一種多功能信號(hào)源的研究與實(shí)踐

張 彬，李明科

（重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400021）

0 引 言

職業(yè)教育的課程體系應(yīng)該基于能力而不是基于知識(shí)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在電子類的專業(yè)基礎(chǔ)課程中開(kāi)設(shè)了很多電子基礎(chǔ)知識(shí)方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1]。目前，已有一些院校在開(kāi)發(fā)模塊化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并結(jié)合設(shè)備開(kāi)發(fā)相關(guān)教材和在線開(kāi)放課程[2-4]。信號(hào)源是電氣類基礎(chǔ)課程常用的設(shè)備，如電路分析及應(yīng)用、電工基礎(chǔ)、電工電子技能實(shí)訓(xùn)、模擬電子技術(shù)及應(yīng)用、數(shù)字電子技術(shù)及應(yīng)用等課程。在開(kāi)展這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常需要對(duì)稱輸出正負(fù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源信號(hào)。在進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)，通常需要幅值和頻率都可調(diào)的周期信號(hào)，常見(jiàn)的如正弦波、三角波以及方波。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)需要信號(hào)源的輸出穩(wěn)定，并且具備一定的保護(hù)功能，才能保證學(xué)生在誤操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)不至于損壞信號(hào)源。

1 整體設(shè)計(jì)

綜合考慮多種實(shí)驗(yàn)需求，多功能信號(hào)源需要提供±5 V固定電壓輸出與±3～12 V可調(diào)電源輸出，同時(shí)能夠輸出幅值和頻率可調(diào)的周期波形。設(shè)計(jì)多功能信號(hào)源規(guī)格如表1所示。

表1 多功能信號(hào)源規(guī)格表

多功能信號(hào)源供電使用輸出電壓為直流15 V的適配器，多功能信號(hào)源內(nèi)部使用DC/DC電源模塊轉(zhuǎn)換為其他規(guī)格的電壓，供給其他電路模塊使用。多功能信號(hào)源整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 多功能信號(hào)源整體設(shè)計(jì)框構(gòu)

主控電路采用單片機(jī)STM32F407VE，保證有充足的控制I/O口和較快的指令處理速度。同時(shí)配置一塊LCD顯示屏，用來(lái)顯示當(dāng)前的電壓輸出和波形輸出情況。電源電路將15 V直流電壓轉(zhuǎn)換為±3～12 V/1 A輸出和±5 V/1 A輸出。信號(hào)電路受主控電路控制，輸出正弦波、三角波和方波。其中三角波、正弦波輸出信號(hào)在頻率范圍1～100 kHz內(nèi)連續(xù)可調(diào)，幅值0～12 V連續(xù)可調(diào)；方波信號(hào)輸出信號(hào)在頻率范圍1～100 kHz內(nèi)連續(xù)可調(diào)，幅值0～5 V連續(xù)可調(diào)。

2 電源電路

電源電路主要將+15 V電源轉(zhuǎn)化為±3～12 V/1 A可調(diào)電源輸出，電路如圖2所示。

圖2 可調(diào)電源電路

使用LM317三端正線性穩(wěn)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸出電壓的變化主要通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)+12 V_ADJ的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。先將正電源變換為負(fù)電源，再使用LM337三端負(fù)線性穩(wěn)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)信號(hào)-12 V_ADJ的電壓變化實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化。用戶在旋轉(zhuǎn)控制輸出電壓的可調(diào)電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，單片機(jī)采集這個(gè)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算和濾波后通過(guò)芯片自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器給出連續(xù)變化的+12 V_ADJ和-12 V_ADJ信號(hào)，進(jìn)而控制LM317和LM337輸出可調(diào)電壓。

電源電路主要將+15 V電源轉(zhuǎn)化為±5 V/1 A固定電源輸出，可以采用電源管理芯片TPS5430實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)化功能，電路如圖3所示。

圖3 電源輸出電路

3 信號(hào)電路

DDS作為信號(hào)源常見(jiàn)芯片，常被用來(lái)設(shè)計(jì)信號(hào)模擬系統(tǒng)[5-8]。本設(shè)計(jì)使用DDS芯片AD9834，能夠產(chǎn)生高性能正弦波和三角波輸出[9,10]。正弦波通常用其幅度來(lái)表示，即a(t)=sin(ωt)。由于這類正弦波是非線性曲線，因此除非通過(guò)分段構(gòu)建，否則不易生成。角度信息本質(zhì)上是線性的，即每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)相位會(huì)旋轉(zhuǎn)固定角度。角速率取決于信號(hào)頻率，即ω=2πf。正弦波如圖4所示。

圖4 正弦波

如果給定參考時(shí)間間隔（時(shí)鐘周期），則可以確定該周期內(nèi)的相位旋轉(zhuǎn)情況為：

則角速度為：

用參考時(shí)鐘頻率替換參考周期（1/fMCLK=Δt），則：

AD9834根據(jù)式（1）～（3）來(lái)構(gòu)建輸出，并用數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器、SIN ROM以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)波形輸出。波形選擇和頻率計(jì)算通過(guò)單片機(jī)STM32F407VE實(shí)現(xiàn)，程序流程如圖5所示。

圖5 DDS配置程序流程

DDS芯片受單片機(jī)控制，波形輸出經(jīng)運(yùn)放NE5532處理后通過(guò)電容濾波，最終輸出波形信號(hào)。DDS波形信號(hào)發(fā)生電路如圖6所示。

圖6 DDS波形信號(hào)發(fā)生電路

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

主控電路采用STM32F407VE，主要任務(wù)是采集波形選擇、幅值調(diào)制、頻率調(diào)制等信息，同時(shí)控制DDS波形發(fā)生芯片AD9834輸出波形。方波波形因?yàn)槭褂脠?chǎng)合較少，可以通過(guò)單片機(jī)直接產(chǎn)生，再經(jīng)MOS管2N7002進(jìn)行功率放大輸出。按鍵控制電路可以控制信號(hào)源的開(kāi)關(guān)、方波頻率的增減、輸出波形類型切換功能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，正弦波、三角波和方波輸出信號(hào)較為理想，無(wú)明顯失真和編寫，可以滿足教學(xué)儀器和設(shè)備使用，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

以STM32F407VE為核心控制芯片，設(shè)計(jì)了一款多功能信號(hào)源，可以輸出幅值和頻率可調(diào)的正弦波、三角波、方波。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的多功能信號(hào)源輸出電壓穩(wěn)定、紋波和噪音都比較小，且輸出波形穩(wěn)定干凈，適合作為教學(xué)儀器使用。