一种多功能信号源的研究与实践

张 彬，李明科

（重庆航天职业技术学院，重庆 400021）

0 引 言

职业教育的课程体系应该基于能力而不是基于知识来进行开发，在电子类的专业基础课程中开设了很多电子基础知识方面的实验内容[1]。目前，已有一些院校在开发模块化的实验设备，并结合设备开发相关教材和在线开放课程[2-4]。信号源是电气类基础课程常用的设备，如电路分析及应用、电工基础、电工电子技能实训、模拟电子技术及应用、数字电子技术及应用等课程。在开展这些基础实验时，通常需要对称输出正负可调的直流稳压电源信号。在进行信号分析时，通常需要幅值和频率都可调的周期信号，常见的如正弦波、三角波以及方波。开展实验需要信号源的输出稳定，并且具备一定的保护功能，才能保证学生在误操作实验设备时不至于损坏信号源。

1 整体设计

综合考虑多种实验需求，多功能信号源需要提供±5 V固定电压输出与±3～12 V可调电源输出，同时能够输出幅值和频率可调的周期波形。设计多功能信号源规格如表1所示。

表1 多功能信号源规格表

多功能信号源供电使用输出电压为直流15 V的适配器，多功能信号源内部使用DC/DC电源模块转换为其他规格的电压，供给其他电路模块使用。多功能信号源整体设计框架如图1所示。

图1 多功能信号源整体设计框构

主控电路采用单片机STM32F407VE，保证有充足的控制I/O口和较快的指令处理速度。同时配置一块LCD显示屏，用来显示当前的电压输出和波形输出情况。电源电路将15 V直流电压转换为±3～12 V/1 A输出和±5 V/1 A输出。信号电路受主控电路控制，输出正弦波、三角波和方波。其中三角波、正弦波输出信号在频率范围1～100 kHz内连续可调，幅值0～12 V连续可调；方波信号输出信号在频率范围1～100 kHz内连续可调，幅值0～5 V连续可调。

2 电源电路

电源电路主要将+15 V电源转化为±3～12 V/1 A可调电源输出，电路如图2所示。

图2 可调电源电路

使用LM317三端正线性稳压器进行设计，输出电压的变化主要通过调节信号+12 V_ADJ的电压来实现。先将正电源变换为负电源，再使用LM337三端负线性稳压器进行设计，通过调节可调信号-12 V_ADJ的电压变化实现输出电压的变化。用户在旋转控制输出电压的可调电阻时会产生一个电压信号，单片机采集这个电压信号，经过计算和滤波后通过芯片自带的数模转换器给出连续变化的+12 V_ADJ和-12 V_ADJ信号，进而控制LM317和LM337输出可调电压。

电源电路主要将+15 V电源转化为±5 V/1 A固定电源输出，可以采用电源管理芯片TPS5430实现电路转化功能，电路如图3所示。

图3 电源输出电路

3 信号电路

DDS作为信号源常见芯片，常被用来设计信号模拟系统[5-8]。本设计使用DDS芯片AD9834，能够产生高性能正弦波和三角波输出[9,10]。正弦波通常用其幅度来表示，即a(t)=sin(ωt)。由于这类正弦波是非线性曲线，因此除非通过分段构建，否则不易生成。角度信息本质上是线性的，即每个单位时间内相位会旋转固定角度。角速率取决于信号频率，即ω=2πf。正弦波如图4所示。

图4 正弦波

如果给定参考时间间隔（时钟周期），则可以确定该周期内的相位旋转情况为：

则角速度为：

用参考时钟频率替换参考周期（1/fMCLK=Δt），则：

AD9834根据式（1）～（3）来构建输出，并用数控振荡器和相位调制器、SIN ROM以及数模转换器来实现波形输出。波形选择和频率计算通过单片机STM32F407VE实现，程序流程如图5所示。

图5 DDS配置程序流程

DDS芯片受单片机控制，波形输出经运放NE5532处理后通过电容滤波，最终输出波形信号。DDS波形信号发生电路如图6所示。

图6 DDS波形信号发生电路

4 实验验证

主控电路采用STM32F407VE，主要任务是采集波形选择、幅值调制、频率调制等信息，同时控制DDS波形发生芯片AD9834输出波形。方波波形因为使用场合较少，可以通过单片机直接产生，再经MOS管2N7002进行功率放大输出。按键控制电路可以控制信号源的开关、方波频率的增减、输出波形类型切换功能。经过实验验证，正弦波、三角波和方波输出信号较为理想，无明显失真和编写，可以满足教学仪器和设备使用，实验验证结果如图7所示。

图7 实验结果

5 结 论

以STM32F407VE为核心控制芯片，设计了一款多功能信号源，可以输出幅值和频率可调的正弦波、三角波、方波。经实验验证，所设计的多功能信号源输出电压稳定、纹波和噪音都比较小，且输出波形稳定干净，适合作为教学仪器使用。