鲁达 摘 要： 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。
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]。
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50 kHz，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1 kHz~40 kHz，对应的MAX295的输入时钟频率范围为50 kHz~2 MHz，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。
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230 MHz。在本系统中，要为MAX295提供2.5 MHz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+
)R很大，而输出电阻Ro=（Rs+rbc）/
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。
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]。
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。
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]。
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
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40 kHz，系统最大频率的限制来自MAX295，因为MAX295的最高截止频率只有50 kHz，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。
参考文献
[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.