简易数字控制双相信号发生器的设计与实现*

陈 松，荣 军，陶 胜（湖南理工学院 信息与通信工程学院，湖南 岳阳 414006）

简易数字控制双相信号发生器的设计与实现*

陈 松，荣 军，陶 胜
（湖南理工学院 信息与通信工程学院，湖南 岳阳 414006）

以STM32F103VCT6单片机为控制核心，实现了一个可产生两路幅度、频率、占空比、相位差皆可调的矩形波或正弦波的双相信号发生器。系统由带有TFT显示屏、键盘输入模块的STM32系统和外部调理电路组成。本系统可以高精度地实现信号发生器的基本功能，能够适应普通电子测量场合的应用。

双相信号发生器；定时器；低通滤波；程控放大

0 引言

随着科学技术的不断发展，20世纪40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器。早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。60年代出现的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立电子元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，输出波形的幅度稳定性较差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵和功耗大等缺点［1］。70年代出现的函数发生器多以软件控制为主，其实质是采用微处理器对DAC进行控制从而得到一些简单的波形。软件控制波形的一个最大缺点就是输出信号的频率低，这主要受限于CPU的工作频率［2］。80年代以后，数字电子技术逐渐成熟，模拟信号处理逐渐被数字信号处理所代替，从而扩充了函数发生器的信号处理能力，提高了信号测量的准确度和变换速度［3］。90年代出现了几种真正高性能的函数信号发生器，比如惠普公司推出了型号为HP770S的信号发生器，虽然其性能优异，但是其价格昂贵，因此普及率不高。针对此情况，设计了一款性价比比较高的简易数字控制双相信号发生器，可以广泛应用于高校电子实验室。

1 系统实现及结构框图

本系统主要包括主控制模块、键盘输入模块、TFT显示模块、低通滤波模块以及程控放大模块，如图1所示。用户通过键盘设定参数后，主控制器产生两路PWM波，然后通过控制模拟多路复用器来选择是否让PWM波通过低通滤波器，从而达到了选择波形的目的，而后调整数字电位器以控制程控放大器的比较电压，从而实现了对波形幅度的控制。控制核心采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32单片机为控制核心。波形产生方案利用STM32定时器的输出比较功能，能够生成频率准确并且频率范围很大的矩形波，同时占空比可调，再将其经过低通滤波器可以得到相应的正弦波。这种方案可以充分发挥STM32的强大定时器资源，可以轻松产生两路信号，并且只要软件配置好后，波形的产生由控制器硬件自行完成，可以减少软件对整个过程的干预，提高精确度以及CPU的工作效率［4］。

图1 系统结构框图

2 系统软硬件设计

2.1 低通滤波器硬件电路设计

将对称方波通过傅里叶级数展开得到：

由式（1）可知，对称方波的频谱只包含基波和奇次谐波的余弦分量［5］，因此，只要将方波通过一个低通滤波器，将基波外的其他谐波滤除，只保留基波分量，就可以得到相应频率的正弦信号。MAX295为8阶椭圆低通滤波器，其最高截止频率为50kHz，截止频率等于输入时钟的1/50，在其带宽范围内，信号幅度平稳，基本没有相移，可以达到很好的滤波效果。根据预期目标，输出信号的频率为1kHz～40kHz，对应的MAX295的输入时钟频率范围为50kHz～2MHz，只要将截止频率设为正弦波的频率，就可以使MAX295达到一个很好的滤波效果。整个低通滤波器的设计电路如图2所示。

图2 低通滤波器硬件电路

2.2 CDCE925时钟模块设计

CDCE925是可编程时钟产生芯片，其内部具有两路独立的PLL电路，可产生5路时钟输出，最高输出频率可达230MHz。在本系统中，要为MAX295提供2.5MHz时钟，正是通过独立的CDCE925模块来产生的，CDCE925模块的电路如图3所示。

2.3 放大器电路设计

为了实现信号幅度的可调，必须通过程控放大的手段控制信号的幅度。在将信号送入程控放大器之前，先使其经过一级射极跟随电路。射极跟随器的输入电阻Rt=rbe+（1+β）R很大，而输出电阻Ro=（Rs+rbc）/β很小，作为主放大器的信号源内阻，对主放大器影响很小，常作为阻抗变换器或缓冲器［6］。射极跟随器的搭建采用NE5532，射极跟随器的设计电路如图4所示。

图3 CDCE925时钟模块原理图

图4 射极跟随器原理图

程控放大电路由VCA810和PGA205组成，实现两级程控放大。VCA810是高增益可调放大器，其增益范围为-40 dB～40 dB，可通过输入电压来调控，本系统中是由数字电位器来调节VCA810的输入电压。PGA205是可编程增益放大器，其放大倍数可设为 1、2、4和8。两级程控放大电路设计图如图5所示，图5中由R4、R5、R6、R8和C13组成调零电路，调节滑动变阻器R4和R8可以减小输出幅度误差［7］。

图5 两级程控放大原理图

末级放大由高压摆率、高输出电流放大器THS4051组成，同样为射极跟随接法，隔离开了负载与主放大器之间的联系，输出电阻很小，带负载能力强，输入电阻很大，对主放大器的影响甚小，末级放大电路如图6所示。

图6 末级放大原理图

2.4 系统控制算法软件实现

在程序设计中，控制器STM32的一大重要作用就是生成两路PWM波。结合STM32的特点，决定采用STM32定时器的输出比较功能来生成这两路PWM波。STM32共包含8个定时器，其中包括基本定时器TIM6和TIM7，通用定时器TIM2～TIM5，高级定时器TIM1和TIM8。在这8个定时器中，除了基本定时器，其他定时器都带有PWM输出功能，其中每个高级定时器更是可以同时输出7路PWM输出，而每个通用定时器也能同时产生4路PWM输出，这样STM32的定时器总共可以产生30路PWM输出。当然，在本系统中只需要两路PWM输出，考虑到需要设置两路PWM波的相位差，因此不能用同一个定时器来产生两路PWM输出，而需要用到两个不同的定时器，这里选用TIM2和TIM3作为两路PWM的发生器。产生PWM信号的软件流程如图7所示［8］。

图7 程序流程图

3 实验结果及分析

本系统采用分模块单独测试和整体测试方法，对波形的幅度、频率、占空比以及相位差等项目进行逐一测量。表1～表3分别为其正弦波测试结果、矩形波测试结果以及相位差测试结果。从表1～表3的测试结果可以看出本系统基本实现了预期的功能，对误差的控制也非常到位，基本上所有的误差都控制在1％以内，完全满足高校实验室一般的实验要求。

4 结论

表1 正弦波测试结果

表2 矩形波测试结果

表3 相位差测试结果

本文设计了一种简易的数字控制双相信号发生器，它具有结构简单以及性比价高等优点。实际上系统还有很大的提升空间，因为STM32能产生的PWM信号的频率远远大于40kHz，系统最大频率的限制来自MAX295，因为MAX295的最高截止频率只有50kHz，如果选用更高性能的低通滤波芯片，那么系统能达到的指标还可以很大程度地提高。同时，系统只实现了矩形波和正弦波的输出，而MAX309模拟通道有多路，完全可以在不改变原有系统设计的情况下增加其他整形电路，使其产生三角波等波形，因此它具备很好的扩展性。

［1］张华峰，李涛，赵涛.某型导弹雷达波形信号发生器的设计与实现［J］.国外电子测量技术，2012，31（1）：52-55.

［2］吴征，苏淑靖.基于FPGA+PWM的多路信号发生器设计［J］.电子技术应用，2014，40（3）：38-40，44.

［3］董亚男，马俊，周泉，等.基于单片机的智能信号发生器设计与仿真［J］.电子测量技术，2014，37（1）：62-65，75.

［4］意法半导体（中国）投资有限公司.STM32F10xxx参考手册［Z］.2010：268-269.

［5］朱小斌．电子测量仪器［M］.北京：电子工业出版社，1996.

［6］董伟波，王茜蒨，韩旭.基于虚拟仪器技术的APD噪声等效功率测量系统［J］.仪器仪表学报，2011，32（11）：2635-2640.

［7］赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计［M］.刘树棠，朱茂林，荣玫，译.西安：西安交通大学出版社，2009.

［8］王建校.51系列单片机及C51程序设计［M］.北京：科学出版社，2002.

参考文献

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［2］赵鹏，蔡忠春，谢斌.航空发动机主要参数检测电路设计思路［J］.科技视界，2014（9）：5，30.

［3］鲁凤莲.通信电缆端子压接质量精密检测方法与电路设计［J］.微型机与应用，2014，33（24）：28-30.

［4］王晶.模块化测控软件的集成设计方法及其应用研究［D］.北京：北京化工大学，2006.

［5］刘圣宇.某型飞机发动机性能检测系统的设计与实现［D］.长春：吉林大学，2012.

［6］华江，黄寅.基于Si4432的无线射频模块研发与设计［J］.微型机与应用，2014，33（21）：60-62.

（收稿日期：2015-04-25）

作者简介：

李晓明（1982-），通信作者，男，硕士，讲师，主要研究方向：航空发动机检测技术。E-mail：zhishu_feng@163.com。

赵鹏（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：航空发动机故障诊断。

冯志书（1984-），女，博士，讲师，主要研究方向：航空发动机检测技术。

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

陈松，荣军，陶胜.简易数字控制双相信号发生器的设计与实现［J］.微型机与应用，2015，34（18）：85-88.

2015-03-19）

陈松（1973-），男，硕士，讲师，主要研究方向：无线通信与仪器仪表技术。

国家级“电子信息工程”专业综合改革试点专业（高教司函［2013］5号）