简易数字控制双相信号发生器的设计与实现

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.

【干货】电路设计：LM324构建函数发生器，原理+设计步骤，秒懂

今天给大家分享的是 使用 LM324构建函数发生器。

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图片来源于网络

一、什么是LM324？

LM324 是一款低成本的四路运算放大器 。由 4 个高增益放大器组成，4 个运算放大器可由单一电压源供电。

LM324 实物图

LM324 有 14 个引脚，包括CDIP、PDIP、SOIC 和 TSSOP。

LM324 引脚图及其详细信息如下所示：

LM324 引脚图

以 LM324设计的低频信号发生器具有电路简单、波形稳定、经济实用、使用方便等优点。经常用来生成正弦波、方波、三角波信号，并且可以调节信号的频率和幅度。

二、什么是波形发生器

波形发生器是指产生具有所需参数的电测试信号的仪器。电路形式可以由运放和分立元件组成，也可以是单片机集成函数发生器。

波形发生器

三、使用LM324构建波形发生器

主要是以 LM324为核心器件，通过 RC 桥振荡电路产生正弦波，然后通过过零比较器产生方波，产生三角波通过函数集成电路。

1、如何生成和转换波形

波形生成和转换的方案有很多种，这里采用的是下图所示的：正弦波-方波-三角波 。

正弦波由 RC 桥式振荡电路产生 ，具有幅值和频率稳定、调节方波的特点，可以产生频率很低的正弦信号，然后用过零比较器产生方波 ，再用 RC 积分电路产生三角波 。

波形生成和转换

该电路结构简单，可以产生良好的正弦波和方波信号，但是很难通过集成电路产生同步的三角波信号，原因是如果积分电路的时间常数不变，则输出三角波输出幅度不变和良好的线性度，必须同时改变积分时间常数。

信号的频率由正弦振荡电路的 RC 选频网络决定。 由于频率范围很大，选频网路采用三组不同容量的电阻组成三个频段，由波段开关选择，再由同轴电位器调节振荡频率。

通过档位开关可选择三种波形，然后通过幅度调节电位器独立输出，达到信号选择和幅度调节的目的。

2、正弦波产生电路

正弦波产生电路不仅要产生所需的正弦信号，还要产生后续电路的输入信号。这部分电路采用典型的 RC 桥式正弦波振荡电路 。

如下电阻 R1 与电容 C1 串联，电阻 R2 与电容 C2 并联组成的网络为 RC 串并联选频网络。选频网络也是一个正反馈电路，提供零相移，构成同相放大器。

如图所示：该电路图由放大和选频网络组成。

R3 和 R4 是深度负反馈以获得良好的输出波形。

若 R1 = R 2 = R，C 1 = C 2 = C

则选频网络的中心频率为 f0 = 1/( 2πRC )

电路工作在该频率时，反馈系数最大，为 | F | max= 1/3。

根据振荡条件，放大电路的电压增益至少应为3A | (R 4 + R 3 ) / R 4 |。

因此，为保证电路的振荡， 要求 R3 > 2R4 。

正弦波产生电路

在实际应用中，为了调节放大器的频率和输出，可以采用下图的电路，其中 R 3 ～R 5 与二极管D 1、D 2 组成负反馈网络和稳幅环节。 调节 RV3 可以改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益以满足振荡的复制条件。

RC 振荡模拟电路

鉴于信号频率从 20Hz 到2 0kHz 的跨度大，采用两组容量相差10倍的三个电容和两个同轴电位器进行调节。

选择不同的电容作为振荡频率 f0 的粗调，利用同轴电位器实现 f0 的微调。不同电容和振荡频率f 0对应的电阻值如下所示：

振荡频率 f0 与电阻电容的对应关系

从上图可以看出，电容和电阻的每一种组合都可以调节一定范围的频率，并且这三个范围有交集，因此可以连续调节频率。如果要产生 200Hz 到 2kHz 的信号，可以将电容设置为33nF，然后调节 RV1和 RV2 ，使与 R1和 R2 串联的电阻在 24 kΩ 和 2.4 kΩ 之间变化。

3、方波发生器

方波发生器比较简单，运算放大器 LM324 的反相输入端接地，同相输入连接到正弦波产生电路的输出，形成一个过零比较器 ，如下图 所示。

方波发生器

当输入的正弦信号 sin 在正负半周之间变化时，输出为幅度固定、与正弦波同相的方波信号squ。

4、三角波发生电路

三角波发生电路采用如下所示的RC积分电路 ，由运算放大器U1：C、C 3 /C 3 '/C 3 ''、R7 和 RV4 组成。

三角波发生电路

方波信号 squ 通过 R7 和 RV4 连接到放大器的反相输入端，输出信号为 R7、RV4 和 C 3 组成的 RC 电路积分变换后产生的三角波trii / C 3 ' / C 3 "。C 3、C 3 '、C 3 "由波段开关选择（该开关应与所选频率网络的波段开关同步），以改变电路在不同频段的积分时间常数。

电位器 RV4 可以调整输出信号的幅度。为了得到线性度好的三角波，采用电阻 R8 进行负反馈限幅，选择元件参数时，积分电路的时间常数τ=RC应大于方波信号周期的一半（方波的宽度）。

如果信号频率为 100 Hz，则方波的宽度为 0.005 s。如果 C = 1 μF，则 R > 5 kΩ。

四、电路仿真与测试

将三部分电路按波形方案图所示的关系连接起来，再将各部分电路的输出连接到虚拟示波器上，然后开始仿真。

可以观察到下图的仿真波形。在仿真过程中，有几个问题需要注意：根据理论计算，当放大器增益大于3时，正弦波产生电路会开始振荡，但有时实际仿真过程中没有出现振动现象。

改变频段，必须同时改变三组电容C1 / C1 ′ / C1 ″，C2 / 2 ′ / C2 ″，C3 / C3 ′ / C3 ″ ，否则不会出现振动或波形失真。

电位器 RV1 和 RV2 应调整到相同的阻值，调整 RV3 使输出正弦波幅度达到最大不失真状态，RV4 可以调整输出三角波的幅度。

通过对该电路的实验测试，在示波器上可以观察到三种理想波形。需要注意的是：开关SW 1、SW 2、SW3 应使用 3 组以上的三位开关。RV 1、RV2 采用同轴电位器调节。

输出信号可以同时并联输出，也可以通过选择开关通过电位器单独输出（使信号幅度可调）。另外，实际测试时无需扰动电源。

仿真波形图

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