电缆路径检测仪中固定频率信号的生成方法

摘 要：介绍了声音信号在电缆路径检测仪中的作用。分析了以前实现动态频率输入、固定频率信号输出技术的方法，并指出了存在的问题，提出了采用AC_DC转换芯AD637、AVR单片机和D/A的方法，实现宽范围动态信号输入，幅度随输入信号变化的固定频率信号输出，并在实际中得到了很好的应用。

关键词关键词：电缆路径检测仪器；AD637；AVR单片机； D/A

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2013）008004302

作者简介作者简介：吴婷婷（1980-），女，成都铁路工程学校讲师，研究方向为电工学。

0 引言

电缆路径检测仪是一种检测地埋电缆的位置、走向、电流大小等信息的仪器，其中声音信号是电缆路径检测仪的一个重要辅助信息，在仪器工作时扬声器音量的大小能定性反映出目前位置与电缆所在位置距离，当仪器与电缆之间的距离改变时，音量也会做出相应的大小改变。但是为了提高仪器的抗干扰能力和检测的精确度，经常电缆中输入的要检测的信号不是一个固定频率，而是频率可以在一定范围内改变的信号，一般为50Hz～100kHz。如果这个频率信号不经过处理，而直接驱动扬声器发声，人是无法接受的。因此必须将这些输入信号在输出驱动扬声器时变成幅度随着输入信号幅度变化的频率固定地输出信号。本文依据上述情况采用ATmega64单片机、AD637电压转换芯片和D/A转换芯片设计了相应的系统。

1 系统整体设计

1.1 系统基本要求

（1）输入信号频率范围为50Hz～100kHz，输出信号的频率为500Hz。

（2）输出信号的幅度随着输入信号的变化而变化，且输出幅度可调。

1.2 系统方案选择

电缆路径检测仪在我国出现已经有一段时间，以前的电缆路径检测仪只是检测某一种固定频率信号的电缆路径，这个信号频率一般为15kHz左右。在这些仪器中对信号的处理方法采用混频检波方法，将输入信号和固定频率的信号进行混频，然后进行检波检出所要输出的500Hz的声音信号。这个方法的缺陷很明显，就是当输入信号的频率小于所要输出的声音信号的频率时没有办法完成。在本文中我们采用交流直流转换芯片AD637、AVR单片机和D/A的方法。利用单片机产生正弦信号，经过D/A转换成模拟信号，同时输入信号经过AD637转换后的直流信号作为D/A转换的参考电压，进而控制输出信号的幅度。这种方法采用软件生成正弦信号，器件的电路简单，实现简单。

1.3 系统总体设计

在该系统中，AVR单片机的主要工作是将事先存储在单片机中的正弦波形数据按500Hz的频率输出，形成离散的正弦波，然后经过D/A转换后将离散的正弦信号转换为模拟信号。不同频率的输入信号经过ACDC芯片转换成直流信号后作为D/A转换的参考电压，进而控制D/A输出信号的幅度，使其幅度随着输入信号幅度的变化而变化。最后D/A输出的信号经过带通滤波器将输出信号中不必要的频率成分滤出后，经过放大器和功率放大器后直接驱动扬声器工作。

图1 系统框图

2 硬件系统设计

2.1 单片机与DAC0832的设计

本系统中选用ATMEL公司的ATmega64单片机，这种单片机功耗低、速度快，片上资源丰富，对C语言的支持比较好[1]。D/A芯片选用的是DAC0832，它是8位的比较普遍的D/A芯片，可以与单片机直接连接，低功耗，电流建立时间为1μs，输入可以选择多种方式，最重要的是它的参考电压是外部输入，而且可以在-10V～+10V之间任意调节，正是因为这点才能够使得输出信号的幅度随着输入信号的幅度变化而变化。单片机500Hz的频率输出波形数据，并控制DAC0832最终输出频率为500Hz的模拟正弦信号，DA_IN为AD637的输出直流电压信号，并作为DAC0832的参考电压。单片机与DAC0832的连接电路如图2所示。

图2 单片机与DAC0832的连接电路

2.2 AD637构成的ACDC转换电路

AD637是一款高精度TRMS/DC转换芯片，可以计算各种复杂波形的真有效值，其附加误差仅为1%，并且在实际应用中惟一的外部调整元件为平均电容CAV，其影响到求平均值的时间、低频精度、输出波纹水平及输出稳定时间。所以本系统采用AD637将输入的交流电压信号转换为直流电压，然后控制D/A的参考电压输入。电路图如图3。

图3 ACDC电路

2.3 带通滤波器与功率放大电路

为了滤掉500Hz以外的频率成分和更好地驱动扬声器工作，按照本系统的要求，采用TL064设计了一个四阶带通滤波器，中心频率为500Hz，具有两倍的增益。滤波输出后经过一个放大倍数可调的反相比例放大器调节输出的幅度，进而调节音量的大小，最后输入到功率放大电路驱动扬声器工作。

3 系统软件设计

3.1 正弦波形数据的生成与单片机定时器的设计

本系统对一个正弦波周期采样64个点，量化阶次位

8，则量化值f（n）=sin（2nπ/64）*256，

其中n为一个周期中的第n个采样点。

本文采用定时器中断的方法产生固定频率的正弦信号，当定时器每次进入中断后发送一个正弦波采样值。定时器时钟频率为4M，定时器的定时时间为：

t=1[]500*64=31.25μS

进一步运算得到定时器的时间常数TCNT0=0x82。

3.2 软件设计和仿真

该系统采用C语言编程，使用AtmanAvr编译器编译，使用SLISP进行程序的下载。程序流程如图4。

图4 程序流程

采用proteus 7.1 对电路进行仿真，结果如图5。其中，上面曲线是单片机的输出波形，中间曲线为DAC0832输出波形，下面曲线是经过带通滤波器后输出的波形。

图5 仿真结果

4 结语

本系统经过软件仿真和实际硬件的调试，结果表明可以很好地实现50Hz～100kHz之间不同频率正弦信号输入，幅度受输入信号幅度控制的固定频率正弦信号输出。该系统输入信号的pp值最大为7V，一般采用pp值为5V，输出信号可在0～5V之间调节，误差为1%。由于输出只是提供声音信号，对于人耳来说这种精度完全可以满足。如果要实现高精度，可以换用更高分辨率的D/A芯片以及在单片机中存储更多的波形数据。