一種多功能信號源的研究與實踐

張 彬，李明科

（重慶航天職業技術學院，重慶 400021）

0 引 言

職業教育的課程體系應該基于能力而不是基于知識來進行開發，在電子類的專業基礎課程中開設了很多電子基礎知識方面的實驗內容[1]。目前，已有一些院校在開發模塊化的實驗設備，并結合設備開發相關教材和在線開放課程[2-4]。信號源是電氣類基礎課程常用的設備，如電路分析及應用、電工基礎、電工電子技能實訓、模擬電子技術及應用、數字電子技術及應用等課程。在開展這些基礎實驗時，通常需要對稱輸出正負可調的直流穩壓電源信號。在進行信號分析時，通常需要幅值和頻率都可調的周期信號，常見的如正弦波、三角波以及方波。開展實驗需要信號源的輸出穩定，并且具備一定的保護功能，才能保證學生在誤操作實驗設備時不至于損壞信號源。

1 整體設計

綜合考慮多種實驗需求，多功能信號源需要提供±5 V固定電壓輸出與±3～12 V可調電源輸出，同時能夠輸出幅值和頻率可調的周期波形。設計多功能信號源規格如表1所示。

表1 多功能信號源規格表

多功能信號源供電使用輸出電壓為直流15 V的適配器，多功能信號源內部使用DC/DC電源模塊轉換為其他規格的電壓，供給其他電路模塊使用。多功能信號源整體設計框架如圖1所示。

圖1 多功能信號源整體設計框構

主控電路采用單片機STM32F407VE，保證有充足的控制I/O口和較快的指令處理速度。同時配置一塊LCD顯示屏，用來顯示當前的電壓輸出和波形輸出情況。電源電路將15 V直流電壓轉換為±3～12 V/1 A輸出和±5 V/1 A輸出。信號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、正弦波輸出信號在頻率范圍1～100 kHz內連續可調，幅值0～12 V連續可調；方波信號輸出信號在頻率范圍1～100 kHz內連續可調，幅值0～5 V連續可調。

2 電源電路

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

圖2 可調電源電路

使用LM317三端正線性穩壓器進行設計，輸出電壓的變化主要通過調節信號+12 V_ADJ的電壓來實現。先將正電源變換為負電源，再使用LM337三端負線性穩壓器進行設計，通過調節可調信號-12 V_ADJ的電壓變化實現輸出電壓的變化。用戶在旋轉控制輸出電壓的可調電阻時會產生一個電壓信號，單片機采集這個電壓信號，經過計算和濾波后通過芯片自帶的數模轉換器給出連續變化的+12 V_ADJ和-12 V_ADJ信號，進而控制LM317和LM337輸出可調電壓。

電源電路主要將+15 V電源轉化為±5 V/1 A固定電源輸出，可以采用電源管理芯片TPS5430實現電路轉化功能，電路如圖3所示。

圖3 電源輸出電路

3 信號電路

DDS作為信號源常見芯片，常被用來設計信號模擬系統[5-8]。本設計使用DDS芯片AD9834，能夠產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，因此除非通過分段構建，否則不易生成。角度信息本質上是線性的，即每個單位時間內相位會旋轉固定角度。角速率取決于信號頻率，即ω=2πf。正弦波如圖4所示。

圖4 正弦波

如果給定參考時間間隔（時鐘周期），則可以確定該周期內的相位旋轉情況為：

則角速度為：

用參考時鐘頻率替換參考周期（1/fMCLK=Δt），則：

AD9834根據式（1）～（3）來構建輸出，并用數控振蕩器和相位調制器、SIN ROM以及數模轉換器來實現波形輸出。波形選擇和頻率計算通過單片機STM32F407VE實現，程序流程如圖5所示。

圖5 DDS配置程序流程

DDS芯片受單片機控制，波形輸出經運放NE5532處理后通過電容濾波，最終輸出波形信號。DDS波形信號發生電路如圖6所示。

圖6 DDS波形信號發生電路

4 實驗驗證

主控電路采用STM32F407VE，主要任務是采集波形選擇、幅值調制、頻率調制等信息，同時控制DDS波形發生芯片AD9834輸出波形。方波波形因為使用場合較少，可以通過單片機直接產生，再經MOS管2N7002進行功率放大輸出。按鍵控制電路可以控制信號源的開關、方波頻率的增減、輸出波形類型切換功能。經過實驗驗證，正弦波、三角波和方波輸出信號較為理想，無明顯失真和編寫，可以滿足教學儀器和設備使用，實驗驗證結果如圖7所示。

圖7 實驗結果

5 結 論

以STM32F407VE為核心控制芯片，設計了一款多功能信號源，可以輸出幅值和頻率可調的正弦波、三角波、方波。經實驗驗證，所設計的多功能信號源輸出電壓穩定、紋波和噪音都比較小，且輸出波形穩定干凈，適合作為教學儀器使用。