摘 要： 以STM32F103VCT6單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可產(chǎn)生兩路幅度、頻率、占空比、相位差皆可調(diào)的矩形波或正弦波的雙相信號發(fā)生器。系統(tǒng)由帶有TFT顯示屏、鍵盤輸入模塊的STM32系統(tǒng)和外部調(diào)理電路組成。本系統(tǒng)可以高精度地實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器的基本功能，能夠適應(yīng)普通電子測量場合的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 雙相信號發(fā)生器；定時(shí)器；低通濾波；程控放大
0 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器。早期的信號發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發(fā)展速度比較慢。60年代出現(xiàn)的信號發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立電子元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出波形的幅度穩(wěn)定性較差，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴和功耗大等缺點(diǎn)[1]。70年代出現(xiàn)的函數(shù)發(fā)生器多以軟件控制為主，其實(shí)質(zhì)是采用微處理器對DAC進(jìn)行控制從而得到一些簡單的波形。軟件控制波形的一個(gè)最大缺點(diǎn)就是輸出信號的頻率低，這主要受限于CPU的工作頻率[2]。80年代以后，數(shù)字電子技術(shù)逐漸成熟，模擬信號處理逐漸被數(shù)字信號處理所代替，從而擴(kuò)充了函數(shù)發(fā)生器的信號處理能力，提高了信號測量的準(zhǔn)確度和變換速度[3]。90年代出現(xiàn)了幾種真正高性能的函數(shù)信號發(fā)生器，比如惠普公司推出了型號為HP770S的信號發(fā)生器，雖然其性能優(yōu)異，但是其價(jià)格昂貴，因此普及率不高。針對此情況，設(shè)計(jì)了一款性價(jià)比比較高的簡易數(shù)字控制雙相信號發(fā)生器，可以廣泛應(yīng)用于高校電子實(shí)驗(yàn)室。
1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及結(jié)構(gòu)框圖
本系統(tǒng)主要包括主控制模塊、鍵盤輸入模塊、TFT顯示模塊、低通濾波模塊以及程控放大模塊，如圖1所示。用戶通過鍵盤設(shè)定參數(shù)后，主控制器產(chǎn)生兩路PWM波，然后通過控制模擬多路復(fù)用器來選擇是否讓PWM波通過低通濾波器，從而達(dá)到了選擇波形的目的，而后調(diào)整數(shù)字電位器以控制程控放大器的比較電壓，從而實(shí)現(xiàn)了對波形幅度的控制。控制核心采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)為控制核心。波形產(chǎn)生方案利用STM32定時(shí)器的輸出比較功能，能夠生成頻率準(zhǔn)確并且頻率范圍很大的矩形波，同時(shí)占空比可調(diào)，再將其經(jīng)過低通濾波器可以得到相應(yīng)的正弦波。這種方案可以充分發(fā)揮STM32的強(qiáng)大定時(shí)器資源，可以輕松產(chǎn)生兩路信號，并且只要軟件配置好后，波形的產(chǎn)生由控制器硬件自行完成，可以減少軟件對整個(gè)過程的干預(yù)，提高精確度以及CPU的工作效率[4]。
2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
2.1 低通濾波器硬件電路設(shè)計(jì)
將對稱方波通過傅里葉級數(shù)展開得到：
由式（1）可知，對稱方波的頻譜只包含基波和奇次諧波的余弦分量[5]，因此，只要將方波通過一個(gè)低通濾波器，將基波外的其他諧波濾除，只保留基波分量，就可以得到相應(yīng)頻率的正弦信號。MAX295為8階橢圓低通濾波器，其最高截止頻率為50 kHz，截止頻率等于輸入時(shí)鐘的1/50，在其帶寬范圍內(nèi)，信號幅度平穩(wěn)，基本沒有相移，可以達(dá)到很好的濾波效果。根據(jù)預(yù)期目標(biāo)，輸出信號的頻率為1 kHz~40 kHz，對應(yīng)的MAX295的輸入時(shí)鐘頻率范圍為50 kHz~2 MHz，只要將截止頻率設(shè)為正弦波的頻率，就可以使MAX295達(dá)到一個(gè)很好的濾波效果。整個(gè)低通濾波器的設(shè)計(jì)電路如圖2所示。
2.2 CDCE925時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)
CDCE925是可編程時(shí)鐘產(chǎn)生芯片，其內(nèi)部具有兩路獨(dú)立的PLL電路，可產(chǎn)生5路時(shí)鐘輸出，最高輸出頻率可達(dá)230 MHz。在本系統(tǒng)中，要為MAX295提供2.5 MHz時(shí)鐘，正是通過獨(dú)立的CDCE925模塊來產(chǎn)生的，CDCE925模塊的電路如圖3所示。
2.3 放大器電路設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)信號幅度的可調(diào)，必須通過程控放大的手段控制信號的幅度。在將信號送入程控放大器之前，先使其經(jīng)過一級射極跟隨電路。射極跟隨器的輸入電阻Rt=rbe+(1+
)R很大，而輸出電阻Ro=（Rs+rbc）/
很小，作為主放大器的信號源內(nèi)阻，對主放大器影響很小，常作為阻抗變換器或緩沖器[6]。射極跟隨器的搭建采用NE5532，射極跟隨器的設(shè)計(jì)電路如圖4所示。
程控放大電路由VCA810和PGA205組成，實(shí)現(xiàn)兩級程控放大。VCA810是高增益可調(diào)放大器，其增益范圍為-40 dB~40 dB，可通過輸入電壓來調(diào)控，本系統(tǒng)中是由數(shù)字電位器來調(diào)節(jié)VCA810的輸入電壓。PGA205是可編程增益放大器，其放大倍數(shù)可設(shè)為1、2、4和8。兩級程控放大電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示，圖5中由R4、R5、R6、R8和C13組成調(diào)零電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R4和R8可以減小輸出幅度誤差[7]。
末級放大由高壓擺率、高輸出電流放大器THS4051組成，同樣為射極跟隨接法，隔離開了負(fù)載與主放大器之間的聯(lián)系，輸出電阻很小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸入電阻很大，對主放大器的影響甚小，末級放大電路如圖6所示。
2.4 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)
在程序設(shè)計(jì)中，控制器STM32的一大重要作用就是生成兩路PWM波。結(jié)合STM32的特點(diǎn)，決定采用STM32定時(shí)器的輸出比較功能來生成這兩路PWM波。STM32共包含8個(gè)定時(shí)器，其中包括基本定時(shí)器TIM6和TIM7，通用定時(shí)器TIM2~TIM5，高級定時(shí)器TIM1和TIM8。在這8個(gè)定時(shí)器中，除了基本定時(shí)器，其他定時(shí)器都帶有PWM輸出功能，其中每個(gè)高級定時(shí)器更是可以同時(shí)輸出7路PWM輸出，而每個(gè)通用定時(shí)器也能同時(shí)產(chǎn)生4路PWM輸出，這樣STM32的定時(shí)器總共可以產(chǎn)生30路PWM輸出。當(dāng)然，在本系統(tǒng)中只需要兩路PWM輸出，考慮到需要設(shè)置兩路PWM波的相位差，因此不能用同一個(gè)定時(shí)器來產(chǎn)生兩路PWM輸出，而需要用到兩個(gè)不同的定時(shí)器，這里選用TIM2和TIM3作為兩路PWM的發(fā)生器。產(chǎn)生PWM信號的軟件流程如圖7所示[8]。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
本系統(tǒng)采用分模塊單獨(dú)測試和整體測試方法，對波形的幅度、頻率、占空比以及相位差等項(xiàng)目進(jìn)行逐一測量。表1～表3分別為其正弦波測試結(jié)果、矩形波測試結(jié)果以及相位差測試結(jié)果。從表1～表3的測試結(jié)果可以看出本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，對誤差的控制也非常到位，基本上所有的誤差都控制在1%以內(nèi)，完全滿足高校實(shí)驗(yàn)室一般的實(shí)驗(yàn)要求。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種簡易的數(shù)字控制雙相信號發(fā)生器，它具有結(jié)構(gòu)簡單以及性比價(jià)高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上系統(tǒng)還有很大的提升空間，因?yàn)镾TM32能產(chǎn)生的PWM信號的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于40 kHz，系統(tǒng)最大頻率的限制來自MAX295，因?yàn)镸AX295的最高截止頻率只有50 kHz，如果選用更高性能的低通濾波芯片，那么系統(tǒng)能達(dá)到的指標(biāo)還可以很大程度地提高。同時(shí)，系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了矩形波和正弦波的輸出，而MAX309模擬通道有多路，完全可以在不改變原有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的情況下增加其他整形電路，使其產(chǎn)生三角波等波形，因此它具備很好的擴(kuò)展性。
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