基于STM32模數(shù)結(jié)合簡易波形發(fā)生器

1、 第33屆電子設(shè)計大賽作品設(shè)計報告說明書作品名稱：基于STM32的模數(shù)結(jié)合簡易波形發(fā)生器參賽隊名:波形很穩(wěn)隊參賽隊員: 李智豪 蒲小年物理與電信工程學(xué)院2016年12月一、 系統(tǒng)方案選擇與比較：（一）方案一：利用模數(shù)結(jié)合實現(xiàn)，在模擬電路上產(chǎn)生函數(shù)信號波形，而用數(shù)字方式改變信號的頻率和幅度。如采用NE55多諧振蕩器產(chǎn)生方波，利用數(shù)字電位器與數(shù)字電容改變波形信號頻率，用數(shù)控運放對信號幅度進(jìn)行增益或衰減。（二）方案二：模擬電路實現(xiàn)，全采用模擬電路，可用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，然后過零比較產(chǎn)生方波，再經(jīng)積分電路產(chǎn)生三角波。這種方法電路簡單，并具有良好的正弦波和方波信號。但要通過積分器電路產(chǎn)生同步的

2、三角波信號，存在較大難度。原因是積分電路的積分時間常數(shù)通常不變，而隨著方波頻率改變，積分器輸出的三角波幅度將同時改變。若要保持三角波幅度，就得同時改變積分時間長度的大小。（三）方案三：數(shù)字電路實現(xiàn)，采用DDS方法，任何頻率的波形都可看做由一系列的取樣點所組成，可事先將各波形的數(shù)據(jù)點存儲在ROM中，再通過時鐘的控制順序從ROM中讀出，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化器進(jìn)行逐點恢復(fù)。這種方案的波形精度主要取決于函數(shù)信號波形的存儲點數(shù)、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、以及整個電路的時序處理等。（四）方案四：數(shù)字電路與模擬電路結(jié)合，利用STM32產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號，通過外部硬件電路將方波信號進(jìn)行積分，將依次得出三角波與正弦

3、波信號。信號幅度的增益通過調(diào)節(jié)同相放大器運放的反饋電阻來進(jìn)行修改。（五）方案選擇：為了利用所學(xué)的模電與數(shù)電的知識，我們期初選擇了方案一進(jìn)行作品的前期設(shè)計制作，即是用數(shù)字電位器與數(shù)字可變電容對整個系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，后來發(fā)現(xiàn)此方法中數(shù)字電位器的阻值變化范圍與阻值級數(shù)達(dá)不到我們需要的阻值范圍，數(shù)字可變電容的變化范圍與所需的容值相差三個數(shù)量級，于是放棄了此方案。最終選擇的則是方案四，即是數(shù)字電路產(chǎn)生穩(wěn)定可調(diào)的方波信號，通過模擬電路對信號進(jìn)行整形與幅度處理。二、系統(tǒng)各模塊的理論分析與計算（一）方波產(chǎn)生電路：用NE555構(gòu)成多諧振蕩器,通過數(shù)字電位器和數(shù)字可變電容,改變其產(chǎn)生的脈沖波的頻率與占空比,方波

4、產(chǎn)生電路如圖:（二）方波產(chǎn)生電路計算公式：充電時間：T1=R1*C2；放電時間：T2=R2*C2；脈沖占空比：q=R1 /R1+R2；當(dāng)R1=R2時，方波的占空比為50%周期：T=（R1+R2）*C（三）仿真效果圖： 由上述各計算公式可知，方波發(fā)生器的頻率及占空比由R1與R2及C2決定，因此我們初步的想法則是使用程序控制的數(shù)字電位器與數(shù)字可變電容來獲取不同頻率及占空比的方波信號。（四）相關(guān)資料：（1）高精度數(shù)字電位器X9C104: 該集成電路由輸入控制,計數(shù)器和譯碼器,非易失存儲器及電阻陣列構(gòu)成。數(shù)字電位器集成芯片內(nèi)部有100個左右的電阻陣列, 通過邏輯電平的改變致使其內(nèi)部的模擬電子開關(guān)按一定

5、次序相連，最終使得其阻值變化呈階梯式或增量式。其電阻值變化范圍為：40歐姆100K歐姆，變化級數(shù)為1010歐姆。（2）數(shù)字可變電容max1474：對于數(shù)字可變電容，我們發(fā)現(xiàn)國內(nèi)很少有人在使用，并且多數(shù)是英文版的數(shù)據(jù)手冊。最終我們查詢到一篇清華大學(xué)關(guān)于數(shù)字電容的匯報文檔。它的原理與數(shù)字電位器相似，也是通過模擬開關(guān)控制其內(nèi)部的電容器陣列，最終產(chǎn)生不同的容值的電容接入電路中。其變化范圍為：0.424pF10.93Pf，變化級數(shù)為：0.34PF。但因數(shù)字電位器不能像普通電阻一樣兩端都接入工作電路，而是需要一端接地，另一端接入電路。其阻值變化為階梯式，不能夠滿足多諧振蕩器的特殊電阻值的要求。并且數(shù)字電容

6、器的實際變化幅度比振蕩器需要的幅度相差三個數(shù)量級。正是因此，我們放棄了使用數(shù)字電位器與數(shù)字可變電容組成的程序控制、硬件電路搭建的頻率可調(diào)得方波信號發(fā)生器。（二）數(shù)字電路產(chǎn)生的可調(diào)方波：利用STM32芯片內(nèi)部的高精度定時器，通過程序控制延時時間，輸出不同頻率的脈沖信號，從而可獲得不同頻率的方波信號。下為在PC上利用邏輯分析儀獲取的方波時序信號：（三）積分運算電路（方波轉(zhuǎn)三角波）：（1）仿真電路：（2）仿真效果：（3）計算公式： （4）誤差分析原因：1）集成運放不理想，由于運放的輸入偏置電流，失調(diào)電流，輸入失調(diào)電壓影響，將使 逐漸 上升，形成輸出誤差電壓。另外如果通頻帶不寬，那么對快速變化的輸入信

7、號反應(yīng)遲鈍，將會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，所以應(yīng)選擇低漂移集成運放或場效應(yīng)管運放。2）積分電容同樣也會造成誤差。由于電容存在泄露電阻，會使 逐漸下降，同時又由于存在著電容的吸附效應(yīng)，也會造成誤差。所以應(yīng)選擇泄漏電阻大的電容器，如薄膜電容，聚苯乙烯電容器等。3）實際效果圖： （四）RC無源積分電路（三角波轉(zhuǎn)正弦波）： （1）仿真電路圖： （2）仿真效果圖：（3）積分條件：1）時間常數(shù) 遠(yuǎn) 大于輸入矩形波 的脈寬； （4）實際效果： （五）負(fù)電源的產(chǎn)生：由于運放芯片需要雙電源工作，故電路中應(yīng)當(dāng)有一可以將源電源電壓鏡像的模塊，我們選取了ICL7660鏡像電壓產(chǎn)生芯片： 我們將源電源電壓輸入至芯片的八腳，即可在五

8、腳獲得一個與源電源電壓鏡像的電壓。其輸入電壓的幅值范圍為：0.4V18.6V。（六）穩(wěn)壓電路：我們工作的主控芯片STM32與顯示屏OLED需要穩(wěn)定且波紋低的電壓源供電，為了簡化測試時候的接線，我們不使用兩個外部電源給硬件電路供電。而是采用將提供給運放的電源通過穩(wěn)壓后輸給用電單元。因此，我們使用了LM2940穩(wěn)壓芯片，其功耗小波紋抑制比且輸入的電壓幅值較寬。（七）模擬開關(guān)： 為了便捷起見，我們選擇只用一個BNC端口當(dāng)成是信號輸出端口，因此，則需要對輸出信號進(jìn)行選通，通過程序來控制不同的輸出信號。 模擬開關(guān)傳輸門CD4066： CD4066是四雙向模擬開關(guān)，主要用作模擬或數(shù)字信號的多路傳輸。CD4

9、066 的每個封裝內(nèi)部有4 個獨立的模擬開關(guān)，每個模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制三個端子，其中輸入端和輸出端可互換。當(dāng)控制端加高電平時，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時開關(guān)截止。模擬開關(guān)導(dǎo)通時，導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；模擬開關(guān)截止時，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開路。模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號和模擬信號，可傳輸?shù)哪M信號的上限頻率為40MHz。各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為50dB。 因此，我們通過STM32的I/O口給出不同的高低電平來控制輸出信號。（八）鍵盤輸入裝置及OLED顯示屏（1）使用矩陣輸入鍵盤，通過鍵盤掃描程序?qū)Π存I進(jìn)行編碼，進(jìn)而可以輸入任意數(shù)值。三、 系統(tǒng)框圖：（一）系統(tǒng)工作簡述：（1）外部編碼鍵盤給STM32最小系統(tǒng)輸入編碼值，按鍵掃描程序?qū)幋a值進(jìn)行譯碼。從而可以進(jìn)行對波形頻率的調(diào)節(jié)與波形的選擇；（2）雙向模擬開關(guān)CD4066對輸出的信號類型進(jìn)行選通，從而對波形的輸出進(jìn)行相應(yīng)的控制；（3）LM324有源積分電路對輸入的方波進(jìn)行積分，得到相應(yīng)頻率的三角波與正弦波；（4）LM324同相放大電路對信號的幅值進(jìn)行增益，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值實現(xiàn)峰峰值得可調(diào)性；四、電路設(shè)計：由于電路板需要對波形信號的處理，故選用PCB覆銅板來進(jìn)行作品的制作，以提高穩(wěn)定性。注：通過鍍錫減小導(dǎo)線的阻抗與容抗；五、程序設(shè)計：六、測試方案與測試