長江大學(xué)電子信息學(xué)院 趙展銘

沈陽城市學(xué)院建筑工程學(xué)院 饒振南

為解決水下、井下數(shù)據(jù)測量分析困難的問題，方便測井設(shè)備維修和現(xiàn)場電子線路檢測并提高設(shè)備對信號采集的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)出了一款簡易并實(shí)用的信號模擬器。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產(chǎn)生可控時(shí)間段的正弦模擬信號實(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，對油田測井儀器檢測具有較高的實(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)中對于正弦信號的應(yīng)用越來越多，因而模擬器的應(yīng)用范圍越來越廣，其中，正弦信號作為工程實(shí)踐中應(yīng)用最多的電信號之一，在系統(tǒng)測量和排除錯(cuò)誤中起著舉足輕重的作用。在很多的測井儀器設(shè)備的模擬工作過程中，需要給換能器一個(gè)正弦激發(fā)信號，但激發(fā)信號的時(shí)間會(huì)根據(jù)不同實(shí)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(shí)間。本文設(shè)計(jì)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(shí)間，當(dāng)模擬器接收到啟動(dòng)脈沖信時(shí)號，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，在接收脈沖信號前，可以通過串口向主控模塊下達(dá)指令從而對這兩段時(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，信號時(shí)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(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狀態(tài)，信號無法向外界輸出，當(dāng)需要向外界輸送正弦信號時(shí)，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(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Gate，用來導(dǎo)通繼電器，進(jìn)而可以向外界輸出Gate信號時(shí)間段的大小的正弦模擬信號信號。

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級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口等優(yōu)點(diǎn)。可以完全滿足上述實(shí)驗(yàn)功能。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 信號時(shí)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(shí)驗(yàn)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(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，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(shè)計(jì)中對于信號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，即使這個(gè)運(yùn)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(yùn)算放大電路是沒有“虛地”的，當(dāng)使用單端輸入信號時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共模輸入信號，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顯示燈作為檢測單片機(jī)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(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，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、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，由于單片機(jī)的IO口電流過小，不足以驅(qū)動(dòng)繼電器的閉合，于是引入一個(gè)NPN型的三極管來驅(qū)動(dòng)繼電器的開斷。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)來控制輸出正弦信號的時(shí)間，其重點(diǎn)在于當(dāng)單片機(jī)接收到Start脈沖起始信號后，系統(tǒng)延時(shí)的那一段時(shí)間與輸出的Gate信號的時(shí)間可以根據(jù)需要來進(jìn)行改變，在默認(rèn)狀態(tài)，單片機(jī)接收到Start脈沖信號會(huì)產(chǎn)生中斷并延時(shí)10ms再輸出20ms的Gate信號，本次實(shí)驗(yàn)我們設(shè)計(jì)可以在每次接收Start信號前，通過串口向單片機(jī)發(fā)送指令，來實(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信號到來時(shí)，延時(shí)255ms后，會(huì)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(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信號設(shè)定為256ms時(shí)，通過示波器抓拍顯示結(jié)果如圖8所示，其信號輸出時(shí)長也在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模擬器主要用于模擬聲波信號對一些測井設(shè)備進(jìn)行測試，其核心思想是當(dāng)接收到外部觸發(fā)信號時(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，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(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀測和實(shí)際項(xiàng)目測試，證明了該模擬器的可行性。