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摘要：本文介绍了一种激光气体分析仪正弦波产生方法。由中央处理单元产生一组方波，将此方波转化成对应的固定幅值的正弦波，经过调理后作为数字模拟转换器的参考。中央处理单元将正弦波幅值信号输入到数字模拟转换器的数字信号输入端。数字模拟转换器输出端将输频率固定，幅值由数字信号决定的正弦波。除激光气体分析仪之外，该方法还适用于需要多路模拟信号产生的系统，尤其是需要两个处理单元共同运行的复杂系统。该方法产生的正弦波平滑稳定，且正弦波幅值调节简便，占用中央处理器资源少。
关键词：电路与系统；激光气体分析仪；正弦波；数字模拟转换器
1 应用背景介绍
随着人类生存环境的恶化，环境污染对人类的健康和安全的影响日益成为人们密切关注的问题，而工业生产作为造成环境污染的主要因素之一，对其环境的检测也已成为当今技术研究的重点，尤其是对其生产过程中产生的气体浓度的检测。燃烧是应用最为广泛的能量转换方式，燃烧过程中一氧化碳是反应燃烧完全性的重要指示性气体。因此对燃烧检测和控制而言，一氧化碳是很有代表性的参量。因此在燃烧过程中对一氧化碳进行快速准确的在线监测对燃烧过程优化控制提高燃烧率是非常必要的。[1]
如今，随着半导体激光吸收光谱技术的发展，采用激光气体分析仪来实现对待测气体浓度的检测显现出了越来越多的优势。激光气体分析仪工作时需要用低频的三角波和高频正弦波对光源进行调制。其中正弦波的频率、幅值对激光分析仪的测量都具有直接的影响。所以平滑稳定正弦波的产生是激光分析仪的重要部分。
2 正弦波产生机制
本系统由两个中央处理单元共同运行。首先由第一中央处理单元产生一组频率与目标正弦波频率一致，占空比为50%的方波，通过滤波将方波过滤为频率幅值固定的正弦波。然后将幅值固定的正弦波信号进行调理，使其符合数字模拟转换器参考输入要求。再将调理完成的信号输入到数字模拟转换器的参考输入端。最后由第二中央处理单元在数字模拟转换器的数字输入端输入固定的数字信号即可在数字模拟转换器的输出端得到相应幅值的正弦波。具体原理框图见图1。
C124将方波过滤成圆滑稳定的正弦波1，电容值的选取与所需正弦波的频率相关。本系统中100K正弦波选用电容0.1uF。此时的正弦波频率与第一中央处理单元产生的方波频率一致，幅值固定。
VREF_2.5为由电压基准芯片产生的2.5V基准电压。电容C118与C119用于滤除直流基准上的交流噪声，保证2.5V基准的稳定。
运放U33B与相关的电阻电容等组成二阶低通滤波电路滤除正弦波上的高频噪声的同时在正弦波上增加稳定直流偏置。此时的正弦波2频率幅值与正弦波1完全一致，但增加了2.5V的直流偏置。
运放U33A与相关电阻电容组成放大电路通过调节电阻R83和R84的阻值比例将正弦波幅值大小调节至符合数字模拟转换器参考输入要求。此时的正弦波3幅值为2V，直流偏置为2.5V。
2.3 数字信号电路
数字模拟转换器的数字信号由第二中央处理单元给出，参考为之前调理完成的正弦波3。原理图参见图4。图中SDO_MDXB、SCK_CLKXB和CS_B0为数字模拟转换器与第二中央处理单元通信的数字接口。WAVE2为调理完成的正弦波3。根据系统需要，第二处理单元只需通过串口通信给出所需正弦波的幅值信号，数字模拟转换器即可输出所需正弦波WAVE3。
3 总结
本方法中数字模拟转换器的数字输入只需提供所需正弦波幅值即可。作为数字模拟转换器参考的正弦波是由硬件电路生成，不仅十分精准，而且可靠稳定。所以其产生的正弦波信号噪声小，平滑度好。但是本方法也有一定的局限。产生的正弦波幅值可由第二中央处理单元给出，在实际应用中可以根据系统需要调节，但频率由第一中央处理单元产生的方波决定且对应的信号调理电路参数都与频率相关。需要改变频率时需第一处理单元修改给出方波频率，同时修改对应调理电路参数。所以用这种方法产生正弦波适用于频率固定、幅值可调的系统中。
参考文献：
[1]夏慧，刘文清等. 可调谐半导体激光吸收光谱法监测燃烧过程中CO浓度的变化[J]. 光谱学与光谱分析，2008，28 (11) ：1.
作者简介：
牛麒斌，男，助理工程师，研究领域，工业仪器仪表。
论文作者:牛麒斌,张银建
论文发表刊物:《防护工程》2017年第4期
论文发表时间:2017/7/7
标签：正弦波论文; 转换器论文; 数字论文; 频率论文; 单元论文; 激光论文; 中央论文; 《防护工程》2017年第4期论文;