低頻以及超低" title="超低">超低頻信號在醫(yī)學(xué),、電化學(xué)研究和實驗教學(xué)中都有廣泛的應(yīng)用，尤其在電化學(xué)領(lǐng)域里,，超低頻信號發(fā)生器" title="信號發(fā)生器">信號發(fā)生器已成為電化學(xué)儀器必不可少的組成部分,。電化學(xué)儀器配以方波、三角波和正弦波發(fā)生器,，可以研究電化學(xué)系統(tǒng)各種暫態(tài)行為,；配以慢的線性掃描信號或階梯波信號，可以自動進行穩(wěn)態(tài)(或接近穩(wěn)態(tài))極化曲線測量,。然而市面上適用于電化學(xué)領(lǐng)域的信號發(fā)生器很少,，傳統(tǒng)信號發(fā)生器無法滿足專業(yè)需求，且購買成本太高?，F(xiàn)介紹一種用單片機" title="單片機">單片機控制的信號發(fā)生器,，可輸出方波、三角波及正弦波,。產(chǎn)生的波形信號頻率范圍是0．125 mHz(毫赫茲)～80 Hz,，輸出的模擬信號電壓范圍是-10～+10 V，輸出信號的幅值和頻率具有一定的調(diào)節(jié)范圍,。該信號發(fā)生器與傳統(tǒng)的信號發(fā)生器相比,，有如下的特點：該信號發(fā)生器可以滿足電化學(xué)領(lǐng)域?qū)τ谛盘柊l(fā)生器的要求，最低頻率可達到0．125 mHz,，在國內(nèi)達到先進水平,，且該信號發(fā)生器在超低頻時精度高，失真度小,，性能穩(wěn)定,，電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小,。
1 工作原理
超低頻信號發(fā)生器的輸入?yún)?shù)有掃描方式,、上下限電平,、波形頻率。其中,，掃描方式有單次,、往返、連續(xù)三種選擇,；上下限電平在-10～+10 V之間,，且上限電平大于下限電平；波形頻率范圍為0．125 mHz～80 Hz,。輸出波形有三種：方波,、三角波、正弦波,。當(dāng)信號發(fā)生器上電后,，先進行復(fù)位清零，然后進行系統(tǒng)初始化,，用戶通過將鍵盤設(shè)置掃描頻率,、上下限電平及掃描方式等參數(shù)輸入單片機，并通過LCD進行顯示,。按照一定的算法準確調(diào)節(jié)各個功能模塊,，斷開積分電路模塊中控制儀器工作的模擬開關(guān)，使信號發(fā)生器開始工作,，從而輸出所需信號波形,。
2 波形產(chǎn)生原理
該信號發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率、峰谷值可調(diào)的,、連續(xù)的方波,、三角波和正弦波。下面詳細介紹三種波形的產(chǎn)生原理,。
2．1 正弦波產(chǎn)生原理
由于該信號發(fā)生器的最低頻率可達到0．125 mHz,，傳統(tǒng)的正弦波產(chǎn)生電路已經(jīng)無法滿足要求。該儀器使用16位的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器DAC8532產(chǎn)生正弦波,。與RC橋式正弦波振蕩電路和LC正弦波振蕩電路相比,，該方法簡單、可靠,，且穩(wěn)定度高,。
2．2 方波產(chǎn)生原理
傳統(tǒng)的方波產(chǎn)生電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成，RC回路既作為延遲環(huán)節(jié),，又作為反饋網(wǎng)絡(luò),，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。但是產(chǎn)生的方波無法滿足超低頻的要求,，而且波形的幅值和頻率調(diào)節(jié)困難。該系統(tǒng)的方波產(chǎn)生電路是通過CMOS模擬開關(guān)的不斷轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生的該電路使用ADG201A作為模擬開關(guān),，當(dāng)開關(guān)斷開時電路輸出高電平,；當(dāng)開關(guān)閉合時，電路輸出低電平,。方波的幅值由輸入電壓決
定,，而周期則由模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換的頻率來決定。電路簡單,，能滿足超低頻的要求,，而且該電路產(chǎn)生的方波是連續(xù)的模擬波形，且幅值和頻率調(diào)節(jié)方便,。
2．3 三角波產(chǎn)生原理
該信號發(fā)生器的三角波是用積分電路產(chǎn)生的,，與傳統(tǒng)的三角波產(chǎn)生電路不同，該三角波的產(chǎn)生過程是一個閉環(huán)控制系統(tǒng),，如圖1所示,。方波發(fā)生電路是控制積分電路的積分方向。積分電路的輸出與用戶輸入的上下限電平送入比較器進行比較,，將比較結(jié)果送入RS觸發(fā)器,。當(dāng)積分電路的輸出高于用戶輸入的上限電平(或者低于下限電平)時，RS觸發(fā)器控制方波發(fā)生電路使其輸出電壓反向,，繼續(xù)將積分電路的輸出和用戶輸入的上下限電平送入比較器比較,，周而復(fù)始，從而輸出所需信號的波形,。
3 硬件電路設(shè)計" title="設(shè)計">設(shè)計
3．1 基于AT89C52" title="AT89C52">AT89C52的硬件電路設(shè)計
電路框圖如圖2所示,。
3．2 LCD顯示電路
以前普遍應(yīng)用于顯示終端的LED，因不能方便地顯示漢字及圖形而逐漸被淘汰,，該信號發(fā)生器使用OCM4X8C液晶顯示模塊進行顯示,。OCM-4X8C是具有串／并接口，其內(nèi)部含有中文字庫的圖形點陣液晶顯示模塊,。該模塊的控制驅(qū)動器采用臺灣矽創(chuàng)電子公司的ST7920,，因而具有較強的控制顯示功能。
OCM4X8C的液晶顯示屏為128×64點陣,，可顯示4行,，每行8個漢字。為了便于簡單,、方便地顯示漢字,，該模塊具2 Mb的中文字型CGROM，該字型ROM中含有8 192個16×16點陣中文字庫；同時,，為了便于英文和其他常用字符的顯示,，具有16 Kb的16×8點陣的ASCII字符庫。LCD顯示電路如圖3所示,，LEDA為液晶顯示模塊背光源的正極,，接+5 V電源；LEDK為背光源的負極,，接地,；PSB控制串行／并行連接方式，當(dāng)模塊的PSB腳接低電平時,，模塊即進入串行接口模式,，串行模式使用串行數(shù)據(jù)線R／W、串行時鐘線E以及片選端RS來傳送數(shù)據(jù),，即構(gòu)成3線串行模式,。按照串行操作時序編程，即可進行顯示,。
3．3 E2PROM電路
串行E2PROM是可在線電擦除和電寫入的存儲器,，具有體積小，接口簡單,，數(shù)據(jù)保存可靠,，可在線改寫，功耗低等特點,，而且為低電壓寫入,，在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用十分普遍。利用E2PROM可以存入信號發(fā)生器的初始化狀態(tài)表,，單片機復(fù)位清零之后直接調(diào)用該表對系統(tǒng)進行初始化,。AT24C64與單片機的連接電路如圖4所示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件程序是實現(xiàn)超低頻信號發(fā)生器的核心,，根據(jù)鍵盤輸入?yún)?shù)準確地調(diào)節(jié)控制電平上,、下限的數(shù)字電位器以及控制輸入電壓的DAC8532等，使信號發(fā)生器能夠正常工作,。軟件流程如圖5所示,。
5 超低頻信號的實現(xiàn)
對于方波和三角波的輸出頻率劃分為4檔輸出。為了使4個檔次的頻率分布均勻,，電阻的選擇也很關(guān)鍵,。通過計算，選擇2 MΩ,，75 kΩ,，4 kΩ,，310Ω。由公式：
可以算出4個檔位滿足的頻率范圍：電容C=10μF,，該設(shè)計中Uo最大取值為10 V,，Ui的最大取值為10 V，使得電路工作的Ui的最小取值為0．1 V,，根據(jù)公式：
得出頻率范圍為0．125 mHz～80 Hz,。
為了確保超低頻信號波形穩(wěn)定，重復(fù)性好,，在波形的實現(xiàn)過程中要注意以下幾點：
(1)模擬開關(guān)的使用。該系統(tǒng)最初使用模擬開關(guān)來控制4個頻率檔位,，但是由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻和截止電阻,，使模擬開關(guān)的閉合不是完全閉合，斷開也不是完全斷開,，而且模擬開關(guān)的截止電阻不夠大,，因此4個模擬開關(guān)并聯(lián)截止電阻就會更小，再與積分電阻并聯(lián)就嚴重地影響了積分周期,，從而影響了超低頻信號的輸出,。最終改用繼電器控制最低頻率段，利用模擬開關(guān)控制剩余的三個頻率段,，這樣低頻信號輸出穩(wěn)定,。
(2)輸入信號不能過小。如果輸入信號過小,，使得信號與運放的失調(diào)電流,、失調(diào)電壓相當(dāng)，那么輸出信號的誤差很大,。
(3)積分電容的選擇,。超低頻對于電容也有特定的要求，為了使信號穩(wěn)定,，該超低頻信號發(fā)生器電容為聚四氟乙烯電容器,，容值為10μF。由于電路板上的絕緣電阻不夠大,，積分電容不能直接焊在電路板,，而是通過兩根導(dǎo)線與運放相連。
(4)積分電阻的選擇,。電阻值過大,，對于運放的要求太高，電阻值過小,，無法產(chǎn)生超低頻波形,，因此選擇了最大積分電阻為2 MΩ的金屬電阻,。
(5)運放的選擇。超低頻信號對運算放大器的要求很高,，該系統(tǒng)選擇OP37低失調(diào)電流,、低失調(diào)電壓的運算放大器。
6 結(jié)語
由單片機控制的超低頻信號發(fā)生器,，與現(xiàn)有采用計數(shù)器,、只讀存儲器、D／A轉(zhuǎn)換器和濾波器等組成的信號發(fā)生器相比,，頻率準確度和穩(wěn)定度較高,。該信號發(fā)生器產(chǎn)生的三種波形是電化學(xué)實驗中常用的波形，且最低頻率可達到0．125 mHz,，這是電化學(xué)實驗對于低頻的要求,，在醫(yī)學(xué)和電化學(xué)研究方面具有廣泛的應(yīng)用前景。