1.1基本要求
　　（1）具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形的功能。
　　（2）用鍵盤輸入編輯生成上述三種波形（同周期）的線性組合波形，以及由基波及其諧波（5次以下）線性組合的波形。
　　（3）具有波形存儲(chǔ)功能。
　　（4）輸出波形的頻率范圍為100Hz～20kHz（非正弦波頻率按10次諧波計(jì)算）；重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔≤100Hz。
　　（5）輸出波形幅度范圍0～5V（峰-峰值），可按步進(jìn)0.1V（峰-峰值）調(diào)整。
　　（6）具有顯示輸出波形的類型、重復(fù)頻率和幅度的功能。

1.2發(fā)揮部分
　　（1）輸出波形頻率范圍擴(kuò)展至100Hz～200kHz。
　　（2）用鍵盤或其他輸入裝置產(chǎn)生任意波形。
　　（3）增加穩(wěn)幅輸出功能，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓幅度變化不大于±3%（負(fù)載電阻變化范圍：100Ω～∞）。
　　（4）具有掉電存儲(chǔ)功能，可存儲(chǔ)掉電前編輯的波形和設(shè)置。
　　（5）可產(chǎn)生單次或多次（1000次以下）特定波形（如產(chǎn)生1個(gè)半周期三角波輸出）。
　　（6）其它（如增加頻譜分析、頻率擴(kuò)展>200kHz、失真度分析、掃頻輸出等功能）。

方案一:模數(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)，一般是在模擬電路上產(chǎn)生函數(shù)信號(hào)波形，而用數(shù)字方式改變信號(hào)的頻率和幅度。如采用D/A裝換器與壓控電路改變信號(hào)頻率，用數(shù)控放大器或數(shù)控衰減器改變信號(hào)幅度等。

方案二:模擬電路實(shí)現(xiàn)，全采用模擬電路，可用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，然后過(guò)零比較產(chǎn)生方波，再經(jīng)積分電路產(chǎn)生三角波。這種方法電路簡(jiǎn)單，并具有良好的正弦波和方波信號(hào)。但要通過(guò)積分器電路產(chǎn)生同步的三角波信號(hào)，存在較大難度。原因是積分電路的積分時(shí)間常數(shù)通常不變，而隨著方波頻率改變，積分器輸出的三角波幅度將同時(shí)改變。若要保持三角波幅度,就得同時(shí)改變積分時(shí)間長(zhǎng)度的大小，要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)會(huì)很難。

方案三:數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，采用DDS方法，任何頻率的波形都可看做由一系列的取樣點(diǎn)所組成，可事先將各波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)在ROM中，再通過(guò)時(shí)鐘的控制順序從ROM中讀出，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化器進(jìn)行逐點(diǎn)恢復(fù)。這種方案的波形精度主要取決于函數(shù)信號(hào)波形的存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、以及整個(gè)電路的時(shí)序處理等。

其信號(hào)頻率的高低，是通過(guò)改變D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的速率或是取點(diǎn)數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種方案在信號(hào)頻率較低時(shí)，具有較好的波形質(zhì)量。隨著信號(hào)頻率提高，需要提高輸入數(shù)字量的速率，或減少波形點(diǎn)數(shù)。波形點(diǎn)數(shù)的減少，將直接影響函數(shù)型號(hào)波形的質(zhì)量，而數(shù)字量的輸入速率的提高也是有限。

方案選擇：經(jīng)上各方案比較，為切合本次課題，故采用方案三。

數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，采用DDS方法，任何頻率的波形都可看做由一系列的取樣點(diǎn)所組成，可事先將各波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)在ROM中，再通過(guò)時(shí)鐘的控制順序從ROM中讀出，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化器進(jìn)行逐點(diǎn)恢復(fù)。這種方案的波形精度主要取決于函數(shù)信號(hào)波形的存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、以及整個(gè)電路的時(shí)序處理等。總體方案設(shè)計(jì)框圖如下：

STM32F407ZGT6單片機(jī)、2.8寸TFTLCD顯示屏,配置有Keil uVision5工程環(huán)境的PC機(jī)一臺(tái)、外部硬件放大電路和負(fù)載電路。

本設(shè)計(jì)由四個(gè)模塊組成：MCU控制模塊、按鍵模塊、信號(hào)輸出模塊和LCD顯示模塊。

    系統(tǒng)的MCU采用STM32F407ZGT6作為控制模塊，主要完成按鍵掃描、信號(hào)輸出、LCD顯示等。STM32系列單片機(jī)具有內(nèi)置DAC轉(zhuǎn)換器和DMA控制器，并有最高72MHz的主頻，可完成較高頻率信號(hào)的穩(wěn)定輸出。

     系統(tǒng)采用一個(gè)鍵盤來(lái)控制輸出波形的特征。“Hz”按鍵調(diào)節(jié)頻率且單位為Hz，“kHZ” 按鍵調(diào)節(jié)頻率且單位為kHz，“10mv”按鍵調(diào)節(jié)幅度且單位為10mv，“duty”按鍵調(diào)節(jié)占空比，“ChangeWave”按鍵調(diào)節(jié)輸出波形，數(shù)字“0-9”調(diào)節(jié)頻率、幅度、占空比的數(shù)值，“X”清除當(dāng)前已輸入的數(shù)字串，“-”清除數(shù)字串最后輸入的一個(gè)數(shù)字符。

單片機(jī)的DAC外設(shè)、DMA控制器和定時(shí)器共同協(xié)作完成信號(hào)波形的輸出。信號(hào)輸出采用定時(shí)器觸發(fā)DMA傳輸數(shù)據(jù)到DAC寄存器的方式，可大大降低信號(hào)輸出對(duì)CPU的占用率并提高波形的精準(zhǔn)性。

本設(shè)計(jì)通過(guò)TFTLCD顯示屏顯示波形信息，MCU與TFTLCD顯示屏顯示屏通過(guò)串行方式傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)波形發(fā)生變化時(shí)立即更新LCD顯示信息，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面的交互。

程序流程圖主要完成的任務(wù)有：按鍵掃描、LCD顯示和D/A轉(zhuǎn)換。在主程序中對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。

            

                  

方案一:使用晶體三極管多級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

將stm32f4開(kāi)發(fā)板DAC輸出端接入放大電路第一級(jí)——射極輸出器（共集電極電路）。射極輸出器作為第一級(jí)使得多級(jí)放大電路的輸入電阻增加，減少電路對(duì)輸入信號(hào)的影響。

三極管多級(jí)放大電路第二級(jí)采用基極分壓式共射極放大電路。主要為放大輸入信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)為通過(guò)電阻Re的反饋使得靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。

三極管多級(jí)放大電路第三極再次采用射極輸出器，使得輸出電阻變小，增加電路的帶負(fù)載能力，輸出電壓受負(fù)載改變變化小，以達(dá)到題目要求。

該方案優(yōu)點(diǎn)：電路每個(gè)部分可控，調(diào)試清晰明了，元件易替換；

該方案缺點(diǎn)：電路很復(fù)雜。

方案二:使用LM324運(yùn)算放大器搭建放大電路

LM324內(nèi)部中集成四個(gè)運(yùn)算放大器，使用一個(gè)LM324即可設(shè)計(jì)出與方案一功能相同的多級(jí)放大電路。運(yùn)放多級(jí)放大電路第一級(jí)采用電壓跟隨器，增大輸入電阻；第二級(jí)采用反相比例放大電路，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大；第三極再次采用電壓跟隨器，減少輸出電阻，增加帶負(fù)載能力。

該方案優(yōu)點(diǎn)：電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且相比方案一更穩(wěn)定。

該方案缺點(diǎn)：只能通過(guò)外接元器件調(diào)試電路，芯片內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題不易診斷及調(diào)試。

方案確定：經(jīng)過(guò)對(duì)內(nèi)商討，出于電路穩(wěn)定性及簡(jiǎn)潔性，采用方案二設(shè)計(jì)硬件放大電路。在電路輸出到地間接入串聯(lián)的開(kāi)關(guān)和10kΩ負(fù)載，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)即負(fù)載無(wú)窮大。

在放大電路沒(méi)通電的情況下，DAC輸出信號(hào)一接入放大電路輸入端口，測(cè)試電路輸入端口信號(hào)，信號(hào)衰減了一半。通上電后，電路輸入端信號(hào)基本衰減消失。

原因：查看電路后發(fā)現(xiàn)，輸入信號(hào)直接接入運(yùn)放的反相比例放大電路時(shí)已存在串聯(lián)負(fù)反饋，使得輸入信號(hào)被抑制，在放大電路通上電壓工作后，這種負(fù)反饋更大，使得輸入信號(hào)完全被抑制。

調(diào)試解決：在信號(hào)輸入反相比例放大電路之前先經(jīng)過(guò)電壓跟隨器，增加電路輸入電阻，使得輸入信號(hào)在輸入端受負(fù)反饋影響小。

電路調(diào)整完后，輸出信號(hào)達(dá)到要求，但依然存在交越失真，且在頻率增大時(shí)交越失真更嚴(yán)重。

原因：LM324芯片本身存在的問(wèn)題。

調(diào)試解決：在第一級(jí)電壓跟隨器和第二級(jí)放大電路的各輸出引腳到地（采用單電源供電，即接到11引腳）接入1kΩ負(fù)載，交越失真完全消失。

CDIO三級(jí)培訓(xùn)——波形發(fā)生器報(bào)告.docx (13.52 MB, 下載次數(shù): 51)

2019-9-10 16:50 上傳

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