王 珊，王 利，王國帥，楊 敏，馬振興

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

多功能函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

王 珊，王 利，王國帥，楊 敏，馬振興

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

目前市場上的信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形種類較少，主要有方波、正弦波、鋸齒波，且信號發(fā)生器價(jià)格昂貴，而試驗(yàn)室等多種場合可能需要用到更復(fù)雜的波形來作為模擬試驗(yàn)的輸入。針對該問題，設(shè)計(jì)了基于STM32的函數(shù)信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器采用D/A轉(zhuǎn)換，通過軟件來實(shí)現(xiàn)對信號的類型、頻率、電壓等的控制。信號發(fā)生器以STM32作為控制核心，外部接入鍵盤，通過鍵盤的輸入來實(shí)現(xiàn)對波形和頻率的快速改變；利用函數(shù)庫math.h，不僅能輸出使用較多的正弦波、方波、鋸齒波、三角波，還能輸出指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)等任意函數(shù)的模擬信號，也可以產(chǎn)生頻率、電壓隨時(shí)間變化的波形。試驗(yàn)表明：該信號發(fā)生器設(shè)計(jì)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的波形、頻率等的靈活控制，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，輸出信號失真小。該發(fā)生器具有低成本、低功耗的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用在試驗(yàn)室等場合中。

STM32；D/A轉(zhuǎn)換；信號發(fā)生器；math.h庫；正弦函數(shù)；指數(shù)函數(shù)；對數(shù)函數(shù)；雙曲余弦函數(shù)

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，信號發(fā)生器的應(yīng)用越來越廣泛，在科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐和教學(xué)領(lǐng)域等都得到普遍應(yīng)用［1-2］。特別是在通信系統(tǒng)的科研試驗(yàn)中，常常需要用到各種頻率、相位的信號源。目前，信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)主要有以下幾種方法：①由運(yùn)算放大器及分立元件構(gòu)成，通過比較器產(chǎn)生方波輸出，方波通過積分產(chǎn)生三角波輸出［3］；②通過51單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)合來設(shè)計(jì)產(chǎn)生信號，D/A轉(zhuǎn)換器以DAC0832為主［4-7］；③利用直接頻率合成（direct digital synthesizer，DDS）技術(shù)來產(chǎn)生信號［8-12］，通常，直接頻率合成器主要由相位累加器、加法器、波形存儲ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（low pass filter，LPF）構(gòu)成。通過分析，方法一輸出頻率范圍窄，電路參數(shù)設(shè)定繁瑣，其頻率大小的測量往往需要通過硬件電路的切換來實(shí)現(xiàn)，因此操作不方便［13］。方法二操作方便，但51單片機(jī)主頻較低，內(nèi)部所包含的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter，DAC）一般為8位，精度較低，因此產(chǎn)生的波形不平滑，不能滿足使用要求。方法三所產(chǎn)生的波形平滑，頻率較高，理論上可產(chǎn)生任意形狀的波形，但使用較復(fù)雜。

本系統(tǒng)采用STM32結(jié)合內(nèi)部所包含的12位DAC即可實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的波形頻率較高，且波形平滑；利用math.h函數(shù)，可產(chǎn)生任意函數(shù)的波形，結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號失真小，具有低成本、低功耗的特點(diǎn)，可滿足試驗(yàn)室等場合的使用。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

信號發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由人機(jī)交互接口模塊、波形生成模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模塊3部分構(gòu)成。人機(jī)交互接口模塊包括ARM系統(tǒng)、鍵盤輸入檢測、液晶顯示和JTAG接口。波形生成模塊主要由相關(guān)軟件構(gòu)成，利用math.h函數(shù)可生成階梯波、正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波以及雙曲線、指數(shù)曲線、對數(shù)曲線、圓等任意函數(shù)的波形，最后通過D/A轉(zhuǎn)換將離散的點(diǎn)連接，使其成為模擬量。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the system stucture

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32處理器

本設(shè)計(jì)采用ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位處理器STM32F407作為系統(tǒng)主控制器，處理器基于高性能的ARM Cortex-M4的32位精簡指令集計(jì)算機(jī)內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168 MHz，帶有32位浮點(diǎn)運(yùn)算單元，支持多種數(shù)字信號處理指令集，具有很高的處理速度和運(yùn)算能力。該處理器還具有2個(gè)12位DAC，能夠完成信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，并且能夠同時(shí)輸出2種不同的波形；2個(gè)直接存儲器存?。╠irect memory access，DMA）控制器，DMA傳輸方式無需CPU控制傳輸，其通過硬件直接開辟1條I/O到RAM的數(shù)據(jù)傳輸通道，加快了數(shù)據(jù)的處理速度；6個(gè)串口能夠完成控制器和計(jì)算機(jī)、無線傳輸模塊數(shù)據(jù)的交互。處理器含有16 KB的快速存儲空間、64 KB的非易失存儲器，方便數(shù)據(jù)的大容量、快速存儲。

2.2 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊包括串口、按鍵、JTAG接口以及液晶顯示部分。通過按鍵輸入來設(shè)定參數(shù)項(xiàng)，同時(shí)也可通過串口輸入來設(shè)定具體的參數(shù)，如頻率、幅值等，同時(shí)將輸出的波形用液晶顯示屏顯示出來。

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

對所要繪制的波形每周期取一定數(shù)量的點(diǎn)，將對應(yīng)的值保存到存儲器中，然后通過直接DMA傳輸?shù)紻AC中，并通過DAC轉(zhuǎn)換輸出，這樣便可以產(chǎn)生相對應(yīng)的波形。STM32芯片內(nèi)部集成DAC，DAC模塊是12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器。DAC可以按8位或12位模式進(jìn)行配置，并且可與DMA控制器配合使用。在12位模式下，數(shù)據(jù)可以采用左對齊或右對齊。DAC有2個(gè)輸出通道，每個(gè)通道各有1個(gè)轉(zhuǎn)換器。在DAC雙通道模式下，每個(gè)通道可以單獨(dú)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；當(dāng)2個(gè)通道組合在一起同步執(zhí)行更新操作時(shí)，也可以同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過1個(gè)輸入?yún)⒖茧妷阂_VREF+（與ADC共享）來提高分辨率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)相對較簡單，信號的發(fā)生主要依靠軟件來實(shí)現(xiàn)。波形的產(chǎn)生是通過DAC變換來實(shí)現(xiàn)的（矩形波除外），所產(chǎn)生信號的頻率受DAC轉(zhuǎn)化速率的限制。對于STM32F407，如果未選擇硬件觸發(fā)，那么經(jīng)過1個(gè)外圍總線低速預(yù)分頻器（簡稱APB1）時(shí)鐘周期后，DAC_DHRx寄存器中存儲的數(shù)據(jù)將自動轉(zhuǎn)移到DAC_DORx寄存器，即完成了D/A轉(zhuǎn)換。APB1時(shí)鐘最大頻率為42 MHz，完成A/D轉(zhuǎn)換需要1/42 μs；如果選擇硬件觸發(fā)，完成D/A轉(zhuǎn)換需要3個(gè)APB1時(shí)鐘周期，故完成模數(shù)轉(zhuǎn)換需要1/13 μs。若每個(gè)周期的波形用20個(gè)點(diǎn)來進(jìn)行繪制，則信號發(fā)生器的最高頻率可達(dá)1.5 MHz。

3.1 矩形波的輸出

矩形波的輸出采用的是脈沖調(diào)制的方法，假定定時(shí)器工作在向上計(jì)數(shù)脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）模式，當(dāng)計(jì)數(shù)器值CNT小于捕獲/比較寄存器值 CCRx（）時(shí)，I/O輸出低電平（0）；當(dāng) CNT 大于等于CCRx時(shí)，I/O輸出高電平；當(dāng)CNT達(dá)到自動重載值（TIMx_ARR）時(shí)，重新歸0，然后重新向上計(jì)數(shù)，依次循環(huán)。改變CCRx，就可以改變PWM輸出的占空比；改變TIMx_ARR，就可以改變PWM輸出的頻率。通過改變定時(shí)器的時(shí)鐘也可以改變頻率。此處定時(shí)器時(shí)鐘與APB1相同，為42 MHz。此信號發(fā)生器通過示波器輸出的方波（占空比為50%的矩形波）波形如圖2所示，其頻率為83.33 kHz。通過示波器輸出的占空比為10%的矩形波波形圖如圖3所示，其頻率為100 kHz。

圖2 方波波形圖Fig.2 Square waveform

圖3 矩形波波形圖Fig.3 Rectangula waveform

3.2 正弦波的產(chǎn)生

對于采用模數(shù)轉(zhuǎn)換生成的波形（除矩形波），其電壓值為0～3.3 V。經(jīng)過線性轉(zhuǎn)換后，數(shù)字輸入會轉(zhuǎn)換為0～VREF+（基準(zhǔn)電壓）之間的輸出電壓。各DAC通道引腳的模擬輸出電壓通過以下公式確定：

首先將信號的離散值保存到存儲器中（SDRAM和Flash均可），然后利用STM32的DMA功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻AC的存儲器中，再通過DAC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出。在這里采用了定時(shí)器TIM6，用來設(shè)置DAC的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

正弦信號的離散值可直接由函數(shù)得到，并保存在數(shù)組 sinTable［］中，其值為：

式中：tableSize為所取得點(diǎn)數(shù)，點(diǎn)數(shù)越少，輸出波形頻率越高。

為保證圖形的準(zhǔn)確度，點(diǎn)數(shù)最小取100個(gè)，n指第幾個(gè)點(diǎn)，n 取值為 0～99。

正弦波生成的流程如圖4所示。

圖4 正弦波生成流程圖Fig.4 Flowchart of sine wave generation

示波器輸出的正弦波波形如圖5所示。

圖5 正弦波波形Fig.5 Sine wave waveform

3.3 三角波及鋸齒波的產(chǎn)生

三角波、鋸齒波以及其他函數(shù)的波形產(chǎn)生原理與正弦波相同。將信號的離散值保存到存儲器中，然后利用STM32的DMA將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻AC的存儲器中，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行輸出。示波器輸出的鋸齒波波形如圖6所示。

圖6 鋸齒波波形Fig.6 Sawtooth wave waveform

3.4 指數(shù)函數(shù)與雙曲余弦函數(shù)的產(chǎn)生

本系統(tǒng)借助于math.h函數(shù)，可以產(chǎn)生包含于此頭文件下的任意函數(shù)的波形。產(chǎn)生的指數(shù)函數(shù)信號波形如圖7所示。

圖7 指數(shù)函數(shù)信號波形圖Fig.7 Exponential function signal waveform

指數(shù)分布是大多數(shù)電子設(shè)備的失效分布，在一定條件下，指數(shù)分布適用于某些機(jī)械及機(jī)電設(shè)備的可靠性及壽命的分析研究［14］。通過改變信號發(fā)生器產(chǎn)生的指數(shù)函數(shù)的特定參數(shù)，對機(jī)電系統(tǒng)壽命進(jìn)行預(yù)估。

產(chǎn)生的雙曲余弦函數(shù)信號波形如圖8所示。

圖8 雙曲余弦函數(shù)信號波形圖Fig.8 Hyperbolic cosine function signal waveform

雙曲余弦函數(shù)在研究雙曲余弦高斯光束在左手平板材料中的傳輸特性中，可以起到輸入信號的作用［15］。其傳輸特性為：在同一傳輸面工作頻率越大，中心光強(qiáng)越強(qiáng)。通過改變頻率來進(jìn)行試驗(yàn)，以及其他需要進(jìn)行此信號輸入的場合，可以將其作為信號源來產(chǎn)生多種頻率的信號。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種多功能函數(shù)信號發(fā)生器，利用STM32的高頻率特性、DMA功能以及芯片內(nèi)部含有12位DAC來實(shí)現(xiàn)。通過按鍵操作或串口輸入的方式，可以識別所要產(chǎn)生波形的種類，并可以通過串口輸入設(shè)定其所產(chǎn)生的頻率、幅值等。由于系統(tǒng)所采用DAC具有較高的分辨率，所以輸出信號失真小。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能夠通過程序來靈活控制波形，利用math.h函數(shù)，能夠產(chǎn)生可用函數(shù)進(jìn)行表示的任意波形。今后可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，如產(chǎn)生調(diào)制波等。

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Design of the Multi-Functional Signal Generator

WANG Shan，WANG Li，WANG Guoshuai，YANG Min，MA Zhenxing
（School of Mechanical Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

At present，the commercial available signal generators only provide a few types of waveforms，mainly including square wave，sine wave and sawtooth wave，and these generators are expensive，while in laboratory and various other occasions，more complex waveforms may be necessary to be used as inputs in simulation experiments.Aiming at these problems，a function signal generator based on STM32 has been designed.In this signal generator，D/A conversion is used，and the control of signal type，frequency，voltage is achieved by software.With STM32 as the control core，the signal generator connects the keyboard externally to achieve therapid changes of wave shape and frequency through its input；by adopting math.h function library，besides the waveforms used frequently，such as sine wave，square wave，sawtooth wave，and triangular wave，this signal generator also outputs the analog signals of exponential function，logarithmic function and other functions as well as the waveforms which frequency and voltage are changing along with time.Experiments show that the signal generator is simple in design；it achieves the flexible control for signal waveform，frequency and etc.；the system is stable and reliable；the distortion of the output signal is small.The generator is low cost and low power consumption.This function signal generator can be applied in laboratory and other occasions.

STM32；D/A conversion；Signal generator；Math.h library；Sine function；Exponential function；Logarithmic function；Hyperbolic cosine function

TH7；TP2

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711025

修改稿收到日期：2017-06-08

中北大學(xué)研究生科技立項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（20161302）

王珊（1992—），女，在讀碩士研究生，主要從事機(jī)電控制系統(tǒng)方向的研究。E-mail：1256142954@qq.com。王利(通信作者)，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)控制。E-mail：2507865786@qq.com。