簡易數(shù)字控制雙相信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳 松，榮 軍，陶 勝（湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006）

簡易數(shù)字控制雙相信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳 松，榮 軍，陶 勝
（湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006）

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。

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?？刂坪诵牟捎没贏RM 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］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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50kHz，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1kHz～40kHz，對應(yīng)的MAX295的輸入時(shí)鐘頻率范圍為50kHz～2MHz，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。

圖2 低通濾波器硬件電路

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)230MHz。在本系統(tǒng)中，要為MAX295提供2.5MHz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+β）R很大，而輸出電阻Ro=（Rs+rbc）/β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。

圖3 CDCE925時(shí)鐘模塊原理圖

圖4 射極跟隨器原理圖

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］。

圖5 兩級程控放大原理圖

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。

圖6 末級放大原理圖

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］。

圖7 程序流程圖

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

表1 正弦波測試結(jié)果

表2 矩形波測試結(jié)果

表3 相位差測試結(jié)果

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40kHz，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50kHz，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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（收稿日期：2015-04-25）

作者簡介：

李曉明（1982-），通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢測技術(shù)。E-mail：zhishu_feng@163.com。

趙鵬（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷。

馮志書（1984-），女，博士，講師，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢測技術(shù)。

Design and realization of digital controlling dual phase signal generator

Chen Song，Rong Jun，Tao Sheng
（Department of Information and Communication Engineering，Yueyang 414006，China）

The system uses STM32F103VCT6 MCU as the control core，and realizes a double-phase signal generator that can generate two channel rectangular wave or sine wave and the amplitude，frequency，duty ratio and phase difference are all adjustable. The entire system consists of STM32 system with TFT-LCD and keyboard input module and extern conditioning circuit.The system can realize the base function of signal generator with high precision so that it can be applied into basic electronic measure area.

double-phase signal generator；timer；low pass filter；programmable amplifier

TM391.9

A

1674-7720（2015）18-0085-04

陳松，榮軍，陶勝.簡易數(shù)字控制雙相信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（18）：85-88.

2015-03-19）

陳松（1973-），男，碩士，講師，主要研究方向：無線通信與儀器儀表技術(shù)。

國家級“電子信息工程”專業(yè)綜合改革試點(diǎn)專業(yè)（高教司函［2013］5號）