(shí)間，P3^2為外部中斷引腳，用于接收外部的起始信號(hào)，串口1與上位機(jī)進(jìn)行通信。繼電器選用的是S1A050000，該繼電器具有體積小、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，由于單片機(jī)的IO口電流過(guò)小，不足以驅(qū)動(dòng)繼電器的閉合，于是引入一個(gè)NPN型的三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的開(kāi)斷。如圖4所示。

圖4 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文的核心思想是用單片機(jī)來(lái)控制輸出正弦信號(hào)的時(shí)間，其重點(diǎn)在于當(dāng)單片機(jī)接收到Start脈沖起始信號(hào)后，系統(tǒng)延時(shí)的那一段時(shí)間與輸出的Gate信號(hào)的時(shí)間可以根據(jù)需要來(lái)進(jìn)行改變，在默認(rèn)狀態(tài)，單片機(jī)接收到Start脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生中斷并延時(shí)10ms再輸出20ms的Gate信號(hào)，本次實(shí)驗(yàn)我們?cè)O(shè)計(jì)可以在每次接收Start信號(hào)前，通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送指令，來(lái)實(shí)時(shí)的改變這兩段的時(shí)間，如向串口發(fā)送16進(jìn)制的aabb 00ff 00ff，其中aabb表示的是幀頭，這句命令意思是單片機(jī)接收到Start信號(hào)到來(lái)時(shí)，延時(shí)255ms后，會(huì)產(chǎn)生256ms的Gate信號(hào)。程序流程圖如圖5所示。

圖5 流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)物圖與調(diào)試結(jié)果：

實(shí)物連接圖如圖6所示，在RC橋式振蕩電路輸出端時(shí)接入示波器觀測(cè)如圖7所示，其頻率在35K左右，與理論結(jié)果基本一致。此外當(dāng)gate信號(hào)設(shè)定為256ms時(shí)，通過(guò)示波器抓拍顯示結(jié)果如圖8所示，其信號(hào)輸出時(shí)長(zhǎng)也在256ms左右，滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要。

圖6 硬件實(shí)物圖

圖7 RC振蕩電路波形圖

圖8 實(shí)際抓拍波形圖

結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的基于RC橋氏正弦波振蕩電路的信號(hào)模擬器主要用于模擬聲波信號(hào)對(duì)一些測(cè)井設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，其核心思想是當(dāng)接收到外部觸發(fā)信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷，隨后延時(shí)第一定時(shí)間并輸出一段正弦波信號(hào)，利用單片機(jī)與繼電器的特性進(jìn)而使得這兩段時(shí)間可結(jié)合項(xiàng)目需要進(jìn)行隨時(shí)控制，而信號(hào)源則使用的是較為穩(wěn)定的RC橋式正弦波振蕩電路，通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀測(cè)和實(shí)際項(xiàng)目測(cè)試，證明了該模擬器的可行性。