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1.1基本要求
（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。
（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（5次以下）线性组合的波形。
（3）具有波形存储功能。
（4）输出波形的频率范围为100Hz～20kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz。
（5）输出波形幅度范围0～5V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。
（6）具有显示输出波形的类型、重复频率和幅度的功能。 1.2发挥部分
（1）输出波形频率范围扩展至100Hz～200kHz。
（2）用键盘或其他输入装置产生任意波形。
（3）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于±3%（负载电阻变化范围：100Ω～∞）。
（4）具有掉电存储功能，可存储掉电前编辑的波形和设置。
（5）可产生单次或多次（1000次以下）特定波形（如产生1个半周期三角波输出）。
（6）其它（如增加频谱分析、频率扩展>200kHz、失真度分析、扫频输出等功能）。
2.设计方案 方案一:模数结合实现，一般是在模拟电路上产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用D/A装换器与压控电路改变信号频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号幅度等。 方案二:模拟电路实现，全采用模拟电路，可用正弦波发生器产生正弦波信号，然后过零比较产生方波，再经积分电路产生三角波。这种方法电路简单，并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大难度。原因是积分电路的积分时间常数通常不变，而随着方波频率改变，积分器输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波幅度,就得同时改变积分时间长度的大小，要实现这点会很难。 方案三:数字电路实现，采用DDS方法，任何频率的波形都可看做由一系列的取样点所组成，可事先将各波形的数据点存储在ROM中，再通过时钟的控制顺序从ROM中读出，再经D/A转化器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。 其信号频率的高低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率或是取点数量来实现的。这种方案在信号频率较低时，具有较好的波形质量。随着信号频率提高，需要提高输入数字量的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数型号波形的质量，而数字量的输入速率的提高也是有限。 方案选择：经上各方案比较，为切合本次课题，故采用方案三。 数字电路实现，采用DDS方法，任何频率的波形都可看做由一系列的取样点所组成，可事先将各波形的数据点存储在ROM中，再通过时钟的控制顺序从ROM中读出，再经D/A转化器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。总体方案设计框图如下：
3.设计实现 3.1实验器材 STM32F407ZGT6单片机、2.8寸TFTLCD显示屏,配置有Keil uVision5工程环境的PC机一台、外部硬件放大电路和负载电路。 3.2设计框图 本设计由四个模块组成：MCU控制模块、按键模块、信号输出模块和LCD显示模块。 3.2系统框图 3.2.1 MCU控制模块 系统的MCU采用STM32F407ZGT6作为控制模块，主要完成按键扫描、信号输出、LCD显示等。STM32系列单片机具有内置DAC转换器和DMA控制器，并有最高72MHz的主频，可完成较高频率信号的稳定输出。 3.2.2 按键控制模块 系统采用一个键盘来控制输出波形的特征。“Hz”按键调节频率且单位为Hz，“kHZ” 按键调节频率且单位为kHz，“10mv”按键调节幅度且单位为10mv，“duty”按键调节占空比，“ChangeWave”按键调节输出波形，数字“0-9”调节频率、幅度、占空比的数值，“X”清除当前已输入的数字串，“-”清除数字串最后输入的一个数字符。 3.2.3 信号输出模块 单片机的DAC外设、DMA控制器和定时器共同协作完成信号波形的输出。信号输出采用定时器触发DMA传输数据到DAC寄存器的方式，可大大降低信号输出对CPU的占用率并提高波形的精准性。 3.2.4 LCD显示模块 本设计通过TFTLCD显示屏显示波形信息，MCU与TFTLCD显示屏显示屏通过串行方式传输数据，当波形发生变化时立即更新LCD显示信息，实现了人机界面的交互。 3.3程序流程图 程序流程图主要完成的任务有：按键扫描、LCD显示和D/A转换。在主程序中对各个模块进行初始化。 3.2程序流程图框图
3.3.1 外部中断流程图和定时器中断流程图 3.3.1 外部中断流程图 3.3.1 定时器中断流程图
3.3.2 D/A转换流程图 3.3.2 D/A转换流程图
4.硬件电路 4.1设计方案 方案一:使用晶体三极管多级放大电路设计 将stm32f4开发板DAC输出端接入放大电路第一级——射极输出器（共集电极电路）。射极输出器作为第一级使得多级放大电路的输入电阻增加，减少电路对输入信号的影响。 三极管多级放大电路第二级采用基极分压式共射极放大电路。主要为放大输入信号，优点为通过电阻Re的反馈使得静态工作点稳定。 三极管多级放大电路第三极再次采用射极输出器，使得输出电阻变小，增加电路的带负载能力，输出电压受负载改变变化小，以达到题目要求。 该方案优点：电路每个部分可控，调试清晰明了，元件易替换； 该方案缺点：电路很复杂。 方案二:使用LM324运算放大器搭建放大电路 LM324内部中集成四个运算放大器，使用一个LM324即可设计出与方案一功能相同的多级放大电路。运放多级放大电路第一级采用电压跟随器，增大输入电阻；第二级采用反相比例放大电路，对输入信号进行放大；第三极再次采用电压跟随器，减少输出电阻，增加带负载能力。 该方案优点：电路设计简单，且相比方案一更稳定。 该方案缺点：只能通过外接元器件调试电路，芯片内部出现问题不易诊断及调试。 方案确定：经过对内商讨，出于电路稳定性及简洁性，采用方案二设计硬件放大电路。在电路输出到地间接入串联的开关和10kΩ负载，当开关断开时即负载无穷大。 4.2Multisim仿真图 4.2 Multisim仿真图 4.3PCB原理图 4.3 PCB原理图 4.4PCB板布线图 4.4 PCB板布线图 4.5电路调试 4.5.1 问题一： 在放大电路没通电的情况下，DAC输出信号一接入放大电路输入端口，测试电路输入端口信号，信号衰减了一半。通上电后，电路输入端信号基本衰减消失。 原因：查看电路后发现，输入信号直接接入运放的反相比例放大电路时已存在串联负反馈，使得输入信号被抑制，在放大电路通上电压工作后，这种负反馈更大，使得输入信号完全被抑制。 调试解决：在信号输入反相比例放大电路之前先经过电压跟随器，增加电路输入电阻，使得输入信号在输入端受负反馈影响小。 4.5.2 问题二： 电路调整完后，输出信号达到要求，但依然存在交越失真，且在频率增大时交越失真更严重。 原因：LM324芯片本身存在的问题。 调试解决：在第一级电压跟随器和第二级放大电路的各输出引脚到地（采用单电源供电，即接到11引脚）接入1kΩ负载，交越失真完全消失。 5.设计验证 在Keil uVision5工程环境编写程序，连接好电脑、STM32开发板、仿真器、示波器还有硬件电路。代码编译无误后下载到开发板，用示波器观察D/A输出波形。通过相关的键盘操作，改变波形的各项参数，并观察示波器对应的波形参数是否与操作一致。 5.1测试数据及波形截图 5.1.1 默认参数(500Hz、2.00V、50%)正弦波、三角波、锯齿波、方波 图1 500Hz、2.00V 正弦波 图2 500Hz、2.00V 三角波 图3 500Hz、2.00V 锯齿波 图4 500Hz、2.00V、50% 方波 5.1.2 输出波形频率范围100Hz-20kHz，重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz （1）100Hz 图1 100Hz、2.00V 正弦波 图2 100Hz、2.00V 三角波 图3 100Hz、2.00V 锯齿波 图4 100Hz、2.00V、50% 方波 （2）5kHz 图1 5kHz、2.00V 正弦波 图2 5kHz、2.00V 三角波 图3 5kHz、2.00V 锯齿波 图4 5kHz、2.00V 方波 （3）20kHz 图1 20kHz、2.00V 正弦波 图2 20kHz、2.00V 三角波 图3 20kHz、2.00V 锯齿波 图4 20kHz、2.00V、50% 方波 （4）频率步进≤100Hz 图1 500HZ到550Hz，步进50HZ 图2 550Hz到560Hz，步进10Hz 图3 560Hz到565Hz，步进5Hz 5.1.3 输出波形幅度范围0-5V（峰峰值），可按步进0.1V（峰峰值）调整 图1 1kHz、3.10V 正弦波 图2 1kHz、4.20V 正弦波 图3 1kHz、5.00V 正弦波 5.1.4 具有显示输出波形的类型、重复频率和幅度的功能 5.1.5 用键盘调节方波占空比 5.2结果分析 通过调节各功能按键，选择波形，可在示波器上观察相应的波形输出，也可以改变输出波形的幅值及频率和方波的占空比，波形输出与设置的参数基本保持一致。由于开发板最大输出电压为3.3V，必须外接一个放大电路保证输出电压能够达到5V，接入放大电路后，经过测试达到了项目的要求。输出频率范围能够扩展至200kHz，但由于开发板硬件配置的限制，导致输出波形有失真。稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化在误差范围内。 6.总结 波形发生器的设计圆满结束，意味着我们最后一个实训的结束。在经历了前面两次的CDIO实训之后，我们的综合技能，不仅仅只是局限于课本上的内容。这一次的实训任务是要求我们自己设计一个波形发生器，在经过组内的讨论之后我们选择用STM32开发板来完成，这样，在上次实训中所学到的关于STM32的知识就派上了用场。 采用DDS的方法实现波形发生器，充分考验了我们的软件编程能力以及对于开发板、波形发生器原理的熟悉程度。这其中会遇到许多问题，关于按键的布控、波形的产生、信号的输出以及如何达到所要求的输出幅度等等。通过组员的分工合作，网上查找资料，最后取得进展，实现了键盘各个模块的功能，并通过外部放大电路达到了题目要求的输出幅度。通过这一次实训，我们深有体会，即便以后从事和本专业不同的职业，我们这次实训所收获的解决问题的能力、思考问题的方法、以及遇到困难不放弃的精神都会使我们受益终身。
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