基于温补晶振的高稳定度超低频矩形波发生器

摘 要:针对井地电位测量系统发送机研制过程中的需求,提出一种以AT89S51单片机为核心的高稳定度超低频矩形波发生器。在硬件上采用温度补偿晶振,保证输出信号频率在较宽的温度范围内的稳定性;在软件上采用C语言和汇编语言混合编程的方法,保证低频信号输出的精确性。

关键词:单片机;高稳定度;超低频;矩形波

中图分类号:TP937 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-115-03

Ultra-low Frequency Rectangle Wave Signal Generator with High Stability Based on TCXO

LIU Lixuan,CUI Jinlong,SHUANG Kai

(Department of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Beijing,102249,China)

Abstract:A rectangle wave generator circuit based on single chip AT89S51 is introduced according to the necessity of borehole to surface electrical survey system transmitter.It can output high stability and ultralow frequency rectangle wave.It uses Temperature Compensated Crystal Oscillator (TCXO) in hardware,to ensure stability of the output′s frequency from low temperature to high.And it adopts mixed-programming by mixing compilation of C and assemble language,to ensure the accuracy of low frequency output.

Keywords:single chip computer;high stability;ultra-low frequency;rectangle wave

0 引 言

井地电位测量方法是通过开发井的套管向井下供入大功率的电流,在地表测量由套管流入地层的“漏电流”在非均匀电性变化的地下介质中形成地表的电位分布,来研究地下介质的电阻率分布,进而解释推断目的层段有关参数[1,2]。一般来说,提供电流的发送机,要能够输出非常稳定的方波电流(频率域)和1∶1∶1正负间断双极性脉冲电流(时间域),输出信号的频率较低,且频率稳定度要高。为此,发送机的功率电流输出部分采用4个IGBT构成H桥形式[3],通过对IGBT驱动信号的控制,实现相应的电流输出。笔者研制的发送机,要求输出的电流波形如下:频率域方波,涵盖0.1 Hz,0.3 Hz,0.5 Hz,1 Hz,3 Hz,10 Hz六个频点;时间域信号脉宽有1,2,4,8,16,32 s六档。对H桥上相应的IGBT开关管的驱动控制信号有以下要求:

(1) 驱动控制信号为矩形波,其电平为TTL电平;

(2) 矩形波模式可选(频率域模式,输出占空比为50%的方波信号,见图1;时间域模式,输出占空比25%的矩形波信号,见图2),且频率可调;

(3) 在-20~+50 ℃温度范围内,矩形波的频率偏差要控制在0.01%内;

(4) 为安全起见,输出的矩形波信号与后级功率器件驱动电路之间应有电气隔离功能。

针对上述需求,本文提出了一种以AT89S51单片机为核心的高稳定度超低频矩形波发生电路。

1 方 案

1.1 硬件方案

传统的矩形波发生器,绝大部分都是由模拟电路构成的,在高频的范围内其频率稳定性与可调性好。但是,用于低频信号输出时,其需要RC值很大,参数准确度难以保证,而且体积大,损耗大[4],不适合本工程应用的要求,因而采取以单片机为核心的数字产生方式,总体方案见图3。高精度温补晶振作为系统的时钟基准源,相关波形参数通过4×4的键盘按键输入,并显示在LCD显示器上,低频矩形波由单片机I/O口输出,经光耦隔离后作为发送机功率驱动电路的控制信号。

(1) 单片机

选用AT89S51作为整个电路的控制核心,因为此芯片有4 kB的程序存储器和256 B的数据存储器[5],不用外扩存储器,以降低硬件电路的复杂度。此外,该芯片的价钱也比较低。

(2) 温补晶振

由于发送机的工作环境是在油田现场,温度变化较大,为了达到信号的高精度稳频的要求,采用温度性能为1 ppm的12 MHz的温度补偿晶振为单片机提供系统时钟。系统的晶体振荡器结合单片机内部的电路,产生单片机所必须的时钟频率,单片机的一切指令都建立在这个基础上。单片机工作时,

是一条一条地从ROM中取指令,

然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间,称之为一个机器周期,这是一个时间基准。一个机器周期包括12个时钟周期。机器周期不仅对于指令执行有着重要意义,而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。由于输出矩形波的频率是靠单片机定时来实现的,为了得到输出频率稳定度较高的矩形波,就需要较高的定时精度,也就是说需要高精度的晶振。普通晶振在一般条件下的频率稳定度可达50 ppm,稳定度偏低,另外也不能满足温度要求。温度补偿晶体振荡器(TCXO)是在晶振内部采取措施对晶体频率温度特性进行补偿,以达到在宽温度范围满足稳定度要求的晶体振荡器[6]。

根据现场的需要,选取北京晶宇兴科技有限公司生产的TC18A-NBGIA-12 MHz温补晶振。其主要参数为[7]:工作温度范围为-40~+85 ℃;频率稳定度为±1 ppm;输出频率为12 MHz;供电电源为+5 V DC±10%。

(3) 键盘

采用4×4矩阵键盘,包括数字键(0~9)、小数点键和控制键(设置、光标移位、确认和退出)。其中“设置”键用于中止信号输出,同时为信号参数的调整做准备;“退出”键用于改变信号输出模式;数字键、小数点键和光标移位键配合使用,来设定频率域信号的频率或时间域信号的脉宽。该键盘接在单片机的P1口上。

(4) 液晶显示

JHD529M1模块(12864)是一种带中文字库的图形点阵液晶显示器,它既可以显示图形,也可以显示8×4(16×16点阵)行汉字或16×8(16×8点阵)行字符。这里用于显示波形的相关参数。用单片机的P0口与LCD传送数据,用P2口来控制LCD显示。

(5) 光耦隔离

从单片机I/O口直接输出的TTL电平矩形波信号是不能直接作为开关器件的驱动信号的。这是因为输出H桥上的开关管是高压器件,如果在两者之间不进行隔离,H桥工作时产生的高压很可能通过导线耦合到单片机上而使单片机烧毁。本设计采用光耦进行隔离。单片机输出信号经光耦器件再送到IGBT开关管的驱动电路,以实现控制电路与功率电路的电气隔离。光耦型号为TLP521,其隔离电压可达2 500 Vrms(Min)[8]。

1.2 软件方案

系统软件以C语言代码为主体,主要有以下模块:

(1) 初始化部分,包括开机置所有的I/O口,设定定时器工作方式,液晶初始化,确定初始输出等;

(2) 按键扫描部分,用于扫描按键及作出相应的处理,如输出模式更改,输出频率增加或减少等;

(3) 液晶显示部分,用于将输出模式及信号频率信息送入显示模块;

(4) 定时函数,用来产生输出信号。

用MCS-51单片机输出矩形波一般有两种方式[9]:第一种方式利用定时器/计数器0控制矩形波频率输出,结合定时器/计数器1控制占空比;第二种方式仅使用一个定时器,工作于16位定时器/计数器方式,同时控制输出频率和占空比。这两种方法有个共同的特点,就是在定时中断中将信号输出口翻转。这种方法存在缺陷:定时器定时时间有限,造成输出信号频率不能太低;由于中断函数中存在中断次数判断等语句,会影响输出信号频率的准确度。

比如,对于MCS-51系列单片机AT89S51来说,用16位定时器定时时间为:t=(65 536-计数初值)×12/晶振频率[10],频率域模式时矩形波的周期为定时时间的2倍,即T=2t;时间域模式时矩形波的周期为定时时间的4倍,即T=4t。若用12 MHz晶振,对于频率域模式,T的最大值约为0.131 s,对应的频率为7.63 Hz,即用16位定时器产生矩形波,频率最低为8 Hz左右,显然不能满足实际的需要;而对于时间域模式,若脉宽为32 s,则矩形波的周期T=32×4=128 s,对应的频率约为0.008 Hz,同样也不能满足需要。

若要产生更低频率,就需另在软件中想办法。文献[4]和文献[9]中提出的方法都不能很好地解决超低频问题。这里定义一个定时函数(50 ms定时),利用定时器T1来形成一个比较精确的定时,然后将该函数当做“原子时间单元”。根据输出信号的模式和频率,来调用此时间单元,以形成合适的延时,最终获取预定的输出信号。为使该定时尽量准确,定时代码用汇编语言编写,即在C语言中嵌入汇编代码,而且其中不含定时器设置以外的代码。在程序中根据键盘的输入,计算出调用定时单元的次数,然后进入延时过程就可以了。下面是部分核心代码:(1) 50 ms定时函数

void time()

{

#pragma asm

MOV TMOD,#10H

SETB TR1

MOV TH1,#3CH

MOV TL1,#AFH

LOOP:JNB TF1,LOOP

CLR TF1

#pragma endasm

}

(2) 信号输出代码

若输出脉宽为1 s的时间域矩形波,则在一个周期内,高电平持续的时间为1 s(50 ms的20倍),低电平持续的时间是3 s(50 ms的60倍),相应的代码可写成:

while(flagp==1)

{

tempnum1=20;

tempnum2=3*20;

pout=1;

while(tempnum1--)

time();

pout=0;

while(tempnum2--)

time();

}

其中,flagp为控制信号是否输出的标志;pout是信号输出端口。其他脉宽信号以及频域信号可以依此写出。

2 实验波形

根据设计方案设计并制作了以AT89S51单片机为核心的高稳定度超低频矩形波发生器。利用数字示波器对该发生器的输出信号进行测试,图5和图6分别是室温下频率域模式0.1 Hz和时间域模式脉宽4 s的实际测量波形,结果表明基本达到了预期的效果。以此矩形波发生器作为功率开关管的驱动控制信号发生电路,应用在井地电位测量系统发送机中,并在油田现场进行了测试实验。实验结果表明,发送机的输出电流频率稳定度达到系统要求。

3 结 语

本设计以AT89S51单片机为核心,采用高精度、高稳定的温补晶振以及相应的软件编程保证了输出矩形波频率的高精度及高稳定度。光耦TLP521将系统的输出与发送机的功率电路部分进行电气隔离,提高了系统的安全可靠性。通过键盘控制波形的选择和频率的调节,并将波形的相关参数在LCD上显示出来。该矩形波发生器具有性价比高,操作方便的优点,已经成功地应用于井地电位测量系统发送机中。

参考文献

[1]张金成.电位法井间监测技术[J].地震地质,2001(6):292-300.

[2]谭河清,沈金松,周超,等.井-地电位成像技术及其在孤东八区剩余油分布研究中的应用[J].石油大学学报:自然科学版,2004,28(2):31-38.

[3]陈儒军.伪随机多频电磁法观测系统研究[D].长沙:中南大学,2003.

[4]俞眉孙.高精度高稳定度电流及方波发生器的研制[J].实验科学与技术,2005(10):184-186.

[5]Atmel AT89S51数据手册[Z].2009.

[6]吴刚.高清晰管道漏磁通检测系统地面标记技术研究[D].天津:天津大学,2005.

[7]TC18A数据手册[Z]..

[8]TOshiba.TLP521数据手册\.

[9]刘鲲,孙春亮.单片机C语言入门[M].北京:人民邮电出版社,1993.

[10]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.

作者简介

刘丽萱 女,1965年出生,讲师。研究方向为电力电子及电力传动。

崔进龙 男,1983年出生,硕士在读。研究方向为信号的检测与处理。

双 凯 男,1956年出生,教授。研究方向为智能控制系统、DSP及微处理器的应用技术研究。