超低频信号（共9篇）
超低频信号 篇1
信号振幅的变化缓慢、信号的长周期、环境的干扰和测量系统漂移等因素致使超低频振动信号的测量一直是振动测量领域的难点[1]。以前的超低频信号测量系统是将拾振器的输出信号放大、滤波之后进行A/D转换, 最后对数字信号进行处理得到超低频信号的参数。但是无处不在的电磁波干扰、系统供电干扰等问题会给信号造成很大的脉冲干扰, 导致采集模块无法正常工作[2]。
基于以上原因, 本文设计了一种基于VFC的超低频振动信号采集系统, 本系统利用V/F转换需要不断对电流积分的工作原理抑制了高频脉冲干扰。本设计具有占用CPU资源少, 抗干扰性能好, 便于远距离传输, 输出频率易调节等优点。
1 系统设计
如图1所示, 系统由传感器模块、信号调理模块、VF转换模块、信号采集模块与电源模块构成。
1.1 传感器选型
传感器的性能优劣直接决定了能否采集到准确的超低频振动信号。传感器选用瑞士Colibrys公司研制生产的VS9000.D系列的传感器VS9002.D。此型号传感器带宽为0~250 Hz, 分辨率<0.1 mg, 非线性度<0.8%, 灵敏度为1 000 m V/g, 具有从直流开始的极低频率响应特性, 能对超低频信号进行正确、准确的测量。
1.2 信号调理电路设计
信号调理模块对传感器的输出信号进行处理, 主要是滤波部分和放大部分。电路框图如图2所示。
1.2.1 滤波电路设计
传感器输出信号必然会受噪声的干扰, 因此信号首先进入低通电路进行滤波, 滤波器主要有四种类型, 分别为巴特沃思滤波器、契比雪夫滤波器、反契比雪夫滤波器和椭圆函数滤波器[3]。巴特沃思滤波电路的频率响应在通带中具有最大平坦度, 可以最大限度地保证信号的不失真;衰减特性也很好, 因此滤波器选用八阶巴特沃思芯片MAX291。电路设计如图3所示。
传感器的输出信号首先经过一个电压跟随器, 这是因为传感器的输出阻抗并不是可以忽略的, 为了保证信号的完整性, 特设计具有输入阻抗高、输出阻抗低的电压跟随器保证信号不损耗地进入滤波芯片。C7用来调整截止频率, 计算公式为:
本系统低通截止频率设置为50 Hz, 经过计算与实际电路调试确定C7的容值为5 600 p F。
1.2.2 放大电路设计
首先分析传感器的输出原理, 传感器的量程为-2 g~+2 g, 灵敏度为1 000 m V/g, 传感器满量程应该输出-2 V~+2 V, 但是传感器输出端的零位电压为绝对精确的+2.5 V, 因此传感器的输出被抬高了2.5 V变成了+0.5 V~4.5 V。设计放大部分电路图如图4所示。
运放芯片选用仪表运放AD623, 该芯片的差分输入设计可以将传感器输出端的零位消除。因此, 必须产生一个精准的2.5 V的基准电压REF, 此基准电压由电源模块提供, 本处不做介绍。
具体信号调理原理为:传感器的输出范围是+0.5 V~+4.5 V, 在差分运放的负向输入端输入+2.5 V的直流电压, 这样就可以把零位电压去掉, 使得放大的电压范围变成-2 V~+2 V。然后通过调节RG的阻值, 使得放大倍数为1.25倍, 这样电压变为-2.5 V~+2.5 V。为了得到0~5 V的标准输出电压范围, 在AD623的输出基准端5引脚处外接一个精准的2.5 V的基准电压REF, 这样输出电压就被调理到了0~5 V。D2为限幅二极管, 可以将AD623的输出电压限制在5.1 V以下, 此处电路设计是为了防止输出电压过大损坏后续元件。
AD623的放大倍数计算公式为:
将G=1.25代入, 得到RG=197.6 kΩ, 实际调试选用200 kΩ的精度为1%的金属膜电阻。
1.3 VFC电路设计
传感器输出信号被调理到0~5 V的标准输出电压范围, 但是因为工程环境的复杂性、安装位置的选择而采取的长线传输会给信号带入高频脉冲干扰, 导致A/D芯片无法正常工作。本设计采用的VFC电路恰恰能解决这一问题。
1.3.1 VFC简介
电压频率转换 (VFC) 也是一类重要的A/D转换技术, VFC芯片将模拟电压线性地转换为固定脉宽的周期性脉冲输出, 通过计算脉冲的频率即可得到输入的模拟电压值。本系统选用美国布尔-布朗 (BLRR BROWN) 公司研制生产的第三代压频转换芯片VFC110。VFC110的内部结构图如图5所示。
当有输入电压加载到2引脚上时, 就会产生一个输入电流VIN/RIN给积分电容CINT充电, 表现为1引脚的电压不断升高, 对应的是12引脚的电压即比较器的输入电压不断减小。当电压减小到0 V时, 比较器进行翻转输出一个高电平来启动单稳态电路并导通晶体管, 与此同时电流源IREF的开关接向3端, 而电流源接向1端的时间是由单稳电路决定的, 设为Tos, 这时电容CINT开始放电, 1端电压逐渐减小, 当电容放电放了Tos时间后, 电流源IREF将转接向右端, 这时电容CINT开始充电, 开始进入下一个转换周期[4]。
VFC110输出信号时间特性如图6所示。
假设输出信号周期T=1/fout。根据电荷平衡的原理有:
推出
IREF为芯片已定参数, Tos由单稳电路电容Cos确定, 所以当输入电阻RIN给定时, 输出信号的频率就与输入电压VIN成正比, 从而实现从电压到频率成正比的变化。
1.3.2 电路设计
根据待转换信号的幅值与芯片本身性能决定将VFC110的输出量程设定为2 MHz, 此时线性误差为±0.02%[5]。为了采集电路更加精准地计算脉冲频率, 将VFC110输出的脉冲频率信号进行反相以得到脉宽固定不变而周期随输入电压而改变的周期性脉冲信号。VFC电路设计图如图7所示。
通过查阅资料与实际电路调试, 确定C11的容值为1 p F, 此时Tos可达到负频宽的最小值即100 ns。反相器CD4069将脉冲翻转, 得到脉宽固定不变而周期随输入电压改变的周期性脉冲信号。但是, CMOS系列器件的输出电流很小, 难以驱动后面的采集设备, 因此本电路还要增加一个驱动电路驱动后面的采集设备[6]。电流驱动电路主体采用NPN三极管, CD4069输出高电平为5 V、低电平为0 V的周期性脉冲信号经过精密电阻分压将高电平降为4 V, 然后通过最大能提供500 m A的三极管高电平付出0.7 V的压降, 最后进入采集设备的脉冲信号的高电平为3.3 V, 低电平为0 V, 同时强大的电流驱动能力完全可以驱动采集设备。
1.4 信号采集设备选型
信号采集设备选用布鲁克海文仪器公司研制的Turbo Corr数字相关器。该相关器可以检测周期为25 ns~1 310 s的脉冲频率, 标准TTL电平输入。
1.5 电源模块设计
图8为信号调理电路与VFC电路的电源模块设计图, 两者通过传输线传输信号。为了保证电位的一致性, 系统共地。
滤波电容采用大小容值的电容交叉排列以达到最好的滤波效果。
2 电路测试
2.1 VFC电路标定
对VFC电路进行标定, 利用直流电源输入电压信号。具体标定数据如表1所示。
对其进行origin拟图得到实际测试与理论值曲线图, 如图9所示。
由图可以看出测试结果与理论值十分接近, 经计算线性度为0.215%, 满足设计要求。
2.2 系统标定
系统标定设备选用LXJ-70型精密离心机, 该设备能提供0.1 g~80 g的加速度信号, 通过改变传感器的安装方向可以利用该设备完成正负加速度量程内的标定工作。具体标定数据如表2所示。
根据采集到的脉冲频率计算加速度值, 计算值与实际加载值对比如表3所示。
根据上表数据按照式 (5) 进行精度计算, 精度计算公式为:
计算结果为:精度=0.88%, 这说明设计的基于VFC的超低频振动信号采集系统能够完成超低频信号的准确测量, 并且具有很高的测试精度, 未来可以应用于建筑结构环境震动的检测, 来确定结构的动力特性, 检测核试验施工中有无重大的质量问题、检验建筑结构的可靠性, 评估建筑结构的安全裕度等。
本文设计的基于VFC的超低频振动信号采集系统避免了长传输导线过程中产生的高频脉冲干扰问题。系统标定试验结果显示该系统测试精度高, 能够完成超低频信号的准确测量, 在土木勘测、建筑结构振动检测等方面有很大的发展空间。
摘要：超低频振动信号参数的检测在工程应用方面前景广阔, 针对原有测量系统难以应对复杂的工程环境问题而设计了一种新型的信号采集系统。该系统中的VFC电路的特殊工作原理使得其能解决实际工程应用中产生的高频脉冲干扰问题。该系统经过试验标定, 精度达到了0.88%, 可以完成对超低频信号的精确测量, 具有一定的应用价值。
关键词：超低频,振动信号,VFC,信号采集,传感器
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[6]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1998.
超低频信号 篇2
一、理解电路原理、和的作用：的作用：、组成什么反馈：什么作用：组成什么反馈：什么作用：的作用：的作用：的作用：
二、实验结果、测出三极管
超低频信号 篇3
关键词：信号发生器,单片机,超低频信号,正弦波,三角波,方波
低频以及超低频信号在医学、电化学研究和实验教学中都有广泛的应用,尤其在电化学领域里,超低频信号发生器已成为电化学仪器必不可少的组成部分[1]。电化学仪器配以方波、三角波和正弦波发生器,可以研究电化学系统各种暂态行为;配以慢的线性扫描信号或阶梯波信号,可以自动进行稳态(或接近稳态)极化曲线测量[2]。然而市面上适用于电化学领域的信号发生器很少,传统信号发生器无法满足专业需求,且购买成本太高。现介绍一种用单片机控制的信号发生器,可输出方波、三角波及正弦波。产生的波形信号频率范围是0.125 mHz(毫赫兹)~80 Hz,输出的模拟信号电压范围是-10~+10 V,输出信号的幅值和频率具有一定的调节范围。该信号发生器与传统的信号发生器相比,有如下的特点:该信号发生器可以满足电化学领域对于信号发生器的要求,最低频率可达到0.125 mHz,在国内达到先进水平,且该信号发生器在超低频时精度高,失真度小,性能稳定,电路结构简单,体积小。
1 工作原理
超低频信号发生器的输入参数有扫描方式、上下限电平、波形频率。其中,扫描方式有单次、往返、连续三种选择;上下限电平在-10~+10 V之间,且上限电平大于下限电平;波形频率范围为0.125 mHz~80 Hz。输出波形有三种:方波、三角波、正弦波。当信号发生器上电后,先进行复位清零,然后进行系统初始化,用户通过将键盘设置扫描频率、上下限电平及扫描方式等参数输入单片机,并通过LCD进行显示。按照一定的算法准确调节各个功能模块,断开积分电路模块中控制仪器工作的模拟开关,使信号发生器开始工作,从而输出所需信号波形。
2 波形产生原理
该信号发生器可以产生频率、峰谷值可调的、连续的方波、三角波和正弦波。下面详细介绍三种波形的产生原理。
2.1 正弦波产生原理
由于该信号发生器的最低频率可达到0.125 mHz,传统的正弦波产生电路已经无法满足要求。该仪器使用16位的数/模转换器DAC8532产生正弦波[3]。与RC桥式正弦波振荡电路和LC正弦波振荡电路相比,该方法简单、可靠,且稳定度高。
2.2 方波产生原理
传统的方波产生电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成,RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。但是产生的方波无法满足超低频的要求,而且波形的幅值和频率调节困难。该系统的方波产生电路是通过CMOS模拟开关的不断转换来产生的该电路使用ADG201A作为模拟开关[4],当开关断开时电路输出高电平;当开关闭合时,电路输出低电平。方波的幅值由输入电压决定,而周期则由模拟开关转换的频率来决定。电路简单,能满足超低频的要求,而且该电路产生的方波是连续的模拟波形,且幅值和频率调节方便[5]。
2.3 三角波产生原理
该信号发生器的三角波是用积分电路产生的,与传统的三角波产生电路不同,该三角波的产生过程是一个闭环控制系统,如图1所示。方波发生电路是控制积分电路的积分方向。积分电路的输出与用户输入的上下限电平送入比较器进行比较,将比较结果送入RS触发器。当积分电路的输出高于用户输入的上限电平(或者低于下限电平)时,RS触发器控制方波发生电路使其输出电压反向,继续将积分电路的输出和用户输入的上下限电平送入比较器比较,周而复始,从而输出所需信号的波形。
3 硬件电路设计
3.1 基于AT89C52的硬件电路设计
电路框图如图2所示。
3.2 LCD显示电路
以前普遍应用于显示终端的LED,因不能方便地显示汉字及图形而逐渐被淘汰,该信号发生器使用OCM4X8C液晶显示模块进行显示[6]。OCM4X8C是具有串/并接口,其内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。该模块的控制驱动器采用台湾矽创电子公司的ST7920,因而具有较强的控制显示功能。OCM4X8C的液晶显示屏为128×64点阵,可显示4行,每行8个汉字。为了便于简单、方便地显示汉字,该模块具2 Mb的中文字型CGROM,该字型ROM中含有8 192个16×16点阵中文字库;同时,为了便于英文和其他常用字符的显示,具有16 Kb的16×8点阵的ASCII字符库。LCD显示电路如图3所示,LEDA为液晶显示模块背光源的正极,接+5 V电源;LEDK为背光源的负极,接地;PSB控制串行/并行连接方式,当模块的PSB脚接低电平时,模块即进入串行接口模式,串行模式使用串行数据线R/W、串行时钟线E以及片选端RS来传送数据,即构成3线串行模式。按照串行操作时序编程,即可进行显示[7]。
3.3 E2PROM电路
串行E2PROM是可在线电擦除和电写入的存储器,具有体积小,接口简单,数据保存可靠,可在线改写,功耗低等特点,而且为低电压写入,在单片机系统中应用十分普遍。利用E2PROM可以存入信号发生器的初始化状态表,单片机复位清零之后直接调用该表对系统进行初始化。AT24C64与单片机的连接电路[8]如图4所示。
4 系统软件设计
软件程序是实现超低频信号发生器的核心,根据键盘输入参数准确地调节控制电平上、下限的数字电位器以及控制输入电压的DAC8532等,使信号发生器能够正常工作[9]。软件流程如图5所示。
5 超低频信号的实现
对于方波和三角波的输出频率划分为4档输出。为了使4个档次的频率分布均匀,电阻的选择也很关键。通过计算,选择2 MΨ,75 kΨ,4 kΨ,310Ψ。由公式:
可以算出4个档位满足的频率范围。电容C=10μF,该设计中Uo最大取值为10 V,Ui的最大取值为10 V,使得电路工作的Ui的最小取值为0.1 V,根据公式:
得出频率范围为0.125 mHz~80 Hz。
为了确保超低频信号波形稳定,重复性好,在波形的实现过程中要注意以下几点:
(1)模拟开关的使用。该系统最初使用模拟开关来控制4个频率档位,但是由于模拟开关的导通电阻和截止电阻,使模拟开关的闭合不是完全闭合,断开也不是完全断开,而且模拟开关的截止电阻不够大,因此4个模拟开关并联截止电阻就会更小,再与积分电阻并联就严重地影响了积分周期,从而影响了超低频信号的输出。最终改用继电器控制最低频率段,利用模拟开关控制剩余的三个频率段,这样低频信号输出稳定。
(2)输入信号不能过小。如果输入信号过小,使得信号与运放的失调电流、失调电压相当,那么输出信号的误差很大。
(3)积分电容的选择。超低频对于电容也有特定的要求,为了使信号稳定,该超低频信号发生器电容为聚四氟乙烯电容器[10],容值为10μF。由于电路板上的绝缘电阻不够大,积分电容不能直接焊在电路板,而是通过两根导线与运放相连。
(4)积分电阻的选择。电阻值过大,对于运放的要求太高,电阻值过小,无法产生超低频波形,因此选择了最大积分电阻为2 MΨ的金属电阻。
(5)运放的选择。超低频信号对运算放大器的要求很高,该系统选择OP37低失调电流、低失调电压的运算放大器。
6结语
由单片机控制的超低频信号发生器,与现有采用计数器、只读存储器、D/A转换器和滤波器等组成的信号发生器相比,频率准确度和稳定度较高。该信号发生器产生的三种波形是电化学实验中常用的波形,且最低频率可达到0.125 mHz,这是电化学实验对于低频的要求,在医学和电化学研究方面具有广泛的应用前景。
参考文献
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超低频信号 篇4
123456DDRc10VCC2Cc0.01uFRa10VCC1CC3470uFC1VEE11uF1R12M362OP074AR18R610KR8100KC55nFVCC1VCC2C8CC1470uFJ1C321POWERCC2470uFVCCGNDVEEJ2Ca0.01uF123INPUTv1GNDv275nFR1351KVCC2AR3CAR526318OP07voGNDJ312OUTPUTVCC1R447KC32R34.7K30nF31C477AR46C78OP0731uFR1011M8OP0726R112.2KCb0.01uF4Rb10VEE1Rd10VEE2CC4470uFCd0.01uFVEE1VEE230nFR547KVCC15nF4VEE2C6R122.2K7AR22C231uF1R22M8OP07610K91K20KB4TAPR7R91Rp1TOPBOT3247VEE1BATitleASizeBDate:File:12345NumberRevision8-Jun-2007 K:小信号放大器lab12-ryd.ddbSheet of Drawn By:6 器件封装（footprint）：
电阻R：AXIAL0.4 普通电容C：RAD0.2 运放OP07：DIP8 电解电容：RB.2/.4 三脚插座CON3：MT6CON3V 滑动变阻器Rp：VR5
原理图（*.Sch）中需要的器件库文件：Miscellaneous Devices.lib
超低频家电的安全使用 篇5
电动剃须刀、吸尘器、洗衣机、电熨斗、咖啡机、加湿器、电吹风、空调器、电饭煲、电磁炉、搅拌器、电热毯、日光灯、电冰箱等都属于超低频家用电器 (额定50Hz) 。这些家用电器的使用时间越短越好。
一般情况下, 这些电器不会对人体造成太大威胁, 但其中有些电器, 如果不注意控制使用的频率、每次使用的时间及方法, 也可能引起一系列健康问题。
电动剃须刀、电吹风这些与人体接触较为紧密, 又会经常使用的小家电, 每次使用时间越短越好, 开启和关闭电源时尽量离身体远一些。实验表明, 与吸尘器保持0.7 m以上、加湿器为1 m以上的距离, 辐射量最小。电熨斗最好把温度一次加热到位, 用一会再继续加热, 千万别一边加热一边烫衣服。
低频信号发生器的设计 篇6
信号发生器一般指能自动产生正弦波、方波、三角波电压波形的电路或者仪器[1,2,3]。电路形式可以采用由运放及分离元件构成;也可以采用单片集成函数发生器。这里,采用分立元件设计出能够产生3种常用实验波形的信号发生器,并确定了各元件的参数,通过调整和模拟输出,该电路可产生频率低于10 Hz的3种信号输出,具有原理简单、结构清晰、费用低廉的优点。该电路已经用于实际电路的实验操作。
1 波形转换原理
1.1 方波和三角波的产生
方波-三角波-正弦波信号发生器电路由运算放大器电路及分立元件构成,其结构如图1所示。它利用比较器产生方波输出;方波通过积分产生三角波输出[4]。
1.2 利用差分放大电路实现三角波-正弦波的变换
波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性,波形变换过程如图2所示[5]。由图2可以看出,传输特性曲线越对称,线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
2 电路设计及参数调整
根据设计功能,电路的设计过程分为正弦波、方波、三角波3部分。
2.1 方波与三角波的产生及转换电路
图3中U1构成同相输入迟滞比较器电路,用于产生输出方波。运算放大器U2与电阻Rp2及电容构成积分电路,用于将U1电路输出的方波作为输入,产生输出三角波。
方波部分与三角波部分的参数确定如下:
根据性能指标可知,由
根据输出的三角形幅值5 V和输出的方波幅值14 V,若有:R2/(R3+Rp1)14=5⇒R2/(R3+Rp1)=5/14时,R2=10 kΩ,则有Rp1⧋47 kΩ,R3=20 kΩ。
根据方波的上升时间为2 ms,可以选择74141型号的运放。由此可得调整电阻为:
2.2 正弦波产生电路
正弦波产生电路如图4所示。由于选取差分放大电路对三角波-正弦波进行变换,选择KSP2222A型的管,其静态曲线图像如图5所示[6]。
根据KSP2222A的静态特性曲线,选取静态工作区的中心静态电流和电压分别为:
根据直流通路有:
因为静态工作点已经确定,所以静态电流变成已知。根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小:
2.3 系统集成
把各分电路集中在一块电路板上,共用电源和接地端后,整个信号发生器的结构变得紧凑美观,集成电路图如图6所示。
3 模拟实验结果及分析
3.1 模拟结果
利用Multisim软件画出电路图[7],在相应点接上示波器,模拟电路结果。
改变Rp2的值,由2.4 kΩ变为5.6 kΩ的输出结果对比如下。
3.2 结果分析
(1) 频率范围
为便于测量,将电路图上的方波信号接入示波器,并合上C1=10 μF的开关,断开C2=1 μF的开关,然后调节Rp2,并测出此时方波信号频率的变化范围;断开C1的开关,合上C2的开关,按照同样的方法调节Rp2,并记录方波信号频率的变化范围,结果如表1所示。电路的三种输出波形对比如图7所示。
(2) 输出电压
方波信号接入示波器,调节Rp1,得方波峰峰Vpp=14 V;撤除方波信号并接入三角波信号,调节Rp1,测得三角波峰峰值Upp=5 V;将正弦波信号接入示波器,调节Rp3和Rp4,测得正弦波峰峰值Upp=2.8 V。
4 结 语
函数信号发生器的性能
指标主要取决于元器件的选择以及电路元器件参数的选择。在电路中接入示波器将对电路的负载匹配产生一定的影响,进而影响波形输出。该设计中采用Multisim软件对设计出的电路进行模拟,对结果进行了仿真,电路可产生低于10 Hz的三种信号波形,输出电压可以达到合理范围,该电路已经应用于实验操作中。
参考文献
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简易低频信号测试系统设计 篇7
一、基本原理
1频率的测量
频率的测量实际上就是在1S时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。用单片机设计频率计通常采用两种办法:
1)单片机外部使用计数器对脉冲信号进行计数,计数值再由单片机读取;
2)使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数,或者测量信号的周期。
2结构框图
低频信号测试仪由信号输入通道、CPU单片机处理器、显示器三个大部分组成,如下图所示:
二、硬件电路的设计
该简易低频信号测试仪是基于Wave6000单片机开发工具自带的8752仿真器而设计,该仿真器能硬件仿真51系列的单片机,因此我们的实验板不必考虑为51芯片单独地提供电源、复位电路、晶振电路等。
1信号输入采集模块
根据题目要求,信号频率为0～100kHz,输入信号电压为矩形波,电平为3-5V,为了得到比较标准的方波信号,我们采用了74HC00与非门来对输入的信号进行标准的整形。为了防止输入行号通道对单片机系统的干扰,我们采用了6N173光电耦合器件对输入通道进行隔离。6N173最高响应速度为10MBd,完全能应付该频率的输入信号。
2人机交互界面
LCD液晶显示模块
字符型液晶显示模块YM1602是一类专用于显示字母、数字元、符号等两行16个字符的点阵型液晶显示模块,该模块驱动控制器为KS0066U,右图为液晶的显示屏的接口电路。51单片机运行检测过程中通过P1口与其LCD1602进行并行数据通信,达到显示信息的目的。
KS0066U有8条指令,指令一览表如下表示。
注;“*”表示任意值,在实际应用时一般认为是“0”
四、系统测试步骤以及现象结论:
1)试验板电源端与5V直流电源连接;
2)运行仿真软件,并运行程序;
3)信号发生器开机,产生50kHz的方波信号源,并接入试验板信号输入端口;
4)LCD开始显示“Welcome...Pengpeng_love”,进入开机运行阶段;
5)LCD显示“Prepare_Complete",内测完毕,一切正常,等待按键;
7)按键按下,一秒钟过后,工作指示灯开始闪烁,LCD显示“F=51220Hz”;
8)改变信号发生器的输出频率,通过观察LCD显示是随之改变,并与输出频率显示一致;
9)使信号发生器大于200KHz,试验板蜂鸣器开始鸣叫,显示“F=_Spill_Alarm”;
10)使信号发生器小于200KHz,试验板蜂鸣器停止鸣叫,LCD警告显示自动清除。
结论:经过测试,该低频信号测试系统工作一切正常。
不足点:信号端,工作状态时候,不能悬空浮置,否则容易被其周围的干扰信号影响。
参考文献
[1]易先清、莫松海、喻晓峰等编著：《微型计算机原理与应用》[M]．北京：电子工业出版社，2001
[2]王远主编：《模拟电子技术》[M]．北京：机械工业出版社，1994
简易低频信号发生器的制作 篇8
1.1 电压放大器OP07简介
OP07是一种高精度单片运算放大器, 具有很低的输入失调电压和漂移。OP07的优良特性使它特别适合作前级放大器, 放大微弱信号。使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。OP07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压, 极低的失调电压温漂, 非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大, 尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。
OP07运算放大器的输入失调电压低, 输入偏置电流小, 开环增益高。这些特性使这种运算放大器非常适合用于高增益仪器系统。此外, OP07的失调和增益具有极好时间稳定性和温度稳定性。
1.2 功率放大器LM386简介
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器, 主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少, 电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容, 便可将电压增益调为任意值, 直至200。输入端以地位参考, 同时输出端被自动偏置到电源电压的一半, 在6V电源电压下, 它的静态功耗仅为24mW, 使得LM386特别适用于电池供电的场合。
LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。LM386电源电压4--12V, 音频功率0.5w。LM386音响功放是由NSC制造的, 它的电源电压范围非常宽, 最高可使用到15V, 消耗静态电流为4mA, 当电源电压为12V时, 在8欧姆的负载情况下, 可提供几百mW的功率。它的典型输入阻抗为50K。
2 低频信号发生器的原理与制作
2.1 低频信号发生器的工作原理
低频信号发生器用来产生频率为20Hz~200kHz的正弦信号。除具有电压输出外, 有的还有功率输出。所以用途十分广泛, 可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带, 也可用作高频信号发生器的外调制信号源。另外, 在校准电子电压表时, 它可提供交流信号电压。
2.1.1 低频信号发生器的原理方框图
低频信号发生器的原理方框图如图1所示。包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器 (输出变压器) 和指示电压表。
主振级产生低频正弦振荡信号, 经电压放大器放大, 达到电压输出幅度的要求, 经输出衰减器可直接输出电压, 用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。电压输出端的负载能力很弱, 只能供给电压, 故为电压输出。振荡信号再经功率放大器放大后, 才能输出较大的功率。阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗, 以便获得最大的功率输出。电压表通过开关换接, 测量输出电压或输出功率。
2.1.2 简易低频信号发生器的原理:
低频信号发生器的主振级几乎都采用RC桥式振荡电路。RC振荡器用电阻代替了电感器, 使绐构简单、紧凑, 不仅降低了成本, 而且还具有较高的频率稳定性, 调节使用较方便, 因而在低频信号发生器中被广泛地应用。典型的RC振荡器叫做文氏电桥振荡器。
RC桥式振荡器是一种反馈式振荡器, 其原理电路如图2所示。R1、C1、C3、R2、C2、C4为选频网络。选频网络的反馈系数与频率有关。因此, 反馈网络具有选频特性, 使得只有某一频率满足振荡的两个基本条件, 即振幅和相位平衡条件。
RC文氏电桥振荡器的优点是:在同一频段内比LC振荡器的频率范围宽, 其频率变化比值 (以最高频率与最低频率之比表示) 可达10:1, 而LC振荡器只有3:1左右。振荡波形是正弦波, 非线性失真小。频率稳定性高, 在所有工作频率范围内, 振幅几乎等于常数。低频信号发生器中多采用这种电路。
2.2 电源与整流稳压电路
系统对电源的要求不高, 可以采用串联式稳压电源电路来实现。稳压电源采用7805, 电路简单可靠, 电源的稳定度与波纹数均能满足要求。如图3所示:
电源封装如图4所示:
2.3 手工制作印刷电路板, 焊接元件, 安装调试
根据电路原理图绘制的印刷电路图如图5所示, 组合翻转后的电路图如图6所示:
2.4 正弦低频信号发生器的应用
低频信号发生器虽然型号很多, 但是它们除频率范围、输出电压和功率大小等有些差异外, 它们的基本测试方法和应用范围是相同的。本项介绍低频信号发生器面板装置、测试步骤与技巧等方面的一些共性的内容, 以便使用者能在此基础上可适应各种不同型号的低频信号发生器。
在工业、农业、生物医学等领域内, 如高频感应加、熔炼、淬火, 超声波焊接, 超声诊断, 核磁共振成像等, 都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见, 正弦波震荡电路在各个科学技术部门的应用是十分广泛的。
摘要：信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器, 是工业生产和电工、电子实验室中经常使用的电子仪器之一。本文丛电压放大器OP07和功率放大器LM386出发, 采用文氏桥振荡电路, 探讨制作一种简易的低频信号发生器。
关键词：OP07,LM386,原理,应用
参考文献
新型低频信号发生器的设计原理 篇9
目前常用的信号发生器大部分由模拟电路构成, 通过RC振荡电路产生信号源, 输出波形种类固定单一。当输出频率在几百到几千Hz范围内, 波形较好;但当它使用在低频时, 输出波形不稳定, 也不精确, 应用范围十分有限。
现介绍一种用单片机构成的信号发生器, 可自定义输出任意波形, 产生的波形信号频率范围是0.001-800 H z, 输出的模拟信号电压范围为-10~10 V。输出信号的幅值具有一定的调节范围。该信号发生器与传统的信号发生器相比有如下特点:超低频性能好, 最低可达到0.01 Hz, 且在超低频时精度高, 失真度小, 性能稳定;采用数字波形合成技术, 可输出自定义的任意波形, 满足在不同场合的需求;电路结构简单, 体积小, 适合携带。
1 工作原理
信号发生器开始上电后, 先自动进行复位清零, 然后处于等待工作状态。信号发生器工作原理如图1所示。通过键盘设置的频率值和波形, 输入单片机内, 通过LED同步显示。单片机按一定算法得到的任意波形的偏移码表存放在外部数据存储器 (RAM) , 通过直接数字波形合成技术, 再由D/A转换电路滤波、功率放大后, 输出所需信号波形。调幅电路调整输出信号的幅值。信号发生器复位后, 停止输出信号, 复位清零, 然后再次进入等待工作状态[1]。
2 任意波形产生原理
系统采用数字波形合成技术产生任意波形, 其基本原理是设法将任意波形的采样点的值依次通过数模转换器转换成模拟量输出。具体原理如下:首先自定义一个周期波形函数, 其值按等距采样N个点, 然后进行离散化取值。采样后, 得到该波形一个周期内N点的波形数据, 把它们按D/A位数进行取整转换, 合成偏移码表存放在单片机数据存储器 (RAM) 中, 根据波形时间参数值, 依次取每个点的偏移码通过I/O输出给D/A转换器。如此循环取值, 便可以得到连续的波形信号。
2.1 波形数据的算法
系统对于简单波形, 可以直接计算得到波形数据, 以自定义一个正弦波为例, 波形偏移码的计算公式为
式中:n的取值范围为;D (n) 为偏移码, 即正弦波单位周期内第n点对应的参数值。
从而编制正弦波的偏移码表。其他波形依照同样原理产生。但对于复杂波形, 通过将周期函数展开成为傅里叶级数进行离散化计算, 可得到波形数据。设自定义波形函数f (x) 在单位周期上有定义, 且满足收敛条件后可展开成傅里叶级数, 如:
式中:an、bn是f (x) 傅里叶系数;a0是常数;
因此, 周期函数f (x) 展开成只含常数项、正弦项、余弦项的傅里叶级数。根据上式, 可以推导周期函数的算法, 具体步骤如下:
a.采样:依据数字合成波形原理, 将正弦函数一个周期的值按等距采样N点 (系统中N=256) , 分别求每点对应的幅值, 编制成采样表, 作为计算基波和谐波的基本数据。
b.基波和各次谐波计算:基波 (n=1) 时, 根据采样表可得到含有余弦项和正弦项函数基波的离散化值 (余弦项和正弦项相差900, 其值相当于正弦项移后n/4点的值) 。其他各次谐波的频率为基波的n (n=2, 3...) 倍, 当基波的频率为f时, n次谐波的频率为 (n, f) , 而对应该次谐波的正弦项值就是在采样表中每隔 (n-1) 点对应的值, 其一个周期值只要反复循环取N点即可, 余弦项同理可得。傅里叶级数中的相位决定了从表中的第几个数开始取值。根据周期信号各参数的离散采样测量法, 傅里叶系数计算公式为:
式中:n为谐波次数;T为波形周期;N为采样总数点;i为第几个采样点。
完成取N值后, 乘以计算出的傅里叶系数an、bn, 得到对n次谐波一个周期内采样N点的离散化值。将各次谐波内第i () 点值相叠加后就得到函数f (x) 单位周期内第i点离散化的值, 叠加满N点后, 就得到一个周期完整的波形数据。
2.2 波形的合成和输出方式
波形数据用式 (6) 进行归一化和取整, 从而转换成偏移码, 将其合成偏移码表, 可存放在单片机RAM中, 通过程序依次取码, 输出波形。
根据实际需要, 系统可通过计算机软件运算出波形数据, 并将常用的4种波形 (正弦波、三角波、方波、锯齿波) 的偏移码值制表后固化在单片机内部, 便可直接调用输出。对于其他自定义波形, 可再通过该软件计算出偏移码后, 合成输出波形。
3 系统硬件设计
该装置的硬件电路组成部分主要包括单片机、D/A转换电路、矩阵式键盘电路、LED显示电路、启动电路、复位电路、电源电路等。下文将介绍部分电路工作原理及设计方法[2]。
3.1 单片机电路设计
单片机作为系统设计的核心部分, 在系统功能实现上起到了决定性的作用。系统采用SST89E564RD单片机及24MHz晶振, 以提高输出信号的精度。
3.2 信号输出电路
信号输出电路主要有D/A转换电路、功率放大电路和调幅电路组成。系统中使用8位双极性输出D/A转换电路, 使用的芯片是DAC0832, 经过双极性输出D/A转换器电路及滤波电路后, 输出信号电压范围为-5~5V。
在双极性输出后, 系统的多级放大电路除了应有电压放大级外, 还要求有一个信号功率的输出级。在系统中使用甲乙类双电源互补对称功率放大电路。多级放大电路中再加一个单运放, 实现幅值调节, 输出端信号的电压变化范围是-10~10V。
3.3 频率显示电路
频率显示电路采用四位共阳极LED静态显示方式, 共同占用P2口, 每位LED数据锁存。采用静态数码显示, 不占机时, 单片机可以处理其他程序。静态显示电路中增加了4个373锁存器, 减少了单片机I/O接口。
3.4 波形选择电路
波形选择电路的4个发光二极管分别代表自定义的4种波形。工作时, 单片机从P3.6、P3.7输出的波形数据, 经过译码驱动后, 点亮对应工作状态的发光二极管。
3.5 矩阵式键盘
矩阵式键盘通过查键码转换表将特征码转换成顺序码, 从而得到键盘输入值。系统使用4×3的十二键, 当有数值输入时, P1口高三位中有一路是高电平, 同时也使与门产生一高电平给1NT0使单片机产生外部中断, 进入中断子程序。键SO~S9分别表示数字0~9, SA和SB分别为小数点和波形的选择键。
3.6 启动、复位电路
系统的复位电路采取上电复位和人工复位两种方式, 上电复位和人工复位通过和非门 (74LS00) 与单片机RST引脚相连。启动电路连接单片机的l NT 1引脚, 实现启动输出信号。
结束语
该信号发生器设计思路新颖, 安装和调试都比较简单。由于可输出不同波段的频率信号, 该单片机信号发生器可以满足工业控制、医学、科研以及实验教学中对各种低频信号源的要求, 广泛可应用于科学研究和生产实践中。
摘要：根据信号发生器的工作原理及工作特点, 设计一款超低频信号发生器, 该信号发生器可输出自定义波形, 如正弦波、三角波、方波和锯齿波及其他任意波形, 详细介绍了任意波形的生成原理以及硬件电路设计原理等, 此信号发生器输出的波形具有任意化及低频高精度的特点。
关键词：信号发生器,任意波形,超低频
参考文献
[1]王福瑞.单片机微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1998.
[2]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1999.
[3]郑学坚, 周斌.微型计算机原理及应用[M].北京:清华大学出版社.2001.
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