1.1基本要求
(1)具有產生正弦波、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次諧波計算);重復頻率可調,頻率步進間隔≤100Hz。
(5)輸出波形幅度范圍0~5V(峰-峰值),可按步進0.1V(峰-峰值)調整。
(6)具有顯示輸出波形的類型、重復頻率和幅度的功能。
1.2發揮部分
(1)輸出波形頻率范圍擴展至100Hz~200kHz。
(2)用鍵盤或其他輸入裝置產生任意波形。
(3)增加穩幅輸出功能,當負載變化時,輸出電壓幅度變化不大于±3%(負載電阻變化范圍:100Ω~∞)。
(4)具有掉電存儲功能,可存儲掉電前編輯的波形和設置。
(5)可產生單次或多次(1000次以下)特定波形(如產生1個半周期三角波輸出)。
(6)其它(如增加頻譜分析、頻率擴展>200kHz、失真度分析、掃頻輸出等功能)。
方案一:模數結合實現,一般是在模擬電路上產生函數信號波形,而用數字方式改變信號的頻率和幅度。如采用D/A裝換器與壓控電路改變信號頻率,用數控放大器或數控衰減器改變信號幅度等。
方案二:模擬電路實現,全采用模擬電路,可用正弦波發生器產生正弦波信號,然后過零比較產生方波,再經積分電路產生三角波。這種方法電路簡單,并具有良好的正弦波和方波信號。但要通過積分器電路產生同步的三角波信號,存在較大難度。原因是積分電路的積分時間常數通常不變,而隨著方波頻率改變,積分器輸出的三角波幅度將同時改變。若要保持三角波幅度,就得同時改變積分時間長度的大小,要實現這點會很難。
方案三:數字電路實現,采用DDS方法,任何頻率的波形都可看做由一系列的取樣點所組成,可事先將各波形的數據點存儲在ROM中,再通過時鐘的控制順序從ROM中讀出,再經D/A轉化器進行逐點恢復。這種方案的波形精度主要取決于函數信號波形的存儲點數、D/A轉換器的轉換速度、以及整個電路的時序處理等。
其信號頻率的高低,是通過改變D/A轉換器輸入數字量的速率或是取點數量來實現的。這種方案在信號頻率較低時,具有較好的波形質量。隨著信號頻率提高,需要提高輸入數字量的速率,或減少波形點數。波形點數的減少,將直接影響函數型號波形的質量,而數字量的輸入速率的提高也是有限。
方案選擇:經上各方案比較,為切合本次課題,故采用方案三。
數字電路實現,采用DDS方法,任何頻率的波形都可看做由一系列的取樣點所組成,可事先將各波形的數據點存儲在ROM中,再通過時鐘的控制順序從ROM中讀出,再經D/A轉化器進行逐點恢復。這種方案的波形精度主要取決于函數信號波形的存儲點數、D/A轉換器的轉換速度、以及整個電路的時序處理等。總體方案設計框圖如下:

STM32F407ZGT6單片機、2.8寸TFTLCD顯示屏,配置有Keil uVision5工程環境的PC機一臺、外部硬件放大電路和負載電路。
本設計由四個模塊組成:MCU控制模塊、按鍵模塊、信號輸出模塊和LCD顯示模塊。

系統的MCU采用STM32F407ZGT6作為控制模塊,主要完成按鍵掃描、信號輸出、LCD顯示等。STM32系列單片機具有內置DAC轉換器和DMA控制器,并有最高72MHz的主頻,可完成較高頻率信號的穩定輸出。
系統采用一個鍵盤來控制輸出波形的特征。“Hz”按鍵調節頻率且單位為Hz,“kHZ” 按鍵調節頻率且單位為kHz,“10mv”按鍵調節幅度且單位為10mv,“duty”按鍵調節占空比,“ChangeWave”按鍵調節輸出波形,數字“0-9”調節頻率、幅度、占空比的數值,“X”清除當前已輸入的數字串,“-”清除數字串最后輸入的一個數字符。
單片機的DAC外設、DMA控制器和定時器共同協作完成信號波形的輸出。信號輸出采用定時器觸發DMA傳輸數據到DAC寄存器的方式,可大大降低信號輸出對CPU的占用率并提高波形的精準性。
本設計通過TFTLCD顯示屏顯示波形信息,MCU與TFTLCD顯示屏顯示屏通過串行方式傳輸數據,當波形發生變化時立即更新LCD顯示信息,實現了人機界面的交互。
程序流程圖主要完成的任務有:按鍵掃描、LCD顯示和D/A轉換。在主程序中對各個模塊進行初始化。



方案一:使用晶體三極管多級放大電路設計
將stm32f4開發板DAC輸出端接入放大電路第一級——射極輸出器(共集電極電路)。射極輸出器作為第一級使得多級放大電路的輸入電阻增加,減少電路對輸入信號的影響。
三極管多級放大電路第二級采用基極分壓式共射極放大電路。主要為放大輸入信號,優點為通過電阻Re的反饋使得靜態工作點穩定。
三極管多級放大電路第三極再次采用射極輸出器,使得輸出電阻變小,增加電路的帶負載能力,輸出電壓受負載改變變化小,以達到題目要求。
該方案優點:電路每個部分可控,調試清晰明了,元件易替換;
該方案缺點:電路很復雜。
方案二:使用LM324運算放大器搭建放大電路
LM324內部中集成四個運算放大器,使用一個LM324即可設計出與方案一功能相同的多級放大電路。運放多級放大電路第一級采用電壓跟隨器,增大輸入電阻;第二級采用反相比例放大電路,對輸入信號進行放大;第三極再次采用電壓跟隨器,減少輸出電阻,增加帶負載能力。
該方案優點:電路設計簡單,且相比方案一更穩定。
該方案缺點:只能通過外接元器件調試電路,芯片內部出現問題不易診斷及調試。
方案確定:經過對內商討,出于電路穩定性及簡潔性,采用方案二設計硬件放大電路。在電路輸出到地間接入串聯的開關和10kΩ負載,當開關斷開時即負載無窮大。



在放大電路沒通電的情況下,DAC輸出信號一接入放大電路輸入端口,測試電路輸入端口信號,信號衰減了一半。通上電后,電路輸入端信號基本衰減消失。
原因:查看電路后發現,輸入信號直接接入運放的反相比例放大電路時已存在串聯負反饋,使得輸入信號被抑制,在放大電路通上電壓工作后,這種負反饋更大,使得輸入信號完全被抑制。
調試解決:在信號輸入反相比例放大電路之前先經過電壓跟隨器,增加電路輸入電阻,使得輸入信號在輸入端受負反饋影響小。
電路調整完后,輸出信號達到要求,但依然存在交越失真,且在頻率增大時交越失真更嚴重。
原因:LM324芯片本身存在的問題。
調試解決:在第一級電壓跟隨器和第二級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負載,交越失真完全消失。

























CDIO三級培訓——波形發生器報告.docx
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