簡易數字控制雙相信號發生器的設計與實現*

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

簡易數字控制雙相信號發生器的設計與實現*

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

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。

雙相信號發生器；定時器；低通濾波；程控放大

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］。

圖1 系統結構框圖

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50kHz，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1kHz～40kHz，對應的MAX295的輸入時鐘頻率范圍為50kHz～2MHz，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。

圖2 低通濾波器硬件電路

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230MHz。在本系統中，要為MAX295提供2.5MHz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+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。

圖3 CDCE925時鐘模塊原理圖

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］。

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。

圖6 末級放大原理圖

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］。

圖7 程序流程圖

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

表1 正弦波測試結果

表2 矩形波測試結果

表3 相位差測試結果

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40kHz，系統最大頻率的限制來自MAX295，因為MAX295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。

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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：航空發動機檢測技術。E-mail：zhishu_feng@163.com。

趙鵬（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：航空發動機故障診斷。

馮志書（1984-），女，博士，講師，主要研究方向：航空發動機檢測技術。

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.簡易數字控制雙相信號發生器的設計與實現［J］.微型機與應用，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。

國家級“電子信息工程”專業綜合改革試點專業（高教司函［2013］5號）