摘 要： 以STM32F103VCT6單片機為控制核心，實現了一個可產生兩路幅度、頻率、占空比、相位差皆可調的矩形波或正弦波的雙相信號發生器。系統由帶有TFT顯示屏、鍵盤輸入模塊的STM32系統和外部調理電路組成。本系統可以高精度地實現信號發生器的基本功能，能夠適應普通電子測量場合的應用。
0 引言
隨著科學技術的不斷發展，20世紀40年代出現了主要用于測試各種接收機的標準信號發生器。早期的信號發生器機械結構比較復雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發展速度比較慢。60年代出現的信號發生器多采用模擬電子技術，由分立電子元件或模擬集成電路構成，其電路結構復雜，輸出波形的幅度穩定性較差，而且模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴和功耗大等缺點[1]。70年代出現的函數發生器多以軟件控制為主，其實質是采用微處理器對DAC進行控制從而得到一些簡單的波形。軟件控制波形的一個最大缺點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，數字電子技術逐漸成熟，模擬信號處理逐漸被數字信號處理所代替，從而擴充了函數發生器的信號處理能力，提高了信號測量的準確度和變換速度[3]。90年代出現了幾種真正高性能的函數信號發生器，比如惠普公司推出了型號為HP770S的信號發生器，雖然其性能優異，但是其價格昂貴，因此普及率不高。針對此情況，設計了一款性價比比較高的簡易數字控制雙相信號發生器，可以廣泛應用于高校電子實驗室。
1 系統實現及結構框圖
本系統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。用戶通過鍵盤設定參數后，主控制器產生兩路PWM波，然后通過控制模擬多路復用器來選擇是否讓PWM波通過低通濾波器，從而達到了選擇波形的目的，而后調整數字電位器以控制程控放大器的比較電壓，從而實現了對波形幅度的控制。控制核心采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32單片機為控制核心。波形產生方案利用STM32定時器的輸出比較功能，能夠生成頻率準確并且頻率范圍很大的矩形波，同時占空比可調，再將其經過低通濾波器可以得到相應的正弦波。這種方案可以充分發揮STM32的強大定時器資源，可以輕松產生兩路信號，并且只要軟件配置好后，波形的產生由控制器硬件自行完成，可以減少軟件對整個過程的干預，提高精確度以及CPU的工作效率[4]。
2 系統軟硬件設計
2.1 低通濾波器硬件電路設計
將對稱方波通過傅里葉級數展開得到：
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鐘的1/50，在其帶寬范圍內，信號幅度平穩，基本沒有相移，可以達到很好的濾波效果。根據預期目標，輸出信號的頻率為1 kHz~40 kHz，對應的MAX295的輸入時鐘頻率范圍為50 kHz~2 MHz，只要將截止頻率設為正弦波的頻率，就可以使MAX295達到一個很好的濾波效果。整個低通濾波器的設計電路如圖2所示。
2.2 CDCE925時鐘模塊設計
CDCE925是可編程時鐘產生芯片，其內部具有兩路獨立的PLL電路，可產生5路時鐘輸出，最高輸出頻率可達230 MHz。在本系統中，要為MAX295提供2.5 MHz時鐘，正是通過獨立的CDCE925模塊來產生的，CDCE925模塊的電路如圖3所示。
2.3 放大器電路設計
為了實現信號幅度的可調，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，射極跟隨器的設計電路如圖4所示。
程控放大電路由VCA810和PGA205組成，實現兩級程控放大。VCA810是高增益可調放大器，其增益范圍為-40 dB~40 dB，可通過輸入電壓來調控，本系統中是由數字電位器來調節VCA810的輸入電壓。PGA205是可編程增益放大器，其放大倍數可設為1、2、4和8。兩級程控放大電路設計圖如圖5所示，圖5中由R4、R5、R6、R8和C13組成調零電路，調節滑動變阻器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，隔離開了負載與主放大器之間的聯系，輸出電阻很小，帶負載能力強，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 系統控制算法軟件實現
在程序設計中，控制器STM32的一大重要作用就是生成兩路PWM波。結合STM32的特點，決定采用STM32定時器的輸出比較功能來生成這兩路PWM波。STM32共包含8個定時器，其中包括基本定時器TIM6和TIM7，通用定時器TIM2~TIM5，高級定時器TIM1和TIM8。在這8個定時器中，除了基本定時器，其他定時器都帶有PWM輸出功能，其中每個高級定時器更是可以同時輸出7路PWM輸出，而每個通用定時器也能同時產生4路PWM輸出，這樣STM32的定時器總共可以產生30路PWM輸出。當然，在本系統中只需要兩路PWM輸出，考慮到需要設置兩路PWM波的相位差，因此不能用同一個定時器來產生兩路PWM輸出，而需要用到兩個不同的定時器，這里選用TIM2和TIM3作為兩路PWM的發生器。產生PWM信號的軟件流程如圖7所示[8]。
3 實驗結果及分析
本系統采用分模塊單獨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目進行逐一測量。表1～表3分別為其正弦波測試結果、矩形波測試結果以及相位差測試結果。從表1～表3的測試結果可以看出本系統基本實現了預期的功能，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，完全滿足高校實驗室一般的實驗要求。
4 結論
本文設計了一種簡易的數字控制雙相信號發生器，它具有結構簡單以及性比價高等優點。實際上系統還有很大的提升空間，因為STM32能產生的PWM信號的頻率遠遠大于40 kHz，系統最大頻率的限制來自MAX295，因為MAX295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，那么系統能達到的指標還可以很大程度地提高。同時，系統只實現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設計的情況下增加其他整形電路，使其產生三角波等波形，因此它具備很好的擴展性。
參考文獻
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