基于STM32的模数结合简易波形发生器

第 33 届电子设计大赛作品设计报告说明书作品名称：基于 STM32 的模数结合简易波形发生器参赛队名:波形很稳队参赛队员: 李智豪 蒲小年物理与电信工程学院2016 年 12 月一、 系统方案选择与比较：（一）方案一：利用模数结合实现，在模拟电路上产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用 NE55 多谐振荡器产生方波，利用数字电位器与数字电容改变波形信号频率，用数控运放对信号幅度进行增益或衰减。（二）方案二：模拟电路实现，全采用模拟电路，可用正弦波发生器产生正弦波信号，然后过零比较产生方波，再经积分电路产生三角波。这种方法电路简单，并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大难度。原因是积分电路的积分时间常数通常不变，而随着方波频率改变，积分器输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波幅度，就得同时改变积分时间长度的大小。（三）方案三：数字电路实现，采用 DDS 方法，任何频率的波形都可看做由一系列的取样点所组成，可事先将各波形的数据点存储在 ROM 中，再通过时钟的控制顺序从 ROM 中读出，再经 D/A 转化器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A 转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。（四）方案四：数字电路与模拟电路结合，利用 STM32 产生频率可调的方波信号，通过外部硬件电路将方波信号进行积分，将依次得出三角波与正弦波信号。信号幅度的增益通过调节同相放大器运放的反馈电阻来进行修改。（五）方案选择：为了利用所学的模电与数电的知识，我们期初选择了方案一进行作品的前期设计制作，即是用数字电位器与数字可变电容对整个系统的参数进行调节，后来发现此方法中数字电位器的阻值变化范围与阻值级数达不到我们需要的阻值范围，数字可变电容的变化范围与所需的容值相差三个数量级，于是放弃了此方案。最终选择的则是方案四，即是数字电路产生稳定可调的方波信号，通过模拟电路对信号进行整形与幅度处理。二、系统各模块的理论分析与计算（一）方波产生电路：用 NE555 构成多谐振荡器,通过数字电位器和数字可变电容 ,改变其产生的脉冲波的频率与占空比,方波产生电路如图:（二）方波产生电路计算公式：充电时间：T1=R1*C2；放电时间：T2=R2*C2；脉冲占空比：q=R1 /R1+R2；当 R1=R2 时，方波的占空比为 50%周期：T=（R1+R2）*C（三）仿真效果图：由上述各计算公式可知，方波发生器的频率及占空比由 R1 与R2 及 C2 决定，因此我们初步的想法则是使用程序控制的数字电位器与数字可变电容来获取不同频率及占空比的方波信号。（四）相关资料：（1）高精度数字电位器 X9C104: 该集成电路由输入控制,计数器和译码器, 非易失存储器及电阻阵列构成。数字电位器集成芯片内部有 100 个左右的电阻阵列, 通过逻辑电平的改变致使其内部的模拟电子开关按一定次序相连，最终使得其阻值变化呈阶梯式或增量式。其电阻值变化范围为：40欧姆 100K 欧姆，变化级数为 1010 欧姆。（2）数字可变电容 max1474：对于数字可变电容，我们发现国内很少有人在使用，并且多数是英文版的数据手册。最终我们查询到一篇清华大学关于数字电容的汇报文档。它的原理与数字电位器相似，也是通过模拟开关控制其内部的电容器阵列，最终产生不同的容值的电容接入电路中。其变化范围为：0.424pF10.93Pf，变化级数为：0.34PF 。但因数字电位器不能像普通电阻一样两端都接入工作电路，而是需要一端接地，另一端接入电路。其阻值变化为阶梯式，不能够满足多谐振荡器的特殊电阻值的要求。并且数字电容器的实际变化幅度比振荡器需要的幅度相差三个数量级。正是因此，我们放弃了使用数字电位器与数字可变电容组成的程序控制、硬件电路搭建的频率可调得方波信号发生器。（二）数字电路产生的可调方波：利用 STM32 芯片内部的高精度定时器，通过程序控制延时时间，输出不同频率的脉冲信号，从而可获得不同频率的方波信号。下为在 PC 上利用逻辑分析仪获取的方波时序信号：（三）积分运算电路（方波转三角波）：（1）仿真电路：（2）仿真效果：（3）计算公式：（4）误差分析原因：1）集成运放不理想，由于运放的输入偏置电流，失调电流，输入失调电压影响，将使 逐渐 上升，形成输出误差电压。另外如果通频带不宽，那么对快速变化的输入信号反应迟钝，将会出现滞后现象，所以应选择低漂移集成运放或场效应管运放。2）积分电容同样也会造成误差。由于电容存在泄露电阻，会使 逐渐下降，同时又由于存在着电容的吸附效应，也会造成误差。所以应选择泄漏电阻大的电容器