基于STM32的高精度PWM信號發生器的設計

申慶華

（桂林理工大學信息科學與工程學院，廣西桂林，541006）

0 引言

PWM的英文全稱是”Pulse Width Modulation”，中文翻譯為"脈沖寬度調制"。PWM信號的應用十分廣泛，比如使用PWM信號控制溫度、控制比例閥的開度、控制電機的轉速、控制舵機的轉向等。對這些應用范圍要求精度比較高的地方，特制作了這一高精度脈沖信號發生器。

1 硬件設計

為滿足應用的要求，該信號發生器的設計目的是能產生頻率，電壓，占空比均可以調節的高精度，大功率脈沖信號[1]。該信號發生器的硬件部分：通過STM32 F103C8T6[2]單片機定時器輸出頻率，占空比，電壓都可調節的PWM信號，但是從STM32單片機輸出的PWM信號的波形和電壓無法達到設計的要求，所以要再經過模擬開關MAX4626進行波形整形得到較為完美的波形后，再用放大電路AD8397來放大達到電壓在0.1V到5V之間可調，這樣就得到較大功率的脈沖信號，同時通過LCD顯示器顯示各個參數指標。系統硬件框圖如圖1示。

圖1 系統硬件框圖

1.1 STM32F103C8T6最小系統設計

本信號發生器采用STM32F103C8T6最小系統板，其核心芯片為STM32F103C8T6，自帶電壓穩壓芯片，擁有復位按鍵、8M主晶振、32.768KHZ晶振用于校準或供內置RTC使用，自帶USB接口，STM32F103C8T6最小系統板的B15、A8、A9和A10分別連接按鍵，A7～ A0、C15、C14和C13與顯示電路相連接，運用STM32F103C8T6定時器TIM1輸出PWM，設置最小系統板的A11引腳輸出PWM信號。STM32F103C8T6最小系統板的電路如圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6最小系統板的電路

1.2 模擬開關和放大電路設計

由于輸出信號的波形和電壓不能滿足設計的需求，所以采用了模擬開關和放大電路，模擬開關電路的芯片采用的是MAX4624，它是MAXIM公司生產的低開路電阻、低電壓先合后開單刀雙擲模擬開關。它具有過電流保護，能夠快速開閉，閉合及斷開最大時間均為50ns，電壓開路電阻很低，電路內部開關噪聲低的特點。當MAX4626的V+引腳接+5V的電壓時，Vin輸入信號最高可達2.4V，最低Vin為最低0.8V，而A11輸出的PWM信號的輸出電壓為3.3V，這就超過了MAX4626的輸入信號的最大電壓值，所以加上一個10K的電阻。

要求輸出電壓最大為5V，而模擬開關輸出電壓還不能滿足要求，要對模擬開關的輸出信號進行放大，從而滿足對電壓的要求。于是在模擬開關電路后接一個放大電路，以實現電壓在0.1V到5V之間可調。放大電路采用的是AD8397芯片，AD8397是高輸出電流雙運算放大器，可以有310mA的輸出電流。由AD8397和一些電阻組成同相比例運算電路，同相輸入端接信號Vin，反相輸入端通過電阻R4接地，Vout與Vin同相，根據“虛短”和“虛斷”：

R3=10K，R4=10K，所 以 Vout=2 Vin，所以該放大電路放大2倍。滿足電壓放大要求。模擬開關電路和放大電路圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 模擬開關電路

圖4 放大電路

1.3 總體電路設計

顯示器件用LCD1602，LCD1602的D0～ D7分別與相對應的STM32F103C8T6最小系統的A0～ A7相連接。端口V0需要連接一個滑動變阻器來調節。 根據前面的控制單元和整形放大電路，再加上LCD1602顯示，得到本信號發生器的總體電路設計如圖5所示。

圖5 總體電路設計

圖6 主程序流程圖

2 軟件設計

程序需要實現的是對按鍵輸入的數據進行接收、控制STM32F103C8T6中的輸出，以及LCD顯示輸出電壓、頻率、占空比等功能。首先定義好各個端口，計算好LCD顯示對應的值。經過程序的掃描，按鍵是否按下去判斷接下來要執行的程序，通過對STM32F103C8T6單片機的定時器TIM1進行編程，使定時器TIM1輸出PWM，再通過LCD顯示參數。主程序流程圖如圖6所示。

3 結束語

本信號發生器與其它相比具有如下優點：①較51單片機信號發生器而言，具有功能強大，頻率高，工作穩定等特性；②較專用DDS 芯片的信號發生器而言，具有結構簡單，成本低等特性。

本信號發生器各參數調節范圍為：脈沖占空比調節范圍為2- 100%; 電壓調節范圍為0- 5.0V，步進0.02V；頻率調節范圍為1KHz- 100KHz。通過對軟件硬件的調試和檢測表明，該系統的軟件和硬件均能夠很好的工作，能夠滿足教學和生產的要求。

本信號發生器還存在著一些誤差，就是設計出來的理論上的輸出電壓、占空比和頻率值與實際測量的輸出電壓、占空比和頻率值有一點誤差，應該是模擬開關和放大電路精度不夠造成的，用其他更好的芯片來代替則能得到更好的信號參數。